張震霄,趙建勇 ,年珩,劉小慶,李春龍,陳文君,李學(xué)榮,韓俊垚
(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027;2.國網(wǎng)青海省電力公司果洛供電公司,青海 果洛 814000)
稀疏地區(qū)指位于高原、荒漠、極寒等不適宜人類生產(chǎn)生活的地區(qū),其主要特點是人口密度小、分布分散、用電量較少。其中,青海省果洛藏族自治州就是西部稀疏供電地區(qū)的典型代表之一。
果洛地區(qū)電源少,負(fù)荷分散,配電網(wǎng)供電線路長,若不采取適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償裝置,線路末端電壓水平會產(chǎn)生降落。此外,青海地區(qū)安裝了較多新能源發(fā)電裝置,如光伏和風(fēng)電,這些分布式新能源發(fā)電裝置的并網(wǎng)伴隨著大量電力電子設(shè)備的高密度接入[1]以及電力系統(tǒng)中存在的非線性元件,使得在西部稀疏供電地區(qū)的電網(wǎng)中還可能存在諧波電壓。而電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓降落以及諧波電壓問題若得不到及時的抑制和補(bǔ)償,就會影響系統(tǒng)運行,甚至可能導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)設(shè)備故障、區(qū)域內(nèi)停電。
因此需要針對電網(wǎng)電壓的降落和其中包含的諧波電壓分量制定相應(yīng)的諧波控制抑制措施。通過安裝特定的調(diào)壓設(shè)備來實現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)中諧波電壓分量的補(bǔ)償治理,以期獲得用戶負(fù)載側(cè)較高的電能質(zhì)量。傳統(tǒng)的電壓諧波治理設(shè)備有源濾波器(active power filters,APF)通過檢測諧波源負(fù)荷饋線諧波電流,并控制APF注入等幅反相的諧波,以形成電流抵消[2-3],由于其只能實現(xiàn)諧波源側(cè)點對點的諧波治理,導(dǎo)致應(yīng)用受限。目前柔性交流輸電技術(shù)(flexible AC transmission systems,F(xiàn)ACTS)發(fā)展迅速[4],F(xiàn)ACTS設(shè)備包括靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator,SVC)、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator,SSSC)和統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)[5-8],可以實現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié),并且除電壓控制以外還能進(jìn)行對潮流的控制,但其應(yīng)用場合大多為高壓、特高壓直流輸電等主網(wǎng)建設(shè),對于稀疏地區(qū)中低壓配網(wǎng)不太適用。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unified power quality controller,UPQC)是目前開展研究較多的一種綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置,可以實現(xiàn)面向用戶的電能質(zhì)量綜合提升[9-10]。UPQC復(fù)合了諸多治理電能質(zhì)量問題的設(shè)備,但在一般場合下不會同時關(guān)心多種電能質(zhì)量問題,當(dāng)面臨的主要電能質(zhì)量問題來自于電網(wǎng)電壓諧波和電壓降落時,UPQC的電能質(zhì)量治理功能不能得到充分應(yīng)用。電力電子調(diào)壓器(power electronic voltage regulator,PEVR)可以彌補(bǔ)前述設(shè)備的缺點,作為稀疏配電網(wǎng)中電網(wǎng)電壓綜合治理的有效補(bǔ)充。
因此,本文針對稀疏地區(qū)新能源分布式接入以及配電網(wǎng)線路較長、負(fù)荷分散且分布不均所帶來的電網(wǎng)電壓諧波、畸變和電壓降落等問題,采用PEVR參與稀疏地區(qū)中低壓配網(wǎng)電壓綜合治理,從而改善用戶用電質(zhì)量的方法。
