應用UPFC優(yōu)化配網(wǎng)損耗的方法研究

郭成蛟 肖安全 袁奔 王銳 張坤友 尚津臣 張霞鵬 田景剛

摘? ?要：針對線路損耗，提出了應用UPFC來降低配網(wǎng)損耗。使用UPFC能夠精確控制潮流分布，改善輸電線路潮流分布，有效減低了三相不平衡造成的線路損耗，提高了線路輸電能力，增強了電網(wǎng)的可靠性。在UPFC設備中增加新型的三相功率補償電路，能夠自動采集電網(wǎng)電路中的電壓信號和電流信號，并對采集到的電壓信號和電流信號進行計算，通過控制電路將計算出的信號信息生成驅(qū)動信號，驅(qū)動信息傳遞到主電路，主電路根據(jù)驅(qū)動信號對電網(wǎng)進行電流補償，計算機控制操作過程，并顯示控制結(jié)果。實驗表明，本設計方法明顯降低了電網(wǎng)電路中的損耗，增加了有功功率的使用，為電網(wǎng)電路的穩(wěn)定運行提供良好的環(huán)境。

關鍵詞：電網(wǎng);損耗;UPFC;電流補償;可靠性

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1003—6199（2020）02—0082—04

Abstract：For the line loss，the application of UPFC to reduce the distribution network loss is proposed. using UPFC accurately control the power flow distribution and improve the power flow distribution of transmission lines. It effectively reduces the line loss caused by the three-phase unbalance，improves the line transmission capacity，and enhances the reliability of the power grid，a new three-phase power compensation circuit is added to the UPFC device，which can automatically collect the voltage signal and current signal in the grid circuit，and calculate the collected voltage and current signal. The calculated signal information is generated by the control circuit to generate a driving signal，and the driving information is transmitted to the main circuit. The main circuit performs current compensation on the power grid according to the driving signal，and the computer controls the operation process and displays the control result. The experiments show the method designed significantly reduces the loss in the grid circuit，increases the use of active power，and provides a good environment for the stable operation of the grid circuit.

Key words：power grid;loss;UPFC;current compensation;reliability

隨著電網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，用電負荷日益增加，配電網(wǎng)絡經(jīng)常會出現(xiàn)電壓低、網(wǎng)絡復雜、輸送距離長等問題，這些因素容易導致電網(wǎng)電路上損耗嚴重，配網(wǎng)損耗是國電網(wǎng)公司、供電企業(yè)、用戶等面臨的嚴峻問題[1-3]。該問題不僅影響各公司的電網(wǎng)結(jié)構布局，還影響供用電企業(yè)的管理水平和技術水平[4-7]。為了確保電網(wǎng)運行安全，通常使用統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）實現(xiàn)配網(wǎng)損耗優(yōu)化，通過使用UPFC，能夠快速地單獨控制電網(wǎng)輸電線路中的有功功率和無功功率，大大降低線路損耗、提高電網(wǎng)質(zhì)量[8-10]。

UPFC為包括具有電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補償和移相等能力的柔性交流輸電裝置[11-13]。在使用時，能夠同時控制多個電網(wǎng)參數(shù)，如節(jié)點電壓幅值、支路阻抗和功角差等，從而實現(xiàn)控制電網(wǎng)內(nèi)有功潮流、無功潮流和節(jié)點電壓的目的[14-15]。為了保證電網(wǎng)運行能夠處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，提出了應用UPFC來減低網(wǎng)配損耗，提高了輸電線路輸電能力以及電力系統(tǒng)安全運行的穩(wěn)定性。

1? ?優(yōu)化系統(tǒng)設計

本技術方案利用UPFC對網(wǎng)絡損耗進行優(yōu)化，通過使用UPFC設備，并在UPFC設備中增加補償電路來實現(xiàn)功率不平衡的自動檢測和校準，使電網(wǎng)電路中的損耗最小化。在優(yōu)化系統(tǒng)中，主要包括UPFC設備、補償電路、計算機、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、中央控制室，如圖1所示。

