楊用春,牛超群,唐健雄,趙成勇,徐 志
(1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),河北 保定 071003;2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650000)
高質(zhì)量、高可靠性的電力供應(yīng),是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要保證條件之一。伴隨社會(huì)的快速發(fā)展,用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求持續(xù)提高[1]。隨著電力系統(tǒng)不斷升級(jí),目前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得越來(lái)越復(fù)雜;配電網(wǎng)中,雙電源、多電源供電運(yùn)行模式日益普遍[2,3],這使得電網(wǎng)對(duì)自身的要求變得更加嚴(yán)格。
為了增加供電的可靠性、提高電能質(zhì)量、滿足用戶良好的用電體驗(yàn),越來(lái)越多的地方電網(wǎng)開(kāi)始采用合環(huán)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)供電操作。
由于線路中合環(huán)電流過(guò)大會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性,所以電網(wǎng)進(jìn)行合環(huán)操作需要滿足一定的條件。文獻(xiàn)[4]分析了低壓配電網(wǎng)合環(huán)電流產(chǎn)生的原因,針對(duì)合環(huán)存在的風(fēng)險(xiǎn)提出了操作建議。文獻(xiàn)[5]針對(duì)存在30°相位差的35 kV電網(wǎng)合環(huán)問(wèn)題展開(kāi)研究,設(shè)計(jì)了在線合環(huán)策略,實(shí)現(xiàn)了不停電倒負(fù)荷。文獻(xiàn)[6]針對(duì)合環(huán)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求,提出了一種基于移相變壓器的合環(huán)控制裝置,實(shí)現(xiàn)了在極端條件下相差調(diào)節(jié);但是其調(diào)壓功能的靈活性還有待提高。
作為一種無(wú)功補(bǔ)償裝置,目前STATCOM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[7]。STATCOM 具有控制靈活、響應(yīng)迅速的特點(diǎn),能夠在系統(tǒng)故障或負(fù)荷突增時(shí)對(duì)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,進(jìn)而穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓、抑制負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)電壓造成的影響,提高電網(wǎng)電壓恢復(fù)能力[8]。
對(duì)于STATCOM的研究,目前大部分集中在其作為無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制策略與手段方面,對(duì)于其在電力領(lǐng)域其它方面應(yīng)用的研究不多。STATCOM 除了可以用來(lái)補(bǔ)償無(wú)功、調(diào)節(jié)電壓、補(bǔ)償電網(wǎng)電壓不平衡外,其應(yīng)用還可以進(jìn)行拓展。
隨著敏感電氣設(shè)備的廣泛使用,用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高[9]。針對(duì)大型數(shù)據(jù)中心、特種高科技行業(yè)這類對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量要求較高的用戶[10,11],可以考慮運(yùn)用STATCOM 改善敏感用戶電能質(zhì)量,提高供電可靠性。通過(guò)調(diào)整控制策略,使STATCOM在電網(wǎng)中發(fā)揮更積極作用——這方面研究具有工程應(yīng)用價(jià)值。
文獻(xiàn)[12]采用兩側(cè)獨(dú)立 STATCOM 聯(lián)合構(gòu)成了雙VSC柔性合環(huán)裝置,實(shí)現(xiàn)了不停電合環(huán)轉(zhuǎn)供;但是文中沒(méi)有體現(xiàn)合環(huán)前STATCOM對(duì)電壓的控制,也沒(méi)有詳細(xì)介紹STATCOM參與合環(huán)的控制策略如何轉(zhuǎn)換。
基于此,本文利用STATCOM下垂調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載母線電壓的控制,并提出無(wú)縫切換合環(huán)控制策略,使STATCOM作為合環(huán)裝置參與直流側(cè)合環(huán)操作。
