一种实现优质电力园区分级供电的协调控制策略

李 科，何 辉，唐 喆

0 引言

随着用电设备的技术更新，特别是数字式自动控制技术与敏感用电设备在国民经济各部门大规模的应用，如变频调速器、可编程逻辑控制器PLC、各种自动生产线及计算机系统等，这些设备在提高生产效率的同时，也对供电可靠性和电能质量提出了更高的要求。微小的电力扰动可能使设备误动作、生产中断甚至会危及系统的安全稳定运行。

作为一种对电能质量问题的总体解决方案，“定制电力”的概念首先由NARAIN G.HINGORANI于1988年提出，它是应用现代电力电子和控制技术为实现电能质量控制及为用户提供特定需要的电力供应技术。

作为定制电力技术应用的一个重要方面，PPP（优质电力园区）的概念在1992年由西屋公司提出，它是指综合利用各种电能质量治理设备为用户提供不同电能质量等级的电力服务，包括基本服务、附加服务和优质服务。

为了实现该服务，PPP拓扑结构的设计及相应供电电源与多PQDs（电能质量装置）的协调显得至关重要。通过对现有PPP拓扑结构及供电电源与PQDs协调性的分析，提出了一种实用的PPP拓扑结构及相应的协调控制策略，并应用PSCAD（电力系统计算机辅助设计）/EMTDC（含直流电磁暂态）仿真验证了所提控制策略的可靠性。

1 PPP实用拓扑结构的提出

自2004年Ghosh.A首次提出了一种小型化的优质电力园区拓扑结构以来[1]，PPP拓扑结构的设计主要集中在总体结构、供电方式、PQDs选择及备用电源的选择上[2-3]。

（1）在总体结构上，主要是通过馈线经过连接有PQDs和备用电源的母线，来给L-1，L-2和L-3类不同电能质量等级需求的负荷供电。

（2）在供电方式上，从双馈线供电发展成三馈线供电，大大提高了供电可靠性，并增加了可选择的电能质量等级。

（3）在PQDs的选择上，其配置原则是针对一种电能质量问题安装特定的电能质量装置来进行治理，如针对母线电压波动，通常安装DSTATCOM（配电网静止无功补偿器）；针对电压暂降或暂升，通常安装DVR（动态电压恢复器）；针对非线性负载，通常安装APF（有源电力滤波器）。

（4）在备用电源的选择上，主要采用柴油发电机，当馈线供电中断时，保证L-2与L-3类负荷的供电可靠性。

在设计PPP拓扑结构时，根据文献[3]提出的基本要求：结合PPP拓扑结构的分析及定制电力装置的实际应用情况，在总体结构、供电方式及备用电源的选择上并没有变化，只是在PQDs选择上，从DVR和UPS（不间断电源）的自身性能、典型应用案例以及现场的调研等方面进行综合比较：

（1）文献[3]规定，对于L-3类负荷，不出现电压中断；基本不出现电压暂降/暂升，或持续时间不超过10 ms。

（2）自身功能上，DVR不能补偿电压跌落超过50%或长时间的电压暂降；UPS从市电中断到恢复供电可以实现零转换，满载时从UPS切换到旁落供电时间小于2 ms。

（3）从应用场合上，DVR主要针对于工业和半导体制造业中的负荷，而UPS适用于智能化各种精密仪器系统，大型电脑网络系统。

（4）通过对典型区域的重要用户，如金融中心、会展中心的IT设备、应急照明的定制、电力治理方案的分析以及对中芯国际半导体制造有限公司的调研发现，通常采用UPS来进行电压暂降的治理。

