基于SMES的D-STATCOM提升配電網電能質量的研究

林曉冬，雷勇，楊超

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

0 引 言

隨著電力系統規模的增加，敏感負荷數量逐漸增多，配電網的電能質量問題日益突出。一旦配電網中發生電能質量問題，可能會造成設備的故障、停運，對配電網的安全運行有嚴重的危害。由于配電網存在大量的可變負荷以及感性負荷，它們會對配電網中的母線電壓以及頻率產生嚴重的影響[1]。所以在配電網運行過程中需要進行一定的功率補償來減輕這些不良的影響。隨著配電網中的柔性交流輸電系統(Distribution Flexible AC Transmission System, DFACTS) 技術概念的提出，人們發現可以通過電力電子技術有效解決在中低壓配電網中的電能質量問題[2]。配電網中的DFACTS技術和常見的FACTS技術主要有以下幾點區別：

(1)兩者結構相似，但是實現的功能并不同。FACTS主要用于提高系統輸電容量、補償動態電壓、抑制阻尼振蕩等[3-5]，而DFACTS用于解決配電網中的電能質量問題，如三相電壓的閃變、電壓突升和驟降、系統負荷的波動等[6-7]；

(2)兩者的應用場合不同。FACTS主要應用于高壓輸電系統中，而DFACTS主要應用于中低壓配電網中，所以DFACTS的器件選擇范圍更大，經濟性更優。

傳統的D-STATCOM可以等效為一個交流電壓源，通過控制D-STATCOM輸出電壓的幅值與相位，就能改變電網與裝置之間電抗上的電壓，從而控制D-STATCOM吸收無功功率的性質與大小。所以傳統的D-STATCOM僅能對母線電壓進行調節，并不能實現系統頻率的調節。考慮到D-STATCOM中的損耗以及配電網饋線上存在的相對較大的電阻造成的損耗也會對系統頻率造成影響[8]，那么就需要在D-STATCOM的直流側并聯儲能裝置來提供一定的有功功率，如電池儲能[8-9]、化學電池儲能[10]、飛輪儲能[11-12]、超級電容器儲能[2,13]等。

常見儲能裝置的功率、能量特性如圖1所示。近年來，SMES以其高功率密度和快速響應等優點引起了人們的極大興趣。然而還沒有文獻研究SMES在D-STATCOM中的應用。SMES較傳統的儲能裝置擁有更高的功率密度、更快速的響應特性[14-15]，該組合裝置較傳統的D-STATCOM有如下優勢：

(1)實現D-STATCOM的有功功率調節，即組合裝置對電網可以進行四象限的功率補償；

(2)實現D-STATCOM運行中直流側電壓的穩定；

(3)在配電網運行過程中通過控制策略進行補償，保證電網的經濟運行。

圖1 儲能裝置的功率、能量特性

提出了基于SMES的D-STATCOM組合裝置的結構及控制策略。文章主要分為了電路結構、控制策略，優化策略以及算例仿真四個部分。

1 組合裝置的電路結構及控制策略

1.1 基于SMES的D-STATCOM電路結構

傳統的D-STATCOM由三相變壓器、變流器、直流側電容構成。文中提出在D-STATCOM的直流側電容上并聯SMES斬波器構成基于SMES的D-STATCOM組合裝置，圖2展示了該組合裝置的基本結構。

傳統的D-STATCOM可以等效為一個交流電壓源，考慮電網與變流器之間電抗的損耗以及變流器的損耗的情況，即Us和UL之間有角度的偏移。D-STATCOM的單相等效電路如圖3所示，其電流超前、電流滯后的兩種工作模式的向量圖如圖4所示。圖中Us為電網電壓，UL為變流器輸出的電壓，電網與變流器之間的電抗器XL上的電壓表示為UL， D-STATCOM吸收的電流表示為IL。

圖3 D-STATCOM的單相等效電路

圖4 兩種工作模式的向量圖

當δ<0時，Us0時，Us>UL，IL滯后UL，D-STATCOM吸收感性無功功率。那么通過調節D-STATCOM輸出電壓UL或δ的大小就可以實現對D-STATCOM無功功率的調節。由于Us和IL之間的夾角并不是90°，所以電網需要提供一部分有功功率來補償D-STATCOM的有功損耗。

電壓源型SMES一般由超導線圈、變流器、斬波器以及控制器構成。在所提出的組合裝置中，SMES的斬波器直接并聯在D-STATCOM的直流側，SMES和D-STATCOM共用一個變流器結構，有效降低了設備成本。通過控制策略調節斬波器IGBT管的占空比，可以對D-STATCOM進行有功功率調節。

