一種實現優質電力園區分級供電的協調控制策略

李 科，何 輝，唐 喆

0 引言

隨著用電設備的技術更新，特別是數字式自動控制技術與敏感用電設備在國民經濟各部門大規模的應用，如變頻調速器、可編程邏輯控制器PLC、各種自動生產線及計算機系統等，這些設備在提高生產效率的同時，也對供電可靠性和電能質量提出了更高的要求。微小的電力擾動可能使設備誤動作、生產中斷甚至會危及系統的安全穩定運行。

作為一種對電能質量問題的總體解決方案，“定制電力”的概念首先由NARAIN G.HINGORANI于1988年提出，它是應用現代電力電子和控制技術為實現電能質量控制及為用戶提供特定需要的電力供應技術。

作為定制電力技術應用的一個重要方面，PPP（優質電力園區）的概念在1992年由西屋公司提出，它是指綜合利用各種電能質量治理設備為用戶提供不同電能質量等級的電力服務，包括基本服務、附加服務和優質服務。

為了實現該服務，PPP拓撲結構的設計及相應供電電源與多PQDs（電能質量裝置）的協調顯得至關重要。通過對現有PPP拓撲結構及供電電源與PQDs協調性的分析，提出了一種實用的PPP拓撲結構及相應的協調控制策略，并應用PSCAD（電力系統計算機輔助設計）/EMTDC（含直流電磁暫態）仿真驗證了所提控制策略的可靠性。

1 PPP實用拓撲結構的提出

自2004年Ghosh.A首次提出了一種小型化的優質電力園區拓撲結構以來[1]，PPP拓撲結構的設計主要集中在總體結構、供電方式、PQDs選擇及備用電源的選擇上[2-3]。

（1）在總體結構上，主要是通過饋線經過連接有PQDs和備用電源的母線，來給L-1，L-2和L-3類不同電能質量等級需求的負荷供電。

（2）在供電方式上，從雙饋線供電發展成三饋線供電，大大提高了供電可靠性，并增加了可選擇的電能質量等級。

（3）在PQDs的選擇上，其配置原則是針對一種電能質量問題安裝特定的電能質量裝置來進行治理，如針對母線電壓波動，通常安裝DSTATCOM（配電網靜止無功補償器）；針對電壓暫降或暫升，通常安裝DVR（動態電壓恢復器）；針對非線性負載，通常安裝APF（有源電力濾波器）。

（4）在備用電源的選擇上，主要采用柴油發電機，當饋線供電中斷時，保證L-2與L-3類負荷的供電可靠性。

在設計PPP拓撲結構時，根據文獻[3]提出的基本要求：結合PPP拓撲結構的分析及定制電力裝置的實際應用情況，在總體結構、供電方式及備用電源的選擇上并沒有變化，只是在PQDs選擇上，從DVR和UPS（不間斷電源）的自身性能、典型應用案例以及現場的調研等方面進行綜合比較：

（1）文獻[3]規定，對于L-3類負荷，不出現電壓中斷；基本不出現電壓暫降/暫升，或持續時間不超過10 ms。

（2）自身功能上，DVR不能補償電壓跌落超過50%或長時間的電壓暫降；UPS從市電中斷到恢復供電可以實現零轉換，滿載時從UPS切換到旁落供電時間小于2 ms。

（3）從應用場合上，DVR主要針對于工業和半導體制造業中的負荷，而UPS適用于智能化各種精密儀器系統，大型電腦網絡系統。

（4）通過對典型區域的重要用戶，如金融中心、會展中心的IT設備、應急照明的定制、電力治理方案的分析以及對中芯國際半導體制造有限公司的調研發現，通常采用UPS來進行電壓暫降的治理。

