D-FACTS 裝置交互影響分析及協調控制研究

霍群海 韓立博 韋統振 賈東強

（中國科學院電工研究所 北京 100190）

1 引言

D-FACTS 技術（Distribution-Flexible AC Transmission System，又稱定制電力技術）可以增強配電系統可控性及靈活性，成為近年來的研究熱點。D-FACTS 技術是將現代電力電子技術、現代控制理論、數字信號處理技術、現代通訊技術、計算機技術、儲能技術和配電自動化技術等諸多學科技術交叉結合而產生的新一代供用電技術。隨著對D-FACTS 技術研究的不斷深入，出現了一系列與此相關的電能質量補償裝置：DVR（Dynamic Voltage Restorer，動態電壓恢復器）、APF（Active Power Filter,電力有源濾波器）、D-STATCOM（Distribution Static Compensator，配電用靜止同步補償裝置）、UPQC（Unified Power Quality Controller,統一電能質量調節器）、UPS（Uninterruptable Power Supply,不間斷電源）、SSTS（Solid State Transfer Switch，固態切換開關）等。隨著智能電網的發展，用戶對電能質量的要求越來越高，并需要進行不同電能質量的分級管理，這將使得D-FACTS 裝置得到越來越廣泛的應用。為實現區域配電網電能質量的綜合治理和實現不同電能質量的分級管理，常常需要多臺D-FACTS 裝置聯合運行，如美國德拉瓦優質電力園區示范項目中就安裝了DVR、D-STATCOM、SSTS 等多臺 D-FACTS 裝置。然而，由于各種D-FACTS 裝置工作原理各不相同，它們之間的結合可以擴展彼此的功能，也可能會產生負面的影響。

迄今為止，國內外已有不少學者致力于FACTS控制器間交互影響的研究。D-FACTS 設備的原理、結構與FACTS 設備均相同，功能也相似。因此，D-FACTS 設備控制器間存在負交互影響問題的研究也具有十分重要的意義[1]。近年來越來越多的研究表明，由于各種D-FACTS 裝置之間的電氣耦合、控制目標的功能重復等原因，單臺D-FACTS 裝置的多個控制回路之間、多臺D-FACTS 裝置之間以及D-FACTS 裝置與電力系統其它控制設備之間存在一定的負交互影響，并直接影響到供電電能質量。例如，APF 與SVC 聯合運行時，SVC 控制器的設計要考慮到APF 的影響，否則系統可能會不穩定[2]。多逆變器并網時，逆變器的交互影響使得系統存在多個諧振頻率，給電網的穩定運行和電能質量帶來負面影響[3]。配電系統中投入多臺配電網靜止無功補償器（DSVC）裝置時，多個DSVC 控制器間存在交互影響問題[4]。一旦出現交互影響問題，輕則造成D-FACTS 裝置補償性能減弱，重則造成設備故障或停運，甚至可能是整個系統的崩潰。因此，D-FACTS 裝置交互影響及協調控制研究具有重要的實用意義。

2 D-FACTS 裝置交互影響及協調控制研究存在的問題

目前，對于D-FACTS 裝置的研究是國內外學者研究的熱點問題之一。下面分別從研究的對象、內容、方法和應對策略等方面對D-FACTS 裝置交互影響及協調控制進行闡述。

研究對象方面，各種基于單臺D-FACTS 裝置的電能質量解決方案是當前的研究熱點[5-10]。配電網中含多臺及多種D-FACTS 裝置的研究還處于初始階段，文獻[11]僅從經濟性角度分析了區域配電網中DVR、D-STATCOM 之間容量的配比；文獻[12]則研究了優質電力園區根據電壓暫降幅度確定DVR、SSTS 設備的投切運行問題。

研究內容方面，目前國內外學者對輸電系統FACTS 裝置間及FACTS 裝置與系統間的交互影響已有較多研究[13-25]，主要集中在輸電網中的機電穩態交互影響、控制模態交互影響以及電磁穩定交互和非線性交互影響等方面[17,18,20,22]。D-FACTS 與FACTS 裝置拓撲結構和控制方法相似，但兩者控制目標不同，由于分析FACTS 交互影響時通常采用含發電機的機電穩態交互影響模型，而典型配電網中通常不需要考慮發電機模型，因此關于FACTS 交互影響的研究不能照搬到D-FACTS 研究中。

