基于統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的配電網(wǎng)潮流控制研究

引言

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UnifiedPowerOua1ityCondi-tioner,UPOC)是復(fù)合型的電能質(zhì)量治理設(shè)備,對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償、電壓治理、諧波治理均有較好的效果,在電力系統(tǒng)中有著較多的應(yīng)用。隨著配電網(wǎng)中合環(huán)回路的增多,配電網(wǎng)潮流控制越來(lái)越受到重視,而UPOC中同時(shí)存在串聯(lián)和并聯(lián)型變流器,其在結(jié)構(gòu)上能夠滿(mǎn)足對(duì)于潮流的控制需求?；诖?本文針對(duì)UPOC在配電網(wǎng)潮流控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1工作原理

UPOC系統(tǒng)由多繞組變壓器、補(bǔ)償單元、整流單元以及靜態(tài)開(kāi)關(guān)四部分組成。除去整流單元,補(bǔ)償部分可以等效為圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(lián)變流器的交流側(cè),Y1中的各相通過(guò)串聯(lián)變流器各橋臂串聯(lián)輸出后連接于負(fù)載。串聯(lián)部分由串聯(lián)變壓器和反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成,其中反并聯(lián)晶閘管用于變流器故障情況下輸出回路切換。并聯(lián)控制器由三相兩電平變流器構(gòu)成,交流側(cè)通過(guò)并網(wǎng)電抗器與D2連接。串聯(lián)變流器的各相均由H橋構(gòu)成,三相直接通過(guò)直流側(cè)連接,輸出部分再通過(guò)變壓器串聯(lián)于線(xiàn)路。

Y1為主功率回路,傳輸絕大部分的有功功率,D2及串并聯(lián)變流器部分主要是對(duì)串并聯(lián)兩側(cè)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)并聯(lián)部分和串聯(lián)部分的變流器分別進(jìn)行分析:并聯(lián)控制器等效為三相電流源,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、電壓補(bǔ)償以及諧波治理的功能:另外,并聯(lián)變流器還需要負(fù)責(zé)直流電壓的穩(wěn)定,以支撐串聯(lián)變流器正常功能的實(shí)現(xiàn)。而串聯(lián)變流器可以等效成三相電壓源,通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié),從而保證負(fù)載在安全電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。

晶閘管TA、TB、TC是用來(lái)投切串聯(lián)變流器的,當(dāng)串聯(lián)變流器故障或者線(xiàn)路不需要電壓調(diào)節(jié)功能時(shí),晶閘管將處于導(dǎo)通狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變流器的旁路;當(dāng)線(xiàn)路需要串聯(lián)變流器發(fā)揮功能時(shí),晶閘管關(guān)斷,串聯(lián)變流器正常運(yùn)行。

UPoC中的串聯(lián)和并聯(lián)變流器分別可以用一個(gè)三相電壓源變流器來(lái)替代,等效電路可以表示為圖2。

2控制方法

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器中含有并聯(lián)和串聯(lián)兩種類(lèi)型的變流器,這兩種變流器通過(guò)直流側(cè)相連接,需要有相對(duì)應(yīng)的控制方法。其中并聯(lián)變流器可獨(dú)立用于無(wú)功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償?shù)裙δ?串聯(lián)變流器可獨(dú)立用于電壓串聯(lián)補(bǔ)償。

UPoC的潮流控制方法主要分為串聯(lián)變流器的控制方法和并聯(lián)變流器的控制方法。其中串聯(lián)電壓源的幅值與相角均可調(diào),從而滿(mǎn)足線(xiàn)路潮流分布調(diào)整的需要,通常有以下4種運(yùn)行模式:

(1)直接電壓注入:設(shè)定值為電壓幅值和相角,根據(jù)設(shè)定閉環(huán)地產(chǎn)生設(shè)定的輸出電壓。

(2)兩端電網(wǎng)的移相調(diào)節(jié):設(shè)定值為送端和受端電網(wǎng)的相位角,注入一組合適的電壓值,使電網(wǎng)送端電壓V2與受端電壓V1相比,相角產(chǎn)生變化,幅值保持不變。

