用戶端UPQC 與配電網DFACTS 設備協調控制策略

洪金琪，徐 雄，俞永軍，蔡重凱，葛昆明，王 滔，于建飛，王廣柱

（1.國網浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.山東大學 電氣工程學院，濟南 250061）

0 引言

近年來，我國電網的快速發展使得配電網結構和運行方式的復雜程度大大提高[1]。同時，隨著智能電網的發展[2]，用戶對電能質量的要求越來越高。DFACTS[3]（分布式柔性交流輸電）技術可以增強配電系統的可控性及靈活性，是改善配電系統電能質量的有力工具[4]。隨著對DFACTS 技術研究的不斷深入，出現了一系列與此相關的電能質量補償裝置，如DVR（動態電壓恢復器）、APF（電力有源濾波器）、UPQC[5]（統一電能質量調節器）、DSTATCOM（配電用靜止同步補償裝置）、SSTS（固態切換開關）等。它們廣泛應用于配電網中，用以抑制電壓波動與閃變、電壓跌落、諧波治理和補償負荷不平衡[6]等電能質量問題。為實現區域配電網電能質量的綜合治理，常常需要多臺DFACTS 裝置聯合運行。然而，由于各種DFACTS裝置工作原理不盡相同，有些裝置的功能類似，如果在發生電能質量問題時不加以協調控制，將會影響電能質量治理效果，因此需要協調控制各臺DFACTS 裝置[7-8]。

研究多種DFACTS 設備的協調控制策略具有重要的實際意義和工程價值。近年來，許多學者致力于研究多種DFACTS 設備的協調控制策略并取得了一定的成果。文獻[9]提出一種基于級聯多電平APF 和SVC（靜止無功補償器）綜合補償系統的統一控制方法，避免了SVC 與APF 的控制耦合帶來的穩定性問題，并且研究了綜合系統的補償策略。文獻[10]針對多臺DFACTS 裝置間協調控制進行研究，圍繞區域性配電網中共用直流母線的串并聯變流器聯合補償問題，以自帶和不帶大功率儲能的UPQC 為例，研究了兩者之間的協調控制問題，針對所設計的帶大功率儲能UPQC結構，提出基于有功環流的功率流協調控制策略。文獻[11]提出了SSTS 和DVR 在應對電壓跌落問題、DSTATCOM 和TSC（晶閘管投切電容器）在應對無功補償問題時的協調運行策略，但是該文獻未能全面考慮配電網中的電能質量問題，且電能質量設備協調控制策略有待進一步優化。文獻[12]提出了STATCOM 和固定電容器組參與自動電壓控制的協調運行策略，但是該文獻僅針對電壓變化，而未能考慮其他電能質量問題。文獻[13]研究了APF 和SVC 聯合運行中的互相影響問題，指出在兩者同時運行的情況下SVC 控制器的設計要考慮到APF 的影響，否則系統可能會不穩定。

本文以配電網雙電源饋線拓撲結構為例，結合試點現場的實際工況和電能質量問題，對電能質量治理設備進行合理的組合匹配，提出一種適用于多電壓等級配電網多種電能質量治理設備的協調控制方法，其中電能質量治理設備包括SSTS，DSTATCOM 和UPQC。該協調控制策略主要包括2 個方面：一是SSTS，UPQC 和DSTATCOM 協調運行治理配電網中不同等級的電壓跌落問題；二是DSTATCOM 和UPQC 協調運行治理配電網中的無功、負序和諧波電流。最后，基于MATLAB/Simulink 仿真平臺驗證了該策略的正確性和有效性。

1 裝備多種DFACTS 設備的雙路電源饋線配電網

為了提高供電可靠性，滿足重要負荷對電能質量的要求，由2 路10 kV 饋線為負荷供電。在圖1 所示的拓撲中，安裝了SSTS，DSTATCOM和用戶端UPQC 等電能質量治理設備，L-1 為沖擊負荷，L-2 為諧波負荷，L-3 為敏感負荷。

