(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

電能以其高效、清潔、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已逐漸成為當(dāng)今社會(huì)使用最為廣泛的二次能源，電力行業(yè)也已逐步成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的基石。現(xiàn)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(fā)達(dá)的工業(yè)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，以微電子、計(jì)算機(jī)為主要設(shè)備的數(shù)字化和信息化技術(shù)企業(yè)以及基于電力電子等技術(shù)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)的敏感度不斷上升，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求[1-5]。在眾多電能質(zhì)量問(wèn)題中，電壓暫降已成為最為突出的電能質(zhì)量問(wèn)題。

優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)以最低成本滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的特殊需求，成為了解決電壓暫降問(wèn)題的新途徑，已在美國(guó)特拉華科技園區(qū)[6]、臺(tái)南科技園區(qū)[7]、日本仙臺(tái)科技園區(qū)[8]以及廈門示范區(qū)等開展了試點(diǎn)應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)的核心在于應(yīng)用定制電力設(shè)備，根據(jù)用戶需求進(jìn)行分級(jí)供電。

目前對(duì)定制電力裝置在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置問(wèn)題多有研究。文獻(xiàn)[9]基于遺傳算法提出了電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器的優(yōu)化配置策略，解決了高滲透分布式發(fā)電配網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓質(zhì)量和電流諧波問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]應(yīng)用上下限約束法以及加權(quán)移動(dòng)平均控制法，對(duì)混合儲(chǔ)能裝置容量進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)平滑分布式發(fā)電的輸出功率和微電網(wǎng)負(fù)荷的削峰填谷。文獻(xiàn)[11]采用遺傳算法對(duì)配電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer，DVR)的容量和位置進(jìn)行優(yōu)化，但該方法由于DVR配置臺(tái)數(shù)過(guò)多，經(jīng)濟(jì)性較差，不適用于優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)。

為最小化定制電力設(shè)備優(yōu)化配置的成本，充分考慮工業(yè)過(guò)程的電壓暫降免疫力，以滿足用戶用電需求為目標(biāo)，以治理設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用最低為約束，采用遺傳算法對(duì)園區(qū)供電質(zhì)量分級(jí)，制定定制電力設(shè)備的優(yōu)化配置方案，實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)電壓暫降治理的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前，以超級(jí)電容器儲(chǔ)能為儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是進(jìn)行電壓暫降治理最有效設(shè)備，下面以該設(shè)備為治理設(shè)備，對(duì)大型精密溫控系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了所提方法的有效性與經(jīng)濟(jì)性。

1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器

1.1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器工作原理

DVR是目前最有前途的電壓暫降治理設(shè)備[12-13]。它串聯(lián)于電源與敏感負(fù)荷之間，主要有旁路和運(yùn)行兩種工作模式。負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)，DVR被旁路，由電源為負(fù)荷供電；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，DVR可以在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)投入運(yùn)行，對(duì)負(fù)荷的供電電壓進(jìn)行有效補(bǔ)償。DVR主要由濾波電路、逆變電路和能量存儲(chǔ)單元3部分構(gòu)成，如圖1所示。濾波電路是實(shí)現(xiàn)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(shù)設(shè)計(jì)對(duì)DVR的性能有著非常重要的影響。逆變電路是DVR完成電壓補(bǔ)償功能的核心組成部分，直接影響到DVR系統(tǒng)的整體工作性能。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為DVR的重要組成部分，是DVR能量的直接來(lái)源，主要有兩種儲(chǔ)能方式：一種是采用專用的儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能；另一種是從系統(tǒng)直接獲取能量。儲(chǔ)能型DVR的容量可以從幾十千伏安到幾百兆伏安，常見的儲(chǔ)能方式有超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器和蓄電池。

由于DVR只在為負(fù)荷提供補(bǔ)償電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)功率消耗，所以工作效率較高，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于SVC與DSTATCOM，且較UPQC而言，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器因其良好的動(dòng)態(tài)性能和極高的性價(jià)比，已成為了治理電壓暫降問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)有效的手段。

