李 科，何 輝，唐 喆

0 引言

隨著用電設(shè)備的技術(shù)更新，特別是數(shù)字式自動控制技術(shù)與敏感用電設(shè)備在國民經(jīng)濟各部門大規(guī)模的應(yīng)用，如變頻調(diào)速器、可編程邏輯控制器PLC、各種自動生產(chǎn)線及計算機系統(tǒng)等，這些設(shè)備在提高生產(chǎn)效率的同時，也對供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更高的要求。微小的電力擾動可能使設(shè)備誤動作、生產(chǎn)中斷甚至?xí)＜跋到y(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

作為一種對電能質(zhì)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(yīng)用現(xiàn)代電力電子和控制技術(shù)為實現(xiàn)電能質(zhì)量控制及為用戶提供特定需要的電力供應(yīng)技術(shù)。

作為定制電力技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面，PPP（優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)）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(zhì)量治理設(shè)備為用戶提供不同電能質(zhì)量等級的電力服務(wù)，包括基本服務(wù)、附加服務(wù)和優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

為了實現(xiàn)該服務(wù)，PPP拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計及相應(yīng)供電電源與多PQDs（電能質(zhì)量裝置）的協(xié)調(diào)顯得至關(guān)重要。通過對現(xiàn)有PPP拓撲結(jié)構(gòu)及供電電源與PQDs協(xié)調(diào)性的分析，提出了一種實用的PPP拓撲結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略，并應(yīng)用PSCAD（電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計）/EMTDC（含直流電磁暫態(tài)）仿真驗證了所提控制策略的可靠性。

1 PPP實用拓撲結(jié)構(gòu)的提出

自2004年Ghosh.A首次提出了一種小型化的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)以來[1]，PPP拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要集中在總體結(jié)構(gòu)、供電方式、PQDs選擇及備用電源的選擇上[2-3]。

（1）在總體結(jié)構(gòu)上，主要是通過饋線經(jīng)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(zhì)量等級需求的負荷供電。

（2）在供電方式上，從雙饋線供電發(fā)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(zhì)量等級。

（3）在PQDs的選擇上，其配置原則是針對一種電能質(zhì)量問題安裝特定的電能質(zhì)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(wǎng)靜止無功補償器）；針對電壓暫降或暫升，通常安裝DVR（動態(tài)電壓恢復(fù)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(fā)電機，當(dāng)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(shè)計PPP拓撲結(jié)構(gòu)時，根據(jù)文獻[3]提出的基本要求：結(jié)合PPP拓撲結(jié)構(gòu)的分析及定制電力裝置的實際應(yīng)用情況，在總體結(jié)構(gòu)、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(yīng)用案例以及現(xiàn)場的調(diào)研等方面進行綜合比較：

（1）文獻[3]規(guī)定，對于L-3類負荷，不出現(xiàn)電壓中斷；基本不出現(xiàn)電壓暫降/暫升，或持續(xù)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(fù)供電可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)換，滿載時從UPS切換到旁落供電時間小于2 ms。

（3）從應(yīng)用場合上，DVR主要針對于工業(yè)和半導(dǎo)體制造業(yè)中的負荷，而UPS適用于智能化各種精密儀器系統(tǒng)，大型電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（4）通過對典型區(qū)域的重要用戶，如金融中心、會展中心的IT設(shè)備、應(yīng)急照明的定制、電力治理方案的分析以及對中芯國際半導(dǎo)體制造有限公司的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(guān)注采用UPS和DVR經(jīng)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(jié)構(gòu)進行分析，并結(jié)合實際應(yīng)用，忽略一些不重要的方面，設(shè)計了一種實用PPP拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 實用的PPP拓撲結(jié)構(gòu)