研究方法方面，分析FACTS 交互影響的方法主要有相對增益矩陣法（RGA）、奇異值分解法（SVD）和模態分析法等。這些方法在配電網中 D-FACTS交互影響的分析中也有一些借鑒和應用，其中文獻[1]和文獻[4]分別采用了RGA 方法、SVD 方法分析了多臺無功補償器之間的交互影響問題，文獻[3]采用了RGA 方法分析了多臺并網逆變器之間的交互影響，但是上述文獻中，配電網靜止同步補償器D-STATCOM 所涉及到的數學建模均建立在其采用直接控制策略的基礎上，另外以補償電壓質量問題為目的的動態電壓恢復器（DVR）等D-FACTS 裝置相關的交互影響分析還鮮見報道，因此需要深入分析比較各種研究方法的適用性，細致分析相關的交互影響機理，給出明確的物理意義。

應對策略方面，國內外對UPQC 裝置串聯部分和并聯部分交互影響的研究已有較多文獻論述[26-31]，其兩個部分可以通過單個控制電路板實時高速通訊進行協調，因此其僅為D-FACTS 裝置間交互影響的一個特例，對于多臺D-FACTS 裝置交互影響應對策略的研究還不多。配電網中安裝多臺DVR、APF 等串、并聯D-FACTS 裝置會較安裝單臺UPQC 裝置更加靈活，便于實現不同電能質量的分級管理。但通常多臺D-FACTS 裝置間有一定的電氣距離，每臺D-FACTS 裝置配備獨立控制板，因此對于UPQC 交互影響的補償相互關聯多變量應對策略不能直接推廣到多臺D-FACTS 裝置交互影響的問題上。

從國內外研究發展現狀來看，針對未來配電網中D-FACTS 裝置大量應用還存在以下問題需要研究：

（1）目前研究大多針對輸電網FACTS 裝置交互影響時的問題，未見文獻系統地研究多臺D-FACTS裝置同時接入區域配電網時的交互影響問題。而且，國內外文獻對于單臺UPQC 串并聯單元交互影響問題有較多研究[26-31]，而對于配電網中多臺D-FACTS裝置間交互影響的研究則較少。

（2）目前，對于配電網中電能質量問題改善策略的研究主要集中在采用單個D-FACTS 裝置來改善配電網局部電能質量問題上[5-10]，未能考慮配電網中多臺及多種D-FACTS 裝置全系統協調配合運行以取得較好控制效果的問題，也未涉及優化配置多臺及多種D-FACTS 裝置以改善電能質量、降低系統投資成本的研究。

綜上所述，目前學界雖然已經認識到D-FACTS交互影響的問題，但還沒有合適的分析方法和解決手段。借鑒FACTS 裝置交互影響的分析方法，研究多臺D-FACTS 裝置交互影響機理、協調控制策略及優化配置方法，可以為全系統最優補償效果設計、最小補償容量設計、最佳安裝位置設計及最低投資成本設計提供設計依據。解決D-FACTS 裝置交互影響問題，對推進D-FACTS 裝置在配網中的大規模應用具有重要意義。

3 D-FACTS 聯合運行交互影響、協調控制及優化配置研究進展

在國家自然科學基金項目《D-FACTS 裝置交互影響分析及協調控制研究》和《優質電力園區關鍵問題研究》支持下，項目組開展了D-FACTS 聯合運行交互影響、協調控制及優化配置的研究工作，本節對取得的研究工作進展進行介紹。

3.1 D-FACTS 裝置交互影響研究

D-FACTS 裝置間的負交互影響是影響系統電能質量控制效果的根本原因。所以，本研究擬從多臺D-FACTS 裝置間交互影響及其對電力系統的影響入手，考慮多臺D-FACTS 裝置間補償量的影響及對電力系統影響的各種因素，建立適當的數學模型，從而得到多臺D-FACTS 裝置之間及D-FACTS裝置與配電網之間相互耦合的數學模型；利用數學模型對典型電能質量問題進行分析，研究其同時進行電壓、電流和有功、無功補償時，彼此之間、D-FACTS 裝置與配電網之間的影響，得到在系統工作時影響配電網電能質量問題的各種因素和特征描述，如補償電壓對補償電流的影響深度、補償量對系統穩定性的影響等，并與基于仿真軟件的電磁仿真結果進行對比。

