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        電子調(diào)壓器下配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制分析

        2022-10-19 06:59:18張振華
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年29期

        張振華

        (國網(wǎng)鹽城供電公司,江蘇 鹽城 224000)

        目前,柔性交流傳輸技術(shù)(FACTS)發(fā)展迅猛,F(xiàn)ACTS 裝置靜態(tài)無功補(bǔ)償器(SVC)、靜態(tài)同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等,能夠在不間斷的調(diào)節(jié)下,進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。但是其應(yīng)用范圍多在高壓、特高壓直流等主電網(wǎng)施工,而在人口稀少的區(qū)域,中、低電壓配電網(wǎng)則不適合,而在稀疏區(qū)域,由于其主要問題是線路阻抗大、壓降高,因此,延長配網(wǎng)供電半徑是主要目標(biāo),這就使得FACTS 裝置改善功率分布的能力無法充分發(fā)揮,同時(shí)PEVR(電子調(diào)壓器)可以很好地解決以上器件的缺點(diǎn),使稀配電網(wǎng)的電源范圍得到極大擴(kuò)展。

        1 稀疏區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制

        由于其經(jīng)濟(jì)性好,但其調(diào)整結(jié)果有一些靜態(tài)偏差,因此,常規(guī)的電力系統(tǒng)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(diào)壓器的特點(diǎn),采用一種新型電力電子調(diào)節(jié)器來進(jìn)行電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。

        PEVR 是一種用于6 kV、10 kV、35 kV 配電網(wǎng)的調(diào)壓設(shè)備,其能實(shí)時(shí)地對電壓進(jìn)行反饋,以達(dá)到持續(xù)調(diào)整的目的。其調(diào)整范圍是基準(zhǔn)電壓的±10%。

        PEVR 串并聯(lián)側(cè)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(jìn)行電力補(bǔ)償。PEVR 并聯(lián)側(cè)的功能與靜態(tài)同步補(bǔ)償器(STATCOM)一樣,采用并聯(lián)變壓器將無功電流輸入到接入點(diǎn),從而達(dá)到對接入點(diǎn)的無功補(bǔ)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(tài)下的電壓調(diào)整幅度更大。

        因?yàn)镻EVR 自身不能產(chǎn)生電力,因此,并聯(lián)側(cè)的有功由并聯(lián)側(cè)的電力和PEVR 自身裝置的有功功率之差通過串、并聯(lián)側(cè)的DC 電容來完成,同時(shí)串、并聯(lián)側(cè)的無功由串、并聯(lián)側(cè)的逆變電路完成??刂蒲b置通過對節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并對其進(jìn)行分析,確定是否對PEVR 進(jìn)行補(bǔ)償,通過串、并聯(lián)側(cè)的內(nèi)控環(huán)路對其進(jìn)行了處理,再將其反饋給系統(tǒng)。

        在0~2π 的區(qū)間,PEVR 并聯(lián)側(cè)等值補(bǔ)償和串級等值補(bǔ)償電壓的相位角均能得到調(diào)整,并將其作為4 個(gè)分界的形式體現(xiàn)在電力坐標(biāo)體系中。盡管調(diào)整范圍很大,但是由于其是串聯(lián)的,當(dāng)出現(xiàn)短路等過流時(shí),很可能會(huì)損壞器件,所以在投入使用時(shí)必須進(jìn)行限流控制。

        根據(jù)PEVR 的構(gòu)成,在接入網(wǎng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)接入點(diǎn),而當(dāng)接入點(diǎn)進(jìn)行了電壓和相位的補(bǔ)充時(shí),就必須增加1 個(gè)新的接入點(diǎn)。因此,采用新的潮流方法進(jìn)行潮流的求解,改變了電力系統(tǒng)的拓?fù)?,增加了潮流的求解難度。PEVR 可以相當(dāng)于1 個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量注入模式,而PEVR 調(diào)節(jié)端的電壓調(diào)節(jié)功能相當(dāng)于將附加功率輸入到2 個(gè)連接端。

