用户端UPQC 与配电网DFACTS 设备协调控制策略

2021-07-16洪金琪俞永军蔡重凯葛昆明于建飞王广柱

浙江电力 2021年6期

洪金琪，徐雄，俞永军，蔡重凯，葛昆明，王滔，于建飞，王广柱

（1.国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司，浙江绍兴 312000；2.山东大学电气工程学院，济南 250061）

0 引言

近年来，我国电网的快速发展使得配电网结构和运行方式的复杂程度大大提高[1]。同时，随着智能电网的发展[2]，用户对电能质量的要求越来越高。DFACTS[3]（分布式柔性交流输电）技术可以增强配电系统的可控性及灵活性，是改善配电系统电能质量的有力工具[4]。随着对DFACTS 技术研究的不断深入，出现了一系列与此相关的电能质量补偿装置，如DVR（动态电压恢复器）、APF（电力有源滤波器）、UPQC[5]（统一电能质量调节器）、DSTATCOM（配电用静止同步补偿装置）、SSTS（固态切换开关）等。它们广泛应用于配电网中，用以抑制电压波动与闪变、电压跌落、谐波治理和补偿负荷不平衡[6]等电能质量问题。为实现区域配电网电能质量的综合治理，常常需要多台DFACTS 装置联合运行。然而，由于各种DFACTS装置工作原理不尽相同，有些装置的功能类似，如果在发生电能质量问题时不加以协调控制，将会影响电能质量治理效果，因此需要协调控制各台DFACTS 装置[7-8]。

研究多种DFACTS 设备的协调控制策略具有重要的实际意义和工程价值。近年来，许多学者致力于研究多种DFACTS 设备的协调控制策略并取得了一定的成果。文献[9]提出一种基于级联多电平APF 和SVC（静止无功补偿器）综合补偿系统的统一控制方法，避免了SVC 与APF 的控制耦合带来的稳定性问题，并且研究了综合系统的补偿策略。文献[10]针对多台DFACTS 装置间协调控制进行研究，围绕区域性配电网中共用直流母线的串并联变流器联合补偿问题，以自带和不带大功率储能的UPQC 为例，研究了两者之间的协调控制问题，针对所设计的带大功率储能UPQC结构，提出基于有功环流的功率流协调控制策略。文献[11]提出了SSTS 和DVR 在应对电压跌落问题、DSTATCOM 和TSC（晶闸管投切电容器）在应对无功补偿问题时的协调运行策略，但是该文献未能全面考虑配电网中的电能质量问题，且电能质量设备协调控制策略有待进一步优化。文献[12]提出了STATCOM 和固定电容器组参与自动电压控制的协调运行策略，但是该文献仅针对电压变化，而未能考虑其他电能质量问题。文献[13]研究了APF 和SVC 联合运行中的互相影响问题，指出在两者同时运行的情况下SVC 控制器的设计要考虑到APF 的影响，否则系统可能会不稳定。

本文以配电网双电源馈线拓扑结构为例，结合试点现场的实际工况和电能质量问题，对电能质量治理设备进行合理的组合匹配，提出一种适用于多电压等级配电网多种电能质量治理设备的协调控制方法，其中电能质量治理设备包括SSTS，DSTATCOM 和UPQC。该协调控制策略主要包括2 个方面：一是SSTS，UPQC 和DSTATCOM 协调运行治理配电网中不同等级的电压跌落问题；二是DSTATCOM 和UPQC 协调运行治理配电网中的无功、负序和谐波电流。最后，基于MATLAB/Simulink 仿真平台验证了该策略的正确性和有效性。

1 装备多种DFACTS 设备的双路电源馈线配电网

为了提高供电可靠性，满足重要负荷对电能质量的要求，由2 路10 kV 馈线为负荷供电。在图1 所示的拓扑中，安装了SSTS，DSTATCOM和用户端UPQC 等电能质量治理设备，L-1 为冲击负荷，L-2 为谐波负荷，L-3 为敏感负荷。

图1 双路电源配电网拓扑

1.1 DSTATCOM 工作原理

DSTATCOM 是重要的并联型无功补偿设备，采用全控型开关器件构成自换相的逆变电路，可对电力系统配电网的无功功率进行补偿[14]。本文DSTATCOM 为级联式拓扑结构，采用三角形接线方式，主电路结构如图2 所示。图中，每相级联模块中串联的H 桥单元个数N 设为20 个，每个H 桥单元直流侧电容的额定电压设为850 V。

图2 DSTATCOM 主电路结构

三角形接线DSTATCOM 三相之间没有耦合，采用分相控制，可以看成是3 个单相级联H 桥变流器进行控制[15-16]，所以三角形接线DSTATCOM直流侧电压稳定控制算法分为两层：三相级联模块之间的电压稳定；每一相级联模块内各个H 桥单元直流侧电压稳定及均衡[17]。其中，第一层相间电压控制与交流侧电流内环控制共同构成双闭环控制。以A 相为例，DSTATCOM 总体控制策略如图3 所示，其中：iab为A 相DSTATCOM 电流；iabQ为无功电流指令值；usab为电源相间电压，sin_ab 为由usab锁相得到的同步正弦信号；Udc_sum为各相总电容电压参考值；Udc_ab为A 相各H 桥单元电容电压总和；Urab1，…，UrabN分别为各H桥单元控制电压参考信号。