PEVR是一種適用于6 kV,10 kV,35 kV配電系統(tǒng)的調(diào)壓裝置,通過電壓的實時反饋實現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。PEVR結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 PEVR結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PEVR structure diagram
PEVR串并聯(lián)側(cè)換流器通過背靠背的形式由直流電容耦合在一起,兩側(cè)換流器均采用全控型器件(GTO或IGBT)。PEVR串聯(lián)側(cè)的功能與SSSC相同[11-12],通過電壓逆變器產(chǎn)生功率補(bǔ)償,等效為在電網(wǎng)到用戶負(fù)荷的線路上串聯(lián)進(jìn)一個可控的電壓源,為系統(tǒng)疊加一個幅值、相角以及頻率均可調(diào)節(jié)的交流電壓。PEVR并聯(lián)側(cè)功能與STATCOM相同[13-14],通過并聯(lián)變壓器對電網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行整流建立背靠背換流器直流母線電壓。PEVR通過串并聯(lián)側(cè)換流器的結(jié)合,增大了原本元件單獨工作時電壓的調(diào)節(jié)范圍。由于PEVR自身不能產(chǎn)生有功功率,串聯(lián)側(cè)向系統(tǒng)提供或吸收的有功功率是由并聯(lián)側(cè)提供通路,串并聯(lián)側(cè)逆變器之間耦合的直流電容輸送,而無功功率由串并聯(lián)側(cè)逆變器提供??刂葡到y(tǒng)接收節(jié)點電壓實時監(jiān)測值,其補(bǔ)償量由系統(tǒng)設(shè)置控制的參考值與實際值的差值經(jīng)串并聯(lián)側(cè)內(nèi)部控制環(huán)運算后反饋至系統(tǒng)。
PEVR選擇了串聯(lián)側(cè)換流器接在靠近電網(wǎng)側(cè),而并聯(lián)側(cè)換流器接在靠近用戶負(fù)載側(cè),這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于串聯(lián)側(cè)接在負(fù)載側(cè)、并聯(lián)側(cè)接在網(wǎng)側(cè)的拓?fù)?,可以在對系統(tǒng)功率零吸收的情況下實現(xiàn)電壓的補(bǔ)償,并為負(fù)載電壓和系統(tǒng)電流提供更好的諧波抑制能力[15]。
PEVR的并聯(lián)側(cè)等效補(bǔ)償電流和串聯(lián)側(cè)等效補(bǔ)償電壓的相角均可實現(xiàn)0~2π全相角的調(diào)節(jié),體現(xiàn)在功率坐標(biāo)系中,即PEVR可以實現(xiàn)四象限運行的能力。PEVR的調(diào)節(jié)范圍廣,但因有串聯(lián)部分接入電網(wǎng),所以在發(fā)生短路等過電流情況時容易擊穿設(shè)備元件,因此在投運時需進(jìn)行限流控制及采取保護(hù)措施,對控制系統(tǒng)要求較高。
在偏遠(yuǎn)地區(qū),大部分新能源設(shè)備與分散負(fù)荷呈現(xiàn)逆向分布的特性,此時新能源的接入可能會造成電網(wǎng)電壓的不平衡以及諧波等電能質(zhì)量問題,需要通過改進(jìn)型鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)[16]獲得精確的電網(wǎng)相位信息。PEVR的串聯(lián)側(cè)通過給定三相正弦電壓波形的參考值與負(fù)載側(cè)電壓監(jiān)測實際值做差,得到需要由串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償?shù)碾妷毫?,通過控制環(huán)消除差值,從而實現(xiàn)負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量的提升。PEVR的并聯(lián)側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電容降壓的功能,并維持其電壓值相對穩(wěn)定,這是PEVR串聯(lián)側(cè)正常工作的前提。
