電子調壓器下配電網電壓協調控制分析

張振華

（國網鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

目前，柔性交流傳輸技術（FACTS）發展迅猛，FACTS 裝置靜態無功補償器（SVC）、靜態同步串聯補償器（SSSC）、統一潮流控制器（UPFC）等，能夠在不間斷的調節下，進行電流調節。但是其應用范圍多在高壓、特高壓直流等主電網施工，而在人口稀少的區域，中、低電壓配電網則不適合，而在稀疏區域，由于其主要問題是線路阻抗大、壓降高，因此，延長配網供電半徑是主要目標，這就使得FACTS 裝置改善功率分布的能力無法充分發揮，同時PEVR（電子調壓器）可以很好地解決以上器件的缺點，使稀配電網的電源范圍得到極大擴展。

1 稀疏區域電網的電壓控制

由于其經濟性好，但其調整結果有一些靜態偏差，因此，常規的電力系統中，采用固定電容和可投切電容作為主要電源。本文針對電力電子調壓器的特點，采用一種新型電力電子調節器來進行電網的電壓調節。

PEVR 是一種用于6 kV、10 kV、35 kV 配電網的調壓設備，其能實時地對電壓進行反饋，以達到持續調整的目的。其調整范圍是基準電壓的±10%。

PEVR 串并聯側換流器是用DC 電容連接起來的，其兩端都是全控制裝置（GTO 或IGBT），利用電壓倒相器進行電力補償。PEVR 并聯側的功能與靜態同步補償器（STATCOM）一樣，采用并聯變壓器將無功電流輸入到接入點，從而達到對接入點的無功補償。PEVR 通過將2 種不同的功能部件組合在一起，使原有單一部件工作狀態下的電壓調整幅度更大。

因為PEVR 自身不能產生電力，因此，并聯側的有功由并聯側的電力和PEVR 自身裝置的有功功率之差通過串、并聯側的DC 電容來完成，同時串、并聯側的無功由串、并聯側的逆變電路完成。控制裝置通過對節點電壓進行實時監測，并對其進行分析，確定是否對PEVR 進行補償，通過串、并聯側的內控環路對其進行了處理，再將其反饋給系統。

在0～2π 的區間，PEVR 并聯側等值補償和串級等值補償電壓的相位角均能得到調整，并將其作為4 個分界的形式體現在電力坐標體系中。盡管調整范圍很大，但是由于其是串聯的，當出現短路等過流時，很可能會損壞器件，所以在投入使用時必須進行限流控制。

根據PEVR 的構成，在接入網時，會出現2 個接入點，而當接入點進行了電壓和相位的補充時，就必須增加1 個新的接入點。因此，采用新的潮流方法進行潮流的求解，改變了電力系統的拓撲，增加了潮流的求解難度。PEVR 可以相當于1 個節點的能量注入模式，而PEVR 調節端的電壓調節功能相當于將附加功率輸入到2 個連接端。

在不改變原有網絡結構的前提下，將功率補償和潮流計算進行解耦，可以有效地減少計算困難。PEVR 電壓協調控制方框如圖1 所示，這里Vi是一個結點i 的電壓，λ 是1 個容許的電壓偏移比例，1 個VN是1 個額定電壓。

圖1 電壓協同控制框圖

在系統的控制區，根據負荷、運行狀況等信息，判斷出實時的電壓監測值在安全區間內，以判斷PEVR是否在調整過程中起作用。在不允許的情況下，利用PSO 兩級控制器對系統進行了最優配置，通過對各節點的電壓判斷矩陣進行選擇，對滿足電壓安全運行要求的各結點進行額外的增補，而對下級的結構進行了優化。確定最大的有功/無功補償，也就是PEVR 節點注入的額外電力。在PEVR 并聯端，采用了一種無功補償模式，即在并聯端注入無功，并利用優化算法求解各輸入端的無功。在串口上，采用了一種電壓調節方法，并通過電流方法計算出了該系統的補償電壓的振幅和相位角。而通過對系統的控制級計算，發現該結點的電壓在允許值以下，PEVR 將不能正常工作。