（5）此处主要是进行仿真，不太关注采用UPS和DVR经济性方面的问题。

（6）综合以上考虑，此处选择用UPS来给L-3类负荷进行供电。

通过对PPP的拓扑结构进行分析，并结合实际应用，忽略一些不重要的方面，设计了一种实用PPP拓扑结构，如图1所示。

图1 实用的PPP拓扑结构

2 协调控制策略的提出

为了实现3种不同电能质量等级的供电以及提高整体的供电可靠性，通过对PPP的协调性分析可知，PPP的协调主要分为配置协调和运行控制协调[4-7]。

配置协调主要考虑的是PQDs和馈线的配置问题，可以分为PQDs的配置协调以及馈线配置协调，其中PQDs的配置协调主要是实现3种不同电能质量等级的供电，馈线配置的协调主要是提高整体的供电可靠性。

运行控制的协调主要考虑的是PQDs、馈线及备用电源安装在何地和何时接入的问题。

通过对已有PPP拓扑结构中协调控制策略的分析可知：已有PPP拓扑结构中的协调控制策略主要是在配置协调上有一些变化，即通过改变PQDs的功能和安装地点达到实现PPP的目的，如通过在DVR的直流侧并联储能装置来增强DVR的补偿性能，或通过APC（有源功率调节器）和UPQC（统一电能质量调节器）来替代DSTATCOM来实现PPP的作用，而对于运行控制协调的改变很少。因此，此处提出的协调控制策略主要通过改变运行控制协调，在配置协调上并没有多大变化，仅通过UPS来代替DVR。

在设计协调控制策略时，不同于原有控制策略只是侧重于PQDs以及备用电源的接入地点，此处着重从PQDs及备用电源的接入时间上，给出了在故障状态以及恢复过程如图2所示的总体协调控制策略和如图3所示的针对L-2与L-3类负荷的协调控制策略。

在图2（a）中，首先检测哪条线路出现了故障及故障情况，当馈线3出现故障并引起电压暂降幅值低于40%或短时供电中断时，联络线TB2进行切换；当馈线2电压低于40%时，TB2不进行切换，TB1进行切换。

在图2（b）中，故障恢复过程中，由于判断故障是发生在馈线2与3之间和馈线1与2之间直接决定联络开关的动作情况，因此，发电机出口电压的判断显得十分重要。当Vmt=0时，说明在故障过程中并没有启动MT，此时馈线2与3之间的协调过程将变得简单；当Vmt=1时，说明故障过程中启动了MT，在协调控制时，必须考虑馈线2与3先后出现供电恢复时，开关的动作情况，为了防止MT的退出对L-3类负荷的影响，在MT退出给L-3类负荷的供电到馈线3恢复供电的暂态过程中，通过UPS来供电，可以减少这种冲击。

由于此处的协调控制策略能够更加清晰的实现3种不同电能质量等级的供电，并且对于L-1类负荷，通过独立馈线供电就可以满足供电需求，因此，在其馈线上出现小于40%的电压暂降或短时供电中断时，联络开关并不会进行切换来维持其供电的连续性。于是，在进行协调控制策略的设计时，首先设计一个针对PPP整体的协调控制策略，其次不考虑L-1类负荷的协调问题，重点针对L-2与L-3类负荷进行设计，如图3（a）、 图 3（b）所示。

在图3中，针对L-3与L-2类负荷分别提出的协调控制策略主要是从实现3种不同电能质量等级供电的角度来考虑的。例如，在故障时，馈线2与馈线3之间的联络开关TB2只有在馈线3电源侧出现小于40%的电压暂降或中断时才进行切换，而馈线2电源侧出现小于40%的电压暂降或中断时TB3不动作，TB31进行闭合；在恢复供电时，假设馈线3先恢复供电，然后馈线2恢复供电。

