基于統一電能質量控制器的配電網潮流控制研究

蔣斌

（國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213000）

0 引言

統一電能質量控制器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）是復合型的電能質量治理設備[1-2]，對于無功補償、電壓治理、諧波治理均有較好的效果，在電力系統中有著較多的應用[3]。隨著配電網中合環回路的增多，配電網潮流控制越來越受到重視[4-5]，而UPQC中同時存在串聯和并聯型變流器，其在結構上能夠滿足對于潮流的控制需求。基于此，本文針對UPQC在配電網潮流控制中的應用進行了研究。

1 工作原理

UPQC系統由多繞組變壓器、補償單元、整流單元以及靜態開關四部分組成。除去整流單元，補償部分可以等效為圖1所示的拓撲結構。等效圖中的多繞組變壓器，原邊采用三角形繞組D1，一組副邊使用星形繞組Y1，另一組副邊采用三角形繞組D2，D2連接于并聯變流器的交流側，Y1中的各相通過串聯變流器各橋臂串聯輸出后連接于負載。串聯部分由串聯變壓器和反并聯晶閘管構成，其中反并聯晶閘管用于變流器故障情況下輸出回路切換。并聯控制器由三相兩電平變流器構成，交流側通過并網電抗器與D2連接。串聯變流器的各相均由H橋構成，三相直接通過直流側連接，輸出部分再通過變壓器串聯于線路。

圖1 統一電能質量控制器拓撲圖

Y1為主功率回路，傳輸絕大部分的有功功率，D2及串并聯變流器部分主要是對串并聯兩側的電能質量進行治理。根據其結構特點，對并聯部分和串聯部分的變流器分別進行分析：并聯控制器等效為三相電流源，可以實現無功補償、電壓補償以及諧波治理的功能；另外，并聯變流器還需要負責直流電壓的穩定，以支撐串聯變流器正常功能的實現。而串聯變流器可以等效成三相電壓源，通過調節輸出電壓實現系統電壓的調節，從而保證負載在安全電壓范圍內運行。

晶閘管TA、TB、TC是用來投切串聯變流器的，當串聯變流器故障或者線路不需要電壓調節功能時，晶閘管將處于導通狀態，從而實現串聯變流器的旁路；當線路需要串聯變流器發揮功能時，晶閘管關斷，串聯變流器正常運行。

UPQC中的串聯和并聯變流器分別可以用一個三相電壓源變流器來替代，等效電路可以表示為圖2。

圖2 UPQC等效電路拓撲圖

2 控制方法

統一電能質量控制器中含有并聯和串聯兩種類型的變流器，這兩種變流器通過直流側相連接，需要有相對應的控制方法。其中并聯變流器可獨立用于無功補償、諧波補償等功能，串聯變流器可獨立用于電壓串聯補償。

UPQC的潮流控制方法主要分為串聯變流器的控制方法和并聯變流器的控制方法。其中串聯電壓源的幅值與相角均可調，從而滿足線路潮流分布調整的需要，通常有以下4種運行模式：

（1）直接電壓注入：設定值為電壓幅值和相角，根據設定閉環地產生設定的輸出電壓。

（2）兩端電網的移相調節：設定值為送端和受端電網的相位角，注入一組合適的電壓值，使電網送端電壓V2與受端電壓V1相比，相角產生變化，幅值保持不變。

（3）線路阻抗調節：設定值為線路阻抗值（實數或者復數），串聯電壓源所注入的補償電壓與線路的電流表現出線性關系，使得串聯電壓源從線路上可以等效成一個阻抗。

（4）自動潮流控制：設定值為線路傳輸的有功功率和無功功率值，獨立控制傳輸線路的有功功率和特定點的無功功率，從而達到調節線路潮流的目的。

其中的并聯電流源Iq，根據電網或負載情況注入合適的電流大小，電流可從dq坐標系分解來考慮：d軸分量用來穩定直流側的電壓值，給串聯變流器部分有效的有功支撐，稱為有功電流分量；q軸分量可以提供無功補償，叫作無功電流分量，可以用來維持并聯端節點電壓穩定。并聯變流器具備以下兩種控制方式：

（1）無功功率控制：設定值是吸收或發出的無功功率值，控制系統將無功功率設定值轉換計算為對應的并聯注入電流值，并在控制中利用檢測的電流作為反饋信號。并聯變流器的無功功率控制模式和靜止無功補償器的功能類似。

（2）自動電壓控制：設定值為電壓值，并聯變流器所注入的無功電流為自動調節，根據線路下垂控制原理，利用實際檢測的端電壓作為反饋信號，進行無功電流的注入。

3 仿真結果

為驗證上述控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平臺搭建了UPQC的仿真模型，在電網不平衡工況下進行仿真驗證，主要仿真參數如表1所示。

表1 關鍵仿真參數

仿真設置在0～0.045 s的時間內電網電壓保持三相平衡狀態，0.045 s時電網A 相跌落至原幅值的70%，0.085 s時UPQC進行負序補償，仿真結果如圖3、圖4所示。

圖3 并聯控制器輸出電流各序分量波形圖

圖4 串聯變流器輸出電流各序分量波形圖

圖3為注入電流的各序分量的波形圖，包括正序和負序分量。0.045 s時，電網發生了電壓跌落故障，各序分量被有效分離出來。從圖中可以看到，在發生故障以后，注入電網電流的正序分量有所下降，且伴隨負序分量的產生。變壓器的網側D1為三角形接法，故而沒有產生零序電流的回路。0.085 s時并聯變流器開始發揮無功補償功能，電網負序電流很快抑制到接近于零，驗證了不平衡工況下電網UPQC并聯側變流器控制策略的有效性。

如圖4所示，不平衡工況時串聯側輸出電流包含明顯的負序分量，會加劇系統的不平衡程度，而0.085 s后經過負序控制串聯側的負序電流很快得到抑制。該仿真充分驗證了不平衡工況下UPQC串聯側變流器控制策略的有效性。

4 結語

本文研究了統一電能質量控制器在配電網潮流控制中的應用，在分析其拓撲結構和基本工作原理的基礎上，進一步提出了串聯和并聯變流器各自的控制策略，最終通過仿真進行了驗證。該研究為統一電能質量控制器的拓展應用提供了新思路。