2 PEVR 串并聯端的控制策略

在偏遠區域，新的能源裝置、負荷分布較大，且具有逆向分布特性，引入新的能量將導致電力系統中的電壓不平衡、諧波等問題。為了獲得精確的網相信號，需要使用一種新的鎖相環。采用三相正弦波參量與負載側的實際電壓監測值差異，得到了系統的串聯電壓量，并通過采用該方法來克服電流的差異，從而改善了系統的供電品質。PEVR 并聯端子不僅能夠實現對DC母線進行的電容降壓，而且能夠維持其相對的穩壓，這是PEVR 串行工作的前提。

2.1 電力系統的基本頻率成分抽取

在電網電壓畸變時，除了基本頻率之外，還存在一定數量的諧波成分，如果用直接鎖相方式將所檢測到的電網電壓進行鎖相，則可能會因諧波的影響而影響測量精度。采用復合系數濾波（CCF），將三相電壓轉換為兩相靜態阿爾法-β 坐標系，再利用其坐標軸間的互差為90°，從而獲得復合系數轉移函數，其結果如下：

式中：ω0是帶通頻率，ωe為常數，是jnmq 頻率或n 次諧波；當其是一個恒定的值時，決定了濾波器的頻帶。在分母取s±jω0+ωe的情況下，就能得到基頻的電壓成分，并對其進行分析。

利用復數濾波器，能夠在選定頻率下維持信號的單位增益、零相位偏移，并且在其他頻帶范圍內會有較大衰減，因此，從包含電壓失真的諧波成分的網絡側電壓中抽取正序50 Hz 的基頻成分。通過鎖相環，可以獲得準確的電網側電壓電流角，將其用于參考輸出波形。

CCF 與實系數濾波器相比，既有頻率選擇性，又有極性選擇性，在鎖相同步過程中，既能消除諧波干擾，又能有效地消除電網電壓的影響。當電力系統電壓受到干擾時，系統的電壓、相位信息也能準確地反映出來。

2.2 PVR 串聯側的諧波電壓檢測及補償

CCF 法提取的50 Hz 的基礎頻率是三相對稱的正弦波，但是由于受不平衡、諧波和電壓的下限所影響，所以其基礎頻率不需要等于所要求的負荷端子電壓的幅值，因為在這里要進行一個振幅標準化的過程。首先將基頻分量除其有效值進行規范，再經比率運算，得到與線標稱值相等、相位與網電壓基礎頻率分量的正弦波段，即負載所需要的電壓

PEVR 的串聯側控制方法如下

在圖2 中，顯示了串聯側的諧波電壓補償控制方框圖。該方法是在三相a-b-c 坐標系統中，將從電網電壓中提取并進行幅值規范化的目標電壓值與負荷端取樣的實際電壓值進行比較，實現串聯端的補償電壓量。

圖2 串聯端的諧波電壓補償控制方框圖

另外，采用差動控制方法，可以對電壓凹陷進行補償。在電網電壓下降時，即使沒有諧波成分，也要對其進行振幅規范化，這時，負載端目標電壓和實際值之間的差異就是50 Hz。該正弦波的振幅是電壓瞬變，最后由控制邏輯產生，使得串聯端輸出一個與電網電壓相位相等的同頻電壓來補償電網電壓。

2.3 PEVR 并聯側矢量控制策略

PEVR 并聯側采用電壓電流雙環PI 控制，電流內環是由DC 母線的電壓設定值和并聯側換流器所產生的無功功率值產生電流基準值，電壓外環輸出信號Md、Mq被調制后用作轉換器。

因為電網側換流器需要保持DC 電容電壓的穩定性，所以它在向量控制中的有功軸電流指令可以用以下方式來表達

在實際應用中，通過對電網的基本頻率電壓進行鎖相，通過θ 坐標轉換，獲得了旋轉坐標系統下的電壓Uq=0，因此，在給定了逆變器的無功功率命令后，q 軸的電流基準值通過以下公式得出