（5）此處主要是進行仿真，不太關注采用UPS和DVR經濟性方面的問題。

（6）綜合以上考慮，此處選擇用UPS來給L-3類負荷進行供電。

通過對PPP的拓撲結構進行分析，并結合實際應用，忽略一些不重要的方面，設計了一種實用PPP拓撲結構，如圖1所示。

圖1 實用的PPP拓撲結構

2 協調控制策略的提出

為了實現3種不同電能質量等級的供電以及提高整體的供電可靠性，通過對PPP的協調性分析可知，PPP的協調主要分為配置協調和運行控制協調[4-7]。

配置協調主要考慮的是PQDs和饋線的配置問題，可以分為PQDs的配置協調以及饋線配置協調，其中PQDs的配置協調主要是實現3種不同電能質量等級的供電，饋線配置的協調主要是提高整體的供電可靠性。

運行控制的協調主要考慮的是PQDs、饋線及備用電源安裝在何地和何時接入的問題。

通過對已有PPP拓撲結構中協調控制策略的分析可知：已有PPP拓撲結構中的協調控制策略主要是在配置協調上有一些變化，即通過改變PQDs的功能和安裝地點達到實現PPP的目的，如通過在DVR的直流側并聯儲能裝置來增強DVR的補償性能，或通過APC（有源功率調節器）和UPQC（統一電能質量調節器）來替代DSTATCOM來實現PPP的作用，而對于運行控制協調的改變很少。因此，此處提出的協調控制策略主要通過改變運行控制協調，在配置協調上并沒有多大變化，僅通過UPS來代替DVR。

在設計協調控制策略時，不同于原有控制策略只是側重于PQDs以及備用電源的接入地點，此處著重從PQDs及備用電源的接入時間上，給出了在故障狀態以及恢復過程如圖2所示的總體協調控制策略和如圖3所示的針對L-2與L-3類負荷的協調控制策略。

在圖2（a）中，首先檢測哪條線路出現了故障及故障情況，當饋線3出現故障并引起電壓暫降幅值低于40%或短時供電中斷時，聯絡線TB2進行切換；當饋線2電壓低于40%時，TB2不進行切換，TB1進行切換。

在圖2（b）中，故障恢復過程中，由于判斷故障是發生在饋線2與3之間和饋線1與2之間直接決定聯絡開關的動作情況，因此，發電機出口電壓的判斷顯得十分重要。當Vmt=0時，說明在故障過程中并沒有啟動MT，此時饋線2與3之間的協調過程將變得簡單；當Vmt=1時，說明故障過程中啟動了MT，在協調控制時，必須考慮饋線2與3先后出現供電恢復時，開關的動作情況，為了防止MT的退出對L-3類負荷的影響，在MT退出給L-3類負荷的供電到饋線3恢復供電的暫態過程中，通過UPS來供電，可以減少這種沖擊。

由于此處的協調控制策略能夠更加清晰的實現3種不同電能質量等級的供電，并且對于L-1類負荷，通過獨立饋線供電就可以滿足供電需求，因此，在其饋線上出現小于40%的電壓暫降或短時供電中斷時，聯絡開關并不會進行切換來維持其供電的連續性。于是，在進行協調控制策略的設計時，首先設計一個針對PPP整體的協調控制策略，其次不考慮L-1類負荷的協調問題，重點針對L-2與L-3類負荷進行設計，如圖3（a）、 圖 3（b）所示。

在圖3中，針對L-3與L-2類負荷分別提出的協調控制策略主要是從實現3種不同電能質量等級供電的角度來考慮的。例如，在故障時，饋線2與饋線3之間的聯絡開關TB2只有在饋線3電源側出現小于40%的電壓暫降或中斷時才進行切換，而饋線2電源側出現小于40%的電壓暫降或中斷時TB3不動作，TB31進行閉合；在恢復供電時，假設饋線3先恢復供電，然后饋線2恢復供電。

