配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理設(shè)備協(xié)調(diào)控制研究

王昕揚(yáng)

（上海電力大學(xué)，上海 201306）

引言

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的改進(jìn)，對(duì)于電能質(zhì)量的要求向多元化和差異化發(fā)展，電能質(zhì)量問(wèn)題的復(fù)雜性也因此增加。為了滿足用戶電能質(zhì)量的需求，往往采用多種電能質(zhì)量治理裝置綜合治理配電網(wǎng)電能質(zhì)量[1-2]。

隨著各類電能質(zhì)量治理裝置的接入，由于各電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置種類不同，響應(yīng)速度不同，各裝置之間的調(diào)控目標(biāo)可能會(huì)相互影響，從而使動(dòng)態(tài)性能下降。因此，需要采用主動(dòng)的控制手段協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備的輸出和動(dòng)作，以防止電能質(zhì)量調(diào)制效果不佳[3]。

為了避免配電網(wǎng)中各電能質(zhì)量治理設(shè)備相互干擾，文中綜合考慮解決配電網(wǎng)諧波畸變和高低電壓等常見電能質(zhì)量問(wèn)題，依據(jù)電網(wǎng)參數(shù)和配電網(wǎng)運(yùn)行情況，基于基波和諧波潮流計(jì)算各控制節(jié)點(diǎn)對(duì)被控節(jié)點(diǎn)的諧波靈敏度和電壓-無(wú)功靈敏度，以各APF 和SVG 為中心劃分其影響區(qū)域，以區(qū)域內(nèi)被控節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)，針對(duì)性計(jì)算各控制節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)APF 和SVG 的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1 電能質(zhì)量治理裝置的控制策略分析

按照電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象的特征，電能質(zhì)量問(wèn)題被分成連續(xù)型和事件型兩類。連續(xù)型是指在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)的不在正常狀況的現(xiàn)象，主要包括電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電網(wǎng)諧波、電壓波動(dòng)和閃變等[4-5]，是文中主要考慮的電能質(zhì)量問(wèn)題。處理這類問(wèn)題的電能質(zhì)量治理設(shè)備主要有APF 和SVG。

1.1 多 APF 裝置并聯(lián)

對(duì)于多臺(tái)APF 的并聯(lián)，共用電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流。

式中，ici為各臺(tái)APF 輸出電流，iLh為負(fù)載電流中的諧波成分，iL1為負(fù)載電流中的基波成分。

設(shè)若每臺(tái)APF 輸出電流都能完美跟蹤指令電流，即

式中，SAPFi為各臺(tái) APF 額定容量，SAPF為總額定容量。

由上述可知，給每個(gè)APF 按容量比重分派任務(wù)。若有APF 故障或加入新的APF，只要即時(shí)更換均流系數(shù)即可。

將各臺(tái)APF 的均流系數(shù)傳遞給各APF 模塊，則有指令電流為上文所述彌補(bǔ)直流電壓有功損耗的有功電流）。該方法擴(kuò)展能力強(qiáng)，系統(tǒng)維護(hù)替換方便，較集中控制更為方便，可以滿足不同的容量需求[6]。

1.2 APF 和SVG 裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行

根據(jù)上述APF 的并聯(lián)運(yùn)行，可在APF 和SVG 的控制器中的指令生成模塊增加一個(gè)協(xié)調(diào)系數(shù)KD，可以通過(guò)協(xié)調(diào)系數(shù)KD進(jìn)一步協(xié)調(diào)分配各APF 和SVG 的輸出諧波和無(wú)功。該系數(shù)的大小取決于各控制節(jié)點(diǎn)對(duì)被控節(jié)點(diǎn)的靈敏度指標(biāo)，從而使各APF 和SVG 在全局進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2 靈敏度指標(biāo)

在配電網(wǎng)具有諧波源的情況下，將生成基波潮流和各次諧波潮流。諧波潮流是經(jīng)由非線性負(fù)荷的基波潮流變換而成的，在所有潮流中占比很小，且與基波潮流相互耦合。諧波潮流的改變會(huì)影響基波功率，而基波潮流的變化對(duì)諧波潮流的作用更大。

諧波潮流等式約束如下[7]：

在計(jì)算基波潮流時(shí)由于諧波的作用，主要為對(duì)各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的k 次諧波功率，即

式中 Pi、Qi為節(jié)點(diǎn) i 總有功及無(wú)功功率為節(jié)點(diǎn)i 的基波有功及無(wú)功功率為節(jié)點(diǎn) i 的 k 次諧波有功及無(wú)功功率。

基于諧波電壓對(duì)諧波電流的作用，諧波源的注入電流可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)基波電壓和諧波源特性得到：

由于諧波參數(shù)基本不變，各諧波源節(jié)點(diǎn)的諧波電流與節(jié)點(diǎn)基波電壓幅值成比例，當(dāng)節(jié)點(diǎn)基波電壓變化時(shí)，各諧波源節(jié)點(diǎn)的諧波電流也相應(yīng)改變。由此可以通過(guò)上述公式（3.2）和（3.3）表現(xiàn)基波與諧波的相互作用。