當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變時,電壓波形中除基頻分量外還會含有一定量的諧波分量,若直接對檢測得到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相,得出的角度會受到諧波的干擾而不夠準(zhǔn)確,本文使用了一種復(fù)系數(shù)濾波器(complex coefficient filters,CCF),將三相電壓變換到兩相靜止α-β坐標(biāo)系中,然后利用坐標(biāo)軸互差90°的特性,實現(xiàn)如下式所示的復(fù)系數(shù)傳遞函數(shù):
式中:ω0為帶通頻率,一般設(shè)為電網(wǎng)頻率或n次諧波頻率;ωc為常數(shù),決定了濾波器的帶寬。
當(dāng)分母取s-jω0+ωc時,可以從中提取出基頻的電壓分量。
通過復(fù)系數(shù)濾波器可以實現(xiàn)在選擇頻率處保持信號的單位增益和零相位偏移,且在其他頻段范圍內(nèi)有大幅衰減,從而將正序50 Hz的基頻分量從含有電壓畸變諧波分量的網(wǎng)側(cè)電壓中提取出來。利用提取出來的電網(wǎng)分量,可以由鎖相環(huán)得到精確的網(wǎng)側(cè)電壓的電角度,并作為輸出波形的參考量。復(fù)系數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 復(fù)系數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 CCF structure diagram
相比于實系數(shù)濾波器,CCF同時具有頻率選擇和極性選擇特性,在對電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相同步時,不僅能排除諧波電壓的干擾,也能在電網(wǎng)電壓受擾動而發(fā)生不平衡時準(zhǔn)確得到電壓、相位信息。
電網(wǎng)電壓通過CCF提取出來的基頻50 Hz分量是三相對稱的正弦波形,但由于實際電網(wǎng)電壓可能受不平衡、諧波以及電壓暫降影響,其基頻分量的幅值并不等于期望的負(fù)載側(cè)電壓幅值,在控制中需要對提取出來的電壓基頻分量進(jìn)行幅值標(biāo)準(zhǔn)化的處理。先將基頻分量除以自身的有效值做歸一化處理,再通過比例運算得到幅值等于線路額定值、相位與電網(wǎng)電壓基頻分量同步的正弦波形,即負(fù)載側(cè)期望得到的電壓。
PEVR的串聯(lián)側(cè)控制方法如下式所示:
串聯(lián)側(cè)諧波電壓補(bǔ)償控制框圖如圖3所示。通過直接在三相a-b-c坐標(biāo)系下將從電網(wǎng)電壓中提取并做幅值標(biāo)準(zhǔn)化后的目標(biāo)電壓值與負(fù)載側(cè)采樣得到的實際電壓值相減得到串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償電壓量的控制方法,充分利用了PEVR的串聯(lián)側(cè)通過串聯(lián)變壓器接入電網(wǎng)線路中所發(fā)揮的可控電壓源的作用,對電網(wǎng)側(cè)的諧波電壓進(jìn)行實時檢測與補(bǔ)償,保證了負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量。
圖3 串聯(lián)側(cè)諧波電壓補(bǔ)償控制框圖Fig.3 Block diagram of harmonic voltage compensation in series converter
此外,通過差值控制方法還能夠?qū)崿F(xiàn)電壓暫降的補(bǔ)償。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生降落時,電網(wǎng)電壓中雖然不包含諧波分量,但由于提取出的基頻分量還需要做幅值標(biāo)準(zhǔn)化,此時負(fù)載側(cè)的目標(biāo)電壓值與實際值的差值即頻率為50 Hz。幅值為電壓暫降量的正弦波,通過控制邏輯最終使串聯(lián)側(cè)輸出一個與電網(wǎng)電壓相位相同的同頻電壓補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的降落量。