1.2 基于SMES的D-STATCOM控制策略

圖5展示了基于SMES的D-STATCOM控制框圖。這里以改善負載側母線3上的電能質量為目標來制定控制策略。設置了5個PI控制環節，其中第一個PI控制環節(電壓環PI-1)控制母線3電壓Ubus3的穩定，并輸出無功電流的參考值Iq_ref；第二個PI控制環節(電壓環PI-2)控制變流器直流側電壓Udc的穩定，并輸出有功電流的參考值Id_ref。實際的無功電流Iq、有功電流Id通過測量母線D-STATCOM上的三相電流(Ia、Ib、Ic)，并經坐標轉換得到。第三個PI環節(電流環PI-3)通過無功電流參考值與實際值的偏差得到解耦所需要的無功電壓分量。第四個PI環節(電流環PI-4)通過有功電流參考值與實際值的偏差得到解耦所需要的有功電壓分量。把得到的有功、無功電壓分量進行解耦計算，最終得到SVPWM調制所需的電壓指令。其中解耦所需的有功電壓Ud、無功電壓Uq是通過測量母線D-STATCOM上的三相電壓經坐標轉換得到的。第五個PI控制環節(PI-5)控制母線3上的功率流動。通過母線3有功功率參考值與實際值的偏差得到斬波器的占空比的變化量ΔD。對占空比進行三角載波，即可對磁體吸收或釋放功率進行控制。若占空比D<0.5，則磁體釋放能量；若占空比D>0.5，則磁體吸收能量。

圖5 基于SMES的D-STATCOM控制框圖

2 基于SMES的D-STATCOM優化策略

采用基于粒子群算法[16-17]的多目標優化方法來解決基于SMES的D-STATCOM的參數優化問題。優化的目的是獲得最佳的初始磁體參數和控制器的PI參數。所以設定IAEV、IAEP和ESCO為優化目標，旨在尋找到最優的參數。通過提出的優化策略，使組合裝置在經濟運行的條件下最大地補償母線的電壓、功率波動。

2.1 抑制電壓波動的能力

由于配電網中類電弧爐負載具有沖擊性，運行中會引起劇烈的擾動，大幅波動的無功功率會引起母線電壓波動和閃變。所以為了提高配電網中的電能質量，首先要抑制負荷側母線電壓的波動，即負荷側母線3電壓的絕對誤差積分(Integral Absolute Error of the Voltage,IAEV)最小：

(1)

2.2 平抑頻率波動的能力

負載側母線的有功功率同樣要跟隨負載變化，運行中負載的有功功率波動會引起系統頻率的波動。所以同樣地，為了提高配電網中的電能質量，還需要抑制負荷側母線頻率的波動，即母線3上的有功功率的絕對誤差積分(Integral Absolute Error of the Power,IAEP)最小：

(2)

式中 ΔPbus3是母線3有功功率參考值與實際值偏差的標幺值。

2.3 磁體的初始參數

在保持基于SMES的D-STATCOM組合裝置正常運行的情況下，盡量保證組合裝置運行的經濟性，即使SMES的初始儲能最小：

(3)

2.4 優化函數的制定

根據上述描述的三個最小化問題，多目標的優化問題可以寫作：

MinimizeF=ω1IAEV+ω2IAEF+ω3ESCO

(4)

由于式(4)中有三個待優化的最小化問題，它們的值并不能用一個量度來表示。為了使三個最小化問題的值沒有太大的差別，需要分別引入權重ω。由于以提高電能質量為目的，所以將IAEV和IAEP作為主要目標，ESC0作為次要目標。采用層次分析法確定目標的重要性，最終計算比率標度矩陣得到權重。最終取ω1=ω2=0.4，ω3=0.2。

上述目標函數的約束條件為：

(5)

式中Isc0表示磁體的初始電流；Kpi、Kii分別表示5個PI控制器的參數。采用改進的粒子群算法進行上述問題的優化，改進的粒子群算法流程如圖6所示。

粒子的位置與速度更新如下：

(6)

式中xik、vik分別表示在進行第k次迭代時第i個粒子當前的位置與速度；xik+1、vik+1分別表示在第k+1次迭代時第i+1個粒子當前的位置與速度；表示慣性權重；c1、c2為加速常數，一般取2；ggbest和gibest分別為當前的全局、局部最優變量。

本節中對式(6)中的慣性權重w進行了相應的改進，如式(7)所示：

ω=ωstart-(ωstart-ωend)×(k/N)2

(7)

式中k表示對前的迭代次數；wstart、wend分別表示為希望在迭代開始或結束附近的慣性權重；N表示總的迭代次數。

圖6 改進的粒子群算法流程圖

該式主要表達了在進行第k次迭代時，對慣性權重w進行更新。當w越大時，算法的全局收斂能力較強，而局部收斂能力較弱，當w越小時反之。那么在仿真開始時，我們希望算法的全局收斂能力較強，從而不陷入到局部收斂中；當迭代到一定次數過后，已經逼近全局最優點附近時，我們就希望這時的局部收斂能力增強，進而快速地結束仿真。使用(k/N)2而不是(k/N)，是因為通過二次項的非線性遞減權重可以更好地改進線性遞減權重在早期的全局收斂能力。