本文采用電壓型橋式逆變電路構(gòu)建STATCOM主電路,直流側(cè)利用儲(chǔ)能元件維持電路有功損耗。該結(jié)構(gòu)不僅可以降低補(bǔ)償裝置補(bǔ)償電流的諧波含量,而且直流側(cè)穩(wěn)壓效果好、控制簡(jiǎn)單,可滿足補(bǔ)償裝置低損耗要求。STATCOM裝置的主電路電力電子開(kāi)關(guān)器件由絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)組成,與反并聯(lián)的二極管共同起到續(xù)流的作用[13],并通過(guò)控制電力電子器件的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能。
STATCOM 調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓的方式主要是向系統(tǒng)吸收或者注入無(wú)功功率,進(jìn)而使接入點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)電壓即公共連接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)電壓保持穩(wěn)定,避免由于PCC電壓的波動(dòng)而造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至崩潰。為了保證STATCOM 的穩(wěn)定運(yùn)行,直流側(cè)電壓Udc必須能夠維持不變;因此,對(duì)于STATCOM 的控制要求是——在保證穩(wěn)定PCC電壓UPCC的同時(shí)維持直流側(cè)電容電壓Udc。
在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)負(fù)荷發(fā)生擾動(dòng)后,系統(tǒng)一般允許PCC電壓在額定值的某一范圍內(nèi)波動(dòng)(一般不超5%);因此,在STATCOM 容量一定的情況下,采用下垂調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)整電壓,可以增大PCC電壓的調(diào)節(jié)范圍[14]。該下垂調(diào)節(jié)的原理如圖1所示。
圖1 STATCOM的電壓下垂調(diào)節(jié)Fig. 1 Voltage droop regulation of STATCOM
圖1中,L1、L2、L3分別代表3種不同性質(zhì)負(fù)載的 PCC電壓與負(fù)載無(wú)功電流的U-I特性曲線。初始負(fù)載為L(zhǎng)2時(shí),PCC工作點(diǎn)位于A點(diǎn);當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)感性負(fù)載的擾動(dòng),則PCC處電壓下降,此時(shí)通過(guò)k1的下垂調(diào)節(jié)調(diào)整PCC處的電壓,工作點(diǎn)移動(dòng)到C處。ΔUL表示負(fù)載發(fā)生變化后PCC電壓的變化量,ΔUL,k表示利用下垂控制自動(dòng)調(diào)整后PCC電壓的變化量;顯然 ΔUL,k<ΔUL,下垂調(diào)節(jié)后電壓波動(dòng)減小了。從圖 1中還可以看出,STATCOM對(duì)負(fù)載進(jìn)行的無(wú)功電流補(bǔ)償量和k值成反比:k越小,補(bǔ)償?shù)碾娏髟酱?,PCC處電壓距離額定值就越接近。當(dāng)STATCOM實(shí)現(xiàn)理想控制時(shí)(k=0),工作點(diǎn)位于D點(diǎn),PCC處的電壓沒(méi)有發(fā)生變化,此時(shí)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流也是最大的。
由此得出:加入下垂控制可以更好地調(diào)節(jié)因負(fù)荷變化造成的電壓波動(dòng),使PCC電壓更靠近額定值。PCC電壓指令值與額定值的關(guān)系可以寫(xiě)為式(1)(2):
式中:Iq為補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流;k為下垂因子。
根據(jù)系統(tǒng)所需的下垂特性,將k定義為:
式中:ΔUL,max為輸出最大感性電流IL,max時(shí),PCC電壓的上升值。
圖2 帶電壓下垂調(diào)節(jié)的STATCOM控制Fig. 2 STATCOM control with voltage droop regulation
STATCOM 采用雙環(huán)控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償,進(jìn)而調(diào)整PCC電壓。
交軸電壓外環(huán):利用STATCOM下垂控制,將接入點(diǎn)處電壓參考值與測(cè)量值UPCC作差;通過(guò),控制保證STATCOM接入點(diǎn)處電壓的穩(wěn)定。
結(jié)合式(1),控制方程如式(4)(5)所示。
式中:t1表示STATCOM不工作時(shí),維持直流側(cè)電壓;t2表示負(fù)載變動(dòng)時(shí),STATCOM 維持系統(tǒng)PCC點(diǎn)處電壓。
電流內(nèi)環(huán)控制時(shí),STATCOM 跟蹤補(bǔ)償指令電流,然后使用PI控制器使電流空間矢量轉(zhuǎn)換到電壓空間矢量,其控制方程如式(6)(7)所示。
