含分布式電源的低壓配電網(wǎng)串補(bǔ)雙向調(diào)壓仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仉志華，田詠桃，馮興田，董浩東

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，敏感用電設(shè)備的應(yīng)用越來越多，對(duì)電能質(zhì)量提出了更高要求。電壓波動(dòng)是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定，220 V 單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的-10%～7%[1]，但傳統(tǒng)配電網(wǎng)建設(shè)薄弱，尤其低壓配電網(wǎng)中存在大量供電半徑大、線徑小且供電容量不足的區(qū)域。隨著負(fù)荷量的不斷增加，低電壓?jiǎn)栴}日益突出[2]。近年來，隨著大量分布式電源通過低壓側(cè)接入，受其出力間歇性與隨機(jī)性的影響，低壓負(fù)荷側(cè)的電壓波動(dòng)更為嚴(yán)重，已成為業(yè)界普遍關(guān)注的問題[3]。針對(duì)低壓負(fù)荷側(cè)穩(wěn)壓的方法較多[2]，主要包括振蕩調(diào)節(jié)、無功補(bǔ)償、負(fù)荷切換調(diào)整、變壓器分接頭調(diào)整等措施，但傳統(tǒng)方法在調(diào)節(jié)連續(xù)性、實(shí)時(shí)性等方面，難以滿足含分布式電源的低壓配電網(wǎng)（簡(jiǎn)稱低壓有源配電網(wǎng)）中電壓雙向快速調(diào)節(jié)的需求。近年來，基于串聯(lián)補(bǔ)償原理與先進(jìn)電力電子技術(shù)的負(fù)荷側(cè)電壓雙向調(diào)控技術(shù)成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)[4]。例如，英國(guó)的Green&Blue 公司已建設(shè)了多個(gè)工程試點(diǎn)；2019 年，亞洲電能質(zhì)量聯(lián)盟與中國(guó)電源技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家高校、生產(chǎn)廠家與企業(yè)用戶，著手組織制定該方面的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)已成為未來負(fù)荷側(cè)智能穩(wěn)壓措施的主要發(fā)展方向。

“新工科”教育對(duì)于人才培養(yǎng)提出了新要求。2016 年，教育部印發(fā)了《關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》，明確指出學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)和人才培養(yǎng)類型結(jié)構(gòu)應(yīng)更加適應(yīng)國(guó)家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，以支撐“新工科”背景下創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展導(dǎo)向[5-7]，并于2017 年先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”與“北京指南”。為有效落實(shí)從學(xué)習(xí)知識(shí)向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變的“新工科”教育改革理念，結(jié)合科研體會(huì)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮現(xiàn)實(shí)需求與技術(shù)發(fā)展，本文以低壓有源配電網(wǎng)串補(bǔ)雙向調(diào)壓為內(nèi)容設(shè)計(jì)仿真分析系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)融合了電氣相關(guān)專業(yè)課程以及Matlab 仿真軟件知識(shí)，研、教、學(xué)相融合，以問題為導(dǎo)向，有效踐行“新工科”教育改革理念，系統(tǒng)培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力，實(shí)踐效果良好。

1 串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1 所示。L 與N 為裝置的輸入側(cè)，由市電供給；L’與N’為裝置的輸出側(cè)，為負(fù)荷供電；輸入與輸出側(cè)的電壓分別為和二者之間滿足如下關(guān)系：

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

電壓變換環(huán)節(jié)是產(chǎn)生補(bǔ)償電壓的關(guān)鍵，考慮實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，可直接采用脈寬調(diào)制交流斬波調(diào)壓方法。調(diào)節(jié)原理如圖2 所示，根據(jù)輸入電壓與標(biāo)稱電壓之間的差值，自動(dòng)調(diào)節(jié)脈沖寬度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)[8-12]。

圖2 交流斬波脈寬調(diào)制原理

2 串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PSCAD 仿真軟件搭建含分布式電源的低壓配電網(wǎng)及其調(diào)壓系統(tǒng)仿真模型，仿真系統(tǒng)主電路及其相關(guān)參數(shù)如圖3 所示。該系統(tǒng)包括3 條低壓出線，其中一條出線安裝串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓裝置。在該裝置中，T1控制串聯(lián)斬波開關(guān)，T2 控制續(xù)流器件，開關(guān)頻率均為2 kHz，死區(qū)時(shí)間為1 μs。T7 與T8 控制雙向調(diào)壓選擇開關(guān)，升壓時(shí)，T7 為高電平，T8 為低電平，通過耦合變壓器疊加到線路上的電壓與系統(tǒng)電壓相位一致，起到升壓的作用；降壓時(shí)，T8 為高電平，T7 為低電平，通過耦合變壓器疊加到線路上的電壓與系統(tǒng)電壓相位相反，起到降壓的作用。

