儲(chǔ)能型統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器電壓補(bǔ)償能力分析及提升方法

張震霄，年 珩，李 培，馬智泉

（1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市 310027；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江省杭州市 310014）

0 引言

可再生能源在電網(wǎng)中比例的不斷增加和大量電力電子設(shè)備的接入使得電網(wǎng)產(chǎn)生電壓閃變、電壓暫升、電壓暫降以及諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題［1-2］，而一些敏感設(shè)備如大型計(jì)算機(jī)、醫(yī)療器械、精密生產(chǎn)設(shè)備等，遇到短時(shí)電壓幅值跌落故障等電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備停止工作甚至損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失［3］。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（unified power quality conditioner，UPQC）由一對(duì)背靠背換流器組成，其中一側(cè)換流器經(jīng)過(guò)變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng)，為串聯(lián)側(cè)單元，另一側(cè)則作為并聯(lián)側(cè)單元接入。UPQC 能對(duì)電網(wǎng)末端敏感負(fù)荷的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行綜合治理，集合了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)、無(wú)功補(bǔ)償、電壓和電流諧波抑制等多種功能［4-5］。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的綜合治理，目前UPQC系統(tǒng)的控制方法主要為“電壓源+電流源”的協(xié)同控制模式［6-7］，其中，串聯(lián)側(cè)采用電壓源控制模式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落補(bǔ)償以及諧波電壓的治理［8］，而并聯(lián)側(cè)采用電流源控制模式，基于比例-諧振控制實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的治理［9-10］，并通過(guò)輸出無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行支撐［11］。由于UPQC 系統(tǒng)串聯(lián)側(cè)只有在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)暫升、暫降或諧波電壓時(shí)開(kāi)始工作，不參與負(fù)載無(wú)功功率的補(bǔ)償［12］，串聯(lián)側(cè)換流器設(shè)計(jì)容量低于并聯(lián)側(cè)容量。否則，會(huì)造成串聯(lián)側(cè)換流器與變壓器長(zhǎng)期處于輕載或接近空載的狀態(tài)，造成不必要的浪費(fèi)。但是當(dāng)電壓發(fā)生跌落且跌落深度超出串聯(lián)側(cè)電壓調(diào)節(jié)范圍時(shí)，UPQC 系統(tǒng)受到容量傳輸?shù)南拗?，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)跌落電壓的全額補(bǔ)償，影響了負(fù)荷供電質(zhì)量。為了進(jìn)一步提升UPQC 電壓補(bǔ)償能力，可通過(guò)UPQC 并聯(lián)側(cè)換流器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，文獻(xiàn)［13］通過(guò)輸出無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)。后面有研究進(jìn)一步通過(guò)U-I下垂控制實(shí)現(xiàn)了孤網(wǎng)條件下通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)［14］。

通過(guò)并聯(lián)側(cè)換流器參與負(fù)荷電壓補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同控制，在保持容量配置不變的條件下提升了UPQC 系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷電壓的補(bǔ)償能力。而儲(chǔ)能電池的接入取代了電容成為新的能量存儲(chǔ)單元，進(jìn)一步提升了UPQC 系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的支撐性能［15］。儲(chǔ)能的接入能夠?qū)崿F(xiàn)UPQC 系統(tǒng)串、并聯(lián)側(cè)換流器間有功功率控制的解耦，使得并聯(lián)側(cè)可以進(jìn)行有功、無(wú)功功率的雙向控制，從而提升系統(tǒng)補(bǔ)償性能，有利于UPQC 系統(tǒng)的容量配置從而提升經(jīng)濟(jì)性。但由于儲(chǔ)能型UPQC 系統(tǒng)并聯(lián)側(cè)的功率補(bǔ)償與串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償對(duì)負(fù)荷電壓的綜合影響機(jī)制尚不清晰，并聯(lián)側(cè)的功率輸出對(duì)串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償既能起到提升作用，也能起到削弱作用，還沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)串聯(lián)側(cè)與并聯(lián)側(cè)協(xié)同電壓補(bǔ)償方法展開(kāi)深入研究。因此，并聯(lián)側(cè)參與電壓補(bǔ)償對(duì)儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力的提升有待深入研究與分析。

針對(duì)UPQC 電壓補(bǔ)償能力提升問(wèn)題，本文建立了計(jì)及并聯(lián)側(cè)功率耦合影響和串并聯(lián)側(cè)容量配置因素的儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力數(shù)學(xué)模型，分析了并聯(lián)側(cè)功率控制對(duì)電壓補(bǔ)償能力的影響規(guī)律。進(jìn)一步研究了基于串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)協(xié)同的儲(chǔ)能型UPQC電壓補(bǔ)償控制策略，對(duì)并聯(lián)側(cè)功率指令進(jìn)行改進(jìn)分配，實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償能力的提升。最后，在RSCAD 仿真平臺(tái)搭建了儲(chǔ)能型UPQC 的仿真模型并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力分析

