電子調(diào)壓器下配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制分析

張振華

（國(guó)網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

目前，柔性交流傳輸技術(shù)（FACTS）發(fā)展迅猛，F(xiàn)ACTS 裝置靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜態(tài)同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等，能夠在不間斷的調(diào)節(jié)下，進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。但是其應(yīng)用范圍多在高壓、特高壓直流等主電網(wǎng)施工，而在人口稀少的區(qū)域，中、低電壓配電網(wǎng)則不適合，而在稀疏區(qū)域，由于其主要問(wèn)題是線路阻抗大、壓降高，因此，延長(zhǎng)配網(wǎng)供電半徑是主要目標(biāo)，這就使得FACTS 裝置改善功率分布的能力無(wú)法充分發(fā)揮，同時(shí)PEVR（電子調(diào)壓器）可以很好地解決以上器件的缺點(diǎn)，使稀配電網(wǎng)的電源范圍得到極大擴(kuò)展。

1 稀疏區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制

由于其經(jīng)濟(jì)性好，但其調(diào)整結(jié)果有一些靜態(tài)偏差，因此，常規(guī)的電力系統(tǒng)中，采用固定電容和可投切電容作為主要電源。本文針對(duì)電力電子調(diào)壓器的特點(diǎn)，采用一種新型電力電子調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。

PEVR 是一種用于6 kV、10 kV、35 kV 配電網(wǎng)的調(diào)壓設(shè)備，其能實(shí)時(shí)地對(duì)電壓進(jìn)行反饋，以達(dá)到持續(xù)調(diào)整的目的。其調(diào)整范圍是基準(zhǔn)電壓的±10%。

PEVR 串并聯(lián)側(cè)換流器是用DC 電容連接起來(lái)的，其兩端都是全控制裝置（GTO 或IGBT），利用電壓倒相器進(jìn)行電力補(bǔ)償。PEVR 并聯(lián)側(cè)的功能與靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）一樣，采用并聯(lián)變壓器將無(wú)功電流輸入到接入點(diǎn)，從而達(dá)到對(duì)接入點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償。PEVR 通過(guò)將2 種不同的功能部件組合在一起，使原有單一部件工作狀態(tài)下的電壓調(diào)整幅度更大。

因?yàn)镻EVR 自身不能產(chǎn)生電力，因此，并聯(lián)側(cè)的有功由并聯(lián)側(cè)的電力和PEVR 自身裝置的有功功率之差通過(guò)串、并聯(lián)側(cè)的DC 電容來(lái)完成，同時(shí)串、并聯(lián)側(cè)的無(wú)功由串、并聯(lián)側(cè)的逆變電路完成?？刂蒲b置通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行分析，確定是否對(duì)PEVR 進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)串、并聯(lián)側(cè)的內(nèi)控環(huán)路對(duì)其進(jìn)行了處理，再將其反饋給系統(tǒng)。

在0～2π 的區(qū)間，PEVR 并聯(lián)側(cè)等值補(bǔ)償和串級(jí)等值補(bǔ)償電壓的相位角均能得到調(diào)整，并將其作為4 個(gè)分界的形式體現(xiàn)在電力坐標(biāo)體系中。盡管調(diào)整范圍很大，但是由于其是串聯(lián)的，當(dāng)出現(xiàn)短路等過(guò)流時(shí)，很可能會(huì)損壞器件，所以在投入使用時(shí)必須進(jìn)行限流控制。

根據(jù)PEVR 的構(gòu)成，在接入網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)接入點(diǎn)，而當(dāng)接入點(diǎn)進(jìn)行了電壓和相位的補(bǔ)充時(shí)，就必須增加1 個(gè)新的接入點(diǎn)。因此，采用新的潮流方法進(jìn)行潮流的求解，改變了電力系統(tǒng)的拓?fù)洌黾恿顺绷鞯那蠼怆y度。PEVR 可以相當(dāng)于1 個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量注入模式，而PEVR 調(diào)節(jié)端的電壓調(diào)節(jié)功能相當(dāng)于將附加功率輸入到2 個(gè)連接端。

在不改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，將功率補(bǔ)償和潮流計(jì)算進(jìn)行解耦，可以有效地減少計(jì)算困難。PEVR 電壓協(xié)調(diào)控制方框如圖1 所示，這里Vi是一個(gè)結(jié)點(diǎn)i 的電壓，λ 是1 個(gè)容許的電壓偏移比例，1 個(gè)VN是1 個(gè)額定電壓。