PEVR并聯(lián)側(cè)采用電壓、電流雙環(huán)PI控制結(jié)構(gòu),電流內(nèi)環(huán)由直流母線電容電壓的設(shè)定值和并聯(lián)側(cè)換流器發(fā)出或吸收的無功功率值生成電流參考值通過PI控制并調(diào)制后得出電壓外環(huán)輸出信號Md和Mq經(jīng)過調(diào)制后作為換流器的開關(guān)信號。
由于網(wǎng)側(cè)變流器需維持直流電容電壓的穩(wěn)定,因此其在矢量控制中的有功軸電流指令可表示為
在實際應(yīng)用中,由于并聯(lián)側(cè)的相位角θ根據(jù)電網(wǎng)基頻電壓鎖相得到,利用θ坐標(biāo)變換得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓Uq=0,故當(dāng)給定變流器輸出無功功率指令時,其q軸電流參考值由下式計算可得:
若令網(wǎng)側(cè)變流器保持單位功率因數(shù)運行,即要求無功功率保持為零,則
并聯(lián)側(cè)控制框圖如圖4所示。通過并聯(lián)側(cè)換流器的電壓-電流雙閉環(huán)控制生成d-q坐標(biāo)系下的電壓輸出量Md,Mq,再經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生換流器開關(guān)信號就可以實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的PWM整流,得到穩(wěn)定的直流母線電容電壓Udc,并為串聯(lián)側(cè)換流器實現(xiàn)電壓補(bǔ)償提供所需要的功率通路。
圖4 并聯(lián)側(cè)控制框圖Fig.4 Block diagram of shunt converter
稀疏地區(qū)面臨的電網(wǎng)電壓問題主要是電壓降落和諧波問題。圖5展示了針對稀疏地區(qū)負(fù)荷特征的電網(wǎng)電壓綜合治理模型的結(jié)構(gòu),由于輸配電線路較長,考慮較大的線路阻抗時,負(fù)載側(cè)功率的突變會造成電網(wǎng)電壓降落的問題;電網(wǎng)電壓中的諧波問題主要來自兩方面:一方面由于偏遠(yuǎn)地區(qū)新能源并網(wǎng)所帶來的網(wǎng)側(cè)電壓諧波;另一方面由于負(fù)載側(cè)存在部分非線性負(fù)載,引入了諧波電流,從而產(chǎn)生了諧波電壓問題。
圖5 稀疏地區(qū)基于PEVR的電網(wǎng)電壓綜合治理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the comprehensive management structure of grid voltage based on PEVR in sparse areas
為了驗證本文所提到的電網(wǎng)電壓綜合治理控制策略,搭建了基于Simulink軟件的仿真模型。仿真模型系統(tǒng)電壓等級為10 kV,網(wǎng)側(cè)由三相電壓源與長線阻抗串聯(lián)得到,線路阻抗的參數(shù)設(shè)定為:線路長度 120 km,R=0.45 Ω/km,X=0.358 Ω/km(LGJ,LJ-70)。負(fù)載側(cè)包含正常負(fù)載、不定時投入的大功率負(fù)載以及引起負(fù)載側(cè)諧波電流的非線性負(fù)載模塊。并聯(lián)側(cè)變壓器采用三個單相變壓器連接,變比為10∶0.38,串聯(lián)側(cè)變壓器采用Y-Y連接,變比為10∶0.38,其他相關(guān)參數(shù)如下所示:串聯(lián)側(cè)濾波電路L1=1 mH,C1=200μF;并聯(lián)側(cè)濾波電路L2=1 mH,C2=100μF;直流母線電容電壓Udc=650 V;CCF帶寬頻率ωc=20.93 rad/s;電容電壓控制環(huán)kvp=12,kvi=35;并聯(lián)側(cè)電流內(nèi)環(huán)kp=9,ki=0.06;串聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償kpp=1,kii=5;直流母線電容Cdc=0.25 F。
當(dāng)電網(wǎng)電壓中不含諧波分量,負(fù)載側(cè)的功率設(shè)定為400 kW時,PEVR對于電壓降落的補(bǔ)償如圖6所示。
圖6 電壓降落補(bǔ)償Fig.6 Voltage drop compensation