        在不改變原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下,將功率補(bǔ)償和潮流計(jì)算進(jìn)行解耦,可以有效地減少計(jì)算困難。PEVR 電壓協(xié)調(diào)控制方框如圖1 所示,這里Vi是一個(gè)結(jié)點(diǎn)i 的電壓,λ 是1 個(gè)容許的電壓偏移比例,1 個(gè)VN是1 個(gè)額定電壓。

        圖1 電壓協(xié)同控制框圖

        在系統(tǒng)的控制區(qū),根據(jù)負(fù)荷、運(yùn)行狀況等信息,判斷出實(shí)時(shí)的電壓監(jiān)測值在安全區(qū)間內(nèi),以判斷PEVR是否在調(diào)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(tǒng)進(jìn)行了最優(yōu)配置,通過對各節(jié)點(diǎn)的電壓判斷矩陣進(jìn)行選擇,對滿足電壓安全運(yùn)行要求的各結(jié)點(diǎn)進(jìn)行額外的增補(bǔ),而對下級的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。確定最大的有功/無功補(bǔ)償,也就是PEVR 節(jié)點(diǎn)注入的額外電力。在PEVR 并聯(lián)端,采用了一種無功補(bǔ)償模式,即在并聯(lián)端注入無功,并利用優(yōu)化算法求解各輸入端的無功。在串口上,采用了一種電壓調(diào)節(jié)方法,并通過電流方法計(jì)算出了該系統(tǒng)的補(bǔ)償電壓的振幅和相位角。而通過對系統(tǒng)的控制級計(jì)算,發(fā)現(xiàn)該結(jié)點(diǎn)的電壓在允許值以下,PEVR 將不能正常工作。

        2 PEVR 串并聯(lián)端的控制策略

        在偏遠(yuǎn)區(qū)域,新的能源裝置、負(fù)荷分布較大,且具有逆向分布特性,引入新的能量將導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的電壓不平衡、諧波等問題。為了獲得精確的網(wǎng)相信號(hào),需要使用一種新的鎖相環(huán)。采用三相正弦波參量與負(fù)載側(cè)的實(shí)際電壓監(jiān)測值差異,得到了系統(tǒng)的串聯(lián)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(tǒng)的供電品質(zhì)。PEVR 并聯(lián)端子不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對DC母線進(jìn)行的電容降壓,而且能夠維持其相對的穩(wěn)壓,這是PEVR 串行工作的前提。

        2.1 電力系統(tǒng)的基本頻率成分抽取

        在電網(wǎng)電壓畸變時(shí),除了基本頻率之外,還存在一定數(shù)量的諧波成分,如果用直接鎖相方式將所檢測到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相,則可能會(huì)因諧波的影響而影響測量精度。采用復(fù)合系數(shù)濾波(CCF),將三相電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜態(tài)阿爾法-β 坐標(biāo)系,再利用其坐標(biāo)軸間的互差為90°,從而獲得復(fù)合系數(shù)轉(zhuǎn)移函數(shù),其結(jié)果如下:

        式中:ω0是帶通頻率,ωe為常數(shù),是jnmq 頻率或n 次諧波;當(dāng)其是一個(gè)恒定的值時(shí),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(jìn)行分析。

        利用復(fù)數(shù)濾波器,能夠在選定頻率下維持信號(hào)的單位增益、零相位偏移,并且在其他頻帶范圍內(nèi)會(huì)有較大衰減,因此,從包含電壓失真的諧波成分的網(wǎng)絡(luò)側(cè)電壓中抽取正序50 Hz 的基頻成分。通過鎖相環(huán),可以獲得準(zhǔn)確的電網(wǎng)側(cè)電壓電流角,將其用于參考輸出波形。

        CCF 與實(shí)系數(shù)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(wǎng)電壓的影響。當(dāng)電力系統(tǒng)電壓受到干擾時(shí),系統(tǒng)的電壓、相位信息也能準(zhǔn)確地反映出來。