針對 D-FACTS 交互影響問題，首先從單臺D-FACTS 裝置出發，分析D-STATCOM 交直流控制回路交互影響機理及D-STATCOM 與電力系統之間交互影響。進而分析系統中多D-FACTS 交互影響問題，取得的進展有：

（1）針對D-FACTS 裝置不同控制回路間可能存在的交互影響問題,以配電網靜止同步補償器（D-STATCOM）為例,建立其交直流控制回路的數學模型。引入相對增益矩陣（RGA）的方法對其交直流控制回路之間存在的靜態交互影響進行定量的分析，研究了負載等因素與D-STATCOM 交直流控制回路之間耦合作用的關聯機理。并針對某些時變負荷提出了變功率因數策略以避免補償裝置交直流控制回路之間存在的負交互影響。分析了交互影響數據的物理意義，提出了D-STATCOM 交直流控制系統參數設計規則[32]。

（2）針對統一電能質量調節器（UPQC）切換運行模式時引起的小擾動穩定性及動態交互影響問題，建立了包括串、并聯變流器控制在內的小信號模型，對比分析了串、并聯變流器獨立運行以及聯合運行時的穩定性及動態性能，并以特征根靈敏度的方法研究了控制參數、負荷等因素與UPQC 運行模式切換時的小擾動穩定性的關聯機理。該結論可為UPQC 的參數設計提供部分參考依據，最后提出了可減少串并聯變流器與電網之間能量交換、提高串聯變流器利用率的新型功率流協調控制策略[33]。

（3）針對在區域性配電網中分散安裝補償裝置時，由于參數不匹配等原因引起嚴重的交互影響問題，以 D-STATCOM為例，建立了電網與D-STATCOM 諧波阻抗模型，并對整個系統電路進行化簡，當電網阻抗與D-STATCOM 的參數不匹配時，兩者的等效諧波阻抗會在某頻率處幅值相近，相位相反，進而會引起串并聯諧振，嚴重威脅系統的穩定性。在分析其產生機理的基礎上，提出了相應的解決方案，包括優化控制參數等措施，從而使得兩者聯合運行時，系統有足夠的相位裕度和幅值裕度。最后結合時域仿真對相關結論進行驗證，相關的理論推導以及交互影響機理也可以推廣至多臺D-FACTS 裝置聯合運行模式的分析中[34]。

3.2 D-FACTS 裝置協調控制研究

提出的配電網中多臺及多種D-FACTS 裝置全系統協調配合問題，難點是不同的D-FACTS 采用的是不同的控制策略，需要區分哪些D-FACTS 裝置需要協調、如何協調、控制目標等，首先從單臺D-FACTS 裝置統一電能質量控制器（UPQC）出發，分析UPQC 串并聯部分協調控制機理，進而以電壓調節裝置和無功調節裝置之間、電壓調節裝置和電流調節裝置之間以及電壓調節裝置與電壓調節裝置之間的協調控制為目標來分析D-FACTS 裝置協調控制問題，取得的進展有：

（1）為改善多D-FACTS 裝置聯合運行時，出現的成本上升、效率降低和負交互影響等問題，提出一種“先并后串”、“主并支串”新型分散式電能質量調節器（圖1）及其無線控制運行策略，分析了其運行原理及分散式電能質量調節器與系統端、負荷端的功率流動關系。該種分散式電能質量調節器主要有兩種運行模式：在PCC 母線端電壓處于正常范圍內時，并聯變流器負責補償負載端所需無功，提高該饋線電網側的功率因數；而當PCC 母線電壓發生跌落時，該饋線負載側各支路串聯變流器開始投入運行，補償其所在支路敏感負荷端電壓。仿真結果表明提出的分散式電能質量調節器有效可行[35]。