儲(chǔ)能型UPQC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A 圖A1，系統(tǒng)接在交流電網(wǎng)與負(fù)荷之間，其中系統(tǒng)串聯(lián)側(cè)靠近交流電網(wǎng)，另一端并聯(lián)側(cè)靠近負(fù)荷，儲(chǔ)能單元采用集中式直接并聯(lián)接入的方式接入U(xiǎn)PQC 直流母線處。包含串并聯(lián)側(cè)結(jié)構(gòu)的UPQC 能夠獨(dú)立完成的電能質(zhì)量補(bǔ)償功能包括電壓暫升、電壓暫降、電壓波動(dòng)、電壓閃變、相位跳變、頻率偏移、諧波和三相不平衡抑制以及無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)?，具有其他補(bǔ)償設(shè)備所不具備的電能質(zhì)量綜合治理功能。

1.1 系統(tǒng)功率傳輸模型

針對(duì)電壓跌落場(chǎng)景進(jìn)行儲(chǔ)能型UPQC 補(bǔ)償能力分析時(shí)，可以忽略諧波電壓，只考慮基頻分量。在電網(wǎng)電壓跌落中，最為嚴(yán)重的就是三相交流電壓全部驟降，UPQC 通過(guò)串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)換流器對(duì)負(fù)荷側(cè)電壓進(jìn)行協(xié)同補(bǔ)償，以維持負(fù)荷供電電壓為額定值不變。定義負(fù)荷側(cè)額定電壓Ur與電網(wǎng)側(cè)（跌落狀態(tài)下）電壓Ug之間的差值為UPQC 提供的電壓補(bǔ)償能力Ucomp。圖1 為對(duì)UPQC 電壓補(bǔ)償進(jìn)行等效處理后的系統(tǒng)功率傳輸模型示意圖。

圖1 儲(chǔ)能型UPQC 系統(tǒng)功率傳輸模型Fig.1 Power transmission model of UPQC system with energy storage

UPQC 的串聯(lián)側(cè)換流器可以等效處理為一個(gè)帶等效阻抗Zse的可控電壓源串聯(lián)進(jìn)電網(wǎng)主線路中；并聯(lián)側(cè)換流器可以等效為一個(gè)可控電流源并聯(lián)于負(fù)載側(cè)。這兩個(gè)可控源的輸出分別受串聯(lián)側(cè)換流器與并聯(lián)側(cè)換流器的輸出控制，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)跌落電壓的補(bǔ)償。根據(jù)圖1 的等效模型，電網(wǎng)經(jīng)過(guò)UPQC 后向負(fù)荷提供的功率可表示為：

式中：Pg和Qg分別為電網(wǎng)側(cè)傳送的有功和無(wú)功功率；Ug和UL分別為電網(wǎng)側(cè)電壓和負(fù)載側(cè)電壓；Use為串聯(lián)側(cè)輸出電壓；φg和φL分別為電網(wǎng)電壓相位和負(fù)荷側(cè)電壓相位；ZS為電網(wǎng)與串聯(lián)側(cè)換流器之間的線路阻抗。

UPQC 的并聯(lián)側(cè)具有可控電流源特性，通過(guò)戴維南定理也可以等效為一個(gè)理想電壓源串聯(lián)等效輸出阻抗Zsh的形式。因此，并聯(lián)側(cè)注入系統(tǒng)的功率可以表示為：

式中：Psh和Qsh分別為并聯(lián)側(cè)輸出有功和無(wú)功功率；Zsh為UPQC 并聯(lián)側(cè)等效阻抗；Ush為并聯(lián)側(cè)輸出電壓；φsh為輸出電壓相位。

儲(chǔ)能的接入為UPQC 的串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)提供功率支撐，并保持系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定。在直流端口，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率平衡式可以簡(jiǎn)化為有功功率之間的代數(shù)關(guān)系，可表示為：

式中：Pbat為直流側(cè)儲(chǔ)能輸出功率；Pse為串聯(lián)側(cè)輸出有功功率。

1.2 串、并聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償耦合分析

為了針對(duì)儲(chǔ)能型UPQC 進(jìn)行電壓補(bǔ)償能力分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下假設(shè)：