圖1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的運(yùn)行原理

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為DVR的重要組成部分，是DVR能量的直接來(lái)源。從能源的供給方式來(lái)看，主要有兩種形式：一種是采用儲(chǔ)能系統(tǒng)為DVR提供補(bǔ)償負(fù)載電壓所需的有功功率和無(wú)功功率；另一種是無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)的DVR，它直接采用不控整流橋，從系統(tǒng)直接獲得能量為負(fù)載提供無(wú)功支撐。由于無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)的DVR沒(méi)有能量來(lái)源，在補(bǔ)償時(shí)只能發(fā)出無(wú)功功率，因此補(bǔ)償電壓與負(fù)載電流之間的夾角為90°，使得其補(bǔ)償能力大大降低。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中多使用具有儲(chǔ)能系統(tǒng)的DVR。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度、容量大小、經(jīng)濟(jì)造價(jià)等方面對(duì)DVR有著極其重要的意義[14]。儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度直接影響了DVR對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償速度，倘若儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度過(guò)慢，則可能會(huì)造成敏感設(shè)備的損壞。儲(chǔ)能容量的大小直接關(guān)系著DVR的補(bǔ)償效果，容量越大，DVR抑制電壓暫降的能力越強(qiáng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)隨著儲(chǔ)能容量和能量的增加而增加，過(guò)大的儲(chǔ)能容量與能量，會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。綜合上述3個(gè)方面，通常用作DVR儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要有飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能和蓄電池，具體參數(shù)對(duì)比見表1和表2。從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)指標(biāo)出發(fā)，

表1 常用儲(chǔ)存系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

以超級(jí)電容器為儲(chǔ)能系統(tǒng)的DVR已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。

表2 常用儲(chǔ)能系統(tǒng)費(fèi)用比較

2 工業(yè)過(guò)程免疫力

一個(gè)工業(yè)過(guò)程通常由一組相互協(xié)同作業(yè)的設(shè)備組成。在大型復(fù)雜過(guò)程中，涉及的或相關(guān)的設(shè)備數(shù)量龐大，元件之間存在著復(fù)雜的電氣連接或物理連接，無(wú)法僅單純地依靠典型敏感設(shè)備的電壓暫降免疫力來(lái)描述整個(gè)工業(yè)過(guò)程的抗電壓暫降擾動(dòng)的能力。CIRED、CIGRE和UIE聯(lián)合工作小組C4.110結(jié)合工業(yè)過(guò)程結(jié)構(gòu)，分析工業(yè)過(guò)程中各設(shè)備的關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)，提出過(guò)程免疫時(shí)間(process immunity time，PIT)的概念，以刻畫工業(yè)過(guò)程電壓暫降免疫力[15]。過(guò)程免疫時(shí)間為敏感過(guò)程經(jīng)受給定幅值電壓暫降時(shí)，過(guò)程參數(shù)超過(guò)極限閾值的時(shí)間，如圖2所示。過(guò)程參數(shù)是指受生產(chǎn)過(guò)程中各子過(guò)程設(shè)備影響整個(gè)過(guò)程狀態(tài)的物理指標(biāo)，包括水溫、油壓、閥門流量等，與設(shè)備類型有關(guān)。圖2中，Pnom為過(guò)程參數(shù)額定值；Plimit為過(guò)程參數(shù)極限閾值；t1為暫降發(fā)生時(shí)刻；Δt為過(guò)程響應(yīng)延時(shí)；t2為過(guò)程參數(shù)越過(guò)Plimit的時(shí)刻，PIT定義為

PIT=t2-t1

(1)

當(dāng)暫降時(shí)間t<Δt，生產(chǎn)過(guò)程正常；當(dāng)ΔtPIT，生產(chǎn)過(guò)程中斷。PIT越大，生產(chǎn)過(guò)程抵抗電壓暫降的能力越強(qiáng)，免疫力越強(qiáng)。

圖2 過(guò)程免疫時(shí)間曲線

引入過(guò)程免疫時(shí)間，在對(duì)DVR儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行配置時(shí)，考慮過(guò)程自身抵抗電壓暫降的能力，減少儲(chǔ)能能量，提高DVR配置的經(jīng)濟(jì)性。

3 DVR優(yōu)化配置方法

3.1 DVR優(yōu)化配置模型

動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償能力主要取決于補(bǔ)償容量與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，補(bǔ)償時(shí)間取決于儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量。動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器與儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)償容量決定了對(duì)于給定過(guò)程所能補(bǔ)償?shù)碾妷悍?，而?duì)于較長(zhǎng)時(shí)間的電壓暫降，儲(chǔ)能元件所儲(chǔ)存的能量很大程度決定了所能補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間。因此，可得動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器配置模型為

