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

蔣斌

（國網(wǎng)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(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）是復(fù)合型的電能質(zhì)量治理設(shè)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(tǒng)中有著較多的應(yīng)用[3]。隨著配電網(wǎng)中合環(huán)回路的增多，配電網(wǎng)潮流控制越來越受到重視[4-5]，而UPQC中同時存在串聯(lián)和并聯(lián)型變流器，其在結(jié)構(gòu)上能夠滿足對于潮流的控制需求?；诖?，本文針對UPQC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

UPQC系統(tǒng)由多繞組變壓器、補償單元、整流單元以及靜態(tài)開關(guān)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?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，三相直接通過直流側(cè)連接，輸出部分再通過變壓器串聯(lián)于線路。

圖1 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器拓?fù)鋱D

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，對并聯(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，可以實現(xiàn)無功補償、電壓補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現(xiàn)。而串聯(lián)變流器可以等效成三相電壓源，通過調(diào)節(jié)輸出電壓實現(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)運行。

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

UPQC中的串聯(lián)和并聯(lián)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?fù)鋱D

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)兩種類型的變流器，這兩種變流器通過直流側(cè)相連接，需要有相對應(yīng)的控制方法。其中并聯(lián)變流器可獨立用于無功補償、諧波補償?shù)裙δ?，串?lián)變流器可獨立用于電壓串聯(lián)補償。

UPQC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)，從而滿足線路潮流分布調(diào)整的需要，通常有以下4種運行模式：

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

（4）自動潮流控制：設(shè)定值為線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o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(dá)到調(diào)節(jié)線路潮流的目的。

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)系分解來考慮：d軸分量用來穩(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(lián)端節(jié)點電壓穩(wěn)定。并聯(lián)變流器具備以下兩種控制方式：

（1）無功功率控制：設(shè)定值是吸收或發(fā)出的無功功率值，控制系統(tǒng)將無功功率設(shè)定值轉(zhuǎn)換計算為對應(yīng)的并聯(lián)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(lián)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(shè)定值為電壓值，并聯(lián)變流器所注入的無功電流為自動調(diào)節(jié)，根據(jù)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(jìn)行無功電流的注入。

3 仿真結(jié)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(wǎng)不平衡工況下進(jìn)行仿真驗證，主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵仿真參數(shù)

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

圖3 并聯(lián)控制器輸出電流各序分量波形圖

圖4 串聯(lián)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(fù)序分量。0.045 s時，電網(wǎng)發(fā)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(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，故而沒有產(chǎn)生零序電流的回路。0.085 s時并聯(lián)變流器開始發(fā)揮無功補償功能，電網(wǎng)負(fù)序電流很快抑制到接近于零，驗證了不平衡工況下電網(wǎng)UPQC并聯(lián)側(cè)變流器控制策略的有效性。

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

4 結(jié)語

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，最終通過仿真進(jìn)行了驗證。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。