(3)線(xiàn)路阻抗調(diào)節(jié):設(shè)定值為線(xiàn)路阻抗值(實(shí)數(shù)或者復(fù)數(shù)),串聯(lián)電壓源所注入的補(bǔ)償電壓與線(xiàn)路的電流表現(xiàn)出線(xiàn)性關(guān)系,使得串聯(lián)電壓源從線(xiàn)路上可以等效成一個(gè)阻抗。

(4)自動(dòng)潮流控制:設(shè)定值為線(xiàn)路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率值,獨(dú)立控制傳輸線(xiàn)路的有功功率和特定點(diǎn)的無(wú)功功率,從而達(dá)到調(diào)節(jié)線(xiàn)路潮流的目的。

其中的并聯(lián)電流源Iq,根據(jù)電網(wǎng)或負(fù)載情況注入合適的電流大小,電流可從dq坐標(biāo)系分解來(lái)考慮:d軸分量用來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)的電壓值,給串聯(lián)變流器部分有效的有功支撐,稱(chēng)為有功電流分量;q軸分量可以提供無(wú)功補(bǔ)償,叫作無(wú)功電流分量,可以用來(lái)維持并聯(lián)端節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。并聯(lián)變流器具備以下兩種控制方式:

(1)無(wú)功功率控制:設(shè)定值是吸收或發(fā)出的無(wú)功功率值,控制系統(tǒng)將無(wú)功功率設(shè)定值轉(zhuǎn)換計(jì)算為對(duì)應(yīng)的并聯(lián)注入電流值,并在控制中利用檢測(cè)的電流作為反饋信號(hào)。并聯(lián)變流器的無(wú)功功率控制模式和靜止無(wú)功補(bǔ)償器的功能類(lèi)似。

(2)自動(dòng)電壓控制:設(shè)定值為電壓值,并聯(lián)變流器所注入的無(wú)功電流為自動(dòng)調(diào)節(jié),根據(jù)線(xiàn)路下垂控制原理,利用實(shí)際檢測(cè)的端電壓作為反饋信號(hào),進(jìn)行無(wú)功電流的注入。

3仿真結(jié)果

為驗(yàn)證上述控制策略的有效性,在Matlab/Simulink平臺(tái)搭建了UPoC的仿真模型,在電網(wǎng)不平衡工況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證,主要仿真參數(shù)如表1所示。

仿真設(shè)置在0~0.045s的時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓保持三相平衡狀態(tài),0.045s時(shí)電網(wǎng)A相跌落至原幅值的70%,0.085s時(shí)UPoC進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償,仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3為注入電流的各序分量的波形圖,包括正序和負(fù)序分量。0.045s時(shí),電網(wǎng)發(fā)生了電壓跌落故障,各序分量被有效分離出來(lái)。從圖中可以看到,在發(fā)生故障以后,注入電網(wǎng)電流的正序分量有所下降,且伴隨負(fù)序分量的產(chǎn)生。變壓器的網(wǎng)側(cè)D1為三角形接法,故而沒(méi)有產(chǎn)生零序電流的回路。0.085s時(shí)并聯(lián)變流器開(kāi)始發(fā)揮無(wú)功補(bǔ)償功能,電網(wǎng)負(fù)序電流很快抑制到接近于零,驗(yàn)證了不平衡工況下電網(wǎng)UPp0并聯(lián)側(cè)變流器控制策略的有效性。

如圖4所示,不平衡工況時(shí)串聯(lián)側(cè)輸出電流包含明顯的負(fù)序分量,會(huì)加劇系統(tǒng)的不平衡程度,而404.85后經(jīng)過(guò)負(fù)序控制串聯(lián)側(cè)的負(fù)序電流很快得到抑制。該仿真充分驗(yàn)證了不平衡工況下UP00串聯(lián)側(cè)變流器控制策略的有效性。

4結(jié)語(yǔ)

本文研究了統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器在配電網(wǎng)潮流控制中的應(yīng)用,在分析其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本工作原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了串聯(lián)和并聯(lián)變流器各自的控制策略,最終通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。該研究為統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的拓展應(yīng)用提供了新思路。