用戶端UPQC 與配電網(wǎng)DFACTS 設(shè)備協(xié)調(diào)控制策略

洪金琪，徐 雄，俞永軍，蔡重凱，葛昆明，王 滔，于建飛，王廣柱

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.山東大學 電氣工程學院，濟南 250061）

0 引言

近年來，我國電網(wǎng)的快速發(fā)展使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式的復(fù)雜程度大大提高[1]。同時，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展[2]，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高。DFACTS[3]（分布式柔性交流輸電）技術(shù)可以增強配電系統(tǒng)的可控性及靈活性，是改善配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的有力工具[4]。隨著對DFACTS 技術(shù)研究的不斷深入，出現(xiàn)了一系列與此相關(guān)的電能質(zhì)量補償裝置，如DVR（動態(tài)電壓恢復(fù)器）、APF（電力有源濾波器）、UPQC[5]（統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器）、DSTATCOM（配電用靜止同步補償裝置）、SSTS（固態(tài)切換開關(guān)）等。它們廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)中，用以抑制電壓波動與閃變、電壓跌落、諧波治理和補償負荷不平衡[6]等電能質(zhì)量問題。為實現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合治理，常常需要多臺DFACTS 裝置聯(lián)合運行。然而，由于各種DFACTS裝置工作原理不盡相同，有些裝置的功能類似，如果在發(fā)生電能質(zhì)量問題時不加以協(xié)調(diào)控制，將會影響電能質(zhì)量治理效果，因此需要協(xié)調(diào)控制各臺DFACTS 裝置[7-8]。

研究多種DFACTS 設(shè)備的協(xié)調(diào)控制策略具有重要的實際意義和工程價值。近年來，許多學者致力于研究多種DFACTS 設(shè)備的協(xié)調(diào)控制策略并取得了一定的成果。文獻[9]提出一種基于級聯(lián)多電平APF 和SVC（靜止無功補償器）綜合補償系統(tǒng)的統(tǒng)一控制方法，避免了SVC 與APF 的控制耦合帶來的穩(wěn)定性問題，并且研究了綜合系統(tǒng)的補償策略。文獻[10]針對多臺DFACTS 裝置間協(xié)調(diào)控制進行研究，圍繞區(qū)域性配電網(wǎng)中共用直流母線的串并聯(lián)變流器聯(lián)合補償問題，以自帶和不帶大功率儲能的UPQC 為例，研究了兩者之間的協(xié)調(diào)控制問題，針對所設(shè)計的帶大功率儲能UPQC結(jié)構(gòu)，提出基于有功環(huán)流的功率流協(xié)調(diào)控制策略。文獻[11]提出了SSTS 和DVR 在應(yīng)對電壓跌落問題、DSTATCOM 和TSC（晶閘管投切電容器）在應(yīng)對無功補償問題時的協(xié)調(diào)運行策略，但是該文獻未能全面考慮配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題，且電能質(zhì)量設(shè)備協(xié)調(diào)控制策略有待進一步優(yōu)化。文獻[12]提出了STATCOM 和固定電容器組參與自動電壓控制的協(xié)調(diào)運行策略，但是該文獻僅針對電壓變化，而未能考慮其他電能質(zhì)量問題。文獻[13]研究了APF 和SVC 聯(lián)合運行中的互相影響問題，指出在兩者同時運行的情況下SVC 控制器的設(shè)計要考慮到APF 的影響，否則系統(tǒng)可能會不穩(wěn)定。