1）雙側(cè)換流器中開(kāi)關(guān)器件在正常工作時(shí)，其元件輸出主要受最大傳輸功率限制；

2）直流側(cè)儲(chǔ)能單元功率傳輸限制滿足雙側(cè)換流器的最大傳輸功率需求；

3）串聯(lián)側(cè)換流器與串聯(lián)側(cè)變壓器容量匹配，在考慮傳輸功率限制時(shí)可以將兩者合并考慮。

UPQC 串聯(lián)側(cè)向電網(wǎng)輸出的視在功率值與輸出的補(bǔ)償電壓幅值相關(guān)，由于串聯(lián)側(cè)輸出電流與電網(wǎng)主線路電流相同，輸出的補(bǔ)償電壓Use相位也與電網(wǎng)電壓相位相同，此時(shí)串聯(lián)側(cè)輸出視在功率Sse和輸出補(bǔ)償電壓的能力上限Use，max可以表示為：

式中：Sse，max為串聯(lián)側(cè)的容量；Iset為流經(jīng)串聯(lián)側(cè)變壓器線路的電流；Uc，max為串聯(lián)側(cè)換流器受開(kāi)關(guān)器件耐壓限制能夠輸出的最大補(bǔ)償電壓。

UPQC 并聯(lián)側(cè)可以通過(guò)控制輸出電壓相角φsh，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)傳輸功率的雙向控制，將負(fù)荷與并聯(lián)接入的并聯(lián)側(cè)作為一個(gè)整體考慮，并聯(lián)側(cè)輸出功率的變化可以等效為負(fù)荷側(cè)同樣大小的功率變化。線路中電壓的變化量ΔU可表示為［16］：

式中：XS和RS分別為線路阻抗ZS中的感抗和阻抗部分，可以通過(guò)有源擾動(dòng)注入式的阻抗測(cè)量方法獲?。?7-18］；ΔPL和ΔQL分別為負(fù)荷側(cè)有功功率和無(wú)功功率的變化量；Ur為額定負(fù)荷電壓。

并聯(lián)側(cè)輸出功率的變化會(huì)因?yàn)榫€路阻抗ZS的存在對(duì)負(fù)荷電壓產(chǎn)生影響，從而對(duì)電壓補(bǔ)償產(chǎn)生直接影響。此外，并聯(lián)側(cè)輸出功率的變化還會(huì)使流經(jīng)串聯(lián)側(cè)變壓器線路的電流產(chǎn)生變化，從而間接影響到串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償，設(shè)負(fù)荷功率因數(shù)角為φ，流經(jīng)串聯(lián)側(cè)變壓器線路的電流Iset可表示為：

式中：SL為負(fù)荷側(cè)的視在功率。

由式（4）和式（6）可知，當(dāng)并聯(lián)側(cè)與電網(wǎng)間產(chǎn)生有功功率交換時(shí)，在串聯(lián)側(cè)容量受限的情況下，可以通過(guò)影響主線路電流的值，使串聯(lián)側(cè)可輸出的最大電壓幅值Use，max變化，從而影響UPQC 系統(tǒng)的電壓補(bǔ)償能力。根據(jù)上述分析，可以推導(dǎo)出考慮并聯(lián)側(cè)輸出功率耦合影響下的儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力Ucomp為：

根據(jù)式（7），負(fù)荷側(cè)視在功率SL取20 MW，功率因數(shù)cosφ取0.98，并聯(lián)側(cè)換流器額定輸出功率取5 MW。此時(shí)，并聯(lián)側(cè)輸出有功功率和無(wú)功功率分別在額定功率范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力的影響情況如圖2 所示。

圖2 并聯(lián)側(cè)功率耦合對(duì)UPQC 電壓補(bǔ)償能力的影響Fig.2 Influence of shunt-side power coupling on voltage compensation capability of UPQC

由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)并聯(lián)側(cè)從電網(wǎng)中吸收有功功率和無(wú)功功率時(shí)，UPQC 電壓補(bǔ)償能力會(huì)降低，因?yàn)檫@相當(dāng)于在負(fù)荷功率的基礎(chǔ)上增加了一條功率通路，增加了串聯(lián)變壓器上流過(guò)的電流Iset使其輸出補(bǔ)償電壓幅值上限降低，從而限制了系統(tǒng)的電壓補(bǔ)償能力。而通過(guò)并聯(lián)側(cè)向電網(wǎng)輸出有功和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，可以借助線路阻抗直接抬升電壓，還可以減小線路電流，此時(shí)假定串聯(lián)側(cè)輸出補(bǔ)償電壓不變，則串聯(lián)側(cè)變壓器輸出視在功率Sse減小，多出的空余容量可以進(jìn)一步提升補(bǔ)償電壓Use的幅值。

