集成储能功能的动态电压恢复器，结合并网控制技术，用于微电网中电力质量扰动的抑制

《Journal of Energy Storage》：Energy storage-integrated Dynamic Voltage Restorer with grid-forming control for power quality disturbance rejection in microgrids

　　摘要
本文探讨了以变换器为主、储能系统丰富的混合微电网中的电压质量退化问题，其中电压下降、谐波和不平衡现象同时存在，而传统的动态电压恢复器（DVR）通常是为应对单一主要干扰而设计的。本文提出了一种协调控制框架，结合了集成式电池储能系统（BESS），以缓解多种电力质量问题：同步器控制生成用于解决电压下降和欠压问题的基本电网形成参考信号，而多谐振比例-共振控制器则针对选定的谐波和不平衡引起的负序分量进行补偿。控制器设计通过系统参数调整和对主要控制参数的小信号灵敏度分析得到了支持。该控制方法使用真实的MATLAB/Simulink微电网模型进行了评估。结果表明，即使从0.53 p.u.的残余电压开始，也能完全恢复电压，在采用的限制范围内各项指标得到改善——总电压谐波失真从17.6%降至0.47%，电压不平衡系数从8.74%降至0.22%。通过与相同干扰条件下的基于SRF的DVR控制器进行比较，进一步验证了所获得的电力质量指标。此外，还研究了微电网强度变化和负载规模变化对控制效果的影响。该控制策略通过实时数字模拟器与外部基于DSP的控制器相结合的硬件在环（HIL）实验得到了进一步验证。

引言
现代电力系统中的微电网实现了分散控制、可再生能源系统（RES）的集成以及在关键负载区域的灵活性提升[1][2]。微电网的广泛部署带来了维持电压稳定性和电力质量（PQ）的挑战，尤其是在惯性较低的逆变器连接的RES微电网中，当公共连接点（PCC）存在不平衡和/或非线性负载时，电压和电流波形会偏离正弦对称状态[3][4]。这导致了电压下降、谐波失真和不平衡现象，这些电力质量问题会负面影响敏感负载的运行并降低微电网的性能[5][6]。为了在这些干扰下保持可靠的电力系统网络，电力质量增强措施需要有效且具有适应性，包括调节RMS电压、抑制谐波成分以及减轻负序电压[3][4][6]。
在电力质量补偿选项中，动态电压恢复器（DVR）已被证明是处理电压相关问题的有效选择[7][8][9][10][11][12][13]。DVR的基本功能是在电压下降、上升或谐波干扰时注入串联电压以校正负载波形。然而，DVR在以变换器为主的微电网中的效果很大程度上取决于所采用的逆变器资源接口控制策略。许多DVR实现采用了基于锁相环（PLL）的电网跟随（GFL）同步控制，这种控制在电网弱化或微电网孤岛转换期间较为脆弱。因此，有必要在DVR控制器中嵌入电网形成（GFM）参考生成机制。

微电网中逆变器资源的控制通常遵循两种主要方法：GFL逆变器作为电流控制源，与电网保持相位锁定，它们调节有功功率（P）和无功功率（Q），但依赖于严格的上游参考信号，无法在弱电网条件下保持孤岛运行[14]；GFM逆变器则作为电压控制源设置本地电压幅值和频率，通过虚拟惯性和阻尼与电网互动，提供频率和电压支持，从而改善同步性能，并允许在没有上游电源的情况下运行[15]。一种广泛使用的GFM控制方法是同步器，它嵌入了摆动方程和电磁扭矩模型[16]。比例-共振（PR）控制器用于并网变换器和定制电力设备[17]，在选定频率（基波或选定的谐波）下具有无限增益，能够消除稳态误差。在包含非线性负载和不对称故障的微电网中，这种灵活性有助于谐波抑制，并且在同步dq0框架下处理负序（NS）分量[12]。
在本研究中，使用MATLAB/Simulink对一个真实的微电网进行了建模，该微电网包含光伏（PV）阵列、电池储能系统（BESS）单元、双向DC-DC变换器以及GFM和GFL逆变器。负载被分为关键负载和非关键负载，DVR与服务于关键负载分支的馈线串联连接。DVR与其他变换器共享直流链路，通过电压源逆变器（VSI）与LC滤波器和注入变压器相连。现有的DVR控制器通常专注于单一目标（例如电压下降恢复），并依赖于基于PLL的同步机制。在复合干扰、电网强度变化和负载变化条件下，基于PLL的结构和解耦的单目标调谐可能导致恢复速度变慢、耦合效应以及波形质量下降[7][8][9][10][11][12][13][18][19][20]。相比之下，GFM逆变器控制已被证明可以在弱电网和孤岛条件下改善电压和频率支持[15][16]，而PR和序列选择控制器仍然是有效的谐波和不平衡补偿工具[17]。然而，文献中对支持储能的DVR控制架构的覆盖仍有限，这些架构将GFM概念从传统的变换器电压形成功能扩展到了DVR的串联补偿功能。在本文提出的方法中，GFM和PR控制功能在统一的注入电压参考信号中协调工作，以补偿各种电力质量问题。同步器机制构成了DVR注入电压的基本组成部分，而选择性的多谐振控制器则用于扩展GFM-DVR的功能，不仅实现基波电压恢复，还包括谐波和负序补偿。因此，DVR的指令被构建为一个结构化的串联电压参考信号，将注入电压能力分配给RMS恢复、谐波抑制和不平衡补偿。这种基于组件的设计还为未来的余量感知操作提供了基础，即在优先考虑补偿目标时可以考虑有限的变换器电压/电流能力和直流链路能量可用性。此外，针对不同电网强度和负载水平的复合干扰验证和鲁棒性评估在代表性DVR研究中仍不够充分。为填补这一空白，本文开发了一种集成储能的DVR控制器，旨在在以变换器为主、储能支持的微电网中维持额定RMS电压，并在复合干扰下恢复波形对称性和频谱质量，包括弱电网和孤岛运行条件。

