造成微电网电压暂降的原因有两类

造成微电网电压暂降的原因有两类：（1）微电网内部故障或者

负载突变造成电压暂降；（2）并网微电网上游的配电网发生故障或者负载突变造

成电压暂降。前者的电压跌幅较小，影响范围有限，补偿容易；而后者电压跌幅

较小，影响范围较广，补偿难度大。

电压暂降（Voltage Sag）是最为常见的电能质量问题之一

[53]

，主要用来描述

电力系统中线路电压的有效值突然出现的短时快速降低的事件。在电网正常运行

时，电源发出的功率和负载消耗的功率总是平衡的，一旦这种平衡被突然打破，

就有可能造成电压幅值的突然下跌，出现电压暂降。在对电压暂降的分析中，最

重要的三个量是下降幅值（深度）、持续时间和暂降频次

[]

。

下降深度是指电压额定值与发生电压暂降时电压的最小值之差 ΔU 与电压额

定值的百分比；持续时间是指从电压暂降发生到电压暂降结束所经历的时间；暂

降频次是指一定时间（通常为一年）内电压暂降发生的次数。

不同的研究组织对电压暂降时电压下降程度的规定并不相同，例如：作为世

界上成立最早的国际性电工标准化机构—国际电工委员会认为发生电压暂降时，

电压有效值降低为额定值的 10%到 90%；而国际电气与电子工程师协会则认为发生电压暂降时，电压有效值降低为额定电压的 10%到 90%。虽然各个国家或者组织对电压暂降的定义各不相同，但都一致认为电压暂降具有电压有效值降低、发生具有很大的随机性和持续时间较短的特点。