最后,將該電壓參考值經(jīng)過(guò)dq坐標(biāo)變換得到的三相信號(hào)波分別與高頻載波進(jìn)行比較,控制STATCOM 裝置中電力電子器件的通斷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PCC處的電壓調(diào)整。
為進(jìn)一步提高供電可靠性,在STATCOM調(diào)壓的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變控制策略,將其作為合環(huán)裝置投入到系統(tǒng)的不停電合環(huán)轉(zhuǎn)供電過(guò)程中。
為發(fā)揮電力電子器件靈活、迅速柔性控制的優(yōu)勢(shì),本文提出一種新的控制策略和合環(huán)方案,實(shí)現(xiàn)STATCOM從無(wú)功補(bǔ)償調(diào)壓到參與系統(tǒng)合環(huán)的無(wú)縫切換。
合環(huán)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示:正常狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)供開(kāi)關(guān)K5及合環(huán)開(kāi)關(guān)K6斷開(kāi),1#電源、2#電源各自為1#負(fù)載、2#負(fù)載供電;左側(cè)STATCOM1伴隨負(fù)載擾動(dòng)對(duì)接入點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,維持PCC處電壓的穩(wěn)定。若1#電源即將退出供電,則需要進(jìn)行不停電合環(huán)轉(zhuǎn)供來(lái)保證對(duì)1#負(fù)載的供電。合環(huán)過(guò)程要點(diǎn)如下。
圖3 直流側(cè)合環(huán)裝置拓?fù)鋱DFig. 3 Topology of DC side loop closing device
在進(jìn)行合環(huán)操作前,兩側(cè)STATCOM均采用雙閉環(huán)控制策略,其優(yōu)點(diǎn)是:既能維持直流側(cè)電壓Udc,同時(shí)還能穩(wěn)定STATCOM 接入點(diǎn)處的電壓,使得合環(huán)條件(即,直流開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓相等)容易滿足。在此條件下合環(huán)后,左側(cè)STATCOM1的直流側(cè)相當(dāng)于有了功率能量的提供,此時(shí)兩側(cè)的STATCOM通過(guò)直流側(cè)合環(huán)開(kāi)關(guān)的連接構(gòu)成交直交裝置,STATCOM1改變了控制策略相當(dāng)于逆變器,那么 STATCOM1輸出的交流側(cè)電壓就是任意可調(diào)的。此時(shí):通過(guò)調(diào)節(jié) STATCOM1交流側(cè)的輸出電壓,先保證維持1#負(fù)載的不間斷供電,使得1#電源安全退出;然后再控制1#負(fù)載電壓跟蹤 2#電源的母線電壓;當(dāng) 1#負(fù)載順利轉(zhuǎn)為由 2#電源供電時(shí),便可將1#電源退出,完成負(fù)載轉(zhuǎn)供電過(guò)程。
考慮兩側(cè)電源間存在電壓差和相角差,直接合環(huán)后產(chǎn)生過(guò)大的合環(huán)電流可能會(huì)造成合環(huán)失敗以及設(shè)備損壞,所以下面提出一種無(wú)縫切換合環(huán)控制策略,目標(biāo)是:(1)減小合環(huán)電流,使合環(huán)更順利進(jìn)行;(2)在 1#電源退出供電后,保持1#負(fù)載的電壓穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)負(fù)載平滑轉(zhuǎn)供電。
當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合環(huán)后,控制直流側(cè)的電壓穩(wěn)定便可以由右側(cè) STATCOM2來(lái)保證;此時(shí),轉(zhuǎn)換左側(cè) STATCOM1的控制策略,由雙閉環(huán)控制改為無(wú)縫切換直流側(cè)合環(huán)的前饋電壓控制。電壓參考量由經(jīng)過(guò)dq坐標(biāo)變換后的前饋電壓與反饋量共同構(gòu)成。前饋電壓,即PCC點(diǎn)處的額定電壓;反饋量,即與 PCC處實(shí)際電壓UPCC的差經(jīng)PI控制后得到的值。
式中:Us1表示1#電源電壓;URL表示1#電源內(nèi)阻消耗的電壓。
經(jīng)系統(tǒng)電壓鎖相的dq變換后,1#電源電壓交軸分量為零,直軸分量的值即為1#電源電壓的電壓值;與URL同理。于是,的直軸分量指令可由電源電壓的直軸分量與電源內(nèi)阻消耗的電壓直接作差獲得;交軸分量指令直接利用1#電源電壓交軸指令即可。取值方法如圖4所示。
圖4 PCC處額定電壓的取值Fig. 4 Value of rated voltage at PCC
將2個(gè)電壓信號(hào)與經(jīng)過(guò)dq坐標(biāo)反變換得到的三相信號(hào)波與高頻載波進(jìn)行比較,以便控制STATCOM1,繼續(xù)維持PCC處的電壓穩(wěn)定。這時(shí)就可以退出1#電源供電,對(duì)1#負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)供電操作;將前饋控制策略中 1#負(fù)載的電壓參考值由PCC處的額定電壓切換到2#母線電壓Us2即可,則式(9)(10)變?yōu)椋?/p>