3 算例仿真

通過Matlab/Simulink建立了相關的仿真模型，圖7是搭建的配電網主電路，圖8是基于SMES的D-STATCOM組合裝置的電路示意圖。

圖7 配電網主電路結構圖

圖8 基于SMES的D-STATCOM電路圖

組合裝置采用所提出的控制策略對母線3的電壓、頻率以及變流器直流側的電壓進行控制。仿真模型的主電路表示了一個25 kV的配電網，基于SMES的D-STATCOM組合裝置連接在電壓等級為25 kV的饋線上，用于改善負荷側母線3上的電能質量。負荷側的額定電壓為600 V，并通過25 kV/600 V變壓器與母線3連接。負荷側設置了一個1 MW恒功率負載和一個電弧爐負載，以模擬不斷變化的負載電流并產生負荷側母線電壓的波動。算例仿真的起始時間和結束時間分別是t0=0 s,ts=4 s 。設置電弧爐的額定電流為3 000 A，功率因數為0.9，其吸收的電流在0.5 s時刻開始波動，波動頻率為5 Hz，電流有效值在1 000 A～5 000 A的范圍內波動，最后在3.5 s時刻結束波動。

表1給出了最優的磁體初始配置參數以及部分PI控制參數。圖9展示了關于多目標優化函數式(4)的收斂曲線，可見改進的粒子群算法較傳統的粒子群算法有更好的收斂能力。

由于文中的控制策略以提升電能質量為目標，所以后文給出的均為母線電壓以及頻率的波形。圖10是母線3電壓標幺值的波形。圖中可以看出在不投入任何裝置時，母線3上的電壓波動達到了0.039 pu。投入D-STATCOM裝置時，母線3的電壓波動幅值被縮減到了0.006 pu。而投入基于SMES的D-STATCOM的組合裝置進一步縮減到了0.005 pu。說明了基于SMES的D-STATCOM組合裝置保留了傳統D-STATCOM的無功補償能力，明顯抑制了母線3上的電壓波動，且抑制效果較僅有D-STATCOM裝置的情況有部分的提高。

表1 組合裝置的優化參數

圖9 目標函數的收斂曲線

圖10 母線3上的電壓

如圖11所示，展示了母線1電壓標幺值的波形。圖中可以看出在不投入任何裝置時，母線1上電壓最高達到了1.065 pu。僅投入D-STATCOM裝置時，母線1的電壓波動幅值被減小到了1.053 pu。而投入基于SMES的D-STATCOM的組合裝置進一步縮減到了1.052 pu。同樣說明了基于SMES的D-STATCOM組合裝置保留了傳統D-STATCOM的無功補償能力，在補償負荷側的無功缺額的同時，也抑制了網側的母線電壓波動。

圖11 母線1上的電壓

圖12展示了母線3頻率標幺值的波形。圖中可以看出當不采用任何裝置時，母線3頻率的波動達到了60.22 Hz。僅投入D-STATCOM裝置時，母線3頻率達到了60.3 Hz，且波動幅值保持不變。此時的母線頻率比不投入裝置時的波動幅值反而有所增加，這是因為D-STATCOM在運行過程中需要吸收饋線上的有功功率，增大了母線3上的功率偏差，加劇了母線3上的頻率波動。投入基于SMES 的D-STATCOM組合裝置時，由于有SMES補償饋線的有功功率，減少了母線3上的功率缺額，使得母線3的頻率波動隨時間逐漸減少，最大時僅為60.06 Hz。說明采用基于SMES的D-STATCOM組合裝置可以有效補償配電網饋線上的有功功率偏差，從而降低了母線上的頻率波動，克服了僅有傳統D-STATCOM時會引起的更大頻率波動的缺陷。

圖12 負荷側母線3的頻率

4 結束語

以提高配電網的電能質量為目標，提出了基于SMES的D-STATCOM的概念，并建立了該組合裝置的控制策略，通過提出改進的粒子群算法對參數進行優化，得出了以下結論：

(1)D-STATCOM與SMES共享變流器部分，有效地降低了配電網設備的成本。D-STATCOM通過與SMES進行組合能夠進行四象限靈活的功率補償；

(2)通過使用改進的粒子群優化算法，有效地解決了多目標優化問題，得到了最優的模型參數，提升了裝置的可靠性與經濟性；

(3)研究結果表明，提出組合裝置較單一的D-STATCOM能取得更好的控制效果。通過建立的控制策略，基于SMES的D-STATCOM組合裝置能對配電網中母線電壓、頻率的波動實現有效的抑制，從而提高了配電網的電能質量。