圖2 故障狀態及故障恢復的總體協調控制策略

對于L-3類負荷，在正常運行和故障情況下，首先檢測出饋線3電源側的電壓，如果出現電壓暫降幅值大于0.4，則UPS立即啟動進行電壓補償；如果暫降幅值不小于0.4，那么先斷開饋線側的斷路器SSCB3，并合上聯絡開關TB2，再判斷饋線3母線的電壓Vppp3。當0.9≤Vppp3≤1.1時，則DSTATCOM接入進行電壓補償；當Vppp3=0時，UPS通過檢測饋線2的V/f，待同步后，斷開L-3負荷側的開關B3，接入UPS儲能環節的開關，此時UPS的儲能環節來給L-3類負荷供電，與此同時，MT（燃氣輪機）啟動，并檢測L-3類負荷的V/f，待啟動完成后，斷開饋線2側斷路器SSCB2以及UPS儲能環節開關B31，并合上B3與B4，使MT給L-3類負荷供電。在Vppp3處于其他情況時，先啟動UPS，進行電壓補償，當0＜Vppp3＜0.6或Vppp3＞1.1時，由于此時通過饋線2給L-3類負荷供電，因此MT通過檢測饋線2電源側的V/f，待同步后MT投入，通過饋線2和 MT來給L-3類負荷供電。

對于L-3類負荷，在故障恢復過程中，由于L-3類負荷比L-2類負荷更重要，因此只考慮饋線3先恢復供電，然后饋線2恢復。由于并不能確定是從暫降幅值較小的電壓暫降恢復還是從短時供電中斷中恢復，因此需要檢測MT出口端的電壓。當Vmt=0時，說明從供電中斷恢復，考慮到從MT斷開到饋線3的供電恢復有一定時間，此時啟動UPS的儲能環節，通過UPS檢測MT的V/f來實現，待同步后，斷TB2、TB3，合TB31來實現；當出現Vmt不等于0時，說明從暫降幅值較小的電壓暫降恢復，MT并沒有啟動。接下來UPS直接檢測饋線3電源側的V/f，待同步后，UPS的儲能環節斷開，市電電源供電回路接入供電，即斷開TB31，合TB3。此后饋線2恢供電，MT通過檢測饋線2電源側的V/f，待同步后，斷開B4，合上SSCB2和B5。

對于L-2類負荷，在正常情況和故障過程中，由于只需考慮饋線2電源側電壓在暫降幅值小于0.4或短時供電中斷時進行切換，因此針對L-2類負荷的協調控制策略顯得很簡單。首先檢測饋線2電源側電壓，如果出現電壓暫降幅值大于0.4，則不進行切換，如果不大于0.4，則進行切換，即斷開SSCB2，閉合TB1；其次檢測饋線2所連母線的電壓，當0.9≤Vppp2≤1.1時，DSTATCOM啟動進行電壓補償作用，否則DSTATCOM不動作。在故障恢復過程中，由于此時饋線3并不會給L-2類負荷供電，因此只需檢測饋線2電源側的V/f，當恢復供電時，立刻斷開TB1，合上SSCB2。

圖3 L-2與L-3類負荷的協調控制策略

3 協調性分析與仿真

協調性分析與仿真基于一種實用的PPP拓撲結構圖。為了驗證提出的控制策略有效性，重點仿真了在饋線2與3出現供電中斷以及恢復過程，仿真條件的假定如表1所示。

表1 不同饋線間協調仿真條件假定

3.1 饋線3供電中斷及恢復

當饋線3上出現供電中斷時，UPS啟動進行電壓補償，同時L-3類負荷切換至由饋線2進行供電，DSTATCOM不接入。當饋線3供電恢復時，斷開聯絡開關TB2，待UPS與市電電源同步后，合上SSCB3，斷開UPS的儲能供電環節。仿真情況如圖4—圖6所示。

圖4 饋線2電壓波形及有效值

通過對比圖4、圖5可知，當饋線3出現電壓中斷時，通過TB2的切換，可使VPPP3的電壓出現較小的降落；當故障恢復時，仍通過TB2的切換，可使VPPP2與VPPP3的電壓恢復正常，從故障切除到VPPP2與VPPP3恢復的時間大約為0.03 s。

通過對比圖5、圖6可知，當饋線3出現供電中斷時，通過UPS的電壓補償作用，在0.03 s的時間可使L-3類負荷側電壓維持恒定；當故障恢復時，盡管開關之間的切換需要時間，但是，UPS仍可使L-3類負荷側電壓在0.03 s的時間內維持恒定。