圖1 電壓協(xié)同控制框圖

在系統(tǒng)的控制區(qū)，根據(jù)負(fù)荷、運(yùn)行狀況等信息，判斷出實(shí)時(shí)的電壓監(jiān)測(cè)值在安全區(qū)間內(nèi)，以判斷PEVR是否在調(diào)整過(guò)程中起作用。在不允許的情況下，利用PSO 兩級(jí)控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了最優(yōu)配置，通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的電壓判斷矩陣進(jìn)行選擇，對(duì)滿足電壓安全運(yùn)行要求的各結(jié)點(diǎn)進(jìn)行額外的增補(bǔ)，而對(duì)下級(jí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。確定最大的有功/無(wú)功補(bǔ)償，也就是PEVR 節(jié)點(diǎn)注入的額外電力。在PEVR 并聯(lián)端，采用了一種無(wú)功補(bǔ)償模式，即在并聯(lián)端注入無(wú)功，并利用優(yōu)化算法求解各輸入端的無(wú)功。在串口上，采用了一種電壓調(diào)節(jié)方法，并通過(guò)電流方法計(jì)算出了該系統(tǒng)的補(bǔ)償電壓的振幅和相位角。而通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的控制級(jí)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該結(jié)點(diǎn)的電壓在允許值以下，PEVR 將不能正常工作。

2 PEVR 串并聯(lián)端的控制策略

在偏遠(yuǎn)區(qū)域，新的能源裝置、負(fù)荷分布較大，且具有逆向分布特性，引入新的能量將導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的電壓不平衡、諧波等問(wèn)題。為了獲得精確的網(wǎng)相信號(hào)，需要使用一種新的鎖相環(huán)。采用三相正弦波參量與負(fù)載側(cè)的實(shí)際電壓監(jiān)測(cè)值差異，得到了系統(tǒng)的串聯(lián)電壓量，并通過(guò)采用該方法來(lái)克服電流的差異，從而改善了系統(tǒng)的供電品質(zhì)。PEVR 并聯(lián)端子不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DC母線進(jìn)行的電容降壓，而且能夠維持其相對(duì)的穩(wěn)壓，這是PEVR 串行工作的前提。

2.1 電力系統(tǒng)的基本頻率成分抽取

在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)，除了基本頻率之外，還存在一定數(shù)量的諧波成分，如果用直接鎖相方式將所檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，則可能會(huì)因諧波的影響而影響測(cè)量精度。采用復(fù)合系數(shù)濾波（CCF），將三相電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜態(tài)阿爾法-β 坐標(biāo)系，再利用其坐標(biāo)軸間的互差為90°，從而獲得復(fù)合系數(shù)轉(zhuǎn)移函數(shù)，其結(jié)果如下：

式中：ω0是帶通頻率，ωe為常數(shù)，是jnmq 頻率或n 次諧波；當(dāng)其是一個(gè)恒定的值時(shí)，決定了濾波器的頻帶。在分母取s±jω0+ωe的情況下，就能得到基頻的電壓成分，并對(duì)其進(jìn)行分析。

利用復(fù)數(shù)濾波器，能夠在選定頻率下維持信號(hào)的單位增益、零相位偏移，并且在其他頻帶范圍內(nèi)會(huì)有較大衰減，因此，從包含電壓失真的諧波成分的網(wǎng)絡(luò)側(cè)電壓中抽取正序50 Hz 的基頻成分。通過(guò)鎖相環(huán)，可以獲得準(zhǔn)確的電網(wǎng)側(cè)電壓電流角，將其用于參考輸出波形。

CCF 與實(shí)系數(shù)濾波器相比，既有頻率選擇性，又有極性選擇性，在鎖相同步過(guò)程中，既能消除諧波干擾，又能有效地消除電網(wǎng)電壓的影響。當(dāng)電力系統(tǒng)電壓受到干擾時(shí)，系統(tǒng)的電壓、相位信息也能準(zhǔn)確地反映出來(lái)。