（2）在直流母線端帶儲能單元的UPQC 常規控制中，其串聯變流器主要輸出有功功率處理電壓暫降問題，通常處于待機狀態，未得到充分利用。針對所設計的UPQC 結構，提出基于有功環流的功率流協調控制策略，利用串聯變流器輸出無功功率，分擔并聯變流器的無功補償功能。通過分析系統中功率流和有功環流的變化，得到串并聯變流器的無功分配策略、串聯變流器的復合控制策略和儲能單元的補償策略，實現了UPQC 各單元的協調控制[36]。

圖1 新型分散式電能質量調節器Fig.1 The new topology of scattered power quality Conditioner (SPQC) in a distribution network

（3）針對直流母線端無大容量儲能的UPQC，提出了一種新型協同運行策略。在電網電壓處于正常范圍內時，串聯變流器以減少電網側功率因數角度的方式補償部分無功功率，從而可以減少并聯變流器的容量需求。電壓深度跌落時，串聯變流器始終以注入最大電壓的方式減少與并聯變流器之間的有功交換，從而可減弱兩變流器之間的能量耦合[33]。同時提出了基于新型協同運行策略的容量設計方案，在負荷功率因數角所在的大部分區間內，可有效的減少補償裝置的總容量需求。

若定義參數e為：

其中S′，S 分別表示新型運行策略和傳統運行策略所需最小容量，e 表示新型運行策略比傳統運行策略所節省的容量百分比,實際上也是函數e 關于負荷功率因數角φ 的數學函數，因此可進一步作出相應的關聯示意圖如圖2 所示。由圖2 可以看出，在負荷功率因數角處于 51°時，可減少補償裝置27%的容量需求。

圖2 所節省的容量百分比e 與φ關聯示意圖Fig.2 The relationship between eand φ

（4）為滿足動態電壓恢復器（DVR）大容量、高可靠性和靈活性的要求，探討適合多個DVR 裝置串聯的拓撲結構和控制方法。提出了集中控制方式和分散控制方式，并進一步細分為五種運行模式，其中集中控制方式又細分為按容量比分配、按各自容量限幅分配以及按各自功能分配各自補償電壓的三種運行模式，分散控制方式又細分為均分參考補償電壓和依容量限幅分配參考補償電壓兩種運行模式[37]。

（5）為滿足D-STATCOM 大容量、高可靠性的要求，借鑒電力系統有功負荷分配的思路和方法，探討適合多臺D-STATCOM 并聯補償的運行模式。以多臺D-STATCOM為例，提出了基于等運行損耗微增率的無功功率分配方案，將多臺D-STATCOM模塊并聯運行時參考電流的分配問題轉化為損耗的經濟分配問題。依照等運行損耗微增率構建方程組，可求得n 臺D-STATCOM 應該輸出的無功電流參考值。

3.3 D-FACTS 裝置優化配置研究

提出的多臺及多種D-FACTS 裝置優化配置問題，難點是D-FACTS 裝置種類較多，功能各不相同，D-FACTS 裝置選取和優化配置目標難以設定，項目組采用最小補償容量設計、最佳安裝位置設計及最低投資成本設計為約束條件分析D-FACTS 裝置優化配置問題[38-40]，取得的進展有：

（1）針對高滲透下分布式發電配電網系統中的電壓質量問題,提出采用配有大容量儲能的電壓質量調節器（VQC）進行改善。通過分析含有 VQC的高滲透分布式發電系統的功率流模型,確定VQC的使用環境。通過分析VQC 在直流側儲能存在與否兩種情況下的能量需求,確定VQC 串并聯容量的計算方法。針對所提出的優化配置的數學模型和約束條件,提出了基于遺傳算法的VQC 優化配置策略,實現了VQC 串并聯容量的合理分配,有效地解決了相關電壓質量問題[38]。

（2）在電力系統中安裝DVR，需要確定安裝容量及位置，考慮的因素有配電網拓撲結構、負荷特性、線路阻抗參數等。DVR 儲能單元成本高，且與容量正相關，通過合理配置，可以減少DVR 總容量，進而降低DVR 配置總成本。建立了含多臺DVR的配電網簡化模型，分析了不同位置DVR 安裝容量需求。以各敏感負載工作電壓范圍為約束條件，以DVR 總容量為目標函數，基于遺傳算法提出了配電網中多臺DVR 的優化配置策略，在保障所有負載正常工作的同時，實現了配電網中DVR 總容量最小的優化配置目標。最后，選取了典型算例，對提出的優化配置策略在配電網中的應用進行了研究[39]。