（2）电压暂降的随机预估法，以系统的参数和已有统计的故障记录为基础，

利用计算机建立统计模型，在理论上对随机发生的故障所造成的电压暂降进行预

估。较为常见的有故障点法和临界距离法。

（3）基于变换域的分析方法，测量和贮存电力系统中的各种电压信息，组成

数据源，然后利用域变换的方法对数据源进行分析处理，从而得到系统电压质量

的信息，较为常见的变换域的分析方法有 S

变换、小波变换、短时傅里叶变换、

以及 H

ilbert-Huang 变换等。

（4）瞬时无功功率分析法，以瞬时无功功率为基础，通过对采集到的电压信

号进行处理，能够快速确定电压暂降的幅值，实现对电能质量问题的准确识别和

分类。

（5）分形分析方法，以小波变换为工具，对各种扰动信号进行分解，得到其

特征量，从而准确地确定电压暂降发生的范围和幅值。

（6）数学形态学分析法，通过合理地选择结构元素，变换电压暂降的扰动波

形，然后利用形态学中的各种运算（膨胀、腐蚀、开、闭等），获得电压暂降信号

在不同刻度下的形态谱，来准确分析电力系统中电压的各种情况。

微网谐波谐振评估研究现状

谐波谐振是传统电力系统中的常见问题,主要分为并联谐振和串联谐振两类,

并联谐振通常由谐波电流源激发会引起过电压危害,串联谐振常常由故障或操作过

程产生的异常电压激发并会引起过电流危害。通常认为谐波谐振是由于系统中的

电容性元件和电感性元件之间发生了激烈的能量交换过程,传统电力系统中谐波谐

振一般发生在变压器、互感器和发电机的电感与输电线的对地及相间电容之间,或

者是无功补偿设备的电容与其他设备的电感之间。这些电容、电感之间的组合可以

构成一系列不同自振频率的谐振回路,因此在开关操作或发生故障时这些回路就有

可能与外加电源产生谐振现象,导致在系统中某个或某些元件上出现严重的谐振过

电压、过电流】。谐振现象的发生常常伴随设备绝缘老化、击穿,保护装置的损坏,

甚至烧毁断路器和电压互感器。根据谐振过程元件的性质不同还可以分为“线

性谐振过电压”、“铁磁谐振过电压”和“参数谐振过电压”三类'。

皆波谐振在微网环境下相匕传统电网在皆振构成上呈现出些新的特点哪一。

首先是微网中电压谐波成分的高低与分布式电源的输电流中谐波成分的高低是

存在较强的关联性的,因此分布式电源不应当再使用简单的恒定谐波电流源模型作

为分析的基础,而应采用更复杂的能体现这种关联性的模型。华中科技大学的阮新

波等人为了消除分布式电源在微网电压谐波扰动危害中的消极作用,从抑制分布式

电源中逆变器对谐波电压响应特性的角度出发改进了并网逆变器的控制方法并取

得了良好的效果【'。受限于制造材料的性质,相比传统设备微网环境卜出现的新

设备和新元件对谐波干扰和污染更加敏感也更易受到损坏'。而且传统电力系统中

元件的电感、电抗性质区别较为明显,微网环境下设备的组成和特性则复杂得多,

分析评估谐波谐振的水平以及各元件在谐波谐振中的作用也更困难。因此电力系统

传统谐波谐振评估的方法不能很好地适用于微网环境,他们不同程度地存在评估速

度慢、范围小的问题'一`。如“数值仿真模拟实验法”'和“频谱分析法”'