根據(jù)式（4），并聯(lián)側(cè)輸出功率改變主線路電流Iset可以提升串聯(lián)側(cè)輸出補(bǔ)償電壓，當(dāng)串聯(lián)側(cè)輸出補(bǔ)償電壓達(dá)到開(kāi)關(guān)器件的額定電壓時(shí)，式（7）等號(hào)右邊第2 項(xiàng)轉(zhuǎn)為一個(gè)常數(shù)，表達(dá)式見(jiàn)附錄A 式（A1）。串、并聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償耦合只包含式（5）的電壓波動(dòng)影響。

1.3 考慮功率傳輸限制的電壓補(bǔ)償能力提升

利用UPQC 并聯(lián)側(cè)換流器進(jìn)行協(xié)同電壓補(bǔ)償，能夠在容量配置不變的情況下提升儲(chǔ)能型UPQC 的電壓補(bǔ)償能力。當(dāng)并聯(lián)側(cè)有功功率按照串聯(lián)側(cè)輸出有功功率進(jìn)行跟蹤控制，無(wú)功協(xié)同進(jìn)行電壓跌落補(bǔ)償時(shí)，根據(jù)式（7），得到考慮串、并聯(lián)側(cè)容量限制條件下的儲(chǔ)能型UPQC 的電壓補(bǔ)償 能 力U*comp如 式（8）所 示，其 中，Ssh，max為 并 聯(lián) 側(cè)容量。

根據(jù)式（8），UPQC 串聯(lián)側(cè)與并聯(lián)側(cè)協(xié)同補(bǔ)償時(shí)的電壓補(bǔ)償能力U*comp與串、并側(cè)換流 器容量Sse，max、Ssh，max有關(guān)，且會(huì)受到負(fù)荷側(cè)視在功率SL及其功率因數(shù)cosφ的影響。當(dāng)串、并聯(lián)側(cè)換流器均以最大容量運(yùn)行，此時(shí)改變并聯(lián)側(cè)輸出的有功功率，也會(huì)由于容量限制改變并聯(lián)側(cè)輸出的無(wú)功功率。根據(jù)式（7）和圖2 的分析，并聯(lián)側(cè)從電網(wǎng)吸收有功功率會(huì)減小UPQC 電壓補(bǔ)償能力，因此需在并聯(lián)側(cè)以最大傳輸容量運(yùn)行的條件下對(duì)其有功功率和無(wú)功功率指令值進(jìn)行合理的分配來(lái)進(jìn)一步提升UPQC 電壓補(bǔ)償能力。

2 儲(chǔ)能型UPQC 并聯(lián)側(cè)功率指令分配

根據(jù)式（7），由于儲(chǔ)能的接入，在電壓跌落時(shí)并聯(lián)側(cè)具有向電網(wǎng)補(bǔ)償有功功率的能力，使（SLcosφ+Psh）這一項(xiàng)減少，從而減小線路電流Iset，起到與無(wú)功補(bǔ)償減小線路電流相似的補(bǔ)償效果。此外，并聯(lián)側(cè)與負(fù)荷接入節(jié)點(diǎn)處的有功功率變化也能對(duì)電壓產(chǎn)生影響，但考慮線路中RS?XS，并聯(lián)側(cè)相同的有功輸出與無(wú)功輸出相比，其對(duì)輸電線路阻抗壓降的電壓補(bǔ)償作用可以被忽略。因此，在并聯(lián)側(cè)換流器參與儲(chǔ)能型UPQC 協(xié)同電壓補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)以輸出無(wú)功功率補(bǔ)償為優(yōu)先目標(biāo)。

在式（8）中，并聯(lián)側(cè)將剩余容量全部用于無(wú)功補(bǔ)償，但在運(yùn)行中可能出現(xiàn)負(fù)荷功率因數(shù)很高或負(fù)荷輕載的工況，此時(shí)若補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率超過(guò)了負(fù)荷功率的無(wú)功部分SLsinφ，超出的部分將會(huì)使線路中無(wú)功電流增加從而降低串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償能力。當(dāng)無(wú)功輸出過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)致流經(jīng)串聯(lián)側(cè)變壓器線路的電流Iset增加帶來(lái)的串聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償能力削弱的影響超過(guò)式（5）中無(wú)功輸出帶來(lái)的線路阻抗電壓補(bǔ)償能力的提升效果時(shí)，繼續(xù)增加無(wú)功輸出反而使UPQC 整體電壓補(bǔ)償能力減弱。因此，儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力存在極大值，設(shè)并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償功率因數(shù)為cosx，并且以最大傳輸功率Ssh，max運(yùn)行，代入式（7）可以得到關(guān)于電壓補(bǔ)償能力Ucomp（x）的函數(shù)表達(dá)式為：