負(fù)載轉(zhuǎn)供電時(shí),采取斜坡變換方式改變前饋電壓的指令,以實(shí)現(xiàn)母線電壓的平滑切換。該無(wú)縫切換直流側(cè)合環(huán)的前饋電壓控制策略如圖5所示。
圖5 無(wú)縫切換合環(huán)控制策略Fig. 5 Seamless switching loop closing control strategy
利用PSCAD/EMTDC對(duì)含有STATCOM裝置的10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1#電源電壓為10.6 kV,2#電源電壓為10.2 kV;2個(gè)電源相角差為 30°。
系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)定為4 s。
初始狀態(tài)下,0.1 s時(shí),啟動(dòng)STATCOM投入運(yùn)行,直流母線電壓維持;0.5 s時(shí),加入感性負(fù)載擾動(dòng),PCC處電壓發(fā)生下降;0.8 s時(shí),STATCOM投入,PCC處電壓調(diào)整。
圖6為STATCOM裝置直流側(cè)電壓波形。從圖6可以看出,在電壓調(diào)整的整個(gè)過(guò)程中,直流側(cè)電壓始終保持穩(wěn)定。
圖6 STATCOM直流側(cè)電壓調(diào)整波型Fig. 6 STATCOM DC side voltage adjustment waveform
圖7示出了k=0.05時(shí),PCC處電壓調(diào)整和STATCOM輸出電流的波形。從圖7可以看出,0.5 s時(shí),負(fù)荷的波動(dòng)造成PCC處電壓從8.025 kV降到了7.5 kV,下降了6.54%,超出了系統(tǒng)允許的電壓下降范圍(一般為5%)。在0.8 s時(shí),通過(guò)STATCOM下垂調(diào)節(jié),PCC處電壓提升到了7.89 kV;此時(shí)的壓降降到了1.68%,滿足系統(tǒng)要求。
圖7 k=0.05時(shí)PCC電壓和STATCOM輸出電流波型Fig. 7 PCC voltage and STATCOM output current waveform when k=0.05
仿真分析在發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)后,利用不同下垂因子k調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)PCC處電壓的情況。
用不同下垂因子k調(diào)節(jié)后的PCC電壓如圖8所示。圖8中,k1、k2、k3、k4的值分別為0、0.05、0.1、0.15,對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1??梢园l(fā)現(xiàn),在不超出電壓波動(dòng)規(guī)定范圍的情況下,k值越大,允許調(diào)節(jié)后的電壓偏差就越大;STATCOM的調(diào)整范圍越大,輸出的電流越??;k=0時(shí),實(shí)現(xiàn)理想調(diào)節(jié)。
圖8 下垂調(diào)節(jié)前后PCC電壓變化對(duì)比Fig. 8 Comparison of PCC voltage change before and after droop adjustment
表1 不同下垂因子k對(duì)應(yīng)PCC電壓調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)Tab. 1 Related data of different droop factors k corresponding to PCC voltage adjustment
綜上得出,STATCOM 在維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的情況下,還能夠?qū)涣鱾?cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,很好地維持PCC處電壓穩(wěn)定、保證良好的電能質(zhì)量。
仿真條件:1.5 s時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合環(huán)操作,閉合直流側(cè)合環(huán)開(kāi)關(guān)K6;2.5 s時(shí),將1#電源退出供電。
圖9、圖10分別示出了直接合環(huán)過(guò)程與采用無(wú)縫切換策略后直流側(cè)電壓、電流波形。
圖9 不同合環(huán)策略下直流側(cè)電壓對(duì)比圖Fig. 9 Comparison diagram of DC side voltage with different closing strategies
圖10 不同合環(huán)策略下直流側(cè)電流對(duì)比圖Fig. 10 Comparison diagram of DC side current of different closing strategies