在上述系統(tǒng)中，補償電路包含交流電源、計算機、互感器、計算單元、控制單元、驅(qū)動電路以及主電路。在結(jié)構布局中，互感器設置在交流電路和負載之間，在互感器的輸出端連接計算單元，計算單元輸出連接控制單元，控制單元通過驅(qū)動電路與主電路連接，主電路輸出到負載，主電路輸出連接計算機。在設計的方案中，互感器選為電流互感器、電壓互感器，其中電流互感器用于采集電流信息，電壓互感器用于采集電壓信息，補償電路還可以包含低壓斷路器QF，低壓斷路器QF設置在交流接觸器 KM與負載側(cè)電網(wǎng)之間，其作用在電路發(fā)生短路時，或電路嚴重過載時，能夠能自動切除故障電路，及時保護負載（電氣設備），補償電路中橋式變流器與電抗器 L 之間通過焊接鋼管連接用于保護電線。橋式變流器包含功率開關管（N1-N8）、二極管（D1-D8）、電容器（C1-C8）。

在本設計中，功率開關管的基極在驅(qū)動電路作用下，將其輸出端連接到其中控制支路的一端。功率開關管的發(fā)射極的輸出與二極管的陽極和功率開關管的集電極連接。功率開關管的集電極與二極管的陰極和電容器的一端連接，電容器的另一端與功率開關管的發(fā)射極連接;功率開關管的基極連接到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的輸出連接至不同的控制支路。功率開關管的發(fā)射極與二極管的陽極連接。功率開關管的集電極與二極管的陰極連接。功率開關管在應用時可選擇絕緣柵雙極型晶體管，這樣，能夠有效地消除中性線的基波電流。如圖2所示。

在計算電路中，根據(jù)上述電路所采集的電壓信號、電流信號，將電流信號經(jīng)由控制電路來產(chǎn)生驅(qū)動信號，這樣將驅(qū)動電路處于正常工作狀態(tài)，能夠促進控制主電路中的各開關管進行通或斷。在主電路中的各個補償電路的作用下，對電網(wǎng) A 相、B 相、C 相及 N 相中電流實施電流補償。其中主電路可以根據(jù)多個實施例包含兩個以上的補償電路，這些補償電路分別與負載側(cè)處的A相、B相、C相和中性線N進行連接。其中補償電路可以包含輸入與輸出依次連接設置的多個器件，比如橋式變流器、電抗器 L1-L4、電阻 R1-R4 以及交流接觸器 KM1、KM2。其中橋式變流器的輸出端與驅(qū)動電路的輸入端連接。交流接觸器 KM與負載側(cè)的電路連接，交流接觸器 KM 能夠遠程地控制電力的開或斷。其中電抗器 L 能夠充當變流器的輸出濾波器，實現(xiàn)濾波的作用。

在補償過程中，需要對主電路進行控制，變壓器運行方式柔性切換的方式，UPFC 根據(jù)配電管理系統(tǒng)實時發(fā)布控制方案，該方案能夠靈活、準確、平滑地調(diào)控待投切變壓器的輸出電流，便于實現(xiàn)零電流倒合閘，并聯(lián)側(cè)控制回路還包含傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)回路，如圖3所示。

2? ?配網(wǎng)損耗分析

如圖4所示，在具體應用中，UFPC的關鍵部件主要由并聯(lián)變壓器、串聯(lián)變壓器、并聯(lián)換流器、串聯(lián)換流器以及控制器組成。并聯(lián)變壓器以及串聯(lián)變壓器用于改變交流變壓，并聯(lián)換流器用于將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為用戶直接應用的直流電，可以作為靜止同步補償器（STATCOM）來使用，并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器的供源方式是將兩者在直流電容上施加的電壓Vdc放電產(chǎn)生，期間，有功功率在這2個換流器之間的交流電側(cè)端的任意方向上進行自由流動，在交流輸出端處，能夠獨立地發(fā)出無功功率，或獨立吸收無功功率。