在式（9）中，對(duì)x求偏導(dǎo)，并令?Ucomp(x)/?x=0，求解自變量x，可以解得使UPQC 電壓補(bǔ)償能力取到極大值的并聯(lián)側(cè)最佳無(wú)功補(bǔ)償量Q*sh，具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄A 式（A2）和式（A3）。

基于上述分析，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落深度超出串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償能力時(shí)，為實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與并聯(lián)側(cè)對(duì)電壓跌落的協(xié)同補(bǔ)償，并聯(lián)側(cè)無(wú)功外環(huán)控制發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，此時(shí)需根據(jù)計(jì)算得到的最佳無(wú)功補(bǔ)償量Q*sh對(duì)并聯(lián)側(cè)功率指令進(jìn)行改進(jìn)分配：

1）將并聯(lián)側(cè)容量與計(jì)算得到的最佳無(wú)功補(bǔ)償量作比較，若Q*sh＞Ssh，max，說(shuō)明在并聯(lián)側(cè)容量限制范圍內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償相較于有功補(bǔ)償對(duì)UPQC 電壓補(bǔ)償能力的提升效果都更好，此時(shí)禁用并聯(lián)側(cè)有功外環(huán)，并聯(lián)側(cè)只進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；

2）若Q*sh＜Ssh，max，則 無(wú) 功 輸 出 指 令 值 的 上 限 設(shè)為Q*sh，而若并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償無(wú)功功率達(dá)到Q*sh后仍未實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓補(bǔ)償至額定值，則并聯(lián)側(cè)剩余容量可用于進(jìn)一步輸出有功功率對(duì)負(fù)荷中的有功部分進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得相同條件下更高的UPQC 電壓補(bǔ)償能力。

基于功率指令改進(jìn)分配的儲(chǔ)能型UPQC 協(xié)同電壓補(bǔ)償控制策略如附錄A 圖A2 所示。儲(chǔ)能型UPQC 電壓協(xié)同補(bǔ)償包含2 個(gè)模式，在電壓輕度跌落時(shí)，僅采用串聯(lián)側(cè)進(jìn)行電壓補(bǔ)償；當(dāng)電壓跌落超出串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償能力時(shí)，進(jìn)入U(xiǎn)PQC 協(xié)同電壓補(bǔ)償。此時(shí)，由于負(fù)荷工況的不同，又可以根據(jù)負(fù)荷工況計(jì)算得到的最佳無(wú)功補(bǔ)償量是否落在并聯(lián)側(cè)傳輸功率限制內(nèi)，分為并聯(lián)側(cè)無(wú)功優(yōu)先的協(xié)同電壓補(bǔ)償和并聯(lián)側(cè)改進(jìn)功率指令分配的協(xié)同電壓補(bǔ)償。并聯(lián)側(cè)最佳無(wú)功補(bǔ)償量Q*sh的計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化后的儲(chǔ)能型UPQC 協(xié)同電壓補(bǔ)償能力的提升效果如圖3 所示（數(shù) 學(xué) 模 型 計(jì) 算 時(shí)Sse，max取0.15 p.u.，Ssh，max取0.25 p.u.）。

圖3 并聯(lián)側(cè)換流器功率優(yōu)化分配的電壓協(xié)同補(bǔ)償Fig.3 Voltage cooperative compensation based on optimal power distribution in shunt-side converter

最佳無(wú)功補(bǔ)償量Q*sh與負(fù)荷功率大小及功率因數(shù)的關(guān)系如圖3（a）所示，Q*sh隨負(fù)荷功率因數(shù)增大而減小，當(dāng)負(fù)荷功率中無(wú)功分量較大時(shí)，并聯(lián)側(cè)的Q*sh也較大，在輸出達(dá)到該最佳補(bǔ)償量之前，均可以通過(guò)增加無(wú)功輸出繼續(xù)補(bǔ)償電壓，若在輸出無(wú)功功率達(dá)到Q*sh后，仍未實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷電壓的補(bǔ)償，此時(shí)并聯(lián)側(cè)可以將剩余容量用于輸出有功功率對(duì)負(fù)荷功率中的有功分量進(jìn)行平衡，從而進(jìn)一步提升儲(chǔ)能型UPQC的電壓補(bǔ)償能力。在串并聯(lián)側(cè)協(xié)同電壓補(bǔ)償控制的基礎(chǔ)上，對(duì)并聯(lián)側(cè)功率指令進(jìn)行改進(jìn)分配后的UPQC 電壓補(bǔ)償能力提升如圖3（b）所示，UPQC 電壓補(bǔ)償能力利用儲(chǔ)能接入的特性得到了進(jìn)一步的提升。在單位功率因數(shù)的負(fù)荷（SL=0.55 p.u.）條件下，提升效果相比于常規(guī)的串聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償可達(dá)到234%。