        2.2 PVR 串聯(lián)側(cè)的諧波電壓檢測及補(bǔ)償

        CCF 法提取的50 Hz 的基礎(chǔ)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(chǔ)頻率不需要等于所要求的負(fù)荷端子電壓的幅值,因?yàn)樵谶@里要進(jìn)行一個(gè)振幅標(biāo)準(zhǔn)化的過程。首先將基頻分量除其有效值進(jìn)行規(guī)范,再經(jīng)比率運(yùn)算,得到與線標(biāo)稱值相等、相位與網(wǎng)電壓基礎(chǔ)頻率分量的正弦波段,即負(fù)載所需要的電壓

        PEVR 的串聯(lián)側(cè)控制方法如下

        在圖2 中,顯示了串聯(lián)側(cè)的諧波電壓補(bǔ)償控制方框圖。該方法是在三相a-b-c 坐標(biāo)系統(tǒng)中,將從電網(wǎng)電壓中提取并進(jìn)行幅值規(guī)范化的目標(biāo)電壓值與負(fù)荷端取樣的實(shí)際電壓值進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)串聯(lián)端的補(bǔ)償電壓量。

        圖2 串聯(lián)端的諧波電壓補(bǔ)償控制方框圖

        另外,采用差動(dòng)控制方法,可以對電壓凹陷進(jìn)行補(bǔ)償。在電網(wǎng)電壓下降時(shí),即使沒有諧波成分,也要對其進(jìn)行振幅規(guī)范化,這時(shí),負(fù)載端目標(biāo)電壓和實(shí)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(chǎn)生,使得串聯(lián)端輸出一個(gè)與電網(wǎng)電壓相位相等的同頻電壓來補(bǔ)償電網(wǎng)電壓。

        2.3 PEVR 并聯(lián)側(cè)矢量控制策略

        PEVR 并聯(lián)側(cè)采用電壓電流雙環(huán)PI 控制,電流內(nèi)環(huán)是由DC 母線的電壓設(shè)定值和并聯(lián)側(cè)換流器所產(chǎn)生的無功功率值產(chǎn)生電流基準(zhǔn)值,電壓外環(huán)輸出信號(hào)Md、Mq被調(diào)制后用作轉(zhuǎn)換器。

        因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)換流器需要保持DC 電容電壓的穩(wěn)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(dá)

        在實(shí)際應(yīng)用中,通過對電網(wǎng)的基本頻率電壓進(jìn)行鎖相,通過θ 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,獲得了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)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(zhǔn)值通過以下公式得出

        如果使電網(wǎng)側(cè)的換流器維持單位的功率因數(shù),也就是要求無功為0,那么

        圖3 中顯示了并聯(lián)端的控制方框圖。利用并聯(lián)側(cè)換流器的雙閉環(huán)電壓-電流控制,在d-q 坐標(biāo)系中產(chǎn)生輸出電壓Md、Mq,然后進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生換流器切換信號(hào),從而對電網(wǎng)電壓進(jìn)行PWM 整流,從而獲得穩(wěn)定的DC 匯流電容值Udc。并提供了必要的電源通道,以達(dá)到串聯(lián)側(cè)換流器的電壓補(bǔ)償。

        圖3 并聯(lián)側(cè)控制方框圖

        3 IEEE 33 結(jié)點(diǎn)算例模擬系統(tǒng)

        首先對IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和分析,該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的參考電壓為12.66 kV,節(jié)點(diǎn)電壓的安全操作范圍為0.95~1.05 p.u.。在節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)16 和節(jié)點(diǎn)29中加入了300 kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng),OLTC 被連接在系統(tǒng)根節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)1 之間,PEVR1 和PEVR2 被分別接入節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)8 和節(jié)點(diǎn)26 與節(jié)點(diǎn)27,節(jié)點(diǎn)13、節(jié)點(diǎn)17 和節(jié)點(diǎn)31 被合并到CB 中。在此基礎(chǔ)上,OLTC 可調(diào)至9 檔,而中間檔則對應(yīng)于參考電壓,可調(diào)整至0.95~1.05 p.u.,即調(diào)整步長為0.012 5 p.u.;PEVR 串聯(lián)側(cè)電壓可調(diào)至參考電壓的±10%,并聯(lián)側(cè)可調(diào)至-1 000~1 000 kV;CB 的每個(gè)電容具有50 kvar 的容量,3 組投入節(jié)點(diǎn)13,節(jié)點(diǎn)17 和11 投入4 組(圖4)。