表1比较了近期代表性DVR研究在控制基础、运行范围和验证水平方面的差异，以便更清楚地定位本文提出的方法的贡献。先前的研究已经探讨了DVR基于的电力质量补偿的重要方面，包括电压下降缓解、谐波减少、智能控制、储能辅助恢复和多功能静态帧补偿[7][8][9][10][11][12]。然而，将支持储能的DVR构建为一个电网形成的串联电压合成器，在其中基于同步器的基波电压形成与选择性谐波补偿和负序补偿相结合，以及复合干扰验证、SCR/负载变化鲁棒性评估，并适用于并网和孤岛微电网运行，在现有研究中尚未得到充分体现。这激发了本文控制策略的开发。

本文的主要贡献包括：
- 提出了一种针对支持储能的DVR的电网形成串联补偿概念，通过将同步器机制适应于DVR的串联注入功能，实现在弱电网和孤岛微电网条件下对关键负载的基波电压恢复；
- 开发并评估了一种集成的同步器-PR框架，用于DVR电压合成，其中选择性合成和重组谐波整形和负序平衡电压分量，形成单一的三相注入电压参考信号，以实现协调的电压下降、谐波和不平衡补偿；
- 通过系统参数调整、小信号稳定性分析和特征值灵敏度分析确定了控制器设计和局部稳定性，并在监督备用/电力质量增强转换、单独和复合电力质量干扰、SCR和负载变化条件下评估了所提出的GFM-DVR的运行性能；
- 实现了控制器-植物硬件在环（HIL）配置，将提出的控制器在外部DSP上执行，微电网以实时方式表示，以评估电压下降和电压不平衡补偿。

研究结构
第2节定义了需要考虑的电力质量现象及其相关指标。第3节详细介绍了仿真平台和系统参数。第4节介绍了DVR控制方案、控制器参数调整以及小信号稳定性和灵敏度分析。第5节评估了所提出控制器的性能和鲁棒性。第6节展示了HIL验证结果，最后是结论部分。

讨论的电力质量挑战和指标
本文考虑了四种代表性的电力质量问题：电压下降、电压不平衡、谐波失真和电压上升。相关定义和指标在表2中进行了总结。这些指标在整个研究中用于电力质量评估。

仿真微电网架构描述
仿真系统反映了微电网的特性，包括有限的旋转惯性、高比例的变换器发电以及分布式控制，这些特点将基于RES的微电网与传统的公共事业连接系统区分开来[3][4][15]。系统中包含了可控负载集，以便再现各种电力质量干扰和运行场景，从而评估DVR的性能。
图1展示了两个直流母线，每个母线上都配有光伏阵列和BESS。

集成式同步器和多谐振控制器
本文提出了一种统一的DVR控制框架，用于处理多种电力质量干扰。该框架结合了提供GFM电压的同步器控制和一组多谐振PR控制器。根据所需的参考电压，DVR能够实时响应快速事件（如电压下降），同时减少持续性问题（如谐波失真和不平衡），并在受保护负载端保持稳定的运行状态。

电压下降补偿
该场景评估了DVR在严重三相电压下降条件下的表现，并使用表2中的指标进行性能评估。事件从?? =1秒开始，在?? =2秒时结束。DVR处于电力质量增强模式，恢复负载波形。为了精确评估电压调节和响应速度，将监督DVR的激活阈值设置为0.95 p.u.（218.5 V），以便在监测到的负载侧RMS电压低于此限制时启动补偿。

图6（a）实验室测试设置
图19展示了使用OPAL-RT OP4510实时数字模拟器进行的实验验证的HIL设置。该平台实时模拟电气网络、DVR功率阶段和测量通道，而提出的控制算法则在德州仪器TMS320F28379D数字信号处理器（DSP）上外部执行。反馈到控制器的变量包括负载相位电压（??????????,??????）、电网电压相位角（??????????）和三相DVR电流（????????,??????）。

结论
本文提出了一种能够在不同电网强度和孤岛或并网运行条件下，在以变换器为主的微电网中实现协调电压下降恢复、谐波抑制和不平衡缓解的DVR控制器。基于同步器的串联电压参考信号与多谐振补偿器相结合，实时缓解了电压下降、序列不平衡和谐波失真问题。

作者贡献声明
Ahmed N. Tahoon：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、数据分析、概念化；
Ahmed L. Elrefai：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、数据管理；
Tamer F. Megahed：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、软件资源；
Takeyoshi Kato：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论；
Diaa-Eldin A. Mansour：撰写——原始草稿、验证、监督；

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

埃及-日本科学技术大学（E-JUST）工程学院电气工程系，新博尔格阿拉伯城，亚历山大，21934，埃及