3 儲(chǔ)能型UPQC 雙側(cè)換流器控制

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能型UPQC 對(duì)電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償，需要對(duì)其串、并聯(lián)側(cè)換流器進(jìn)行控制。通過(guò)并聯(lián)側(cè)的功率控制協(xié)同參與電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償，提升儲(chǔ)能型UPQC 的電壓補(bǔ)償能力。

儲(chǔ)能型UPQC 串聯(lián)側(cè)換流器采用一種基于三相坐標(biāo)系下的直接電壓控制，無(wú)須經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換就可以實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)和電壓諧波問(wèn)題的綜合治理［19］。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行濾波后鎖相得到電網(wǎng)角度［20-21］，就可以生成一個(gè)期望得到的負(fù)載側(cè)標(biāo)準(zhǔn)交流電壓參考波，將負(fù)載側(cè)的實(shí)際電壓與生成的參考波作差就可以得到UPQC 串聯(lián)側(cè)待補(bǔ)償?shù)碾妷毫?，串?lián)側(cè)的控制結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)附錄A 圖A3，可以用式（10）和式（11）來(lái)表示。

式中：U*為Ur和UL作差得到的待補(bǔ)償電壓。

儲(chǔ)能型UPQC 并聯(lián)側(cè)換流器根據(jù)功率指令的改進(jìn)分配結(jié)果得到功率指令值，其中，有功外環(huán)在穩(wěn)態(tài)時(shí)通過(guò)檢測(cè)串聯(lián)側(cè)輸出，并對(duì)其進(jìn)行跟蹤控制得到有功指令值。當(dāng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，無(wú)功外環(huán)通過(guò)檢測(cè)負(fù)荷電壓有效值，根據(jù)比例控制確定無(wú)功指令值，并且根據(jù)最佳無(wú)功補(bǔ)償量的計(jì)算設(shè)定無(wú)功指令限幅值。為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)，需要增加積分環(huán)節(jié)，將電壓偏差量作為反饋信號(hào)。在基本無(wú)功控制環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上將無(wú)功外環(huán)改造成一個(gè)比例-積分（PI）控制環(huán)節(jié)。

在得到并聯(lián)側(cè)換流器的功率指令值后，采用功率-電流雙閉環(huán)控制，先將得到的功率指令輸入功率環(huán)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后得到有功、無(wú)功電流指令值，再進(jìn)入電流環(huán)進(jìn)行PI 控制并調(diào)制得到輸出參考電壓。并聯(lián)側(cè)換流器控制框圖見(jiàn)附錄A 圖A4，除上述功率控制環(huán)節(jié)外，還包含諧波電流的檢測(cè)與消除環(huán)節(jié)。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提的UPQC 串并聯(lián)側(cè)協(xié)同電壓補(bǔ)償控制策略的正確性與有效性，在RSCAD 仿真平臺(tái)搭建儲(chǔ)能型UPQC 仿真模型，并基于RTDS 平臺(tái)對(duì)本文所提出的協(xié)同補(bǔ)償控制策略及改進(jìn)指令分配進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其中，控制系統(tǒng)的主要參數(shù)如附錄A 表A1 所 示。

4.1 單側(cè)換流器電壓補(bǔ)償仿真

負(fù)荷側(cè)視在功率SL取15 MW（0.75 p.u.），功率因數(shù)cosφ取0.75，基于以上參數(shù)構(gòu)建儲(chǔ)能型UPQC系統(tǒng)電壓補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行工況，首先通過(guò)仿真驗(yàn)證僅串聯(lián)側(cè)單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾妷貉a(bǔ)償能力。UPQC 串聯(lián)側(cè)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落和驟升進(jìn)行單側(cè)補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果分別如圖4 和附錄A 圖A5 所示。

圖4（a）為電網(wǎng)電壓跌落至0.92 p.u.時(shí)的仿真結(jié)果，發(fā)生跌落后，串聯(lián)側(cè)開(kāi)始工作，輸出補(bǔ)償電壓將負(fù)荷電壓補(bǔ)償至額定值1 p.u.。當(dāng)串聯(lián)側(cè)以最大傳輸功率進(jìn)行電壓補(bǔ)償時(shí)恰好能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷電壓補(bǔ)償，仿真結(jié)果如圖4（b）所示，此時(shí)電網(wǎng)電壓跌落至0.85 p.u.，串聯(lián)側(cè)輸出補(bǔ)償電壓在穩(wěn)態(tài)后達(dá)到電壓補(bǔ)償能力上限0.15 p.u.。若繼續(xù)加大電網(wǎng)電壓跌落深度，僅通過(guò)串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償將無(wú)法繼續(xù)增加補(bǔ)償電壓幅值實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓的補(bǔ)償。

