有源配電網多端口統一電能質量控制器?

黃祖金 吳彬鋒 劉海俊

（國網浙江省云和縣供電公司 云和 323600）

1 引言

分布式電源在配電網的滲透率不斷提高，引起配電網潮流大小以及方向的頻繁變化，導致負荷電壓偏差更為嚴峻［1～3］。動態電壓補償器（dynamic voltage restorer，DVR）具有很強的電壓調節能力，可有效補償上述電壓偏差問題［4～7］。DVR 通過并聯有源濾波器（active power filter，APF）可維持直流鏈電容的穩定，從而形成背靠背結構的統一電能質量控制器（UPQC）［8～10］。若各線路分別接入一個獨立的UPQC 可有效補償所連接負荷的電壓偏差，但線路間多個UPQC 間的協調控制及經濟性問題導致其很難應用在實際的有源配電網中。

隨著經濟的發展，用戶對供電可靠性的要求越來越苛刻。變壓器并供運行可有效提高供電可靠性并且調節分布式電源出力以及負荷的波動造成變壓器間的出力不均衡問題［11～12］。而變壓器間等效阻抗以及負荷的不一致性會造成并供操作后變壓器出力的不一致，同時并供操作后各變壓器出力的變化可能造成母線聯絡線電流過流［13］。文獻［13］分析了廣東惠州某110kV/10kV 變電站因并供操作后母聯線路設備過載而導致兩起變壓器并供失敗的操作案列。文獻［14］提出利用統一潮流控制器控制變壓器出力均衡，以避免并供操作時變壓器出力嚴重不一致甚至發生功率倒送而導致并供失敗。該方法能夠有效避免并供操作時出現的逆功率，但未考慮因并供操作后變壓器出力的變化造成母聯電流過大，從而進一步引起相應的繼電保護裝置動作導致并供操作失敗。

為解決上述兩個有源配網運行面臨的問題，本文提出一種新型的多端口統一電能質量控制器，通過各線路首端DVR 綜合改善線路各節點電壓偏差，并且利用母聯DVR 調節變壓器的功率以保證并供操作成功。DVR 間通過共用的直流鏈電容形成多端口結構，并僅由一臺APF 為其提供功率支撐。該新型結構可直接裝設在變電站內部，有效解決UPQC 選址問題，具有裝設簡單可行，實用性較高的優勢；同時多端口UPQC 在實現多功能的補償效果前提下，可以有效地節省成本。文章詳述了該多端口統一電能質量控制器的運行原理，并提出了適用于多端口UPQC 的優化協調控制方法，同時結合Matlab/Simulink 仿真驗證了該系統的有效性和可行性。

2 適用于有源配電網的多端口統一電能質量控制器及其運行原理

圖1 所示為本文提出的適用于10kV 有源配電網的多端口統一電能質量控制器。母線聯絡線處裝設有動態電壓補償器；與母線相連的多個線路中，每個線路首端均串入對應的動態電壓補償器；每個動態電壓補償器均與一公共直流鏈電容相并聯；有源濾波器并聯接入母線1，為動態電壓補償器提供有功支撐。接入母線聯絡線的動態電壓補償器為DVR0，接入線路k的動態電壓補償器定義為線路DVRk（k=1、2…n）。該多端口統一電能質量控制器可有效實現以下功能：1）各線路首段DVR 改善該線路各節點電壓偏差，改善用戶電壓質量；2）母聯DVR 有效調節變壓器的出力，避免并供操作時某變壓器出現功率倒送或者聯絡線電流過大引起保護動作而導致并供操作失敗；3）APF提供直流鏈電壓支撐能力并可實現有源配電網諧波和無功補償的輔助功能。

圖1 多端口統一電能質量控制器的接入結構示意圖

2.1 線路DVR運行與補償原則

配網線路首末端電壓相位差較小，因此近似認為饋線各節點電壓相位一致。而本文設計的線路DVR 僅補償非故障引起的一定范圍內的電壓偏差，對電壓跌落/暫升深度較大的故障不作補償且系統短路故障時UPQC退出運行，因而線路DVR設計容量較小。因此忽略串聯DVR 的接入對線路電流和網損變化的影響。線路DVR 補償電壓包含與線路首端電壓同向和垂直的兩個分量，由于DVR補償容量較小，其補償電壓垂直分量對各節點電壓幅值的改變可忽略不計。

如圖2所示為線路DVR的等值電路圖，以線路首端電壓VPCC為參考量，DVRk的補償電壓的d 軸分量為Vdk，根據文獻［15］規定的中壓配電網節點電壓偏差范圍為±7%VN（VN為額定電壓），則補償電壓Vdk應滿足：

圖2 線路等值電路圖

其中Vi為DVR 補償前節點i 處的電壓。根據饋線各節點電壓的偏差情形，調整線路首端DVR的串聯電壓大小以滿足用戶電壓在偏差范圍內，即式（1）成立。為滿足該中壓配電網各用戶節點電壓符合電網運行要求，則補償電壓Vdk需滿足：