(2)

PIT可描述為工業(yè)過(guò)程能夠抵御電壓暫降的時(shí)間，是一種過(guò)程固有免疫特性，即是說(shuō)，在園區(qū)母線最大電壓暫降持續(xù)時(shí)間為t時(shí)，僅需對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間為T=t-PIT，式(2)可改寫為

(3)

第i臺(tái)DVR的單位容量成本是其容量的函數(shù)：

PDVR容量=f(Pi)

(4)

式中，f(Pi)為DVR的單位容量投資成本函數(shù)，二者函數(shù)關(guān)系如圖3。

儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的類型，幾種常見的儲(chǔ)能系統(tǒng)的費(fèi)用如表2。

根據(jù)DVR補(bǔ)償原理，不考慮相角跳變，以補(bǔ)償短時(shí)電壓變化后過(guò)程端電壓大于或等于第i級(jí)過(guò)程的最大短時(shí)電能質(zhì)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(bǔ)償電壓和補(bǔ)償過(guò)程容量相關(guān)，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(jù)生物界中“物競(jìng)天擇、適者生存”的生物進(jìn)化論和遺傳學(xué)理論而設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法，它主要模擬了生物進(jìn)化過(guò)程中基因交叉、突變和選擇進(jìn)化等過(guò)程作為優(yōu)化搜索空間的方式，尋求多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的全局最優(yōu)解。簡(jiǎn)單而言，遺傳算法采用群體搜索技術(shù)，用種群代表一組解，以適應(yīng)度作為選擇、交叉和變異等一系列遺傳操作的準(zhǔn)則，通過(guò)數(shù)次遺傳運(yùn)算，使種群進(jìn)化到包含近似最優(yōu)解的狀態(tài)。簡(jiǎn)單高效的基因編碼方法，合適的適應(yīng)度函數(shù)選擇，選擇算子、交叉操作和基因突變方法的設(shè)計(jì)是遺傳算法的關(guān)鍵。

以用戶供電質(zhì)量需求為遺傳算法的個(gè)體，采用二進(jìn)制編碼的方式對(duì)用戶供電等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，依據(jù)DVR配置費(fèi)用最低的適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)種群個(gè)體作遺傳運(yùn)算，最后得到最優(yōu)配置方案，遺傳算法計(jì)算流程如圖4。其中，初始設(shè)定的0.6交叉概率和0.01變異概率。

具體DVR優(yōu)化配置策略如下所示：

1)初始化。輸入園區(qū)原始數(shù)據(jù)，包括過(guò)程數(shù)量、各過(guò)程電能質(zhì)量需求、過(guò)程容量、過(guò)程免疫時(shí)間以及初始化迭代次數(shù)Ng等。

2)選取合適的編碼方式對(duì)待求解問(wèn)題進(jìn)行編碼，在該問(wèn)題中是采用二進(jìn)制編碼對(duì)最優(yōu)供電質(zhì)量等級(jí)UA和UAA進(jìn)行編碼，形成種群V(初始解集)。其中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，令UAAA為定值，UAAA=max{U1,U2,U3…Un}。

3)以約束條件為適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度C。

4)根據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行遺傳運(yùn)算，形成新的種群V+1。其中，遺傳運(yùn)算包括了遺傳、交叉和變異以及精英保留。

5)判斷迭代次數(shù)。若k

圖4 遺傳算法計(jì)算流程

4 算例分析

以某光學(xué)中心的精密溫控系統(tǒng)為例，應(yīng)用所提方法對(duì)該精密溫控系統(tǒng)進(jìn)行DVR優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)電壓暫降的優(yōu)化治理。其中，該溫控過(guò)程由供風(fēng)段、過(guò)濾段、表冷段、加熱段、加濕段和送風(fēng)段等6個(gè)環(huán)節(jié)組成，按功能邏輯各環(huán)節(jié)又可進(jìn)一步劃分為若干子過(guò)程(設(shè)備)。根據(jù)對(duì)該精密溫控系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)研和測(cè)試，其工業(yè)環(huán)節(jié)、工藝過(guò)程、容量及PIT值如表3所示。