圖4 單側(cè)電壓補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of one-side voltage compensation

若令并聯(lián)側(cè)有功外環(huán)對(duì)串聯(lián)側(cè)輸出有功功率進(jìn)行跟蹤控制，從電網(wǎng)中吸收有功功率，在電網(wǎng)電壓跌落至0.85 p.u.工況下的仿真結(jié)果如圖4（c）所示。并聯(lián)側(cè)與電網(wǎng)的有功功率交換引起了流過(guò)串聯(lián)側(cè)變壓器線路的電流Iset的變化，從而使串聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償能力減小，當(dāng)串聯(lián)側(cè)輸出電壓達(dá)到補(bǔ)償能力上限時(shí)，將無(wú)法繼續(xù)加大輸出電壓。相比于圖4（b）工況，在同樣的跌落深度下，并聯(lián)側(cè)從電網(wǎng)吸收有功功率使儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力減弱，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)相同跌落深度下的負(fù)荷電壓補(bǔ)償。

4.2 改進(jìn)指令分配的協(xié)同電壓補(bǔ)償仿真

UPQC 串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)換流器對(duì)電網(wǎng)電壓跌落和驟升進(jìn)行協(xié)同電壓補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果分別如圖5 和附錄A 圖A6 所示。

令并聯(lián)側(cè)有功外環(huán)仍然對(duì)串聯(lián)側(cè)輸出進(jìn)行跟蹤控制，而無(wú)功外環(huán)則根據(jù)并聯(lián)側(cè)剩余容量對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)并聯(lián)側(cè)換流器提升儲(chǔ)能型UPQC 的電壓補(bǔ)償能力。圖5（a）為該工作條件下儲(chǔ)能型UPQC 以最大電壓補(bǔ)償能力運(yùn)行時(shí)負(fù)荷電壓補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果，電網(wǎng)電壓跌落深度為0.79 p.u.，并聯(lián)側(cè)根據(jù)跟蹤控制生成的有功功率指令從電網(wǎng)中吸收了0.15 p.u.的有功功率，剩余容量進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，向電網(wǎng)輸出了0.20 p.u.的無(wú)功功率。

圖5 儲(chǔ)能型UPQC 協(xié)同電壓補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of cooperative voltage compensation of UPQC with energy storage

根據(jù)負(fù)荷功率與功率因數(shù)計(jì)算得到并聯(lián)側(cè)最佳無(wú)功補(bǔ)償量，并進(jìn)行功率指令的改進(jìn)分配后的仿真結(jié)果如圖5（b）和（c）所示，在跌落的暫態(tài)過(guò)程中，并聯(lián)側(cè)換流器不再對(duì)串聯(lián)側(cè)輸出進(jìn)行跟蹤控制，而是以最大電壓補(bǔ)償能力為控制目標(biāo)給出功率指令值。此時(shí)，儲(chǔ)能型UPQC 輸出的功率來(lái)源于直流側(cè)儲(chǔ)能提供的功率。

圖5（b）為改變負(fù)荷工況，負(fù)荷功率因數(shù)cosφ取0.2，此時(shí)計(jì)算得出的最佳無(wú)功補(bǔ)償量Q*sh=0.971 p.u.，遠(yuǎn)大于并聯(lián)側(cè)容量，此時(shí)的改進(jìn)功率指令分配也即無(wú)功優(yōu)先的協(xié)同電壓補(bǔ)償控制。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落超出串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償能力范圍時(shí)，并聯(lián)側(cè)通過(guò)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)，直至無(wú)功補(bǔ)償值達(dá)到并聯(lián)側(cè)容量上限Ssh，max。