圖5 饋線3電壓波形及有效值

圖6 L3負荷側電壓波形及有效值

由仿真可知，通過UPS可以迅速地保證L-3類負荷電壓的恒定。

3.2 饋線2與3均供電中斷及恢復

當饋線2與3均出現供電中斷時，微型燃氣輪機啟動，UPS給L-3類負荷供電；當燃氣輪機啟動完成后，UPS退出，通過燃氣輪機給L-2與L-3類負荷供電。

通過對比圖 7—圖9可知，0.1～0.2 s時，雖然饋線2與3均出現供電中斷，但是L-3負荷側電壓保持不變，在此期間，主要是UPS來保證L-3的供電質量；在0.2～0.3 s時，微型燃氣輪機啟動完成，給L-2與L-3類負荷供電，饋線2與3以及L-3負荷側電壓都有短暫的沖擊；在0.30～0.36 s時，饋線3恢復供電，此時微型燃氣輪機專供L-2類負荷供電，饋線2電壓明顯上升；由于L-3負荷從微型燃氣輪機供電切換到饋線供電，因此出現了較大的電壓波動；在0.36～0.42 s時，饋線2恢復供電，此時微型燃氣輪機退出運行，饋線2電壓出現了較大的波動，而饋線3的母線電壓和負荷側電壓在0.3 s以后，均采用饋線3供電，因此在0.36 s時沒有出現電壓波動。

圖7 饋線2電壓波形及有效值

3.3 饋線2出現供電中斷及恢復

通過對比圖10、圖11可知，在0.1～0.16 s時，由于饋線2供電中斷，通過開關TB1切換到饋線1來給L-2類負荷供電，由于開關切換時間在5 ms左右，L-2饋線2的母線電壓來不及下降到0，因此，迅速保證了L-2類負荷的供電可靠性；在0.16～0.20 s時，饋線2供電恢復，通過TB1的切換，使饋線2的母線電壓恢復正常，從而使L-2類負荷的電壓恢復正常。

圖8 饋線3電壓波形及有效值

圖9 L-3負荷側電壓波形及有效值

圖10 饋線2電壓波形及有效值

圖11 饋線1電壓波形及有效值

4 結論

通過設計一種PPP實用拓撲結構，提出一種實現PPP分級供電的協調控制策略，并在PSCAD/EMTDC仿真平臺上進行驗證，可以得出以下結論：

（1）在拓撲結構的設計方面，通過調研以及比較UPS和DVR性能以及實際應用情況，并結合現有拓撲結構的發展情況，用UPS取代DVR設計了一種新的PPP拓撲結構。

（2）在協調控制策略方面，考慮PQDs和備用電源的接入時間以及饋線2、3之間聯絡開關的分合條件，提出了一種在故障狀態以及恢復過程的總體協調控制策略，降低了協調控制難度。

（3）由于目前國內關于PPP拓撲結構以及協調控制策略的理論研究很少，應用案例也不多，因此，通過設計的實用PPP拓撲結構以及提出的協調控制策略，對今后國內PPP的建設和研究有一定的指導作用。

參考文獻：

[1]ALEXANDER DOMIJAN，ALEJANDRO MONTENEGO，ALBERT J F，et al.Custom power devices∶An Interaction Study[J].IEEE Transactions on Power Systems，2005，20（2）∶1111-1118.

[2]梁營玉，劉建政，許杏桃，等.優質電力園區多DFACTS設備協調控制策略[J].電測與儀表，2015，52（24）∶65-73.

[3]優質電力園區供電技術規范：DL/T 1412-2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

[4]趙國亮，陳維江，龍云波，等.北京優質電力園區優質供電方案[J].中國電力，2016，49（7）∶60-64.

[5]梁營玉，劉建政，許杏桃，等.優質電力園區多DFACTS設備協調控制策略[J].電測與儀表，2015，52（24）∶65-73.

[6]李科.優質電力園區供電電源與多電能質量裝置協調性研究[D].北京：華北電力大學，2015.

[7]劉陽，肖先勇，劉旭娜，等.考慮用戶定量需求的優質電力園區 DVR 優化配置[J].電網技術，2015，39（3）∶823-828.