控制回路如圖4 所示。三角波頻率設(shè)為2 kHz；整體采用PI 控制方法，其中KP=1，Ti=0.005 s。E20為補(bǔ)償后的負(fù)荷側(cè)電壓；在調(diào)節(jié)過程中，E20 與設(shè)定的負(fù)荷側(cè)額定電壓作差之后進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)。斬波電路的輸出與輸入存在占空比D 倍的關(guān)系，調(diào)節(jié)占空比就能控制輸出電壓大小；經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后的補(bǔ)償值與斬波輸入電壓相比，得到占空比D，與峰值為1 的三角波進(jìn)行比較，即可得到T1 和T2 所需的PWM 脈沖控制信號(hào)，進(jìn)而控制T7 與T8 得到所需的補(bǔ)償電壓。按照《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定，220 V 單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的-10%～7%；設(shè)定該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的補(bǔ)償電壓的偏差范圍為（-40%～30%）Un，則對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償裝置調(diào)整范圍與策略如表1 所示。

圖3 串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓仿真系統(tǒng)主電路

圖4 串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓仿真系統(tǒng)控制回路

表1 補(bǔ)償裝置調(diào)整范圍與策略

3 仿真結(jié)果分析

3.1 負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)效果

在1.5 s 時(shí)投入0.06 MW+j 0.04 MVar 的負(fù)荷量，輸入端電壓E1降低至0.1591 kV，自動(dòng)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓E3為0.0528 kV，補(bǔ)償后的輸出電壓E2為0.2116 kV；在2.5 s 時(shí)繼續(xù)投入0.02 MW+j 0.01 MVar 的負(fù)荷量之后，E2變?yōu)?.201 kV，但依然處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，故補(bǔ)償裝置不予繼續(xù)調(diào)節(jié)；在4 s 時(shí)將后者負(fù)荷切除，電壓依然合格。電壓E1—E3的瞬時(shí)值波形與有效值波形分別如圖5 與圖6 所示，表明了負(fù)荷側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)壓效果良好。

圖5 負(fù)荷波動(dòng)情況下的瞬時(shí)電壓關(guān)系

圖6 負(fù)荷波動(dòng)情況下的電壓有效值變化

3.2 輸入側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)效果

在1.5 s 時(shí)在低壓母線上投入0.13 MW+j 0.08 MVar的負(fù)荷，系統(tǒng)電壓降為U1=0.1641 kV，補(bǔ)償電壓為0.0566 kV，補(bǔ)償后的輸出電壓為0.2204 kV；電壓E1—E3的瞬時(shí)值波形與有效值波形分別如圖7 與圖8 所示；仿真結(jié)果說明，系統(tǒng)側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)依然能夠達(dá)到理想的串聯(lián)補(bǔ)償效果。

3.3 分布式電源出力變化后的調(diào)節(jié)效果

利用恒流源模擬光伏等分布式電源，構(gòu)建有源低壓配電網(wǎng)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷側(cè)電壓為0.2143 kV，在1 s 時(shí)，通過負(fù)荷側(cè)加入550 A 的恒流源，負(fù)荷側(cè)電壓上升為0.245 kV，自動(dòng)串聯(lián)補(bǔ)償后負(fù)荷側(cè)電壓變?yōu)?.2153 kV。電壓E1—E3的瞬時(shí)值波形與有效值波形分別如圖9 與圖10 所示。仿真結(jié)果表明，分布式電源出力導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)電壓升高時(shí)，通過串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓依然能夠達(dá)到理想的穩(wěn)壓效果。

圖7 系統(tǒng)電壓波動(dòng)情況下的瞬時(shí)電壓關(guān)系

圖8 系統(tǒng)電壓波動(dòng)情況下的電壓有效值變化

圖9 分布式電源導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)電壓升高情況下的瞬時(shí)電壓關(guān)系

圖10 分布式電源導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)電壓升高時(shí)的電壓有效值變化

4 結(jié)論

針對(duì)沖擊負(fù)荷與分布式電源接入對(duì)低壓配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，分析了基于交流斬波技術(shù)的串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)原理，基于PSCAD 仿真軟件搭建了含分布式電源的低壓配電網(wǎng)仿真模型，并針對(duì)負(fù)荷側(cè)擾動(dòng)、系統(tǒng)側(cè)擾動(dòng)以及分布式電源擾動(dòng)場(chǎng)景下的穩(wěn)壓效果進(jìn)行了仿真分析，證明了該方法的有效性。本研究得到的主要結(jié)論如下：

（1）含光伏的低壓配電網(wǎng)電壓波動(dòng)嚴(yán)重的現(xiàn)象已成為供需雙方關(guān)注的問題，而基于電力電子技術(shù)與串聯(lián)補(bǔ)償原理的穩(wěn)壓方法，是有效的解決途徑；且目前已有相關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品與示范工程，但在教學(xué)過程中尚未體現(xiàn)出來。立足電氣專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，從實(shí)際問題需求出發(fā)提煉關(guān)鍵技術(shù)，能夠真正將培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題落到實(shí)處。

（2）該仿真系統(tǒng)融合了電力電子技術(shù)、電力工程、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電力系統(tǒng)分析等電氣專業(yè)課程以及PSCAD 仿真軟件知識(shí)，將原有的知識(shí)點(diǎn)通過仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)串聯(lián)成為知識(shí)面，形成完善的知識(shí)架構(gòu)，有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的理解。

（3）該仿真系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)生的鍛煉與培養(yǎng)，可真正實(shí)現(xiàn)研學(xué)一體化；而且，實(shí)踐過程中以問題為導(dǎo)向，系統(tǒng)培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力，能夠有效落實(shí)本專業(yè)從學(xué)習(xí)知識(shí)向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變的“新工科”教育改革理念。