2 協(xié)調(diào)控制策略的提出

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

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

運行控制的協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)控制策略的分析可知：已有PPP拓撲結(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)控制策略主要是在配置協(xié)調(diào)上有一些變化，即通過改變PQDs的功能和安裝地點達到實現(xiàn)PPP的目的，如通過在DVR的直流側(cè)并聯(lián)儲能裝置來增強DVR的補償性能，或通過APC（有源功率調(diào)節(jié)器）和UPQC（統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器）來替代DSTATCOM來實現(xiàn)PPP的作用，而對于運行控制協(xié)調(diào)的改變很少。因此，此處提出的協(xié)調(diào)控制策略主要通過改變運行控制協(xié)調(diào)，在配置協(xié)調(diào)上并沒有多大變化，僅通過UPS來代替DVR。

在設(shè)計協(xié)調(diào)控制策略時，不同于原有控制策略只是側(cè)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(tài)以及恢復(fù)過程如圖2所示的總體協(xié)調(diào)控制策略和如圖3所示的針對L-2與L-3類負荷的協(xié)調(diào)控制策略。

在圖2（a）中，首先檢測哪條線路出現(xiàn)了故障及故障情況，當(dāng)饋線3出現(xiàn)故障并引起電壓暫降幅值低于40%或短時供電中斷時，聯(lián)絡(luò)線TB2進行切換；當(dāng)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(fù)過程中，由于判斷故障是發(fā)生在饋線2與3之間和饋線1與2之間直接決定聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作情況，因此，發(fā)電機出口電壓的判斷顯得十分重要。當(dāng)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(xié)調(diào)過程將變得簡單；當(dāng)Vmt=1時，說明故障過程中啟動了MT，在協(xié)調(diào)控制時，必須考慮饋線2與3先后出現(xiàn)供電恢復(fù)時，開關(guān)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(fù)供電的暫態(tài)過程中，通過UPS來供電，可以減少這種沖擊。

由于此處的協(xié)調(diào)控制策略能夠更加清晰的實現(xiàn)3種不同電能質(zhì)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(xiàn)小于40%的電壓暫降或短時供電中斷時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)并不會進行切換來維持其供電的連續(xù)性。于是，在進行協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計時，首先設(shè)計一個針對PPP整體的協(xié)調(diào)控制策略，其次不考慮L-1類負荷的協(xié)調(diào)問題，重點針對L-2與L-3類負荷進行設(shè)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(xié)調(diào)控制策略主要是從實現(xiàn)3種不同電能質(zhì)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(lián)絡(luò)開關(guān)TB2只有在饋線3電源側(cè)出現(xiàn)小于40%的電壓暫降或中斷時才進行切換，而饋線2電源側(cè)出現(xiàn)小于40%的電壓暫降或中斷時TB3不動作，TB31進行閉合；在恢復(fù)供電時，假設(shè)饋線3先恢復(fù)供電，然后饋線2恢復(fù)供電。

圖2 故障狀態(tài)及故障恢復(fù)的總體協(xié)調(diào)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(cè)的電壓，如果出現(xiàn)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(cè)的斷路器SSCB3，并合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)TB2，再判斷饋線3母線的電壓Vppp3。當(dāng)0.9≤Vppp3≤1.1時，則DSTATCOM接入進行電壓補償；當(dāng)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(cè)的開關(guān)B3，接入UPS儲能環(huán)節(jié)的開關(guān)，此時UPS的儲能環(huán)節(jié)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(cè)斷路器SSCB2以及UPS儲能環(huán)節(jié)開關(guān)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(dāng)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(cè)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(fù)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(fù)供電，然后饋線2恢復(fù)。由于并不能確定是從暫降幅值較小的電壓暫降恢復(fù)還是從短時供電中斷中恢復(fù)，因此需要檢測MT出口端的電壓。當(dāng)Vmt=0時，說明從供電中斷恢復(fù)，考慮到從MT斷開到饋線3的供電恢復(fù)有一定時間，此時啟動UPS的儲能環(huán)節(jié)，通過UPS檢測MT的V/f來實現(xiàn)，待同步后，斷TB2、TB3，合TB31來實現(xiàn)；當(dāng)出現(xiàn)Vmt不等于0時，說明從暫降幅值較小的電壓暫降恢復(fù)，MT并沒有啟動。接下來UPS直接檢測饋線3電源側(cè)的V/f，待同步后，UPS的儲能環(huán)節(jié)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(cè)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(cè)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(xié)調(diào)控制策略顯得很簡單。首先檢測饋線2電源側(cè)電壓，如果出現(xiàn)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(dāng)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(fù)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(cè)的V/f，當(dāng)恢復(fù)供電時，立刻斷開TB1，合上SSCB2。