在計算無功功率時，可以采用Hilbert濾波器進行計算，假設Hilbert濾波器把各次諧波電壓的相位移位90°來進行計算，則電壓值可以表示為：

并聯(lián)換流器在工作時，在公共端點處，提供、吸收串聯(lián)換流器正常工作需要的有功能量，經(jīng)換流器換流之后，電流輸出至交流端，并送入到與電網(wǎng)線路并聯(lián)連接的變壓器。假設在穩(wěn)狀態(tài)下，自身損耗不作為計算的因素，那么UPFC兩側(cè)存在的有功功率是相等的。在電網(wǎng)電路中，直流電容器不發(fā)出有功功率，也不會吸收有功功率，這樣，就使得電壓Vdc處于恒定狀態(tài)。這種工作原理與STATCOM的工作原理近乎相似。并聯(lián)換流器在線路中還能夠人為控制地產(chǎn)生無功功率，或者吸收無功功率。當電路系統(tǒng)需要并聯(lián)換流器時，并聯(lián)換流器便為電力線路提供動態(tài)、可變的無功補償。在電路中，串聯(lián)換流器將VB控制并穩(wěn)定的范圍：0 ～ VBmax。因此，可以利用UFPC解決了三相不平衡造成的線路損耗、提高線路輸電能力、提高電網(wǎng)的可靠性，但是仍舊存在一些列不足，比如在平衡三相功率時，自動檢測能力差，人為參與因素多，連續(xù)性能差，電容分相補償適用范窄等問題。因此，需要在此基礎上對電路做進一步的優(yōu)化。

在使用UFPC時，UFPC可快速、靈活地控制功率流動。比起傳統(tǒng)的無功補償設備，UFPC具有很好的連續(xù)性。

將UPFC接入配網(wǎng)電路中，其系統(tǒng)結(jié)構圖如圖6所示。UPFC在電路中能夠維持母線電壓，實現(xiàn)調(diào)節(jié)潮流的功能。在應用時，其串聯(lián)側(cè)工作等價于向電路中注入可控電壓，如圖6所示。

3? ?實驗與分析

下面基于PSCAD/EMTDC環(huán)境對本技術方案進行驗證，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下，通過對UPFC進行動態(tài)模擬仿真，得出仿真結(jié)果。實驗將并聯(lián)側(cè)、直流側(cè)和串聯(lián)側(cè)的動態(tài)反應以及周圍雜波的干擾考慮在內(nèi)。在進行實驗時，采用相同結(jié)構的串、并聯(lián)側(cè)換流器，選用三相三電平換流器進行二重化的方式，換流器容積為50 MVA，24脈動，將選用的換流器額定交流電壓定義為15.435 kV，額定交流電流為2.01 kA。

仿真啟動1 s時，將并聯(lián)變流器接入電路中，電容處于充電狀態(tài)。在并聯(lián)測釋放控制信息，將母線電壓維持在800 V。然后再接入串聯(lián)變流器，控制潮流，再仿真初始狀態(tài)，發(fā)電機端的電壓為230 V，補給系統(tǒng)的總功率為10 W，無功功率幾乎為0，如圖7所示。

從圖7的波形圖可以看到，采用UPFC和未采用UPFC具有明顯的差異。因此，設計的補償方法使得電網(wǎng)線路上的有功總損耗顯著降低，具有一定的應用價值。

4? ?結(jié)? ?論

通過在電網(wǎng)中引入UPFC，并在UPFC中接入新型的補償電路，該電路能夠?qū)崟r采集電網(wǎng)中的瞬變電壓、電流信號，并通過計算電路計算采集到的電壓和電流值，并采用柔性切換方式的控制器控制主路，根據(jù)計算結(jié)果補償A、B、C、N 的電流，從而消除中性線的基波電流，使得三相不平衡造成的線路損耗大大降低，有力地提高了線路輸電能力，增強了電網(wǎng)的可靠性。

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