通過控制線路DVR 串聯補償電壓可優化線路各節點總體電壓偏差，使線路上各節點電壓滿足電壓質量要求。因此，建立節點電壓偏差評價函數為

則DVR 補償后的節點電壓偏差評價函數可表示為

DVR 的補償應滿足節點電壓偏差評價函數值取最小值，即Vdk應滿足：

其中VM為線路DVR 的最大補償電壓。線路DVR 補償電壓的q 軸分量為Vqk，則線路DVR 需要的有功支撐以及提供的感性無功為

其中Idk，Iqk為線路k 首端電流的d，q 分量。如式（7）所述，通過調節電壓分量Vdk、Vqk的大小可控制DVR 與各線路有功交換的大小和方向。DVR 補償電壓的d軸分量用以調整節點電壓偏差，而DVR在其補償容量范圍內仍可提供與VPCC正交的q軸分量Vqk以減小其需要的有功支撐。則Vqk應滿足：

2.2 母聯DVR運行與補償原則

圖3 為雙電源并聯供電等效圖，利用文獻［14］的方法，電源1、2輸出的功率分別為

其中Zt1，Zt2分別為兩電源的等值阻抗，E1，E2分別為兩電源輸出電壓；SL1，SL2為線路1，2 的傳輸總功率；Vbus為線路首端電壓。如式（8）所述，并供后變壓器間電路參數的不一致可造成并供操作后變壓器出力不均衡，且變壓器輸出功率在并供操作前后發生較大變化，則并供后經過聯絡線的功率S0為

圖3 雙電源并聯供電示意圖

據式（9）可知，線路1，2的功率SL1，SL2差異較大會導致并供后聯絡線功率過大，嚴重時會使聯絡線電流達到繼電器的動作值，進而聯絡線保護動作跳開致使并供失敗。DVR0在并供操作時具有很強的潮流調節作用，DVR0通過改變變壓器之間的電壓差，調整變壓器的循環功率。通過注入串聯電壓VR，循環功率變化量為

其中RA=Rt1+Rt2，XA=Xt1+Xt2，ZA=Zt1+Zt2；Rt1，Xt1為電源1的等值電阻和電抗；Rt2，Xt2為電源2的等值電阻和電抗。而母聯DVR 的補償應滿足：1）母聯電流不過流；2）變壓器出力均衡。則母聯DVR 調節的循環功率ΔS由下述優化方程確定：

其中Sth為經過母線聯絡線的最大功率，VHM為母聯DVR 的最大補償電壓，SN1，SN2分別為變壓器1、2 的額定容量。則母聯DVR需要的有功支撐為

其中I'0，d、I'0，q 分別為并供操作后母聯電流的d、q 分量，P'0、Q'0分別為母聯DVR 補償后母線聯絡線的有功和無功功率。而上式PDVR0值為負時，DVR0從母聯吸收有功并可以向線路DVR或者APF轉移，而該多端口的內部功率流動將在下文詳述。

3 UPQC功率協調控制算法

多端口UPQC 通過檢測各線路節點電壓，依據式（9）所示的算法確定各線路DVR 的串聯電壓的d軸分量，并且依據式（15）、（16）推導出母聯DVR 的參考電壓值。由式（10）可知，線路DVRk的q 軸分量Vqk決定了DVR與該線路功率交換的大小。線路DVR 的最大補償電壓根據補償負荷以及分布式電源出力變化造成的最大電壓偏差而設定，則一般運行情形下線路DVR 可提供電壓q 軸分量來控制DVR 與線路交換的有功大小。而各饋線節點電壓波動的不一致使得DVR 與各線路的有功交換的大小和方向均存在差異。不同運行情形下，線路DVR 以及母聯DVR 均存在向串聯線路吸收/提供有功的運行情形，因此DVR 之間也可通過直流鏈電容完成有功功率在線路間的轉移；而當DVR 間的有功交換不足以維持直流鏈電壓穩定時，APF將作為功率傳輸媒介，通過向直流鏈電容提供或吸收有功以保持直流鏈電壓的恒定。

線路DVRk需要的有功支撐最大值和最小值分別為

其中Idk，Iqk為線路k首端的電流有功、無功分量。如圖4 所示，多端口的UPQC 功率交換存在以下三種運行工況。

圖4 UPQC協調運行示意圖

1）PDVR0+PDVR1，min+PDVR2，min+…+PDVRn，min＞0，即DVR從線路中吸取的有功功率不能完全滿足其他線路DVR的有功支撐，APF正常運行以維持直流鏈的穩定，該情形定義為運行工況1。根據檢測到的各線路首端功率SL1，SL2，計算DVR0不動作情形下經過聯絡線的功率S0，根據式（13）優化母聯DVR 補償電壓；如式（14）所示，線路DVR 的有功支撐與其電壓q軸分量Vqk成負相關，則可通過提高Vqk幅值以減少DVR 有功支撐同時增加線路DVR 向負荷提供的感性無功。DVRk電壓q軸分量為

