基于過程免疫力的動態電壓恢復器優化配置

(1.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

電能以其高效、清潔、適應性強等特點，已逐漸成為當今社會使用最為廣泛的二次能源，電力行業也已逐步成為中國經濟社會快速發展的基石。現代電力傳輸已普遍滿足了普通用戶的用電需求，但在如今高度發達的工業和數字經濟時代，以微電子、計算機為主要設備的數字化和信息化技術企業以及基于電力電子等技術的可再生能源發電系統，對電能質量擾動的敏感度不斷上升，工業生產過程對電能質量提出了更高的要求[1-5]。在眾多電能質量問題中，電壓暫降已成為最為突出的電能質量問題。

優質電力園區以最低成本滿足用戶對電能質量的特殊需求，成為了解決電壓暫降問題的新途徑，已在美國特拉華科技園區[6]、臺南科技園區[7]、日本仙臺科技園區[8]以及廈門示范區等開展了試點應用。優質電力園區的核心在于應用定制電力設備，根據用戶需求進行分級供電。

目前對定制電力裝置在配電網中的優化配置問題多有研究。文獻[9]基于遺傳算法提出了電壓質量調節器的優化配置策略，解決了高滲透分布式發電配網系統中的電壓質量和電流諧波問題。文獻[10]應用上下限約束法以及加權移動平均控制法，對混合儲能裝置容量進行優化配置，實現平滑分布式發電的輸出功率和微電網負荷的削峰填谷。文獻[11]采用遺傳算法對配電網中動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer，DVR)的容量和位置進行優化，但該方法由于DVR配置臺數過多，經濟性較差，不適用于優質電力園區。

為最小化定制電力設備優化配置的成本，充分考慮工業過程的電壓暫降免疫力，以滿足用戶用電需求為目標，以治理設備購置費用最低為約束，采用遺傳算法對園區供電質量分級，制定定制電力設備的優化配置方案，實現工業園區電壓暫降治理的經濟性。當前，以超級電容器儲能為儲能系統的動態電壓恢復器是進行電壓暫降治理最有效設備，下面以該設備為治理設備，對大型精密溫控系統進行仿真計算，驗證了所提方法的有效性與經濟性。

1 動態電壓恢復器

1.1 動態電壓恢復器工作原理

DVR是目前最有前途的電壓暫降治理設備[12-13]。它串聯于電源與敏感負荷之間，主要有旁路和運行兩種工作模式。負荷正常運行時，DVR被旁路，由電源為負荷供電；當系統發生電壓暫降時，DVR可以在毫秒級的時間內投入運行，對負荷的供電電壓進行有效補償。DVR主要由濾波電路、逆變電路和能量存儲單元3部分構成，如圖1所示。濾波電路是實現功率變換必不可少的組成部分。濾波電路類型、安裝位置和參數設計對DVR的性能有著非常重要的影響。逆變電路是DVR完成電壓補償功能的核心組成部分，直接影響到DVR系統的整體工作性能。儲能系統作為DVR的重要組成部分，是DVR能量的直接來源，主要有兩種儲能方式：一種是采用專用的儲能元件儲能；另一種是從系統直接獲取能量。儲能型DVR的容量可以從幾十千伏安到幾百兆伏安，常見的儲能方式有超導儲能、飛輪儲能、超級電容器和蓄電池。

由于DVR只在為負荷提供補償電壓時會出現功率消耗，所以工作效率較高，其性能遠優于SVC與DSTATCOM，且較UPQC而言，具有更高的經濟效益。綜上所述，動態電壓恢復器因其良好的動態性能和極高的性價比，已成為了治理電壓暫降問題最經濟有效的手段。

圖1 動態電壓恢復器的運行原理

1.2 儲能系統

儲能系統作為DVR的重要組成部分，是DVR能量的直接來源。從能源的供給方式來看，主要有兩種形式：一種是采用儲能系統為DVR提供補償負載電壓所需的有功功率和無功功率；另一種是無儲能系統的DVR，它直接采用不控整流橋，從系統直接獲得能量為負載提供無功支撐。由于無儲能系統的DVR沒有能量來源，在補償時只能發出無功功率，因此補償電壓與負載電流之間的夾角為90°，使得其補償能力大大降低。因此，實際工程應用中多使用具有儲能系統的DVR。

