王昕揚

（上海電力大學，上海 201306）

引言

隨著電動汽車技術的改進，對于電能質量的要求向多元化和差異化發(fā)展，電能質量問題的復雜性也因此增加。為了滿足用戶電能質量的需求，往往采用多種電能質量治理裝置綜合治理配電網電能質量[1-2]。

隨著各類電能質量治理裝置的接入，由于各電能質量調節(jié)裝置種類不同，響應速度不同，各裝置之間的調控目標可能會相互影響，從而使動態(tài)性能下降。因此，需要采用主動的控制手段協(xié)調各個設備的輸出和動作，以防止電能質量調制效果不佳[3]。

為了避免配電網中各電能質量治理設備相互干擾，文中綜合考慮解決配電網諧波畸變和高低電壓等常見電能質量問題，依據(jù)電網參數(shù)和配電網運行情況，基于基波和諧波潮流計算各控制節(jié)點對被控節(jié)點的諧波靈敏度和電壓-無功靈敏度，以各APF 和SVG 為中心劃分其影響區(qū)域，以區(qū)域內被控節(jié)點為目標，針對性計算各控制節(jié)點的協(xié)調系數(shù)，從而實現(xiàn)APF 和SVG 的協(xié)調運行。

1 電能質量治理裝置的控制策略分析

按照電能質量擾動現(xiàn)象的特征，電能質量問題被分成連續(xù)型和事件型兩類。連續(xù)型是指在較長的時間范圍內持續(xù)的不在正常狀況的現(xiàn)象，主要包括電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電網諧波、電壓波動和閃變等[4-5]，是文中主要考慮的電能質量問題。處理這類問題的電能質量治理設備主要有APF 和SVG。

1.1 多 APF 裝置并聯(lián)

對于多臺APF 的并聯(lián)，共用電流互感器檢測負載電流。

式中，ici為各臺APF 輸出電流，iLh為負載電流中的諧波成分，iL1為負載電流中的基波成分。

設若每臺APF 輸出電流都能完美跟蹤指令電流，即

式中，SAPFi為各臺 APF 額定容量，SAPF為總額定容量。

由上述可知，給每個APF 按容量比重分派任務。若有APF 故障或加入新的APF，只要即時更換均流系數(shù)即可。

將各臺APF 的均流系數(shù)傳遞給各APF 模塊，則有指令電流為上文所述彌補直流電壓有功損耗的有功電流）。該方法擴展能力強，系統(tǒng)維護替換方便，較集中控制更為方便，可以滿足不同的容量需求[6]。

1.2 APF 和SVG 裝置的協(xié)調運行

根據(jù)上述APF 的并聯(lián)運行，可在APF 和SVG 的控制器中的指令生成模塊增加一個協(xié)調系數(shù)KD，可以通過協(xié)調系數(shù)KD進一步協(xié)調分配各APF 和SVG 的輸出諧波和無功。該系數(shù)的大小取決于各控制節(jié)點對被控節(jié)點的靈敏度指標，從而使各APF 和SVG 在全局進行協(xié)調運行。

2 靈敏度指標

在配電網具有諧波源的情況下，將生成基波潮流和各次諧波潮流。諧波潮流是經由非線性負荷的基波潮流變換而成的，在所有潮流中占比很小，且與基波潮流相互耦合。諧波潮流的改變會影響基波功率，而基波潮流的變化對諧波潮流的作用更大。

諧波潮流等式約束如下[7]：

在計算基波潮流時由于諧波的作用，主要為對各節(jié)點產生的k 次諧波功率，即

式中 Pi、Qi為節(jié)點 i 總有功及無功功率為節(jié)點i 的基波有功及無功功率為節(jié)點 i 的 k 次諧波有功及無功功率。

基于諧波電壓對諧波電流的作用，諧波源的注入電流可以根據(jù)節(jié)點基波電壓和諧波源特性得到：

由于諧波參數(shù)基本不變，各諧波源節(jié)點的諧波電流與節(jié)點基波電壓幅值成比例，當節(jié)點基波電壓變化時，各諧波源節(jié)點的諧波電流也相應改變。由此可以通過上述公式（3.2）和（3.3）表現(xiàn)基波與諧波的相互作用。