通過優化線路DVR 的有功支撐以減少APF 的輸入有功電流，則可提高APF的無功支撐能力。圖5 所示的為UPQC 的功率轉移示意圖，則UPQC 的功率平衡關系為

圖5 UPQC功率轉移示意圖

該情形下APF不作為有功功率傳輸媒介，僅充當無功和諧波補償器。

3）PDVR0+PDVR1，max+PDVR2，max+…+PDVRn，max＜0，即DVR從線路吸收的有功之和大于零，通過運行APF將吸收的有功轉移至母線1，該情形定義為運行工況3。類似運行工況1，線路DVRk補償電壓q軸分量為

該運行情形下，APF通過從直流鏈電容吸收有功以維持直流鏈的穩定，APF的輸出有功功率為

4 仿真分析

為驗證系統的可行性，在Matlab/Simulink 中搭建如圖6 所示的配電網仿真模型。電源的等值阻抗均為（0.08+j0.20）Ω，變壓器的額定容量分別為8500kVA、7000kVA，電源的輸出電壓分別為10.25kV 以及10.33kV，母線聯絡線開關動作值為245A。

圖6 仿真模型圖

線路DVR 最大補償電壓峰值為300V，母聯DVR 為110V。圖6 所示的為某地區用電高峰期潮流示意圖。圖7仿真的是沒有多端口UPQC時的線路節點電壓值，其中0～0.2s 時間段的用電高峰期，線路各節點電壓偏差較大，線路末端電壓跌落尤為嚴重，標幺值分別為0.934 以及0.925；0.2s～0.8s 時間段分布式電源接入運行，其出力的增加抬升了各節點電壓，且由于節點3 的分布式電源出力過剩引起節點2-3 間的逆向潮流，從而造成節點3 的電壓超過了1.07VN。當多端口UPQC 投入運行時，按照第三節所述的方法用電高峰期的0～0.2s 時段，DVR1，2注入的電壓均為300∠0°，對應運行工況1；而0.2s～0.8s時間段，APF可退出運行或者根據電網需求提供無功支撐和諧波補償功能，根據式（9），DVR1、2 注入的電壓d 軸分量分別為-300V 以及172V，總的注入電壓相量分別為300∠180°、215∠36.87°，對應運行工況2。如圖8 所示，經過線路首端DVR 補償后，線路上各節點電壓偏差得到較大的改善，滿足電網運行要求。

有源配電網中由于分布式電源出力的隨機性造成了變壓器出力不均衡，同時分布式電源出力過大時線路可能存在逆向潮流，需要進行并供操作以均衡變壓器功率，防止出現變壓器功率倒送的情形。線路2的負載功率為（4.8+j1.9）MVA，線路1由于分布式電源出力較大，線路功率為（1.4+j1.5）MVA，則為了調節變壓器間的輸出功率均衡需進行變壓器并供操作。如圖9所示，母聯DVR不動作情形下，并供操作后經過母聯的電流幅值為264A，超過了母聯開關整定值，易引起相應的繼電設備動作而導致并供失敗。根據第三節詳述的控制策略，母聯DVR 注入95∠26.5°的電壓相量。則如圖9 所示，t=0.02s時母聯DVR 動作，聯絡線電流迅速降至126A，動態響應速度較快。并且調整后變壓器的出力分別為3.64MVA 以及3.73MVA，均衡了變壓器出力。

圖7 線路DVR補償前各負荷節點電壓

圖8 線路DVR補償后各負荷節點電壓

在用電高峰期線路DVR 補償電壓跌落需要的有功支撐最多。DVR1 需要的有功支撐為270kW，DVR2 為216kW，則需要APF 提供486kW 的有功功率以維持直流鏈的穩定。線路DVR 的最大補償電壓標幺值為0.037，則DVR1，2 的容量分別為315kVA、260kVA；合 環DVR 最 大 補 償 電 壓 為110V，額定電流為245A，容量為40kVA。APF 的容量設定為500kVA。 則整個UPQC 容量為1115kVA，約為變電站容量的7.2%，其經濟可行性較高。

5 結語

本文提出的新型多端口統一電能質量控制器具有以下功能：1）可綜合改善有源配電網線路各節點電壓偏差，提高用戶的電能質量。2）母聯DVR可有效改善變壓器的出力，避免并供操作時某一變壓器因出現功率倒送而退出并聯供電或者母聯電流達到繼電器的動作值而跳開保護引起并供失敗事故。該新型多端口UPQC 僅需一臺APF 裝置，系統成本和體積得到有效降低，具有良好的經濟可行性。本文詳述了該統一電能質量控制器的運行原則以及功率協調控制算法。最后通過Matlab/Simulink 搭建的10kV 配網系統模型驗證了該多端口UPQC的運行性能。