本文以配電網(wǎng)雙電源饋線拓撲結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合試點現(xiàn)場的實際工況和電能質(zhì)量問題，對電能質(zhì)量治理設(shè)備進行合理的組合匹配，提出一種適用于多電壓等級配電網(wǎng)多種電能質(zhì)量治理設(shè)備的協(xié)調(diào)控制方法，其中電能質(zhì)量治理設(shè)備包括SSTS，DSTATCOM 和UPQC。該協(xié)調(diào)控制策略主要包括2 個方面：一是SSTS，UPQC 和DSTATCOM 協(xié)調(diào)運行治理配電網(wǎng)中不同等級的電壓跌落問題；二是DSTATCOM 和UPQC 協(xié)調(diào)運行治理配電網(wǎng)中的無功、負序和諧波電流。最后，基于MATLAB/Simulink 仿真平臺驗證了該策略的正確性和有效性。

1 裝備多種DFACTS 設(shè)備的雙路電源饋線配電網(wǎng)

為了提高供電可靠性，滿足重要負荷對電能質(zhì)量的要求，由2 路10 kV 饋線為負荷供電。在圖1 所示的拓撲中，安裝了SSTS，DSTATCOM和用戶端UPQC 等電能質(zhì)量治理設(shè)備，L-1 為沖擊負荷，L-2 為諧波負荷，L-3 為敏感負荷。

圖1 雙路電源配電網(wǎng)拓撲

1.1 DSTATCOM 工作原理

DSTATCOM 是重要的并聯(lián)型無功補償設(shè)備，采用全控型開關(guān)器件構(gòu)成自換相的逆變電路，可對電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的無功功率進行補償[14]。本文DSTATCOM 為級聯(lián)式拓撲結(jié)構(gòu)，采用三角形接線方式，主電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中，每相級聯(lián)模塊中串聯(lián)的H 橋單元個數(shù)N 設(shè)為20 個，每個H 橋單元直流側(cè)電容的額定電壓設(shè)為850 V。

圖2 DSTATCOM 主電路結(jié)構(gòu)

三角形接線DSTATCOM 三相之間沒有耦合，采用分相控制，可以看成是3 個單相級聯(lián)H 橋變流器進行控制[15-16]，所以三角形接線DSTATCOM直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制算法分為兩層：三相級聯(lián)模塊之間的電壓穩(wěn)定；每一相級聯(lián)模塊內(nèi)各個H 橋單元直流側(cè)電壓穩(wěn)定及均衡[17]。其中，第一層相間電壓控制與交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制共同構(gòu)成雙閉環(huán)控制。以A 相為例，DSTATCOM 總體控制策略如圖3 所示，其中：iab為A 相DSTATCOM 電流；iabQ為無功電流指令值；usab為電源相間電壓，sin_ab 為由usab鎖相得到的同步正弦信號；Udc_sum為各相總電容電壓參考值；Udc_ab為A 相各H 橋單元電容電壓 總和；Urab1，…，UrabN分別為各H橋單元控制電壓參考信號。

圖3 DSTATCOM 控制框圖

1.2 SSTS 特點及應(yīng)用場合

固態(tài)開關(guān)一般應(yīng)用于雙路電源供電系統(tǒng)中，能夠快速實現(xiàn)電源切換，從而使敏感負荷免受電壓跌落的影響。目前市場上大部分固態(tài)開關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用在380 V 電壓等級，10 kV 及以上的中高壓產(chǎn)品中，常見的拓撲結(jié)構(gòu)為晶閘管串并聯(lián)機械開關(guān)，如圖4 所示。

圖4 SSTS 基本單元

本文采用的SSTS 模型具有以下特點：由快速真空斷路器PS、反并聯(lián)的晶閘管TH1 和TH2、用于過電壓保護用的避雷器AR 等組成；應(yīng)用于10 kV 電壓等級；采用過零切換的控制方式；切換時間小于15 ms。

1.3 UPQC 工作原理

UPQC 作為一種具有綜合補償能力的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，能夠同時滿足電壓和電流質(zhì)量要求，可快速補償供電電壓中的突升或突降、波動和閃變，屏蔽諧波電流和電壓，補償各相電壓的不平衡以及故障時的瞬時電壓中斷等，具有多目標補償功能[18]。