圖1 雙路電源配電網拓撲

1.1 DSTATCOM 工作原理

DSTATCOM 是重要的并聯型無功補償設備，采用全控型開關器件構成自換相的逆變電路，可對電力系統配電網的無功功率進行補償[14]。本文DSTATCOM 為級聯式拓撲結構，采用三角形接線方式，主電路結構如圖2 所示。圖中，每相級聯模塊中串聯的H 橋單元個數N 設為20 個，每個H 橋單元直流側電容的額定電壓設為850 V。

圖2 DSTATCOM 主電路結構

三角形接線DSTATCOM 三相之間沒有耦合，采用分相控制，可以看成是3 個單相級聯H 橋變流器進行控制[15-16]，所以三角形接線DSTATCOM直流側電壓穩定控制算法分為兩層：三相級聯模塊之間的電壓穩定；每一相級聯模塊內各個H 橋單元直流側電壓穩定及均衡[17]。其中，第一層相間電壓控制與交流側電流內環控制共同構成雙閉環控制。以A 相為例，DSTATCOM 總體控制策略如圖3 所示，其中：iab為A 相DSTATCOM 電流；iabQ為無功電流指令值；usab為電源相間電壓，sin_ab 為由usab鎖相得到的同步正弦信號；Udc_sum為各相總電容電壓參考值；Udc_ab為A 相各H 橋單元電容電壓 總和；Urab1，…，UrabN分別為各H橋單元控制電壓參考信號。

圖3 DSTATCOM 控制框圖

1.2 SSTS 特點及應用場合

固態開關一般應用于雙路電源供電系統中，能夠快速實現電源切換，從而使敏感負荷免受電壓跌落的影響。目前市場上大部分固態開關產品應用在380 V 電壓等級，10 kV 及以上的中高壓產品中，常見的拓撲結構為晶閘管串并聯機械開關，如圖4 所示。

圖4 SSTS 基本單元

本文采用的SSTS 模型具有以下特點：由快速真空斷路器PS、反并聯的晶閘管TH1 和TH2、用于過電壓保護用的避雷器AR 等組成；應用于10 kV 電壓等級；采用過零切換的控制方式；切換時間小于15 ms。

1.3 UPQC 工作原理

UPQC 作為一種具有綜合補償能力的電能質量調節裝置，能夠同時滿足電壓和電流質量要求，可快速補償供電電壓中的突升或突降、波動和閃變，屏蔽諧波電流和電壓，補償各相電壓的不平衡以及故障時的瞬時電壓中斷等，具有多目標補償功能[18]。

UPQC 的基本結構如圖5 所示，由串聯逆變器、并聯逆變器、濾波器、串聯變壓器、電源電壓補償量檢測、負載電流補償量檢測、控制器組成。串聯逆變器實現對電源電壓的補償，使負載獲得正弦交流電壓；并聯逆變器實現對負載電流的補償，使電源獲得正弦交流電流；公共電容器用于連接2 個逆變器和維持恒定的自給直流電壓；濾波器1 可抑制串聯逆變器輸出電壓的高頻開關次紋波，串聯變壓器用于將串聯逆變器接入電網，合適的匝數比可減少串聯逆變器的電流或電壓定額，從而達到節省成本的目的。濾波器1為串聯變壓器注入的補償電壓；濾波器2 是并聯逆變器和電網的接口，可抑制并聯逆變器輸出補償電流的紋波。

圖5 UPQC 的基本結構

2 SSTS，DSTATCOM 和UPQC 協調控制策略

2.1 DFACTS 設備協調控制的依據

受DFACTS 設備補償容量和響應時間的限制，在解決不同程度的電能質量問題時，需要協調控制不同的電能質量設備。UPQC 對電網電壓跌落的補償深度一般為小于50%；DSTATCOM多用于補償配電網中的無功功率，因此可補償小范圍的電壓擾動；SSTS 多用于大幅電壓跌落的情況，以達到快速切換電源的目的。因此根據DFACTS 設備的補償深度，本文將電壓跌落分為以下幾個等級：

系統電壓Um在85%～100%Un區間定義為跌落等級1（小范圍的電壓波動）；系統電壓Um在70%～85%Un區間定義為跌落等級2；系統電壓Um在50%～70%Un區間定義為跌落等級3；系統電壓Um低于50%Un定義為跌落等級4（超出UPQC的補償深度）。

