有源配電網(wǎng)多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器?

黃祖金 吳彬鋒 劉?？?/p>

（國網(wǎng)浙江省云和縣供電公司 云和 323600）

1 引言

分布式電源在配電網(wǎng)的滲透率不斷提高，引起配電網(wǎng)潮流大小以及方向的頻繁變化，導(dǎo)致負(fù)荷電壓偏差更為嚴(yán)峻［1～3］。動態(tài)電壓補償器（dynamic voltage restorer，DVR）具有很強的電壓調(diào)節(jié)能力，可有效補償上述電壓偏差問題［4～7］。DVR 通過并聯(lián)有源濾波器（active power filter，APF）可維持直流鏈電容的穩(wěn)定，從而形成背靠背結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）［8～10］。若各線路分別接入一個獨立的UPQC 可有效補償所連接負(fù)荷的電壓偏差，但線路間多個UPQC 間的協(xié)調(diào)控制及經(jīng)濟性問題導(dǎo)致其很難應(yīng)用在實際的有源配電網(wǎng)中。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，用戶對供電可靠性的要求越來越苛刻。變壓器并供運行可有效提高供電可靠性并且調(diào)節(jié)分布式電源出力以及負(fù)荷的波動造成變壓器間的出力不均衡問題［11～12］。而變壓器間等效阻抗以及負(fù)荷的不一致性會造成并供操作后變壓器出力的不一致，同時并供操作后各變壓器出力的變化可能造成母線聯(lián)絡(luò)線電流過流［13］。文獻(xiàn)［13］分析了廣東惠州某110kV/10kV 變電站因并供操作后母聯(lián)線路設(shè)備過載而導(dǎo)致兩起變壓器并供失敗的操作案列。文獻(xiàn)［14］提出利用統(tǒng)一潮流控制器控制變壓器出力均衡，以避免并供操作時變壓器出力嚴(yán)重不一致甚至發(fā)生功率倒送而導(dǎo)致并供失敗。該方法能夠有效避免并供操作時出現(xiàn)的逆功率，但未考慮因并供操作后變壓器出力的變化造成母聯(lián)電流過大，從而進(jìn)一步引起相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置動作導(dǎo)致并供操作失敗。

為解決上述兩個有源配網(wǎng)運行面臨的問題，本文提出一種新型的多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，通過各線路首端DVR 綜合改善線路各節(jié)點電壓偏差，并且利用母聯(lián)DVR 調(diào)節(jié)變壓器的功率以保證并供操作成功。DVR 間通過共用的直流鏈電容形成多端口結(jié)構(gòu)，并僅由一臺APF 為其提供功率支撐。該新型結(jié)構(gòu)可直接裝設(shè)在變電站內(nèi)部，有效解決UPQC 選址問題，具有裝設(shè)簡單可行，實用性較高的優(yōu)勢；同時多端口UPQC 在實現(xiàn)多功能的補償效果前提下，可以有效地節(jié)省成本。文章詳述了該多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的運行原理，并提出了適用于多端口UPQC 的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方法，同時結(jié)合Matlab/Simulink 仿真驗證了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

2 適用于有源配電網(wǎng)的多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其運行原理

圖1 所示為本文提出的適用于10kV 有源配電網(wǎng)的多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器。母線聯(lián)絡(luò)線處裝設(shè)有動態(tài)電壓補償器；與母線相連的多個線路中，每個線路首端均串入對應(yīng)的動態(tài)電壓補償器；每個動態(tài)電壓補償器均與一公共直流鏈電容相并聯(lián)；有源濾波器并聯(lián)接入母線1，為動態(tài)電壓補償器提供有功支撐。接入母線聯(lián)絡(luò)線的動態(tài)電壓補償器為DVR0，接入線路k的動態(tài)電壓補償器定義為線路DVRk（k=1、2…n）。該多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器可有效實現(xiàn)以下功能：1）各線路首段DVR 改善該線路各節(jié)點電壓偏差，改善用戶電壓質(zhì)量；2）母聯(lián)DVR 有效調(diào)節(jié)變壓器的出力，避免并供操作時某變壓器出現(xiàn)功率倒送或者聯(lián)絡(luò)線電流過大引起保護(hù)動作而導(dǎo)致并供操作失?。?）APF提供直流鏈電壓支撐能力并可實現(xiàn)有源配電網(wǎng)諧波和無功補償?shù)妮o助功能。

圖1 多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的接入結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 線路DVR運行與補償原則