如果使電網側的換流器維持單位的功率因數，也就是要求無功為0，那么

圖3 中顯示了并聯端的控制方框圖。利用并聯側換流器的雙閉環電壓-電流控制，在d-q 坐標系中產生輸出電壓Md、Mq，然后進行調制，產生換流器切換信號，從而對電網電壓進行PWM 整流，從而獲得穩定的DC 匯流電容值Udc。并提供了必要的電源通道，以達到串聯側換流器的電壓補償。

圖3 并聯側控制方框圖

3 IEEE 33 結點算例模擬系統

首先對IEEE33 節點系統進行了模擬和分析，該節點系統的參考電壓為12.66 kV，節點電壓的安全操作范圍為0.95～1.05 p.u.。在節點7、節點16 和節點29中加入了300 kW 的光伏發電系統，OLTC 被連接在系統根節點和節點1 之間，PEVR1 和PEVR2 被分別接入節點7、節點8 和節點26 與節點27，節點13、節點17 和節點31 被合并到CB 中。在此基礎上，OLTC 可調至9 檔，而中間檔則對應于參考電壓，可調整至0.95～1.05 p.u.，即調整步長為0.012 5 p.u.；PEVR 串聯側電壓可調至參考電壓的±10%，并聯側可調至-1 000～1 000 kV；CB 的每個電容具有50 kvar 的容量，3 組投入節點13，節點17 和11 投入4 組（圖4）。

圖4 對IEEE 33 節點的改善系統

為了更好地發揮該方法的優勢，設計了2 種不同的方案，以比較檢驗節點的電壓波動和越界。本文建議等時標間距為1 h，也就是在日調整下每個小時的調整。

常規的調壓設備每1 h 進行最優調整，而PEVR則是根據電壓的實時監控數據實時調整。

情景1：選取照明強度最高、負載功率平均為11：00～14：00 的時段，在該時段中，對光伏發電功率的隨機干擾提高10%，同時負載不變，以模擬光伏系統隨機波動時的電壓變化（圖5）。

圖5 場景1 節點16 電壓

情景2：選擇19：00～22：00，在照明強度低、負載功率最大的時段，隨機干擾10%，以模擬負載發生較大的隨機變化（圖6）。

圖6 場景2 節點32 電壓

然后，在此基礎上，分別探討了2 種不同的控制方案：一種是不加任何控制，只采用等時間隔的常規電壓調節裝置，另一種是PEVR 和常規電壓調節裝置的集成控制。因為節點16 電壓遠離根結點，并且受到光伏發電量的影響，所以選擇了該結點16 電壓。

在情景1 中，節點電壓用作被討論的目標；當沒有任何措施時，節點32 遠離根節點的電壓，這些電壓基本上都在下限以下，并且受到負載的影響，所以我們把其當作第二個問題。

在沒有任何控制的情況下，2 個節點的電壓都會受到光伏出力和負載的影響，并且在電壓越低的時候，特別是在節點32 的電壓。此時的光伏不能發電，而負載正處于峰值，19：00～22：00 的電壓都不能滿足安全工作的要求。采用常規的調壓裝置進行控制，可以使電壓等級得到一定的改善，但是無法達到每一時間的電壓需求。通過對PEVR 與常規調壓裝置的綜合協同控制，發現該系統的電壓波動范圍減小，電壓不會發生過大的越界現象。

本文只使用了常規的電壓調節裝置和本章所述的電網損耗比較。通過對電網的綜合協調，可以看出，電網的有功損失較少。這是因為在PEVR 參與調節之后，降低了電源流量，并提高了結點的電壓等級，因此降低了線路損耗。

結果表明，PEVR 參與調節后，OLTC、CB 動作的次數顯著低于不參加PEVR 的情況。降低了常規的壓力調節裝置的工作頻率，延長了OLTC，CB 的使用壽命。

4 結論

本文針對我國人口稀少地區中低壓配網線路長、負荷分散、波動大、新能源接入分散，非線性負荷造成電網電壓下降和諧波含量高的問題，本文采用PEVR技術實現諧波集成。這種新的計算方式不需要在2 個相位的位置上進行運算，不需要變換位置，不需要額外的控制方式來實現復雜的諧振電壓。這種方法能統一地體現在負荷側的諧波和目標電流的差異上，從而有效地避免了電網的諧振和畸變。