图3 DSTATCOM 控制框图

1.2 SSTS 特点及应用场合

固态开关一般应用于双路电源供电系统中，能够快速实现电源切换，从而使敏感负荷免受电压跌落的影响。目前市场上大部分固态开关产品应用在380 V 电压等级，10 kV 及以上的中高压产品中，常见的拓扑结构为晶闸管串并联机械开关，如图4 所示。

图4 SSTS 基本单元

本文采用的SSTS 模型具有以下特点：由快速真空断路器PS、反并联的晶闸管TH1 和TH2、用于过电压保护用的避雷器AR 等组成；应用于10 kV 电压等级；采用过零切换的控制方式；切换时间小于15 ms。

1.3 UPQC 工作原理

UPQC 作为一种具有综合补偿能力的电能质量调节装置，能够同时满足电压和电流质量要求，可快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和闪变，屏蔽谐波电流和电压，补偿各相电压的不平衡以及故障时的瞬时电压中断等，具有多目标补偿功能[18]。

UPQC 的基本结构如图5 所示，由串联逆变器、并联逆变器、滤波器、串联变压器、电源电压补偿量检测、负载电流补偿量检测、控制器组成。串联逆变器实现对电源电压的补偿，使负载获得正弦交流电压；并联逆变器实现对负载电流的补偿，使电源获得正弦交流电流；公共电容器用于连接2 个逆变器和维持恒定的自给直流电压；滤波器1 可抑制串联逆变器输出电压的高频开关次纹波，串联变压器用于将串联逆变器接入电网，合适的匝数比可减少串联逆变器的电流或电压定额，从而达到节省成本的目的。滤波器1为串联变压器注入的补偿电压；滤波器2 是并联逆变器和电网的接口，可抑制并联逆变器输出补偿电流的纹波。

图5 UPQC 的基本结构

2 SSTS，DSTATCOM 和UPQC 协调控制策略

2.1 DFACTS 设备协调控制的依据

受DFACTS 设备补偿容量和响应时间的限制，在解决不同程度的电能质量问题时，需要协调控制不同的电能质量设备。UPQC 对电网电压跌落的补偿深度一般为小于50%；DSTATCOM多用于补偿配电网中的无功功率，因此可补偿小范围的电压扰动；SSTS 多用于大幅电压跌落的情况，以达到快速切换电源的目的。因此根据DFACTS 设备的补偿深度，本文将电压跌落分为以下几个等级：

系统电压Um在85%～100%Un区间定义为跌落等级1（小范围的电压波动）；系统电压Um在70%～85%Un区间定义为跌落等级2；系统电压Um在50%～70%Un区间定义为跌落等级3；系统电压Um低于50%Un定义为跌落等级4（超出UPQC的补偿深度）。

2.2 DFACTS 设备协调控制策略

当电力系统出现电压跌落、暂升暂降等问题时，上述装置均可以动作，为敏感负荷提供良好的电能质量，但其功能上存在重叠，为了保证电能治理的经济性、高效性和安全性，需要使其协调运行。DSTATCOM 和UPQC 均具有补偿无功和谐波的功能，为了最大化地提高补偿效果，也需要对其进行协调控制。

本文提出一种适用于多级配电网多种电能质量治理设备的协调控制方法，具体如下：当电压波动大于设定范围时，SSTS，DSTATCOM 和UPQC 协调运行，进行电压控制；当电网电压在正常波动范围内，DSTATCOM 运行于无功模式，协调UPQC 进行无功和谐波补偿。

2.2.1 针对电压跌落问题的协调控制策略

应对系统中的电压跌落问题，需要对SSTS，DSTATCOM 和UPQC 3 种设备进行协调，其控制流程框图如图6 所示，图中Un表示10 kV 母线额定电压，Udc和Umin分别表示UPQC 直流母线电压和其最低工作电压。

图6 DFACTS 协调控制流程

根据电压跌落等级制定相应的协调控制策略：

（1）当主电源带负荷运行时，母线电压有效值在85%～100%Un区间，即处于跌落等级1，则认定电压处于小波动范围。由2.1 可知，DSTATCOM 运行于无功模式，补偿系统无功可解决小范围电压波动。

（2）当母线电压处于跌落等级2 时，首先将DSTATCOM 工作模式切换为恒压模式，若电压恢复正常或回到跌落等级1，则切换为无功模式；若DSTATCOM 工作于恒压模式且电压依旧处于跌落等级2，则启动UPQC 进行电压补偿，当UPQC 超出补偿容量时，首先闭锁UPQC 并联侧（UPQC 并联侧从线路吸收有功会循环增大UPQC内部环流功率），此时UPQC 串联侧输出补偿功率全部来自其直流母线电容，待电容放电电压下降到不足以支撑补偿电压时，启动SSTS 切换同时闭锁UPQC 串联侧，由主电源切换到备用电源。