配網(wǎng)線路首末端電壓相位差較小，因此近似認(rèn)為饋線各節(jié)點電壓相位一致。而本文設(shè)計的線路DVR 僅補償非故障引起的一定范圍內(nèi)的電壓偏差，對電壓跌落/暫升深度較大的故障不作補償且系統(tǒng)短路故障時UPQC退出運行，因而線路DVR設(shè)計容量較小。因此忽略串聯(lián)DVR 的接入對線路電流和網(wǎng)損變化的影響。線路DVR 補償電壓包含與線路首端電壓同向和垂直的兩個分量，由于DVR補償容量較小，其補償電壓垂直分量對各節(jié)點電壓幅值的改變可忽略不計。

如圖2所示為線路DVR的等值電路圖，以線路首端電壓VPCC為參考量，DVRk的補償電壓的d 軸分量為Vdk，根據(jù)文獻(xiàn)［15］規(guī)定的中壓配電網(wǎng)節(jié)點電壓偏差范圍為±7%VN（VN為額定電壓），則補償電壓Vdk應(yīng)滿足：

圖2 線路等值電路圖

其中Vi為DVR 補償前節(jié)點i 處的電壓。根據(jù)饋線各節(jié)點電壓的偏差情形，調(diào)整線路首端DVR的串聯(lián)電壓大小以滿足用戶電壓在偏差范圍內(nèi)，即式（1）成立。為滿足該中壓配電網(wǎng)各用戶節(jié)點電壓符合電網(wǎng)運行要求，則補償電壓Vdk需滿足：

通過控制線路DVR 串聯(lián)補償電壓可優(yōu)化線路各節(jié)點總體電壓偏差，使線路上各節(jié)點電壓滿足電壓質(zhì)量要求。因此，建立節(jié)點電壓偏差評價函數(shù)為

則DVR 補償后的節(jié)點電壓偏差評價函數(shù)可表示為

DVR 的補償應(yīng)滿足節(jié)點電壓偏差評價函數(shù)值取最小值，即Vdk應(yīng)滿足：

其中VM為線路DVR 的最大補償電壓。線路DVR 補償電壓的q 軸分量為Vqk，則線路DVR 需要的有功支撐以及提供的感性無功為

其中Idk，Iqk為線路k 首端電流的d，q 分量。如式（7）所述，通過調(diào)節(jié)電壓分量Vdk、Vqk的大小可控制DVR 與各線路有功交換的大小和方向。DVR 補償電壓的d軸分量用以調(diào)整節(jié)點電壓偏差，而DVR在其補償容量范圍內(nèi)仍可提供與VPCC正交的q軸分量Vqk以減小其需要的有功支撐。則Vqk應(yīng)滿足：

2.2 母聯(lián)DVR運行與補償原則

圖3 為雙電源并聯(lián)供電等效圖，利用文獻(xiàn)［14］的方法，電源1、2輸出的功率分別為

其中Zt1，Zt2分別為兩電源的等值阻抗，E1，E2分別為兩電源輸出電壓；SL1，SL2為線路1，2 的傳輸總功率；Vbus為線路首端電壓。如式（8）所述，并供后變壓器間電路參數(shù)的不一致可造成并供操作后變壓器出力不均衡，且變壓器輸出功率在并供操作前后發(fā)生較大變化，則并供后經(jīng)過聯(lián)絡(luò)線的功率S0為

圖3 雙電源并聯(lián)供電示意圖

據(jù)式（9）可知，線路1，2的功率SL1，SL2差異較大會導(dǎo)致并供后聯(lián)絡(luò)線功率過大，嚴(yán)重時會使聯(lián)絡(luò)線電流達(dá)到繼電器的動作值，進(jìn)而聯(lián)絡(luò)線保護(hù)動作跳開致使并供失敗。DVR0在并供操作時具有很強的潮流調(diào)節(jié)作用，DVR0通過改變變壓器之間的電壓差，調(diào)整變壓器的循環(huán)功率。通過注入串聯(lián)電壓VR，循環(huán)功率變化量為

其中RA=Rt1+Rt2，XA=Xt1+Xt2，ZA=Zt1+Zt2；Rt1，Xt1為電源1的等值電阻和電抗；Rt2，Xt2為電源2的等值電阻和電抗。而母聯(lián)DVR 的補償應(yīng)滿足：1）母聯(lián)電流不過流；2）變壓器出力均衡。則母聯(lián)DVR 調(diào)節(jié)的循環(huán)功率ΔS由下述優(yōu)化方程確定：