2.2 PVR 串聯(lián)側(cè)的諧波電壓檢測(cè)及補(bǔ)償

CCF 法提取的50 Hz 的基礎(chǔ)頻率是三相對(duì)稱的正弦波，但是由于受不平衡、諧波和電壓的下限所影響，所以其基礎(chǔ)頻率不需要等于所要求的負(fù)荷端子電壓的幅值，因?yàn)樵谶@里要進(jìn)行一個(gè)振幅標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程。首先將基頻分量除其有效值進(jìn)行規(guī)范，再經(jīng)比率運(yùn)算，得到與線標(biāo)稱值相等、相位與網(wǎng)電壓基礎(chǔ)頻率分量的正弦波段，即負(fù)載所需要的電壓

PEVR 的串聯(lián)側(cè)控制方法如下

在圖2 中，顯示了串聯(lián)側(cè)的諧波電壓補(bǔ)償控制方框圖。該方法是在三相a-b-c 坐標(biāo)系統(tǒng)中，將從電網(wǎng)電壓中提取并進(jìn)行幅值規(guī)范化的目標(biāo)電壓值與負(fù)荷端取樣的實(shí)際電壓值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)端的補(bǔ)償電壓量。

圖2 串聯(lián)端的諧波電壓補(bǔ)償控制方框圖

另外，采用差動(dòng)控制方法，可以對(duì)電壓凹陷進(jìn)行補(bǔ)償。在電網(wǎng)電壓下降時(shí)，即使沒(méi)有諧波成分，也要對(duì)其進(jìn)行振幅規(guī)范化，這時(shí)，負(fù)載端目標(biāo)電壓和實(shí)際值之間的差異就是50 Hz。該正弦波的振幅是電壓瞬變，最后由控制邏輯產(chǎn)生，使得串聯(lián)端輸出一個(gè)與電網(wǎng)電壓相位相等的同頻電壓來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓。

2.3 PEVR 并聯(lián)側(cè)矢量控制策略

PEVR 并聯(lián)側(cè)采用電壓電流雙環(huán)PI 控制，電流內(nèi)環(huán)是由DC 母線的電壓設(shè)定值和并聯(lián)側(cè)換流器所產(chǎn)生的無(wú)功功率值產(chǎn)生電流基準(zhǔn)值，電壓外環(huán)輸出信號(hào)Md、Mq被調(diào)制后用作轉(zhuǎn)換器。

因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)換流器需要保持DC 電容電壓的穩(wěn)定性，所以它在向量控制中的有功軸電流指令可以用以下方式來(lái)表達(dá)

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的基本頻率電壓進(jìn)行鎖相，通過(guò)θ 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)下的電壓Uq=0，因此，在給定了逆變器的無(wú)功功率命令后，q 軸的電流基準(zhǔn)值通過(guò)以下公式得出

如果使電網(wǎng)側(cè)的換流器維持單位的功率因數(shù)，也就是要求無(wú)功為0，那么

圖3 中顯示了并聯(lián)端的控制方框圖。利用并聯(lián)側(cè)換流器的雙閉環(huán)電壓-電流控制，在d-q 坐標(biāo)系中產(chǎn)生輸出電壓Md、Mq，然后進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生換流器切換信號(hào)，從而對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行PWM 整流，從而獲得穩(wěn)定的DC 匯流電容值Udc。并提供了必要的電源通道，以達(dá)到串聯(lián)側(cè)換流器的電壓補(bǔ)償。

圖3 并聯(lián)側(cè)控制方框圖

3 IEEE 33 結(jié)點(diǎn)算例模擬系統(tǒng)

首先對(duì)IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和分析，該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的參考電壓為12.66 kV，節(jié)點(diǎn)電壓的安全操作范圍為0.95～1.05 p.u.。在節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)16 和節(jié)點(diǎn)29中加入了300 kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，OLTC 被連接在系統(tǒng)根節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)1 之間，PEVR1 和PEVR2 被分別接入節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)8 和節(jié)點(diǎn)26 與節(jié)點(diǎn)27，節(jié)點(diǎn)13、節(jié)點(diǎn)17 和節(jié)點(diǎn)31 被合并到CB 中。在此基礎(chǔ)上，OLTC 可調(diào)至9 檔，而中間檔則對(duì)應(yīng)于參考電壓，可調(diào)整至0.95～1.05 p.u.，即調(diào)整步長(zhǎng)為0.012 5 p.u.；PEVR 串聯(lián)側(cè)電壓可調(diào)至參考電壓的±10%，并聯(lián)側(cè)可調(diào)至-1 000～1 000 kV；CB 的每個(gè)電容具有50 kvar 的容量，3 組投入節(jié)點(diǎn)13，節(jié)點(diǎn)17 和11 投入4 組（圖4）。