儲能系統的響應速度、容量大小、經濟造價等方面對DVR有著極其重要的意義[14]。儲能系統的響應速度直接影響了DVR對電壓暫降的補償速度，倘若儲能系統響應速度過慢，則可能會造成敏感設備的損壞。儲能容量的大小直接關系著DVR的補償效果，容量越大，DVR抑制電壓暫降的能力越強。儲能系統的造價隨著儲能容量和能量的增加而增加，過大的儲能容量與能量，會造成不必要的資源浪費。綜合上述3個方面，通常用作DVR儲能系統的主要有飛輪儲能、超級電容器、超導儲能和蓄電池，具體參數對比見表1和表2。從技術性和經濟性兩個指標出發，

表1 常用儲存系統參數對比

以超級電容器為儲能系統的DVR已廣泛應用于工程實際中。

表2 常用儲能系統費用比較

2 工業過程免疫力

一個工業過程通常由一組相互協同作業的設備組成。在大型復雜過程中，涉及的或相關的設備數量龐大，元件之間存在著復雜的電氣連接或物理連接，無法僅單純地依靠典型敏感設備的電壓暫降免疫力來描述整個工業過程的抗電壓暫降擾動的能力。CIRED、CIGRE和UIE聯合工作小組C4.110結合工業過程結構，分析工業過程中各設備的關鍵過程參數，提出過程免疫時間(process immunity time，PIT)的概念，以刻畫工業過程電壓暫降免疫力[15]。過程免疫時間為敏感過程經受給定幅值電壓暫降時，過程參數超過極限閾值的時間，如圖2所示。過程參數是指受生產過程中各子過程設備影響整個過程狀態的物理指標，包括水溫、油壓、閥門流量等，與設備類型有關。圖2中，Pnom為過程參數額定值；Plimit為過程參數極限閾值；t1為暫降發生時刻；Δt為過程響應延時；t2為過程參數越過Plimit的時刻，PIT定義為

PIT=t2-t1

(1)

當暫降時間t<Δt，生產過程正常；當ΔtPIT，生產過程中斷。PIT越大，生產過程抵抗電壓暫降的能力越強，免疫力越強。

圖2 過程免疫時間曲線

引入過程免疫時間，在對DVR儲能系統進行配置時，考慮過程自身抵抗電壓暫降的能力，減少儲能能量，提高DVR配置的經濟性。

3 DVR優化配置方法

3.1 DVR優化配置模型

動態電壓補償器對電壓暫降的補償能力主要取決于補償容量與儲能系統容量，補償時間取決于儲能系統的能量。動態電壓補償器與儲能系統的補償容量決定了對于給定過程所能補償的電壓幅值，而對于較長時間的電壓暫降，儲能元件所儲存的能量很大程度決定了所能補償的時間。因此，可得動態電壓恢復器配置模型為

(2)

PIT可描述為工業過程能夠抵御電壓暫降的時間，是一種過程固有免疫特性，即是說，在園區母線最大電壓暫降持續時間為t時，僅需對工業過程進行補償的時間為T=t-PIT，式(2)可改寫為

(3)

第i臺DVR的單位容量成本是其容量的函數：

PDVR容量=f(Pi)

(4)

式中，f(Pi)為DVR的單位容量投資成本函數，二者函數關系如圖3。

儲能單元的能量成本一方面取決于能量的多少，另一方面也取決于儲能系統的類型，幾種常見的儲能系統的費用如表2。

根據DVR補償原理，不考慮相角跳變，以補償短時電壓變化后過程端電壓大于或等于第i級過程的最大短時電能質量需求為約束：

(5)

(6)

圖3 DVR的單位容量投資成本

需配置DVR容量與其輸出補償電壓和補償過程容量相關，可得DVR容量約束條件：

(7)

3.2 遺傳算法

遺傳算法(genetic algorithm，GA)是根據生物界中“物競天擇、適者生存”的生物進化論和遺傳學理論而設計的優化算法，它主要模擬了生物進化過程中基因交叉、突變和選擇進化等過程作為優化搜索空間的方式，尋求多目標優化問題的全局最優解。簡單而言，遺傳算法采用群體搜索技術，用種群代表一組解，以適應度作為選擇、交叉和變異等一系列遺傳操作的準則，通過數次遺傳運算，使種群進化到包含近似最優解的狀態。簡單高效的基因編碼方法，合適的適應度函數選擇，選擇算子、交叉操作和基因突變方法的設計是遺傳算法的關鍵。

以用戶供電質量需求為遺傳算法的個體，采用二進制編碼的方式對用戶供電等級進行分級，依據DVR配置費用最低的適應度函數，對種群個體作遺傳運算，最后得到最優配置方案，遺傳算法計算流程如圖4。其中，初始設定的0.6交叉概率和0.01變異概率。