图2 故障状态及故障恢复的总体协调控制策略

对于L-3类负荷，在正常运行和故障情况下，首先检测出馈线3电源侧的电压，如果出现电压暂降幅值大于0.4，则UPS立即启动进行电压补偿；如果暂降幅值不小于0.4，那么先断开馈线侧的断路器SSCB3，并合上联络开关TB2，再判断馈线3母线的电压Vppp3。当0.9≤Vppp3≤1.1时，则DSTATCOM接入进行电压补偿；当Vppp3=0时，UPS通过检测馈线2的V/f，待同步后，断开L-3负荷侧的开关B3，接入UPS储能环节的开关，此时UPS的储能环节来给L-3类负荷供电，与此同时，MT（燃气轮机）启动，并检测L-3类负荷的V/f，待启动完成后，断开馈线2侧断路器SSCB2以及UPS储能环节开关B31，并合上B3与B4，使MT给L-3类负荷供电。在Vppp3处于其他情况时，先启动UPS，进行电压补偿，当0＜Vppp3＜0.6或Vppp3＞1.1时，由于此时通过馈线2给L-3类负荷供电，因此MT通过检测馈线2电源侧的V/f，待同步后MT投入，通过馈线2和 MT来给L-3类负荷供电。

对于L-3类负荷，在故障恢复过程中，由于L-3类负荷比L-2类负荷更重要，因此只考虑馈线3先恢复供电，然后馈线2恢复。由于并不能确定是从暂降幅值较小的电压暂降恢复还是从短时供电中断中恢复，因此需要检测MT出口端的电压。当Vmt=0时，说明从供电中断恢复，考虑到从MT断开到馈线3的供电恢复有一定时间，此时启动UPS的储能环节，通过UPS检测MT的V/f来实现，待同步后，断TB2、TB3，合TB31来实现；当出现Vmt不等于0时，说明从暂降幅值较小的电压暂降恢复，MT并没有启动。接下来UPS直接检测馈线3电源侧的V/f，待同步后，UPS的储能环节断开，市电电源供电回路接入供电，即断开TB31，合TB3。此后馈线2恢供电，MT通过检测馈线2电源侧的V/f，待同步后，断开B4，合上SSCB2和B5。

对于L-2类负荷，在正常情况和故障过程中，由于只需考虑馈线2电源侧电压在暂降幅值小于0.4或短时供电中断时进行切换，因此针对L-2类负荷的协调控制策略显得很简单。首先检测馈线2电源侧电压，如果出现电压暂降幅值大于0.4，则不进行切换，如果不大于0.4，则进行切换，即断开SSCB2，闭合TB1；其次检测馈线2所连母线的电压，当0.9≤Vppp2≤1.1时，DSTATCOM启动进行电压补偿作用，否则DSTATCOM不动作。在故障恢复过程中，由于此时馈线3并不会给L-2类负荷供电，因此只需检测馈线2电源侧的V/f，当恢复供电时，立刻断开TB1，合上SSCB2。

图3 L-2与L-3类负荷的协调控制策略

3 协调性分析与仿真

协调性分析与仿真基于一种实用的PPP拓扑结构图。为了验证提出的控制策略有效性，重点仿真了在馈线2与3出现供电中断以及恢复过程，仿真条件的假定如表1所示。

表1 不同馈线间协调仿真条件假定

3.1 馈线3供电中断及恢复

当馈线3上出现供电中断时，UPS启动进行电压补偿，同时L-3类负荷切换至由馈线2进行供电，DSTATCOM不接入。当馈线3供电恢复时，断开联络开关TB2，待UPS与市电电源同步后，合上SSCB3，断开UPS的储能供电环节。仿真情况如图4—图6所示。

图4 馈线2电压波形及有效值

通过对比图4、图5可知，当馈线3出现电压中断时，通过TB2的切换，可使VPPP3的电压出现较小的降落；当故障恢复时，仍通过TB2的切换，可使VPPP2与VPPP3的电压恢复正常，从故障切除到VPPP2与VPPP3恢复的时间大约为0.03 s。

通过对比图5、图6可知，当馈线3出现供电中断时，通过UPS的电压补偿作用，在0.03 s的时间可使L-3类负荷侧电压维持恒定；当故障恢复时，尽管开关之间的切换需要时间，但是，UPS仍可使L-3类负荷侧电压在0.03 s的时间内维持恒定。