圖4 對(duì)IEEE 33 節(jié)點(diǎn)的改善系統(tǒng)

為了更好地發(fā)揮該方法的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了2 種不同的方案，以比較檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和越界。本文建議等時(shí)標(biāo)間距為1 h，也就是在日調(diào)整下每個(gè)小時(shí)的調(diào)整。

常規(guī)的調(diào)壓設(shè)備每1 h 進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整，而PEVR則是根據(jù)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

情景1：選取照明強(qiáng)度最高、負(fù)載功率平均為11：00～14：00 的時(shí)段，在該時(shí)段中，對(duì)光伏發(fā)電功率的隨機(jī)干擾提高10%，同時(shí)負(fù)載不變，以模擬光伏系統(tǒng)隨機(jī)波動(dòng)時(shí)的電壓變化（圖5）。

圖5 場(chǎng)景1 節(jié)點(diǎn)16 電壓

情景2：選擇19：00～22：00，在照明強(qiáng)度低、負(fù)載功率最大的時(shí)段，隨機(jī)干擾10%，以模擬負(fù)載發(fā)生較大的隨機(jī)變化（圖6）。

圖6 場(chǎng)景2 節(jié)點(diǎn)32 電壓

然后，在此基礎(chǔ)上，分別探討了2 種不同的控制方案：一種是不加任何控制，只采用等時(shí)間隔的常規(guī)電壓調(diào)節(jié)裝置，另一種是PEVR 和常規(guī)電壓調(diào)節(jié)裝置的集成控制。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)16 電壓遠(yuǎn)離根結(jié)點(diǎn)，并且受到光伏發(fā)電量的影響，所以選擇了該結(jié)點(diǎn)16 電壓。

在情景1 中，節(jié)點(diǎn)電壓用作被討論的目標(biāo)；當(dāng)沒(méi)有任何措施時(shí)，節(jié)點(diǎn)32 遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)的電壓，這些電壓基本上都在下限以下，并且受到負(fù)載的影響，所以我們把其當(dāng)作第二個(gè)問(wèn)題。

在沒(méi)有任何控制的情況下，2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都會(huì)受到光伏出力和負(fù)載的影響，并且在電壓越低的時(shí)候，特別是在節(jié)點(diǎn)32 的電壓。此時(shí)的光伏不能發(fā)電，而負(fù)載正處于峰值，19：00～22：00 的電壓都不能滿足安全工作的要求。采用常規(guī)的調(diào)壓裝置進(jìn)行控制，可以使電壓等級(jí)得到一定的改善，但是無(wú)法達(dá)到每一時(shí)間的電壓需求。通過(guò)對(duì)PEVR 與常規(guī)調(diào)壓裝置的綜合協(xié)同控制，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的電壓波動(dòng)范圍減小，電壓不會(huì)發(fā)生過(guò)大的越界現(xiàn)象。

本文只使用了常規(guī)的電壓調(diào)節(jié)裝置和本章所述的電網(wǎng)損耗比較。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的綜合協(xié)調(diào)，可以看出，電網(wǎng)的有功損失較少。這是因?yàn)樵赑EVR 參與調(diào)節(jié)之后，降低了電源流量，并提高了結(jié)點(diǎn)的電壓等級(jí)，因此降低了線路損耗。

結(jié)果表明，PEVR 參與調(diào)節(jié)后，OLTC、CB 動(dòng)作的次數(shù)顯著低于不參加PEVR 的情況。降低了常規(guī)的壓力調(diào)節(jié)裝置的工作頻率，延長(zhǎng)了OLTC，CB 的使用壽命。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)人口稀少地區(qū)中低壓配網(wǎng)線路長(zhǎng)、負(fù)荷分散、波動(dòng)大、新能源接入分散，非線性負(fù)荷造成電網(wǎng)電壓下降和諧波含量高的問(wèn)題，本文采用PEVR技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧波集成。這種新的計(jì)算方式不需要在2 個(gè)相位的位置上進(jìn)行運(yùn)算，不需要變換位置，不需要額外的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的諧振電壓。這種方法能統(tǒng)一地體現(xiàn)在負(fù)荷側(cè)的諧波和目標(biāo)電流的差異上，從而有效地避免了電網(wǎng)的諧振和畸變。