        圖4 對IEEE 33 節(jié)點(diǎn)的改善系統(tǒng)

        為了更好地發(fā)揮該方法的優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了2 種不同的方案,以比較檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和越界。本文建議等時(shí)標(biāo)間距為1 h,也就是在日調(diào)整下每個(gè)小時(shí)的調(diào)整。

        常規(guī)的調(diào)壓設(shè)備每1 h 進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整,而PEVR則是根據(jù)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

        情景1:選取照明強(qiáng)度最高、負(fù)載功率平均為11:00~14:00 的時(shí)段,在該時(shí)段中,對光伏發(fā)電功率的隨機(jī)干擾提高10%,同時(shí)負(fù)載不變,以模擬光伏系統(tǒng)隨機(jī)波動(dòng)時(shí)的電壓變化(圖5)。

        圖5 場景1 節(jié)點(diǎn)16 電壓

        情景2:選擇19:00~22:00,在照明強(qiáng)度低、負(fù)載功率最大的時(shí)段,隨機(jī)干擾10%,以模擬負(fù)載發(fā)生較大的隨機(jī)變化(圖6)。

        圖6 場景2 節(jié)點(diǎn)32 電壓

        然后,在此基礎(chǔ)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(shí)間隔的常規(guī)電壓調(diào)節(jié)裝置,另一種是PEVR 和常規(guī)電壓調(diào)節(jié)裝置的集成控制。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)16 電壓遠(yuǎn)離根結(jié)點(diǎn),并且受到光伏發(fā)電量的影響,所以選擇了該結(jié)點(diǎn)16 電壓。

        在情景1 中,節(jié)點(diǎn)電壓用作被討論的目標(biāo);當(dāng)沒有任何措施時(shí),節(jié)點(diǎn)32 遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)的電壓,這些電壓基本上都在下限以下,并且受到負(fù)載的影響,所以我們把其當(dāng)作第二個(gè)問題。

        在沒有任何控制的情況下,2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都會(huì)受到光伏出力和負(fù)載的影響,并且在電壓越低的時(shí)候,特別是在節(jié)點(diǎn)32 的電壓。此時(shí)的光伏不能發(fā)電,而負(fù)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(guī)的調(diào)壓裝置進(jìn)行控制,可以使電壓等級得到一定的改善,但是無法達(dá)到每一時(shí)間的電壓需求。通過對PEVR 與常規(guī)調(diào)壓裝置的綜合協(xié)同控制,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的電壓波動(dòng)范圍減小,電壓不會(huì)發(fā)生過大的越界現(xiàn)象。

        本文只使用了常規(guī)的電壓調(diào)節(jié)裝置和本章所述的電網(wǎng)損耗比較。通過對電網(wǎng)的綜合協(xié)調(diào),可以看出,電網(wǎng)的有功損失較少。這是因?yàn)樵赑EVR 參與調(diào)節(jié)之后,降低了電源流量,并提高了結(jié)點(diǎn)的電壓等級,因此降低了線路損耗。

        結(jié)果表明,PEVR 參與調(diào)節(jié)后,OLTC、CB 動(dòng)作的次數(shù)顯著低于不參加PEVR 的情況。降低了常規(guī)的壓力調(diào)節(jié)裝置的工作頻率,延長了OLTC,CB 的使用壽命。

        4 結(jié)論

        本文針對我國人口稀少地區(qū)中低壓配網(wǎng)線路長、負(fù)荷分散、波動(dòng)大、新能源接入分散,非線性負(fù)荷造成電網(wǎng)電壓下降和諧波含量高的問題,本文采用PEVR技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧波集成。這種新的計(jì)算方式不需要在2 個(gè)相位的位置上進(jìn)行運(yùn)算,不需要變換位置,不需要額外的控制方式來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的諧振電壓。這種方法能統(tǒng)一地體現(xiàn)在負(fù)荷側(cè)的諧波和目標(biāo)電流的差異上,從而有效地避免了電網(wǎng)的諧振和畸變。

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