其中Sth為經(jīng)過母線聯(lián)絡(luò)線的最大功率，VHM為母聯(lián)DVR 的最大補償電壓，SN1，SN2分別為變壓器1、2 的額定容量。則母聯(lián)DVR需要的有功支撐為

其中I'0，d、I'0，q 分別為并供操作后母聯(lián)電流的d、q 分量，P'0、Q'0分別為母聯(lián)DVR 補償后母線聯(lián)絡(luò)線的有功和無功功率。而上式PDVR0值為負(fù)時，DVR0從母聯(lián)吸收有功并可以向線路DVR或者APF轉(zhuǎn)移，而該多端口的內(nèi)部功率流動將在下文詳述。

3 UPQC功率協(xié)調(diào)控制算法

多端口UPQC 通過檢測各線路節(jié)點電壓，依據(jù)式（9）所示的算法確定各線路DVR 的串聯(lián)電壓的d軸分量，并且依據(jù)式（15）、（16）推導(dǎo)出母聯(lián)DVR 的參考電壓值。由式（10）可知，線路DVRk的q 軸分量Vqk決定了DVR與該線路功率交換的大小。線路DVR 的最大補償電壓根據(jù)補償負(fù)荷以及分布式電源出力變化造成的最大電壓偏差而設(shè)定，則一般運行情形下線路DVR 可提供電壓q 軸分量來控制DVR 與線路交換的有功大小。而各饋線節(jié)點電壓波動的不一致使得DVR 與各線路的有功交換的大小和方向均存在差異。不同運行情形下，線路DVR 以及母聯(lián)DVR 均存在向串聯(lián)線路吸收/提供有功的運行情形，因此DVR 之間也可通過直流鏈電容完成有功功率在線路間的轉(zhuǎn)移；而當(dāng)DVR 間的有功交換不足以維持直流鏈電壓穩(wěn)定時，APF將作為功率傳輸媒介，通過向直流鏈電容提供或吸收有功以保持直流鏈電壓的恒定。

線路DVRk需要的有功支撐最大值和最小值分別為

其中Idk，Iqk為線路k首端的電流有功、無功分量。如圖4 所示，多端口的UPQC 功率交換存在以下三種運行工況。

圖4 UPQC協(xié)調(diào)運行示意圖

1）PDVR0+PDVR1，min+PDVR2，min+…+PDVRn，min＞0，即DVR從線路中吸取的有功功率不能完全滿足其他線路DVR的有功支撐，APF正常運行以維持直流鏈的穩(wěn)定，該情形定義為運行工況1。根據(jù)檢測到的各線路首端功率SL1，SL2，計算DVR0不動作情形下經(jīng)過聯(lián)絡(luò)線的功率S0，根據(jù)式（13）優(yōu)化母聯(lián)DVR 補償電壓；如式（14）所示，線路DVR 的有功支撐與其電壓q軸分量Vqk成負(fù)相關(guān)，則可通過提高Vqk幅值以減少DVR 有功支撐同時增加線路DVR 向負(fù)荷提供的感性無功。DVRk電壓q軸分量為

通過優(yōu)化線路DVR 的有功支撐以減少APF 的輸入有功電流，則可提高APF的無功支撐能力。圖5 所示的為UPQC 的功率轉(zhuǎn)移示意圖，則UPQC 的功率平衡關(guān)系為

圖5 UPQC功率轉(zhuǎn)移示意圖

該情形下APF不作為有功功率傳輸媒介，僅充當(dāng)無功和諧波補償器。

3）PDVR0+PDVR1，max+PDVR2，max+…+PDVRn，max＜0，即DVR從線路吸收的有功之和大于零，通過運行APF將吸收的有功轉(zhuǎn)移至母線1，該情形定義為運行工況3。類似運行工況1，線路DVRk補償電壓q軸分量為

該運行情形下，APF通過從直流鏈電容吸收有功以維持直流鏈的穩(wěn)定，APF的輸出有功功率為

4 仿真分析

為驗證系統(tǒng)的可行性，在Matlab/Simulink 中搭建如圖6 所示的配電網(wǎng)仿真模型。電源的等值阻抗均為（0.08+j0.20）Ω，變壓器的額定容量分別為8500kVA、7000kVA，電源的輸出電壓分別為10.25kV 以及10.33kV，母線聯(lián)絡(luò)線開關(guān)動作值為245A。