都存在耗时长、步骤多的问题,而且都缺乏提供有效解决谐振问题信息的能力。

模式评估法是一种适宜于微网环境的谐波谐振评估方法【'“一”,一该方法通过分

解目标系统的网络矩阵得到特征值,基于特征值在不同条件下的变化情况不仅能够

评估网络中存在的谐波谐振,还能评估这些谐振的程度和影响范围。但目前模式评

估法的应用仅限于对静态的传统电力系统的谐波谐振评估,对于谐波谐振的构成和

性质都会随着微网运行状态的变化而改变的微网谐波谐振模式评估法还需要进一

步的改进。针对微网环境下的特殊性质改进后的模式评估法将能够有效地防皆波

谐振危害微网和微网所在配电系统的正常运行。

微网电压暂降评估补偿问题的研究现状

一般认为,电压暂降是指供电电压短时下降又回升恢复的现象,这种电网电压

问题十分常见,持续时间可长可短,但却难以预知和避免〔川。随着经济社会的生产

技术的发展和自动化水平的提高,用户在遭遇电压暂降时受到的损失也越来越大。

据统计在美国每次电压暂降给用户带来的平均损失高达万美元'`。因此研究

切实有效的抑制供电网络中电压暂降的补偿方法是十分迫切的问题。电压暂降的补

偿方法可以大致分为两类,串联电压注入法或并联电流注入法”。串联电压注入

法,或称串联电压补偿法,其应用较为普遍”,补偿器常常为专用设备,最具代

表性的是态电压恢复器,”'〕,这种方法的优点

是补偿电压暂降时功率利用效率较高,但是受限于有功功率来源的缺乏,难以补偿

暂降深度大持续时间长的电压暂降,所以串联补偿法处理严重电压暂降的能力有限

〔”。并联电流注入法,或称并联电压补偿法,这种方法通过向补偿点注入电流改

善电压分布情况,一般不采用专用设备。例如,利用有源滤波器实现对一匕压暂降的

补偿”一””,利用静仁无功补偿器「'和分布式电源实现对电压暂降的补偿''。并

联电压补偿法的特点是一般不采用专用设备,常利用其它并联设备在电压暂降时充

当补偿器,但是因为补偿效率较低只能补偿程度轻微的电压暂降。这些设备在抑制

薄弱电网低负荷状态下分布式电源造成的过电压问题时表现得往往更好【”,”。

微网环境下有两个最主要的特点,一是微网中存在较多的分布式电源、用电负

荷以及储能、检测、保护、控制子系统,二是微网是一个低压高电阻性的网络,因

此包含微网的配电网是一个低压高电阻性有源网络'。对于低压高电阻性的微网及

其所在的低压配网,线路两端电压幅值高低将由网络中的有功功率平衡决定【`'“。

许多关于分布式发电出力造成线路空载时电压越限的事例也说明了这个关系。因此

传统电网的电压控制思想并不适用于微网环境。对于微网环境下的电压暂降应当采

用以有功功率输出为主的补偿方法。所以微网环境下的电压暂降补偿方法有必要充

分利用微网中分布式电源的功率输出能力,实现更加灵活、高效的电压暂降补偿效

果。实现这个设想的思路大致也分为两类,其一是利用串联电压补偿法和并联电压

补偿法分别补偿程度轻微和严重的电压暂降,其二则是利用分布式电源直接为串联

电压补偿器提供功率。文献属于第一类,该方法的优点是充分利用了分布式电

源作为并联补偿器输出有功能力强的特点补偿严重电压暂降,但不足之处在于并联

补偿时微网要从并网运行状态转入孤立运行状态,频繁改换微网的联网状态显然不

利于微网的稳定运行。文献〕贝属于第几类,该方法的优点在于充分地利用了微

网中的分布式电源并且不需要对微网运行状态做出过多调整,但存在的不足是需要

连接两者的直流母线,除了使设备结构复杂化以外也了串联补偿设备与分布式

华北电力博士学位论文

电源的距离和位置,不利于微网的灵活规划。

国内在电压暂降评估方面也做了许多工作,华北电力大学的李庚银等人基于不

确定分析方法结合微性提出了微网电压暂降概率评估方法和基于自适应信赖

域算法的电压暂降随机预估方法,为从经济性角度衡量电压暂降对微网的损失提供

了依据”,,,,。

在当前影响电能质量问题的众多因素中，电压暂降问题最受关注。根据欧洲

电力部门的统计，在众多用户对电能质量的投诉中，涉及到电压暂降的投诉所占

比重甚至超过 8

0%

[17-18]

。在现代电力系统中，由电压暂降所造成的经济损失也最

为严重，根据城市供电网络中用户侧的数据统计，电压暂降的发生次数可以达到

供电中断发生次数的 6

00 多倍，而且对于纺织工业用户，持续

6 个周波，幅值为

80%的电压暂降对其所造成的经济损失相当于生产线供电中断，两个小时

[19-20]

。

虽然电压暂降持续的时间很短，通常只有几个工频周期，但是电压暂降的发生仍

然会给敏感负载的正常运行带来巨大的影响，导致巨大的经济损失

[21]

。特别是医

院的一些脑科、眼科和心血管手术设备，对电压暂降问题已接近零容忍的程度，

一旦发生电压暂降很可能造成手术设备的紊乱或者停机，不仅给医院造成巨大的

经济损失，更威胁着患者的生命安全。

在含有微电网的配电网络中，从电力系统稳定性的角度考虑，配电网对微电

网的接入往往采取和隔离的措施，以控制其对大电网的干扰。因此，补偿微

电网电压暂降，可以更好地减少微电网对大电网的冲击，提高微电网的电能质量。

另外，很多国家（丹麦、爱尔兰等）的电网都强制要求微电网必须具备一定的低电压穿越能力才能并网，补偿微电网电压暂降有助于提高微电网低电压穿越能力，

从而增加微电网的并网率，提高可再生能源的利用效率

[22-23]

。为了节约能源和保

护环境，微电网中多采用新能源发电，新能源发电大多通过电力电子变换器同电

网相连接。由于这些电力电子接口不具备传统发电机的机械惯性，因此微电网属

于低惯性网络，保持功率平衡的能力较差，容易发生电压暂降。

在含有微电网的配电系统中，“

IEEE_P17/D08

”规定如果配电网发生故障，

分布式电源必须立刻退出运行

[24]

。因此，如果配电网中发生电压暂降，配电网和

微电网之间的断路器可能会断开，迫使微电网转入孤岛运行模式。本来配电网已

经处于不稳定的状态，而微电网却在此时断开，会给系统带来进一步扰动，加剧

系统的不稳定。即便是配电网电压暂降比较轻微，连接断路器仍然保持闭合时，

在公共耦合节点处仍可能产生电压波动，影响微电网内敏感负荷的正常运行，并

且造成电动机负载的能耗增加和电机过热等问题。此时，如果能够对微电网电压

暂降进行补偿，维持

PCC

点电压的稳定，就可以尽可能地保持微电网的并网运行，

保证微电网内敏感负载的正常运行，避免微电网的突然断网对电力系统的冲击。

因此，解决微电网电压暂降问题，不仅可以提高微电网的供电质量，减少其

对大电网的冲击，增强电力系统的稳定性，而且可以提高微电网的并网率，充分

发挥新能源发电的效能。