UPQC 的基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由串聯(lián)逆變器、并聯(lián)逆變器、濾波器、串聯(lián)變壓器、電源電壓補償量檢測、負載電流補償量檢測、控制器組成。串聯(lián)逆變器實現(xiàn)對電源電壓的補償，使負載獲得正弦交流電壓；并聯(lián)逆變器實現(xiàn)對負載電流的補償，使電源獲得正弦交流電流；公共電容器用于連接2 個逆變器和維持恒定的自給直流電壓；濾波器1 可抑制串聯(lián)逆變器輸出電壓的高頻開關(guān)次紋波，串聯(lián)變壓器用于將串聯(lián)逆變器接入電網(wǎng)，合適的匝數(shù)比可減少串聯(lián)逆變器的電流或電壓定額，從而達到節(jié)省成本的目的。濾波器1為串聯(lián)變壓器注入的補償電壓；濾波器2 是并聯(lián)逆變器和電網(wǎng)的接口，可抑制并聯(lián)逆變器輸出補償電流的紋波。

圖5 UPQC 的基本結(jié)構(gòu)

2 SSTS，DSTATCOM 和UPQC 協(xié)調(diào)控制策略

2.1 DFACTS 設(shè)備協(xié)調(diào)控制的依據(jù)

受DFACTS 設(shè)備補償容量和響應(yīng)時間的限制，在解決不同程度的電能質(zhì)量問題時，需要協(xié)調(diào)控制不同的電能質(zhì)量設(shè)備。UPQC 對電網(wǎng)電壓跌落的補償深度一般為小于50%；DSTATCOM多用于補償配電網(wǎng)中的無功功率，因此可補償小范圍的電壓擾動；SSTS 多用于大幅電壓跌落的情況，以達到快速切換電源的目的。因此根據(jù)DFACTS 設(shè)備的補償深度，本文將電壓跌落分為以下幾個等級：

系統(tǒng)電壓Um在85%～100%Un區(qū)間定義為跌落等級1（小范圍的電壓波動）；系統(tǒng)電壓Um在70%～85%Un區(qū)間定義為跌落等級2；系統(tǒng)電壓Um在50%～70%Un區(qū)間定義為跌落等級3；系統(tǒng)電壓Um低于50%Un定義為跌落等級4（超出UPQC的補償深度）。

2.2 DFACTS 設(shè)備協(xié)調(diào)控制策略

當電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落、暫升暫降等問題時，上述裝置均可以動作，為敏感負荷提供良好的電能質(zhì)量，但其功能上存在重疊，為了保證電能治理的經(jīng)濟性、高效性和安全性，需要使其協(xié)調(diào)運行。DSTATCOM 和UPQC 均具有補償無功和諧波的功能，為了最大化地提高補償效果，也需要對其進行協(xié)調(diào)控制。

本文提出一種適用于多級配電網(wǎng)多種電能質(zhì)量治理設(shè)備的協(xié)調(diào)控制方法，具體如下：當電壓波動大于設(shè)定范圍時，SSTS，DSTATCOM 和UPQC 協(xié)調(diào)運行，進行電壓控制；當電網(wǎng)電壓在正常波動范圍內(nèi)，DSTATCOM 運行于無功模式，協(xié)調(diào)UPQC 進行無功和諧波補償。

2.2.1 針對電壓跌落問題的協(xié)調(diào)控制策略

應(yīng)對系統(tǒng)中的電壓跌落問題，需要對SSTS，DSTATCOM 和UPQC 3 種設(shè)備進行協(xié)調(diào)，其控制流程框圖如圖6 所示，圖中Un表示10 kV 母線額定電壓，Udc和Umin分別表示UPQC 直流母線電壓和其最低工作電壓。

圖6 DFACTS 協(xié)調(diào)控制流程

根據(jù)電壓跌落等級制定相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略：

（1）當主電源帶負荷運行時，母線電壓有效值在85%～100%Un區(qū)間，即處于跌落等級1，則認定電壓處于小波動范圍。由2.1 可知，DSTATCOM 運行于無功模式，補償系統(tǒng)無功可解決小范圍電壓波動。