配電網中的無功主要與各節(jié)點電壓大小有關，且J矩陣中的各元素很小，可簡化得：

將系數(shù)L 轉換為節(jié)點導納矩陣的形式：

B 為配電網的導納陣[8]。

定義任一被控節(jié)點i 的節(jié)點電壓Ui對SVG 控制節(jié)點j 處輸出無功功率Qj的電壓-無功靈敏度：

由電壓-無功靈敏度可以大致得到SVG 注入無功電流時，各節(jié)點基波電壓的變化情況。

由式（3.1），任一節(jié)點i 的h 次諧波電壓對控制節(jié)點j處h 次諧波注入電流的諧波靈敏度為

則由諧波靈敏度可知，當APF 注入諧波電流時，各節(jié)點諧波電壓的情況。

3 控制策略設計

配電網電能質量設備的協(xié)調控制，主要由監(jiān)控主站，區(qū)域協(xié)調控制器和本地控制器構成，具體過程如下：

圖1 控制流程

（1）計算各控制節(jié)點電能質量治理裝置參數(shù)對各被控節(jié)點參數(shù)的靈敏度，即SVG 控制節(jié)點注入無功對各被控節(jié)點電壓的電壓-無功靈敏度和APF 控制節(jié)點注入諧波電流對各被控節(jié)點諧波電壓的諧波靈敏度。

（2）根據(jù)控制節(jié)點裝置容量和被控節(jié)點靈敏度等指標綜合考慮發(fā)生擾動時的各控制節(jié)點配置。對于APF，協(xié)調系數(shù)為各控制節(jié)點對該被控節(jié)點的諧波靈敏度與總諧波靈敏度之比；對于SVG，協(xié)調系數(shù)為各控制節(jié)點對該被控節(jié)點的電壓-無功靈敏度與總電壓-無功靈敏度之比；對于APF 和SVG，先忽略不同類控制節(jié)點相互之間的影響，根據(jù)上述只有一類控制節(jié)點時的分配方法配置SVG參數(shù)，再根據(jù)各被控節(jié)點對控制節(jié)點的電壓-無功靈敏度、諧波靈敏度和Kin（諧波電流與節(jié)點基波電壓之比）計算APF 的協(xié)調系數(shù)。

（3）監(jiān)控主站實時監(jiān)測各節(jié)點支路電流畸變率和電壓波動，基于各被控節(jié)點靈敏度指標計算各控制節(jié)點的協(xié)調系數(shù)，對各區(qū)域控制節(jié)點參數(shù)進行進一步優(yōu)化配置?？刂乒?jié)點參數(shù)由區(qū)域控制器發(fā)送到各本地控制器。當區(qū)域協(xié)調控制器故障時，本地控制器基于下一條線路參數(shù)得到補償電流，協(xié)調系數(shù)置為1，轉發(fā)給控制節(jié)點。

4 仿真驗證

文中以文獻[9]的仿真算例為基礎，形成如圖2 所示15 節(jié)點配電網。分別在節(jié)點3、11、14 接諧波源，在節(jié)點5、9、13 接無功負荷。同時在節(jié)點 2、14 安裝 APF，在節(jié)點5 安裝 SVG。當 SVG 和 APF 自行調節(jié)時，節(jié)點 2、3、4、5、8、13、14 的電能質量指標如表1 所示。協(xié)調運行的各節(jié)點電能質量指標如表2 所示。

圖2 15 節(jié)點配電網網絡拓撲圖

表1 優(yōu)化前實驗結果

表2 優(yōu)化后實驗結果

由表1、表2 數(shù)據(jù)可知，協(xié)調運行后在犧牲電流畸變率的情況下，電壓波動范圍得到改善，在應用時需要有所取舍。

6 結束語

文中通過監(jiān)控主站的實時監(jiān)測，基于各控制節(jié)點的靈敏度指標通過區(qū)域協(xié)調控制器設置協(xié)調系數(shù)，本地控制器基于協(xié)調系數(shù)調節(jié)各控制節(jié)點。從仿真結果來看，對于調節(jié)效果需要作出一定的取舍，進行進一步改善。在控制過程中，僅考慮了APF 和SVG 的諧波補償和無功補償能力，實際上兩類裝置都兼具更多功能，因此可以在更多方面進行配合協(xié)調控制。