（3）当母线电压处于跌落等级3 时，直接启动UPQC 进行电压补偿。当故障持续时间大于2 ms，则启动SSTS 同时闭锁UPQC 串联侧，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC 串联侧，补偿负载切换到备用馈线后的电压暂态过程。

（4）当母线电压处于跌落等级4 时，由2.1 可知，该电压跌落超出UPQC 的补偿范围，因此需要直接启动SSTS 同时闭锁UPQC 串联侧，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC 串联侧，补偿负载切换到备用馈线后的电压暂态过程。

（5）负荷切换至备用电源后，如果主电源电压恢复正常，则启动SSTS 将负荷从备用电源馈线切换到主电源馈线。

本文设定的电压阈值为50%，70%和85%，在实际应用中，可以根据敏感负荷的耐压特性和UPQC 的电压补偿能力进行修正。

2.2.2 针对三相不平衡、无功和谐波补偿问题的协调控制策略

当敏感负荷支路的UPQC 容量不够或出现故障时，支路中的电能质量无法保障，因此可协调DSTATCOM 参与该支路的补偿过程。

（1）首先应用dq 分解法可以得到L-3 负荷的无功电流Iq和Ib谐波电流，其和（即Iq+Ih）作为UPQC 的补偿电流指令，UPQC 优先补偿L-3 类负荷（敏感负荷）的无功电流和谐波电流。

（2）同样，通过dq 分解法得到10 kV 母线所有负载支路的无功电流和谐波电流，即L-1 负载支路无功电流Iq1和谐波电流Ih1，L-2 负载支路无功电流Iq2和谐波电流Ih2，L-3 负载支路经UPQC补偿后的无功电流Iq3和谐波电流Ih3，其和（Iq1+Ih1+Iq2+Ih2+Iq3+Ih3）作为DSTATCOM 的补偿电流指令，即由DSTATCOM 补偿母线上所有无功和谐波电流。

（3）应用dq 分解法得到系统的负序电流，并将其作为DSTATCOM 的补偿电流指令，补偿负荷三相不平衡引起的负序电流。

（4）在DSTATCOM 运行于无功模式时，按照上述步骤所得指令电流进行补偿。

3 仿真分析

根据图1 所示双路电源配电网拓扑结构，在MATLAB/Simulink 中搭建相应的仿真平台验证本文提出的配电网多DFACTS 设备的协调控制策略。

3.1 母线电压跌落工况下的仿真验证

工况一：母线电压发生15%的三相电压跌落，即电压跌落等级为1，持续时间为0.2 s。DSTATCOM 运行于恒无功模式，补偿线路中的无功功率，图7（a）为10 kV 母线A 相电压波形，图7（b）为母线A 相电压和A 相电流波形。

图7 工况一仿真波形

工况二：母线发生20%的三相电压跌落，即电压跌落等级为2。如图8（a）所示，0.3 s 发生三相电压跌落。UPQC 启动补偿电压跌落使L-3 支路电压维持在额定值，如图8（b）所示。当UPQC超出补偿容量之后，闭锁其并联侧，在0.5 s 时UPQC 已不足以补偿跌落电压，SSTS 启动，由主电源切换至备用电源。

图8 工况二仿真波形

工况三：母线发生40%的三相电压跌落，即电压跌落等级为3。此时DFACTS 设备的协调控制分为2 个阶段：

（1）如图9 所示，在0.3 s 发生电压跌落，立刻投入UPQC 进行电压补偿，若电压跌落持续时间大于2 ms，则启动SSTS 切换并闭锁UPQC 串联侧，由主电源切换至备用电源。

图9 工况三仿真波形

（2）如图9（b）所示，在0.32 s 时SSTS 投切完成后，再投入UPQC 补偿因电源投切引起的暂态电压，在0.43 s 暂态过程结束，闭锁UPQC 串联侧。

工况四：母线发生60%的三相电压跌落，即电压跌落等级为4。如图10 所示，启动SSTS 切换并闭锁UPQC 串联侧，由主电源切换至备用电源，然后启动UPQC 补偿负由电源投切引起的电压暂态，暂态过程结束后闭锁UPQC 串联侧。

图10 工况四仿真波形

3.2 谐波和无功负荷工况下的仿真验证

当L-3 支路上存在谐波电流和无功电流时，UPQC 优先进行补偿，保证敏感负荷的供电质量。图11（a）为UPQC 补偿前后的电流波形，在0.05 s时将UPQC 投入运行；图11（b）为UPQC 补偿后L-3 支路电流的FFT（快速傅里叶变换）分析结果，可看出补偿后谐波含量较低。

当10 kV 母线和L-3 支路同时存在谐波电流和无功电流时，UPQC 补偿L-3 支路上的谐波，DSTATCOM 补偿10 kV 母线上的谐波和无功。如图11（c）所示，在0.05 s 时UPQC 投入运行，在0.1 s 时DSTATCOM 投入运行；由图11（d）看出，经UPQC 和DSTATCOM 综合补偿后，母线电流THD（总谐波畸变率）只有1.35%，符合配电网的电流谐波要求。