圖6 仿真模型圖

線路DVR 最大補償電壓峰值為300V，母聯(lián)DVR 為110V。圖6 所示的為某地區(qū)用電高峰期潮流示意圖。圖7仿真的是沒有多端口UPQC時的線路節(jié)點電壓值，其中0～0.2s 時間段的用電高峰期，線路各節(jié)點電壓偏差較大，線路末端電壓跌落尤為嚴(yán)重，標(biāo)幺值分別為0.934 以及0.925；0.2s～0.8s 時間段分布式電源接入運行，其出力的增加抬升了各節(jié)點電壓，且由于節(jié)點3 的分布式電源出力過剩引起節(jié)點2-3 間的逆向潮流，從而造成節(jié)點3 的電壓超過了1.07VN。當(dāng)多端口UPQC 投入運行時，按照第三節(jié)所述的方法用電高峰期的0～0.2s 時段，DVR1，2注入的電壓均為300∠0°，對應(yīng)運行工況1；而0.2s～0.8s時間段，APF可退出運行或者根據(jù)電網(wǎng)需求提供無功支撐和諧波補償功能，根據(jù)式（9），DVR1、2 注入的電壓d 軸分量分別為-300V 以及172V，總的注入電壓相量分別為300∠180°、215∠36.87°，對應(yīng)運行工況2。如圖8 所示，經(jīng)過線路首端DVR 補償后，線路上各節(jié)點電壓偏差得到較大的改善，滿足電網(wǎng)運行要求。

有源配電網(wǎng)中由于分布式電源出力的隨機性造成了變壓器出力不均衡，同時分布式電源出力過大時線路可能存在逆向潮流，需要進(jìn)行并供操作以均衡變壓器功率，防止出現(xiàn)變壓器功率倒送的情形。線路2的負(fù)載功率為（4.8+j1.9）MVA，線路1由于分布式電源出力較大，線路功率為（1.4+j1.5）MVA，則為了調(diào)節(jié)變壓器間的輸出功率均衡需進(jìn)行變壓器并供操作。如圖9所示，母聯(lián)DVR不動作情形下，并供操作后經(jīng)過母聯(lián)的電流幅值為264A，超過了母聯(lián)開關(guān)整定值，易引起相應(yīng)的繼電設(shè)備動作而導(dǎo)致并供失敗。根據(jù)第三節(jié)詳述的控制策略，母聯(lián)DVR 注入95∠26.5°的電壓相量。則如圖9 所示，t=0.02s時母聯(lián)DVR 動作，聯(lián)絡(luò)線電流迅速降至126A，動態(tài)響應(yīng)速度較快。并且調(diào)整后變壓器的出力分別為3.64MVA 以及3.73MVA，均衡了變壓器出力。

圖7 線路DVR補償前各負(fù)荷節(jié)點電壓

圖8 線路DVR補償后各負(fù)荷節(jié)點電壓

在用電高峰期線路DVR 補償電壓跌落需要的有功支撐最多。DVR1 需要的有功支撐為270kW，DVR2 為216kW，則需要APF 提供486kW 的有功功率以維持直流鏈的穩(wěn)定。線路DVR 的最大補償電壓標(biāo)幺值為0.037，則DVR1，2 的容量分別為315kVA、260kVA；合 環(huán)DVR 最 大 補 償 電 壓 為110V，額定電流為245A，容量為40kVA。APF 的容量設(shè)定為500kVA。 則整個UPQC 容量為1115kVA，約為變電站容量的7.2%，其經(jīng)濟可行性較高。

5 結(jié)語

本文提出的新型多端口統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器具有以下功能：1）可綜合改善有源配電網(wǎng)線路各節(jié)點電壓偏差，提高用戶的電能質(zhì)量。2）母聯(lián)DVR可有效改善變壓器的出力，避免并供操作時某一變壓器因出現(xiàn)功率倒送而退出并聯(lián)供電或者母聯(lián)電流達(dá)到繼電器的動作值而跳開保護(hù)引起并供失敗事故。該新型多端口UPQC 僅需一臺APF 裝置，系統(tǒng)成本和體積得到有效降低，具有良好的經(jīng)濟可行性。本文詳述了該統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的運行原則以及功率協(xié)調(diào)控制算法。最后通過Matlab/Simulink 搭建的10kV 配網(wǎng)系統(tǒng)模型驗證了該多端口UPQC的運行性能。