表3 精密溫控系統(tǒng)工藝過(guò)程

此外，為了對(duì)精密溫控系統(tǒng)的電壓暫降問(wèn)題進(jìn)行更為準(zhǔn)確的治理，對(duì)系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓暫降水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括暫降頻次、幅值和持續(xù)時(shí)間等，也是十分必要的。對(duì)精密溫控系統(tǒng)的10 kV母線接入點(diǎn)2007—2014年的電壓暫降監(jiān)測(cè)記錄進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，表4為接入點(diǎn)處不同幅值區(qū)間的電壓暫降次數(shù)及平均持續(xù)時(shí)間，表5為精密溫控系統(tǒng)接入點(diǎn)按年度統(tǒng)計(jì)的暫降情況。

由表4和表5可見，該精密溫控系統(tǒng)接入點(diǎn)有較高的電壓暫降水平，接入點(diǎn)暫降最低殘余電壓為18%，暫降最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)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(yán)重的情況下對(duì)該精密溫控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，即考慮暫降殘余電壓為18%，持續(xù)時(shí)間為1220 ms的情況?；诰軠乜叵到y(tǒng)的工藝過(guò)程、過(guò)程容量、供電質(zhì)量需求和過(guò)程PIT值，考慮精密溫控系統(tǒng)電壓暫降最嚴(yán)重的情況，以補(bǔ)償后的電壓滿足用戶供電質(zhì)量需求為目標(biāo)，以設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用最低為約束，采用遺傳算法計(jì)算得到園區(qū)DVR最優(yōu)配置方案如下：

1)該精密溫控系統(tǒng)的供電質(zhì)量等級(jí)分為2級(jí)，即A級(jí)和AA級(jí)，相應(yīng)地配置2臺(tái)DVR與2臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)。2臺(tái)DVR補(bǔ)償容量分別為160.458 kVA和110.736 kVA，DVR單位容量?jī)r(jià)格為1 170.26元和1 359.2元；2臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量分別為0.053 kWh和0.036 kWh，具體的供電質(zhì)量等級(jí)對(duì)應(yīng)的子過(guò)程如表6所示。

表4 精密溫控系統(tǒng)接入點(diǎn)不同幅值區(qū)間的電壓暫降次數(shù)及平均持續(xù)時(shí)間

表5 精密溫控系統(tǒng)接入點(diǎn)年度暫降情況統(tǒng)計(jì)

表6 供電質(zhì)量等級(jí)劃分

2)所提出方案的設(shè)備購(gòu)置總費(fèi)用為349 620元，對(duì)比傳統(tǒng)的配置方式具有更好的經(jīng)濟(jì)性，如表7。

表7 不同配置方案經(jīng)濟(jì)性比較

3)針對(duì)除超級(jí)電容器以外的儲(chǔ)能方式進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表8。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飛輪儲(chǔ)能方式具有最高的經(jīng)濟(jì)效益，但如表1中所示，飛輪儲(chǔ)能方式功率密度較低，充放電速度較慢，因此，在費(fèi)用相差不大的情況下，推薦選擇超導(dǎo)電容器作為DVR的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

表8 不同儲(chǔ)能方式經(jīng)濟(jì)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(jié) 語(yǔ)

前面介紹了一種解決電壓暫降問(wèn)題的新途徑——“優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)”，其核心在于應(yīng)用定制電力設(shè)備，根據(jù)用戶供電質(zhì)量需求進(jìn)行分級(jí)供電。在傳統(tǒng)方法僅粗略將供電等級(jí)劃分為A級(jí)、AA級(jí)和AAA級(jí)的基礎(chǔ)上，引入遺傳算法以滿足用戶供電質(zhì)量需求為目標(biāo)，同時(shí)以暫降治理設(shè)備費(fèi)用最小為約束，對(duì)供電質(zhì)量等級(jí)劃分進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性的暫降治理目標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，采用暫降治理中廣泛應(yīng)用的DVR作為治理設(shè)備，采用超級(jí)電容器作為DVR的儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)中心的精密溫控系統(tǒng)進(jìn)行電壓暫降治理。仿真結(jié)果表明，對(duì)比僅用單臺(tái)DVR和對(duì)子過(guò)程分別治理的兩種方案，所提出的配置方法更具經(jīng)濟(jì)性。最后，從經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性兩方面應(yīng)證了超級(jí)電容器是當(dāng)前最適合于DVR的儲(chǔ)能系統(tǒng)。