當(dāng)負(fù)荷功率因數(shù)cosφ為0.75 時(shí)，根據(jù)圖3（a）可以得到最佳無(wú)功補(bǔ)償量Q*sh=0.184 p.u.，落在并聯(lián)側(cè)容量Ssh，max=0.25 p.u.范圍內(nèi)。儲(chǔ)能型UPQC以最大電壓補(bǔ)償能力運(yùn)行時(shí)其并聯(lián)側(cè)無(wú)功功率指令等于Q*sh，而剩余容量用于輸出有功功率減輕線路電流，從而更進(jìn)一步提升電壓補(bǔ)償能力。仿真結(jié)果如圖5（c）所示，在0～20 s 內(nèi)，并聯(lián)側(cè)按照?qǐng)D5（a）工作模式進(jìn)行協(xié)同補(bǔ)償，此時(shí)并聯(lián)側(cè)的容量幾乎全部用于從電網(wǎng)中吸收有功功率進(jìn)行跟蹤控制，這使流經(jīng)串聯(lián)變壓器的線路電流對(duì)串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償能力的抑制作用加強(qiáng)，也使得線路壓降的影響更加突出。電網(wǎng)電壓在瞬時(shí)一次跌落的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了由于并聯(lián)側(cè)吸收有功功率造成二次跌落，該工作條件下儲(chǔ)能型UPQC 無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓的補(bǔ)償。在t=20 s 時(shí)刻，令并聯(lián)側(cè)功率指令按照改進(jìn)分配進(jìn)行控制，穩(wěn)態(tài)后并聯(lián)側(cè)向電網(wǎng)分別輸出0.187 p.u.的無(wú)功功率和0.164 p.u.的有功功率，與理論分析結(jié)果相符。

根據(jù)圖4 和圖5，在負(fù)荷功率為0.75 p.u.、功率因數(shù)cosφ為0.75 的工況下，僅通過(guò)串聯(lián)側(cè)換流器進(jìn)行調(diào)壓補(bǔ)償時(shí)，電網(wǎng)電壓最深跌落至0.85 p.u.時(shí)，UPQC 仍能將負(fù)荷側(cè)電壓補(bǔ)償至額定值。當(dāng)UPQC并聯(lián)側(cè)參與，系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同電壓補(bǔ)償時(shí)，能夠?qū)⒇?fù)荷側(cè)電壓補(bǔ)償至額定值的最深跌落達(dá)到0.79 p.u.，UPQC 電壓補(bǔ)償能力由0.15 p.u.提升至0.21 p.u.。對(duì)并聯(lián)側(cè)功率指令進(jìn)行改進(jìn)分配，在相同的串、并聯(lián)側(cè)容量和串聯(lián)變壓器容量的限制條件下，以最大容量運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力達(dá)到0.27 p.u.，與本文所建的數(shù)學(xué)模型得出的分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了所提協(xié)同補(bǔ)償方法的有效性。通過(guò)儲(chǔ)能型UPQC兩側(cè)換流器功能上的相互協(xié)調(diào)提升了系統(tǒng)的電壓補(bǔ)償能力，在相同電壓補(bǔ)償能力的需求條件下，可以降低系統(tǒng)的配置容量，從而降低系統(tǒng)成本，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)儲(chǔ)能型UPQC 提出了一種基于并聯(lián)側(cè)改進(jìn)功率指令分配的協(xié)同電壓補(bǔ)償策略。首先，建立了考慮UPQC 容量配置、負(fù)荷功率及功率因數(shù)等參數(shù)的儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力的數(shù)學(xué)模型。然后，分析了并聯(lián)側(cè)輸出有功、無(wú)功功率對(duì)電壓補(bǔ)償能力提升的定量關(guān)系，推導(dǎo)并計(jì)算得到不同負(fù)荷工況下并聯(lián)側(cè)的最佳無(wú)功補(bǔ)償量，并據(jù)此改進(jìn)了并聯(lián)側(cè)功率指令分配方案。最后，基于并聯(lián)側(cè)的最佳無(wú)功補(bǔ)償量的計(jì)算和改進(jìn)功率指令分配，通過(guò)儲(chǔ)能型UPQC 協(xié)同電壓補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)電壓補(bǔ)償能力的進(jìn)一步提升。RTDS 平臺(tái)中的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提協(xié)同補(bǔ)償方法的有效性。

本文在分析儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力時(shí)，對(duì)于兩側(cè)換流器容量?jī)H考慮了功率傳輸限制，而實(shí)際電力電子開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū)除去功率傳輸限制，還有電壓、電流限制。此外，對(duì)于儲(chǔ)能的功率、電流傳輸限制也并未體現(xiàn)在電壓補(bǔ)償能力的數(shù)學(xué)模型中。未來(lái)可以將各種傳輸限制加以綜合考慮，形成一個(gè)更加完備的儲(chǔ)能型UPQC 電壓補(bǔ)償能力數(shù)學(xué)模型，理清換流器、儲(chǔ)能容量配置與系統(tǒng)補(bǔ)償能力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)儲(chǔ)能型UPQC 的容量配置進(jìn)行優(yōu)化。

本文研究得到國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目(5211DS19002V)的資助，特此感謝！

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。