在0~0.1 s間PEVR的串聯(lián)側(cè)變壓器被短路,電壓調(diào)節(jié)功能未啟用;t=0.1 s時,將原本串聯(lián)變壓器高壓側(cè)短路線路做開路處理,PEVR串聯(lián)側(cè)開始進(jìn)行電壓降落的補(bǔ)償。
由圖6可知,在開始階段PEVR串聯(lián)側(cè)被短路,不能進(jìn)行電壓降落的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償時,網(wǎng)側(cè)端口電壓Uabc-grid由于負(fù)載側(cè)電流流過長線阻抗產(chǎn)生明顯的電壓降落,負(fù)載側(cè)電壓由于沒有進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償措施與網(wǎng)側(cè)端口電壓相同。電壓降落將會嚴(yán)重影響負(fù)載側(cè)用電,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定性風(fēng)險。在t=0.1 s時刻,PEVR投入使用,串聯(lián)側(cè)換流器開始工作,直流母線電容電壓迅速建立并穩(wěn)定在指令值650 V,網(wǎng)測電流Iabc-grid隨著并聯(lián)側(cè)換流器開始吸收功率而略微增大。PEVR的串聯(lián)側(cè)迅速對電網(wǎng)電壓降落進(jìn)行補(bǔ)償,可以看到在1個周波內(nèi)就基本實現(xiàn)了電壓降落的補(bǔ)償。負(fù)載側(cè)基波電壓幅值由補(bǔ)償前的6 297 V補(bǔ)償至7 998 V,跌落率由22.88%降低為2.04%,電壓降落補(bǔ)償效果良好。以下通過三個算例驗證了PEVR對于電網(wǎng)來自電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)諧波問題的補(bǔ)償。
當(dāng)負(fù)載側(cè)的非線性負(fù)載模塊投入使用,將會給系統(tǒng)引入較大的5次、7次諧波電流,負(fù)載側(cè)的諧波電流流經(jīng)長線阻抗產(chǎn)生諧波電壓。圖7展示了經(jīng)過PEVR控制的由負(fù)載側(cè)諧波電流引起的諧波電壓補(bǔ)償前、后的波形對比。
圖7 算例2電壓補(bǔ)償前、后波形對比Fig.7 Comparison between waveforms before and after voltage compensation in example 2
從圖7中可以看到,網(wǎng)側(cè)電壓由于諧波電流產(chǎn)生了5次、7次的電壓諧波,在負(fù)載側(cè)通過PEVR的補(bǔ)償消除了電網(wǎng)側(cè)電壓的畸變。通過分析補(bǔ)償前后波形中的總諧波失真(total harmonic distortion,THD)來量化PEVR的電網(wǎng)電壓諧波治理對于用戶負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量的提升,通過Simulink的FFT分析功能可以得到表1所示的補(bǔ)償前、后即網(wǎng)側(cè)端口電壓Uabc-grid和負(fù)載側(cè)電壓的Uabc-load傅里葉分析結(jié)果。其中,5次、7次電壓諧波分量表示的是諧波電壓幅值與基波電壓幅值的比例。從表1可以看到,經(jīng)過PEVR的補(bǔ)償,網(wǎng)側(cè)電壓在正常負(fù)載電流下的電壓降落和諧波電流引起的5次、7次諧波電壓都得到了補(bǔ)償。
表1 算例2補(bǔ)償前、后波形傅里葉分析結(jié)果Tab.1 FFT analyses of waveforms before and after compensation in example 2
在電網(wǎng)電壓的基頻分量上附加11次負(fù)序諧波電壓和13次正序諧波電壓分量,模擬電網(wǎng)側(cè)由于新能源并網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的諧波電壓。圖8展示了經(jīng)過PEVR控制補(bǔ)償后的負(fù)載側(cè)電壓與原本網(wǎng)側(cè)電壓的波形對比。
圖8 算例3電壓補(bǔ)償前、后波形對比Fig.8 Comparison between waveforms before and after voltage compensation in example 3