配電網(wǎng)中的無(wú)功主要與各節(jié)點(diǎn)電壓大小有關(guān)，且J矩陣中的各元素很小，可簡(jiǎn)化得：

將系數(shù)L 轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形式：

B 為配電網(wǎng)的導(dǎo)納陣[8]。

定義任一被控節(jié)點(diǎn)i 的節(jié)點(diǎn)電壓Ui對(duì)SVG 控制節(jié)點(diǎn)j 處輸出無(wú)功功率Qj的電壓-無(wú)功靈敏度：

由電壓-無(wú)功靈敏度可以大致得到SVG 注入無(wú)功電流時(shí)，各節(jié)點(diǎn)基波電壓的變化情況。

由式（3.1），任一節(jié)點(diǎn)i 的h 次諧波電壓對(duì)控制節(jié)點(diǎn)j處h 次諧波注入電流的諧波靈敏度為

則由諧波靈敏度可知，當(dāng)APF 注入諧波電流時(shí)，各節(jié)點(diǎn)諧波電壓的情況。

3 控制策略設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)電能質(zhì)量設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，主要由監(jiān)控主站，區(qū)域協(xié)調(diào)控制器和本地控制器構(gòu)成，具體過(guò)程如下：

圖1 控制流程

（1）計(jì)算各控制節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量治理裝置參數(shù)對(duì)各被控節(jié)點(diǎn)參數(shù)的靈敏度，即SVG 控制節(jié)點(diǎn)注入無(wú)功對(duì)各被控節(jié)點(diǎn)電壓的電壓-無(wú)功靈敏度和APF 控制節(jié)點(diǎn)注入諧波電流對(duì)各被控節(jié)點(diǎn)諧波電壓的諧波靈敏度。

（2）根據(jù)控制節(jié)點(diǎn)裝置容量和被控節(jié)點(diǎn)靈敏度等指標(biāo)綜合考慮發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的各控制節(jié)點(diǎn)配置。對(duì)于APF，協(xié)調(diào)系數(shù)為各控制節(jié)點(diǎn)對(duì)該被控節(jié)點(diǎn)的諧波靈敏度與總諧波靈敏度之比；對(duì)于SVG，協(xié)調(diào)系數(shù)為各控制節(jié)點(diǎn)對(duì)該被控節(jié)點(diǎn)的電壓-無(wú)功靈敏度與總電壓-無(wú)功靈敏度之比；對(duì)于APF 和SVG，先忽略不同類控制節(jié)點(diǎn)相互之間的影響，根據(jù)上述只有一類控制節(jié)點(diǎn)時(shí)的分配方法配置SVG參數(shù)，再根據(jù)各被控節(jié)點(diǎn)對(duì)控制節(jié)點(diǎn)的電壓-無(wú)功靈敏度、諧波靈敏度和Kin（諧波電流與節(jié)點(diǎn)基波電壓之比）計(jì)算APF 的協(xié)調(diào)系數(shù)。

（3）監(jiān)控主站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)支路電流畸變率和電壓波動(dòng)，基于各被控節(jié)點(diǎn)靈敏度指標(biāo)計(jì)算各控制節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)系數(shù)，對(duì)各區(qū)域控制節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化配置?？刂乒?jié)點(diǎn)參數(shù)由區(qū)域控制器發(fā)送到各本地控制器。當(dāng)區(qū)域協(xié)調(diào)控制器故障時(shí)，本地控制器基于下一條線路參數(shù)得到補(bǔ)償電流，協(xié)調(diào)系數(shù)置為1，轉(zhuǎn)發(fā)給控制節(jié)點(diǎn)。

4 仿真驗(yàn)證

文中以文獻(xiàn)[9]的仿真算例為基礎(chǔ)，形成如圖2 所示15 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)。分別在節(jié)點(diǎn)3、11、14 接諧波源，在節(jié)點(diǎn)5、9、13 接無(wú)功負(fù)荷。同時(shí)在節(jié)點(diǎn) 2、14 安裝 APF，在節(jié)點(diǎn)5 安裝 SVG。當(dāng) SVG 和 APF 自行調(diào)節(jié)時(shí)，節(jié)點(diǎn) 2、3、4、5、8、13、14 的電能質(zhì)量指標(biāo)如表1 所示。協(xié)調(diào)運(yùn)行的各節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量指標(biāo)如表2 所示。

圖2 15 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表1 優(yōu)化前實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1、表2 數(shù)據(jù)可知，協(xié)調(diào)運(yùn)行后在犧牲電流畸變率的情況下，電壓波動(dòng)范圍得到改善，在應(yīng)用時(shí)需要有所取舍。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)監(jiān)控主站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于各控制節(jié)點(diǎn)的靈敏度指標(biāo)通過(guò)區(qū)域協(xié)調(diào)控制器設(shè)置協(xié)調(diào)系數(shù)，本地控制器基于協(xié)調(diào)系數(shù)調(diào)節(jié)各控制節(jié)點(diǎn)。從仿真結(jié)果來(lái)看，對(duì)于調(diào)節(jié)效果需要作出一定的取舍，進(jìn)行進(jìn)一步改善。在控制過(guò)程中，僅考慮了APF 和SVG 的諧波補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償能力，實(shí)際上兩類裝置都兼具更多功能，因此可以在更多方面進(jìn)行配合協(xié)調(diào)控制。