图5 馈线3电压波形及有效值

图6 L3负荷侧电压波形及有效值

由仿真可知，通过UPS可以迅速地保证L-3类负荷电压的恒定。

3.2 馈线2与3均供电中断及恢复

当馈线2与3均出现供电中断时，微型燃气轮机启动，UPS给L-3类负荷供电；当燃气轮机启动完成后，UPS退出，通过燃气轮机给L-2与L-3类负荷供电。

通过对比图 7—图9可知，0.1～0.2 s时，虽然馈线2与3均出现供电中断，但是L-3负荷侧电压保持不变，在此期间，主要是UPS来保证L-3的供电质量；在0.2～0.3 s时，微型燃气轮机启动完成，给L-2与L-3类负荷供电，馈线2与3以及L-3负荷侧电压都有短暂的冲击；在0.30～0.36 s时，馈线3恢复供电，此时微型燃气轮机专供L-2类负荷供电，馈线2电压明显上升；由于L-3负荷从微型燃气轮机供电切换到馈线供电，因此出现了较大的电压波动；在0.36～0.42 s时，馈线2恢复供电，此时微型燃气轮机退出运行，馈线2电压出现了较大的波动，而馈线3的母线电压和负荷侧电压在0.3 s以后，均采用馈线3供电，因此在0.36 s时没有出现电压波动。

图7 馈线2电压波形及有效值

3.3 馈线2出现供电中断及恢复

通过对比图10、图11可知，在0.1～0.16 s时，由于馈线2供电中断，通过开关TB1切换到馈线1来给L-2类负荷供电，由于开关切换时间在5 ms左右，L-2馈线2的母线电压来不及下降到0，因此，迅速保证了L-2类负荷的供电可靠性；在0.16～0.20 s时，馈线2供电恢复，通过TB1的切换，使馈线2的母线电压恢复正常，从而使L-2类负荷的电压恢复正常。

图8 馈线3电压波形及有效值

图9 L-3负荷侧电压波形及有效值

图10 馈线2电压波形及有效值

图11 馈线1电压波形及有效值

4 结论

通过设计一种PPP实用拓扑结构，提出一种实现PPP分级供电的协调控制策略，并在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行验证，可以得出以下结论：

（1）在拓扑结构的设计方面，通过调研以及比较UPS和DVR性能以及实际应用情况，并结合现有拓扑结构的发展情况，用UPS取代DVR设计了一种新的PPP拓扑结构。

（2）在协调控制策略方面，考虑PQDs和备用电源的接入时间以及馈线2、3之间联络开关的分合条件，提出了一种在故障状态以及恢复过程的总体协调控制策略，降低了协调控制难度。

（3）由于目前国内关于PPP拓扑结构以及协调控制策略的理论研究很少，应用案例也不多，因此，通过设计的实用PPP拓扑结构以及提出的协调控制策略，对今后国内PPP的建设和研究有一定的指导作用。

参考文献：

[1]ALEXANDER DOMIJAN，ALEJANDRO MONTENEGO，ALBERT J F，et al.Custom power devices∶An Interaction Study[J].IEEE Transactions on Power Systems，2005，20（2）∶1111-1118.

[2]梁营玉，刘建政，许杏桃，等.优质电力园区多DFACTS设备协调控制策略[J].电测与仪表，2015，52（24）∶65-73.

[3]优质电力园区供电技术规范：DL/T 1412-2015[S].北京：中国标准出版社，2015.

[4]赵国亮，陈维江，龙云波，等.北京优质电力园区优质供电方案[J].中国电力，2016，49（7）∶60-64.

[5]梁营玉，刘建政，许杏桃，等.优质电力园区多DFACTS设备协调控制策略[J].电测与仪表，2015，52（24）∶65-73.

[6]李科.优质电力园区供电电源与多电能质量装置协调性研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[7]刘阳，肖先勇，刘旭娜，等.考虑用户定量需求的优质电力园区 DVR 优化配置[J].电网技术，2015，39（3）∶823-828.