（3）基于DVR、D-STATCOM 和典型配電網系統模型，分析了同一網絡中多臺DVR、D-STATCOM協同工作數量關系，為在多臺多類D-FACTS 裝置在配電網中的優化配置提供依據。基于遺傳算法，給出了電壓暫降時DVR、D-STATCOM 容量的計算方法，考慮各類裝置的單位成本，提出了配電網中多臺DVR 和D-STATCOM 在電壓暫降時的優化配置策略。

為驗證所提出的配電網中D-FACTS 裝置配置方法的有效性及經濟性，采用IEEE 14 節點配電網絡進行仿真驗證。算例分析結果表明該策略簡單易行、切實有效，可為多臺D-FACTS 裝置在配電網中的優化配置應用提供理論與技術支持[40]。

4 未來工作展望

論文雖然從多臺D-FACTS 裝置間交互影響的作用機理、協調控制策略及優化配置方法三個方面開展了相關研究工作，由于時間和實驗條件限制，研究過程中主要以串并聯變流器共用直流母線（UPQC）、串并聯補償器不共用直流母線等較為簡單的拓撲為基礎，分別對相關的特性進行研究，在此基礎上，還存在一些研究工作有待完善。

（1）主要以安裝于主饋線上的D-STATCOM為例，采用諧波阻抗模型法分析了D-STATCOM 與電網之間的交互影響，可以在此基礎上研究區域性配電網中安裝于不同主饋線或者支路上的多臺D-FACTS 裝置之間的交互影響問題及解決方案。

（2）主要以自帶大功率儲能和不帶大功率儲能的“前串后并”式UPQC為例，采用矢量圖的方法研究了串聯變流器與并聯變流器的協調控制問題，在此基礎上，可以研究“前并后串”式UPQC 的協調控制或者其他相關特性問題。

（3）主要以節點較少的區域性配電網為基礎，研究了DVR 與D-STATCOM 的優化配置問題，其約束條件與優化目標較為簡單，可在此基礎上研究節點數較多、補償裝置種類較多的復雜配電網的多D-FACTS 優化配置問題，也可以增加約束條件，例如其余的經濟、技術指標等，也可以根據現場實際情況增加目標函數，例如運行成本、效率等因素。

5 總結

本文主要針對區域性配電網多臺D-FACTS 裝置聯合運行開展的研究工作進行了綜述，主要內容如下：

（1）針對區域性配電網中D-FACTS 裝置相關的交互影響問題，以安裝于主饋線上的D-STATCOM為例，采用諧波阻抗法分析了其與電網阻抗之間的交互影響，并提出了相應的解決方案。以UPQC為例，建立了包含其固有參數、控制參數在內的狀態空間模型，分析了各參數對系統穩定性的影響。

（2）針對多臺D-FACTS 裝置間協調控制研究時，對區域性配電網中共用直流母線的串并聯變流器聯合補償問題，以自帶和不帶大功率儲能的UPQC為例，研究了兩者之間的協調控制問題，針對所設計的帶大功率儲能UPQC 結構，提出基于有功環流的功率流協調控制策略。針對不帶大功率儲能的UPQC 結構，提出了基于新型協同運行策略的容量設計方案。針對大容量場合下多臺 D-FACTS裝置聯合運行的問題，以多臺DVR 串聯補償為例提出了集中控制方式和分散控制方式。

（3）針對配電網中各臺D-FACTS 裝置容量未經充分優化的問題，分別以區域性配電網中只安裝DVR、同時安裝DVR 與D-STATCOM為例，建立了包含上述D-FACTS 裝置的配電網簡化模型，分析了不同位置D-FACTS 安裝容量需求。以節點電壓等因素為約束條件，以總成本為目標函數，基于遺傳算法，提出了配電網中多臺D-FACTS 的優化配置策略。

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