圖9、圖10中,Udc1、Idc1和Udc2、Idc2分別表示采用無(wú)縫切換策略合環(huán)和直接合環(huán)時(shí)直流側(cè)電壓、電流。從圖中可以看出,采用無(wú)縫切換合環(huán)策略后,電壓最大波動(dòng)值(標(biāo)幺值表示)由0.012降為0.007,電流波動(dòng)由0.37 kA降為0.18 kA;同時(shí),避免了2.5 s時(shí)由于1#電源退出產(chǎn)生的0.39 kA的電流沖擊,減少了對(duì)合環(huán)裝置的影響。
采用無(wú)縫切換合環(huán)策略后,整個(gè)合環(huán)過(guò)程中直流側(cè)的電壓、電流變化如圖11所示,負(fù)載電壓變化情況如圖12所示。
圖11 合環(huán)過(guò)程直流側(cè)電壓、電流變化情況Fig. 11 Changes of DC side voltage and current during loop-closing
圖12 合環(huán)過(guò)程負(fù)載電壓變化情況Fig. 12 Load voltage variation during loop-closing
分析圖11可知:1.5 s合環(huán)時(shí),由于負(fù)載的增加,直流側(cè)電壓出現(xiàn)了微小的下降,但是很快便恢復(fù)正常;整個(gè)合環(huán)過(guò)程中,合環(huán)電流也不是很大,合環(huán)操作能夠順利完成。
圖12中,ULf表示負(fù)載電壓有效值。從圖12也可以看出,實(shí)現(xiàn)合環(huán)后策略的轉(zhuǎn)換沒(méi)有使負(fù)載電壓發(fā)生較大波動(dòng),負(fù)載電壓基本維持了穩(wěn)定。
綜合圖11、圖12,在2.5 s時(shí):1#電源退出供電;受負(fù)荷擾動(dòng)的影響,直流側(cè)電壓再次出現(xiàn)下降但也很快恢復(fù)正常值;直流側(cè)電流由于1#負(fù)荷電流向STATCOM的轉(zhuǎn)移增大到200 A;但是,負(fù)載電壓的穩(wěn)定沒(méi)有受到影響。
仿真條件:在3.5 s時(shí),對(duì)負(fù)荷進(jìn)行電源的轉(zhuǎn)供電。將1#負(fù)載轉(zhuǎn)為由2#電源供電。
轉(zhuǎn)供電前后直流側(cè)的電壓、電流波動(dòng)情況如圖13所示,負(fù)載電壓變化情況如圖14所示,轉(zhuǎn)供電時(shí)負(fù)載電壓切換過(guò)程如圖15所示。
圖13 負(fù)載轉(zhuǎn)供電過(guò)程的電壓、電流變化情況Fig. 13 Changes of voltage and current during load to power supply
圖14 轉(zhuǎn)供電前后負(fù)載電壓變化情況Fig. 14 Change of load voltage before and after switching power supply
圖15 轉(zhuǎn)供電負(fù)載電壓切換過(guò)程Fig. 15 Switching process of switching power supply load voltage
由圖13可知,直流側(cè)電壓、電流在整個(gè)轉(zhuǎn)供電過(guò)程中未產(chǎn)生很大的波動(dòng)。
由圖14可知,在3.5 s執(zhí)行轉(zhuǎn)供電策略時(shí),負(fù)載電壓發(fā)生了輕微地下降,但是很快順利轉(zhuǎn)供,實(shí)現(xiàn)了2#電源供電;短時(shí)的電壓下降對(duì)負(fù)載的影響很小,因此可以忽略不計(jì)。
圖15示出了在3.48 s~3.62 s時(shí)段,負(fù)載轉(zhuǎn)供電情況下,電壓的平滑切換過(guò)程(以a相為例),其中藍(lán)色線條表示負(fù)載電壓ULa,紅色線條表示負(fù)載額定電壓,橙色線條表示2#電源電壓Us2,a。圖中,在3.5 s后,負(fù)荷實(shí)現(xiàn)了平滑的轉(zhuǎn)供電過(guò)程。
本文針對(duì)10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)提高電能質(zhì)量和供電可靠性的問(wèn)題,提出了利用STATCOM裝置提供無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)電壓并參與系統(tǒng)直流側(cè)合環(huán)的方案。
(1)STATCOM獨(dú)立運(yùn)行時(shí),能夠給系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償——可在發(fā)生負(fù)載擾動(dòng)后,通過(guò)下垂調(diào)節(jié),將PCC電壓波動(dòng)調(diào)整在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。
(2)可以通過(guò)改變控制策略的方式,將STATCOM 用于配電網(wǎng)合環(huán)場(chǎng)景中,從而減小合環(huán)后帶來(lái)的電流波動(dòng)和沖擊,實(shí)現(xiàn)不停電柔性合環(huán)轉(zhuǎn)供電。
(3)正常情況下,STATCOM用來(lái)維持母線電壓;需要合環(huán)時(shí),又可參與合環(huán)。
在配電網(wǎng)運(yùn)行中, STATCOM的充分利用具有工程實(shí)用價(jià)值。