具體DVR優化配置策略如下所示：

1)初始化。輸入園區原始數據，包括過程數量、各過程電能質量需求、過程容量、過程免疫時間以及初始化迭代次數Ng等。

2)選取合適的編碼方式對待求解問題進行編碼，在該問題中是采用二進制編碼對最優供電質量等級UA和UAA進行編碼，形成種群V(初始解集)。其中，為簡化計算，令UAAA為定值，UAAA=max{U1,U2,U3…Un}。

3)以約束條件為適應度函數，計算每個個體的適應度C。

4)根據個體的適應度進行遺傳運算，形成新的種群V+1。其中，遺傳運算包括了遺傳、交叉和變異以及精英保留。

5)判斷迭代次數。若k

圖4 遺傳算法計算流程

4 算例分析

以某光學中心的精密溫控系統為例，應用所提方法對該精密溫控系統進行DVR優化配置，實現電壓暫降的優化治理。其中，該溫控過程由供風段、過濾段、表冷段、加熱段、加濕段和送風段等6個環節組成，按功能邏輯各環節又可進一步劃分為若干子過程(設備)。根據對該精密溫控系統的實際調研和測試，其工業環節、工藝過程、容量及PIT值如表3所示。

表3 精密溫控系統工藝過程

此外，為了對精密溫控系統的電壓暫降問題進行更為準確的治理，對系統接入點的電壓暫降水平進行統計分析，包括暫降頻次、幅值和持續時間等，也是十分必要的。對精密溫控系統的10 kV母線接入點2007—2014年的電壓暫降監測記錄進行了統計分析，表4為接入點處不同幅值區間的電壓暫降次數及平均持續時間，表5為精密溫控系統接入點按年度統計的暫降情況。

由表4和表5可見，該精密溫控系統接入點有較高的電壓暫降水平，接入點暫降最低殘余電壓為18%，暫降最長持續時間為1220 ms。為提高電壓暫降治理方法的可靠性擬在暫降最嚴重的情況下對該精密溫控系統進行優化配置，即考慮暫降殘余電壓為18%，持續時間為1220 ms的情況。基于精密溫控系統的工藝過程、過程容量、供電質量需求和過程PIT值，考慮精密溫控系統電壓暫降最嚴重的情況，以補償后的電壓滿足用戶供電質量需求為目標，以設備購置費用最低為約束，采用遺傳算法計算得到園區DVR最優配置方案如下：

1)該精密溫控系統的供電質量等級分為2級，即A級和AA級，相應地配置2臺DVR與2臺儲能系統。2臺DVR補償容量分別為160.458 kVA和110.736 kVA，DVR單位容量價格為1 170.26元和1 359.2元；2臺儲能系統的能量分別為0.053 kWh和0.036 kWh，具體的供電質量等級對應的子過程如表6所示。

表4 精密溫控系統接入點不同幅值區間的電壓暫降次數及平均持續時間

表5 精密溫控系統接入點年度暫降情況統計

表6 供電質量等級劃分

2)所提出方案的設備購置總費用為349 620元，對比傳統的配置方式具有更好的經濟性，如表7。

表7 不同配置方案經濟性比較

3)針對除超級電容器以外的儲能方式進行了計算，計算結果如表8。通過分析計算結果發現，飛輪儲能方式具有最高的經濟效益，但如表1中所示，飛輪儲能方式功率密度較低，充放電速度較慢，因此，在費用相差不大的情況下，推薦選擇超導電容器作為DVR的儲能系統。

表8 不同儲能方式經濟性比較

算例所采用的遺傳算法具有可靠的收斂性，收斂速度如圖5。

圖5 遺傳算法收斂性

5 結 語

前面介紹了一種解決電壓暫降問題的新途徑——“優質電力園區”，其核心在于應用定制電力設備，根據用戶供電質量需求進行分級供電。在傳統方法僅粗略將供電等級劃分為A級、AA級和AAA級的基礎上，引入遺傳算法以滿足用戶供電質量需求為目標，同時以暫降治理設備費用最小為約束，對供電質量等級劃分進行優化，實現兼顧經濟性和可靠性的暫降治理目標。在實際應用中，采用暫降治理中廣泛應用的DVR作為治理設備，采用超級電容器作為DVR的儲能系統，對光學中心的精密溫控系統進行電壓暫降治理。仿真結果表明，對比僅用單臺DVR和對子過程分別治理的兩種方案，所提出的配置方法更具經濟性。最后，從經濟性與技術性兩方面應證了超級電容器是當前最適合于DVR的儲能系統。