2.2 DFACTS 設備協調控制策略

當電力系統出現電壓跌落、暫升暫降等問題時，上述裝置均可以動作，為敏感負荷提供良好的電能質量，但其功能上存在重疊，為了保證電能治理的經濟性、高效性和安全性，需要使其協調運行。DSTATCOM 和UPQC 均具有補償無功和諧波的功能，為了最大化地提高補償效果，也需要對其進行協調控制。

本文提出一種適用于多級配電網多種電能質量治理設備的協調控制方法，具體如下：當電壓波動大于設定范圍時，SSTS，DSTATCOM 和UPQC 協調運行，進行電壓控制；當電網電壓在正常波動范圍內，DSTATCOM 運行于無功模式，協調UPQC 進行無功和諧波補償。

2.2.1 針對電壓跌落問題的協調控制策略

應對系統中的電壓跌落問題，需要對SSTS，DSTATCOM 和UPQC 3 種設備進行協調，其控制流程框圖如圖6 所示，圖中Un表示10 kV 母線額定電壓，Udc和Umin分別表示UPQC 直流母線電壓和其最低工作電壓。

圖6 DFACTS 協調控制流程

根據電壓跌落等級制定相應的協調控制策略：

（1）當主電源帶負荷運行時，母線電壓有效值在85%～100%Un區間，即處于跌落等級1，則認定電壓處于小波動范圍。由2.1 可知，DSTATCOM 運行于無功模式，補償系統無功可解決小范圍電壓波動。

（2）當母線電壓處于跌落等級2 時，首先將DSTATCOM 工作模式切換為恒壓模式，若電壓恢復正常或回到跌落等級1，則切換為無功模式；若DSTATCOM 工作于恒壓模式且電壓依舊處于跌落等級2，則啟動UPQC 進行電壓補償，當UPQC 超出補償容量時，首先閉鎖UPQC 并聯側（UPQC 并聯側從線路吸收有功會循環增大UPQC內部環流功率），此時UPQC 串聯側輸出補償功率全部來自其直流母線電容，待電容放電電壓下降到不足以支撐補償電壓時，啟動SSTS 切換同時閉鎖UPQC 串聯側，由主電源切換到備用電源。

（3）當母線電壓處于跌落等級3 時，直接啟動UPQC 進行電壓補償。當故障持續時間大于2 ms，則啟動SSTS 同時閉鎖UPQC 串聯側，在主電源向備用電源切換完成后，啟動UPQC 串聯側，補償負載切換到備用饋線后的電壓暫態過程。

（4）當母線電壓處于跌落等級4 時，由2.1 可知，該電壓跌落超出UPQC 的補償范圍，因此需要直接啟動SSTS 同時閉鎖UPQC 串聯側，在主電源向備用電源切換完成后，啟動UPQC 串聯側，補償負載切換到備用饋線后的電壓暫態過程。

（5）負荷切換至備用電源后，如果主電源電壓恢復正常，則啟動SSTS 將負荷從備用電源饋線切換到主電源饋線。

本文設定的電壓閾值為50%，70%和85%，在實際應用中，可以根據敏感負荷的耐壓特性和UPQC 的電壓補償能力進行修正。

2.2.2 針對三相不平衡、無功和諧波補償問題的協調控制策略

當敏感負荷支路的UPQC 容量不夠或出現故障時，支路中的電能質量無法保障，因此可協調DSTATCOM 參與該支路的補償過程。

（1）首先應用dq 分解法可以得到L-3 負荷的無功電流Iq和Ib諧波電流，其和（即Iq+Ih）作為UPQC 的補償電流指令，UPQC 優先補償L-3 類負荷（敏感負荷）的無功電流和諧波電流。

（2）同樣，通過dq 分解法得到10 kV 母線所有負載支路的無功電流和諧波電流，即L-1 負載支路無功電流Iq1和諧波電流Ih1，L-2 負載支路無功電流Iq2和諧波電流Ih2，L-3 負載支路經UPQC補償后的無功電流Iq3和諧波電流Ih3，其和（Iq1+Ih1+Iq2+Ih2+Iq3+Ih3）作為DSTATCOM 的補償電流指令，即由DSTATCOM 補償母線上所有無功和諧波電流。