（2）當母線電壓處于跌落等級2 時，首先將DSTATCOM 工作模式切換為恒壓模式，若電壓恢復(fù)正?；蚧氐降涞燃?，則切換為無功模式；若DSTATCOM 工作于恒壓模式且電壓依舊處于跌落等級2，則啟動UPQC 進行電壓補償，當UPQC 超出補償容量時，首先閉鎖UPQC 并聯(lián)側(cè)（UPQC 并聯(lián)側(cè)從線路吸收有功會循環(huán)增大UPQC內(nèi)部環(huán)流功率），此時UPQC 串聯(lián)側(cè)輸出補償功率全部來自其直流母線電容，待電容放電電壓下降到不足以支撐補償電壓時，啟動SSTS 切換同時閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)，由主電源切換到備用電源。

（3）當母線電壓處于跌落等級3 時，直接啟動UPQC 進行電壓補償。當故障持續(xù)時間大于2 ms，則啟動SSTS 同時閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)，在主電源向備用電源切換完成后，啟動UPQC 串聯(lián)側(cè)，補償負載切換到備用饋線后的電壓暫態(tài)過程。

（4）當母線電壓處于跌落等級4 時，由2.1 可知，該電壓跌落超出UPQC 的補償范圍，因此需要直接啟動SSTS 同時閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)，在主電源向備用電源切換完成后，啟動UPQC 串聯(lián)側(cè)，補償負載切換到備用饋線后的電壓暫態(tài)過程。

（5）負荷切換至備用電源后，如果主電源電壓恢復(fù)正常，則啟動SSTS 將負荷從備用電源饋線切換到主電源饋線。

本文設(shè)定的電壓閾值為50%，70%和85%，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)敏感負荷的耐壓特性和UPQC 的電壓補償能力進行修正。

2.2.2 針對三相不平衡、無功和諧波補償問題的協(xié)調(diào)控制策略

當敏感負荷支路的UPQC 容量不夠或出現(xiàn)故障時，支路中的電能質(zhì)量無法保障，因此可協(xié)調(diào)DSTATCOM 參與該支路的補償過程。

（1）首先應(yīng)用dq 分解法可以得到L-3 負荷的無功電流Iq和Ib諧波電流，其和（即Iq+Ih）作為UPQC 的補償電流指令，UPQC 優(yōu)先補償L-3 類負荷（敏感負荷）的無功電流和諧波電流。

（2）同樣，通過dq 分解法得到10 kV 母線所有負載支路的無功電流和諧波電流，即L-1 負載支路無功電流Iq1和諧波電流Ih1，L-2 負載支路無功電流Iq2和諧波電流Ih2，L-3 負載支路經(jīng)UPQC補償后的無功電流Iq3和諧波電流Ih3，其和（Iq1+Ih1+Iq2+Ih2+Iq3+Ih3）作為DSTATCOM 的補償電流指令，即由DSTATCOM 補償母線上所有無功和諧波電流。

（3）應(yīng)用dq 分解法得到系統(tǒng)的負序電流，并將其作為DSTATCOM 的補償電流指令，補償負荷三相不平衡引起的負序電流。

（4）在DSTATCOM 運行于無功模式時，按照上述步驟所得指令電流進行補償。

3 仿真分析

根據(jù)圖1 所示雙路電源配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，在MATLAB/Simulink 中搭建相應(yīng)的仿真平臺驗證本文提出的配電網(wǎng)多DFACTS 設(shè)備的協(xié)調(diào)控制策略。

3.1 母線電壓跌落工況下的仿真驗證

工況一：母線電壓發(fā)生15%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為1，持續(xù)時間為0.2 s。DSTATCOM 運行于恒無功模式，補償線路中的無功功率，圖7（a）為10 kV 母線A 相電壓波形，圖7（b）為母線A 相電壓和A 相電流波形。