圖3 L-2與L-3類負荷的協(xié)調(diào)控制策略

3 協(xié)調(diào)性分析與仿真

協(xié)調(diào)性分析與仿真基于一種實用的PPP拓撲結(jié)構(gòu)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(xiàn)供電中斷以及恢復(fù)過程，仿真條件的假定如表1所示。

表1 不同饋線間協(xié)調(diào)仿真條件假定

3.1 饋線3供電中斷及恢復(fù)

當(dāng)饋線3上出現(xiàn)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(dāng)饋線3供電恢復(fù)時，斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)TB2，待UPS與市電電源同步后，合上SSCB3，斷開UPS的儲能供電環(huán)節(jié)。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(dāng)饋線3出現(xiàn)電壓中斷時，通過TB2的切換，可使VPPP3的電壓出現(xiàn)較小的降落；當(dāng)故障恢復(fù)時，仍通過TB2的切換，可使VPPP2與VPPP3的電壓恢復(fù)正常，從故障切除到VPPP2與VPPP3恢復(fù)的時間大約為0.03 s。

通過對比圖5、圖6可知，當(dāng)饋線3出現(xiàn)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(cè)電壓維持恒定；當(dāng)故障恢復(fù)時，盡管開關(guān)之間的切換需要時間，但是，UPS仍可使L-3類負荷側(cè)電壓在0.03 s的時間內(nèi)維持恒定。

圖5 饋線3電壓波形及有效值

圖6 L3負荷側(cè)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(fù)

當(dāng)饋線2與3均出現(xiàn)供電中斷時，微型燃氣輪機啟動，UPS給L-3類負荷供電；當(dāng)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(xiàn)供電中斷，但是L-3負荷側(cè)電壓保持不變，在此期間，主要是UPS來保證L-3的供電質(zhì)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(cè)電壓都有短暫的沖擊；在0.30～0.36 s時，饋線3恢復(fù)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(xiàn)了較大的電壓波動；在0.36～0.42 s時，饋線2恢復(fù)供電，此時微型燃氣輪機退出運行，饋線2電壓出現(xiàn)了較大的波動，而饋線3的母線電壓和負荷側(cè)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(xiàn)電壓波動。

圖7 饋線2電壓波形及有效值

3.3 饋線2出現(xiàn)供電中斷及恢復(fù)

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(guān)TB1切換到饋線1來給L-2類負荷供電，由于開關(guān)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(fù)，通過TB1的切換，使饋線2的母線電壓恢復(fù)正常，從而使L-2類負荷的電壓恢復(fù)正常。

圖8 饋線3電壓波形及有效值

圖9 L-3負荷側(cè)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(jié)論

通過設(shè)計一種PPP實用拓撲結(jié)構(gòu)，提出一種實現(xiàn)PPP分級供電的協(xié)調(diào)控制策略，并在PSCAD/EMTDC仿真平臺上進行驗證，可以得出以下結(jié)論：

（1）在拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面，通過調(diào)研以及比較UPS和DVR性能以及實際應(yīng)用情況，并結(jié)合現(xiàn)有拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況，用UPS取代DVR設(shè)計了一種新的PPP拓撲結(jié)構(gòu)。

（2）在協(xié)調(diào)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(lián)絡(luò)開關(guān)的分合條件，提出了一種在故障狀態(tài)以及恢復(fù)過程的總體協(xié)調(diào)控制策略，降低了協(xié)調(diào)控制難度。

（3）由于目前國內(nèi)關(guān)于PPP拓撲結(jié)構(gòu)以及協(xié)調(diào)控制策略的理論研究很少，應(yīng)用案例也不多，因此，通過設(shè)計的實用PPP拓撲結(jié)構(gòu)以及提出的協(xié)調(diào)控制策略，對今后國內(nèi)PPP的建設(shè)和研究有一定的指導(dǎo)作用。

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