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      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

      2022-12-13 09:30:08張震霄馬智泉
      電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2022年23期
      關(guān)鍵詞:換流器串聯(lián)并聯(lián)

      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!

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