圖7 工況一仿真波形

工況二：母線發(fā)生20%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為2。如圖8（a）所示，0.3 s 發(fā)生三相電壓跌落。UPQC 啟動補償電壓跌落使L-3 支路電壓維持在額定值，如圖8（b）所示。當UPQC超出補償容量之后，閉鎖其并聯(lián)側(cè)，在0.5 s 時UPQC 已不足以補償?shù)潆妷海琒STS 啟動，由主電源切換至備用電源。

圖8 工況二仿真波形

工況三：母線發(fā)生40%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為3。此時DFACTS 設(shè)備的協(xié)調(diào)控制分為2 個階段：

（1）如圖9 所示，在0.3 s 發(fā)生電壓跌落，立刻投入UPQC 進行電壓補償，若電壓跌落持續(xù)時間大于2 ms，則啟動SSTS 切換并閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)，由主電源切換至備用電源。

圖9 工況三仿真波形

（2）如圖9（b）所示，在0.32 s 時SSTS 投切完成后，再投入UPQC 補償因電源投切引起的暫態(tài)電壓，在0.43 s 暫態(tài)過程結(jié)束，閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)。

工況四：母線發(fā)生60%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為4。如圖10 所示，啟動SSTS 切換并閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)，由主電源切換至備用電源，然后啟動UPQC 補償負由電源投切引起的電壓暫態(tài)，暫態(tài)過程結(jié)束后閉鎖UPQC 串聯(lián)側(cè)。

圖10 工況四仿真波形

3.2 諧波和無功負荷工況下的仿真驗證

當L-3 支路上存在諧波電流和無功電流時，UPQC 優(yōu)先進行補償，保證敏感負荷的供電質(zhì)量。圖11（a）為UPQC 補償前后的電流波形，在0.05 s時將UPQC 投入運行；圖11（b）為UPQC 補償后L-3 支路電流的FFT（快速傅里葉變換）分析結(jié)果，可看出補償后諧波含量較低。

當10 kV 母線和L-3 支路同時存在諧波電流和無功電流時，UPQC 補償L-3 支路上的諧波，DSTATCOM 補償10 kV 母線上的諧波和無功。如圖11（c）所示，在0.05 s 時UPQC 投入運行，在0.1 s 時DSTATCOM 投入運行；由圖11（d）看出，經(jīng)UPQC 和DSTATCOM 綜合補償后，母線電流THD（總諧波畸變率）只有1.35%，符合配電網(wǎng)的電流諧波要求。

圖11 諧波和無功工況下仿真波形

3.3 三相不平衡工況下的仿真驗證

當負荷為無功負載且存在三相不平衡時，系統(tǒng)中同時存在無功和負序電流。此時，由DSTATCOM進行綜合補償。圖12 所示為DSTATCOM 在0.15 s投入運行時的電壓和電流波形。

圖12 三相不平衡工況下仿真波形

4 結(jié)語

本文以配電網(wǎng)典型雙路電源饋線拓撲結(jié)構(gòu)為例，提出了一種適用于多電壓等級配電網(wǎng)多種電能質(zhì)量治理設(shè)備的協(xié)調(diào)控制方法。該方法主要包括以下兩方面：

（1）基于電壓跌落程度劃分電壓跌落等級。在不同電壓跌落等級，協(xié)調(diào)控制DSTATCOM，SSTS和UPQC 等設(shè)備進行電壓補償。

（2）配電網(wǎng)中存在三相不平衡、無功和諧波等電能質(zhì)量問題時，協(xié)調(diào)DSTATCOM 和UPQC 進行補償。

最后，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真平臺驗證了該控制方法的可行性和有效性。本文提出的DFACTS 設(shè)備協(xié)調(diào)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)常見電能質(zhì)量問題的綜合治理，可有效提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的經(jīng)濟性、安全和可靠性。