（3）應用dq 分解法得到系統的負序電流，并將其作為DSTATCOM 的補償電流指令，補償負荷三相不平衡引起的負序電流。

（4）在DSTATCOM 運行于無功模式時，按照上述步驟所得指令電流進行補償。

3 仿真分析

根據圖1 所示雙路電源配電網拓撲結構，在MATLAB/Simulink 中搭建相應的仿真平臺驗證本文提出的配電網多DFACTS 設備的協調控制策略。

3.1 母線電壓跌落工況下的仿真驗證

工況一：母線電壓發生15%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為1，持續時間為0.2 s。DSTATCOM 運行于恒無功模式，補償線路中的無功功率，圖7（a）為10 kV 母線A 相電壓波形，圖7（b）為母線A 相電壓和A 相電流波形。

圖7 工況一仿真波形

工況二：母線發生20%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為2。如圖8（a）所示，0.3 s 發生三相電壓跌落。UPQC 啟動補償電壓跌落使L-3 支路電壓維持在額定值，如圖8（b）所示。當UPQC超出補償容量之后，閉鎖其并聯側，在0.5 s 時UPQC 已不足以補償跌落電壓，SSTS 啟動，由主電源切換至備用電源。

圖8 工況二仿真波形

工況三：母線發生40%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為3。此時DFACTS 設備的協調控制分為2 個階段：

（1）如圖9 所示，在0.3 s 發生電壓跌落，立刻投入UPQC 進行電壓補償，若電壓跌落持續時間大于2 ms，則啟動SSTS 切換并閉鎖UPQC 串聯側，由主電源切換至備用電源。

圖9 工況三仿真波形

（2）如圖9（b）所示，在0.32 s 時SSTS 投切完成后，再投入UPQC 補償因電源投切引起的暫態電壓，在0.43 s 暫態過程結束，閉鎖UPQC 串聯側。

工況四：母線發生60%的三相電壓跌落，即電壓跌落等級為4。如圖10 所示，啟動SSTS 切換并閉鎖UPQC 串聯側，由主電源切換至備用電源，然后啟動UPQC 補償負由電源投切引起的電壓暫態，暫態過程結束后閉鎖UPQC 串聯側。

圖10 工況四仿真波形

3.2 諧波和無功負荷工況下的仿真驗證

當L-3 支路上存在諧波電流和無功電流時，UPQC 優先進行補償，保證敏感負荷的供電質量。圖11（a）為UPQC 補償前后的電流波形，在0.05 s時將UPQC 投入運行；圖11（b）為UPQC 補償后L-3 支路電流的FFT（快速傅里葉變換）分析結果，可看出補償后諧波含量較低。

當10 kV 母線和L-3 支路同時存在諧波電流和無功電流時，UPQC 補償L-3 支路上的諧波，DSTATCOM 補償10 kV 母線上的諧波和無功。如圖11（c）所示，在0.05 s 時UPQC 投入運行，在0.1 s 時DSTATCOM 投入運行；由圖11（d）看出，經UPQC 和DSTATCOM 綜合補償后，母線電流THD（總諧波畸變率）只有1.35%，符合配電網的電流諧波要求。

圖11 諧波和無功工況下仿真波形

3.3 三相不平衡工況下的仿真驗證

當負荷為無功負載且存在三相不平衡時，系統中同時存在無功和負序電流。此時，由DSTATCOM進行綜合補償。圖12 所示為DSTATCOM 在0.15 s投入運行時的電壓和電流波形。

圖12 三相不平衡工況下仿真波形

4 結語

本文以配電網典型雙路電源饋線拓撲結構為例，提出了一種適用于多電壓等級配電網多種電能質量治理設備的協調控制方法。該方法主要包括以下兩方面：

（1）基于電壓跌落程度劃分電壓跌落等級。在不同電壓跌落等級，協調控制DSTATCOM，SSTS和UPQC 等設備進行電壓補償。

（2）配電網中存在三相不平衡、無功和諧波等電能質量問題時，協調DSTATCOM 和UPQC 進行補償。

最后，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真平臺驗證了該控制方法的可行性和有效性。本文提出的DFACTS 設備協調控制策略能夠實現配電網常見電能質量問題的綜合治理，可有效提高配電網電能質量治理的經濟性、安全和可靠性。