由于電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的11次、13次諧波電壓也得到了補(bǔ)償,負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量得到了提升。補(bǔ)償前后電壓波形經(jīng)過FFT分析后得到結(jié)果如表2所示。
表2 算例3補(bǔ)償前、后波形傅里葉分析結(jié)果Tab.2 FFT analyses of waveforms before and after compensation in example 3
當(dāng)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)同時出現(xiàn)諧波問題,網(wǎng)側(cè)電壓基頻分量上附加初始相位非零的11次、13次諧波,同時負(fù)載側(cè)非線性負(fù)載模塊投入產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電流,從而在網(wǎng)側(cè)生成5次、7次電壓諧波。并且由于負(fù)荷電流在線路阻抗上的壓降,網(wǎng)側(cè)電壓也有一定的跌落。通過PEVR對上述復(fù)合電網(wǎng)電壓問題進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那?、后波形對比如圖9所示。
圖9 算例4電壓補(bǔ)償前、后波形對比Fig.9 Comparison between waveforms before and after voltage compensation in example 4
由圖9可知,在雙側(cè)產(chǎn)生復(fù)合諧波電壓造成電網(wǎng)畸變問題和長線路阻抗帶來電壓降落問題的情況下,PEVR依然能夠很好地對電網(wǎng)中畸變的諧波電壓分量進(jìn)行補(bǔ)償,并補(bǔ)償相應(yīng)的電壓跌落量。補(bǔ)償前、后電壓波形經(jīng)過FFT分析后得到結(jié)果如表3所示。
表3 算例4補(bǔ)償前、后波形傅里葉分析結(jié)果Tab.3 FFT analyses of waveforms before and after compensation in example 4
由表3可以看到,各次諧波電壓分量都得到了較好的抑制和補(bǔ)償,基波電壓降落也得到了補(bǔ)償,THD由11.87%下降至5.55%,補(bǔ)償后電壓波形THD仍然較高主要是由于換流器工作所帶來的高頻諧波分量。
本文針對稀疏地區(qū)中低壓配網(wǎng)線路長、負(fù)荷分散且波動大、新能源大量分布式接入及存在非線性負(fù)載所帶來的電網(wǎng)電壓降落和諧波含量較高的問題,提出了基于PEVR電壓諧波綜合治理的控制策略,使負(fù)載側(cè)電壓的電能質(zhì)量得到了顯著的提升。這種控制策略不需要在兩相坐標(biāo)系下進(jìn)行運算,省去了坐標(biāo)變換的步驟,并且在針對電網(wǎng)電壓中包含復(fù)合諧波電壓的情況時,不需要額外的控制方法,通過將不同頻率的諧波電壓統(tǒng)一反映在負(fù)載側(cè)實際值與目標(biāo)值之差的串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償基值中,從而消除了電網(wǎng)電壓的諧波和畸變。
通過算例分析可知,PEVR通過串并聯(lián)側(cè)的控制方案,在沒有外接儲能電源的情況下,實現(xiàn)了利用電網(wǎng)能量進(jìn)行電網(wǎng)電壓綜合治理的目標(biāo)。針對稀疏地區(qū)的負(fù)荷特征和實際情況,PEVR對長線路配網(wǎng)中功率負(fù)荷投入造成電網(wǎng)電壓降落的情況下,維持負(fù)載側(cè)電壓幅值以及針對來自電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)帶來的諧波電壓能夠進(jìn)行綜合治理。通過PEVR調(diào)節(jié)后,負(fù)載側(cè)電壓電能質(zhì)量得到提升。相比于傳統(tǒng)調(diào)壓裝置,PEVR調(diào)節(jié)范圍更廣、速度更快、更靈活。由此可以看出,相比于其他調(diào)壓設(shè)備,PEVR更適用于稀疏地區(qū)電網(wǎng)電壓降落和諧波的綜合治理,從而延長供電半徑,是提高偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶電能質(zhì)量的有效措施。