配电网电能质量治理设备协调控制研究

王昕扬

（上海电力大学，上海 201306）

引言

随着电动汽车技术的改进，对于电能质量的要求向多元化和差异化发展，电能质量问题的复杂性也因此增加。为了满足用户电能质量的需求，往往采用多种电能质量治理装置综合治理配电网电能质量[1-2]。

随着各类电能质量治理装置的接入，由于各电能质量调节装置种类不同，响应速度不同，各装置之间的调控目标可能会相互影响，从而使动态性能下降。因此，需要采用主动的控制手段协调各个设备的输出和动作，以防止电能质量调制效果不佳[3]。

为了避免配电网中各电能质量治理设备相互干扰，文中综合考虑解决配电网谐波畸变和高低电压等常见电能质量问题，依据电网参数和配电网运行情况，基于基波和谐波潮流计算各控制节点对被控节点的谐波灵敏度和电压-无功灵敏度，以各APF 和SVG 为中心划分其影响区域，以区域内被控节点为目标，针对性计算各控制节点的协调系数，从而实现APF 和SVG 的协调运行。

1 电能质量治理装置的控制策略分析

按照电能质量扰动现象的特征，电能质量问题被分成连续型和事件型两类。连续型是指在较长的时间范围内持续的不在正常状况的现象，主要包括电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电网谐波、电压波动和闪变等[4-5]，是文中主要考虑的电能质量问题。处理这类问题的电能质量治理设备主要有APF 和SVG。

1.1 多 APF 装置并联

对于多台APF 的并联，共用电流互感器检测负载电流。

式中，ici为各台APF 输出电流，iLh为负载电流中的谐波成分，iL1为负载电流中的基波成分。

设若每台APF 输出电流都能完美跟踪指令电流，即

式中，SAPFi为各台 APF 额定容量，SAPF为总额定容量。

由上述可知，给每个APF 按容量比重分派任务。若有APF 故障或加入新的APF，只要即时更换均流系数即可。

将各台APF 的均流系数传递给各APF 模块，则有指令电流为上文所述弥补直流电压有功损耗的有功电流）。该方法扩展能力强，系统维护替换方便，较集中控制更为方便，可以满足不同的容量需求[6]。

1.2 APF 和SVG 装置的协调运行

根据上述APF 的并联运行，可在APF 和SVG 的控制器中的指令生成模块增加一个协调系数KD，可以通过协调系数KD进一步协调分配各APF 和SVG 的输出谐波和无功。该系数的大小取决于各控制节点对被控节点的灵敏度指标，从而使各APF 和SVG 在全局进行协调运行。

2 灵敏度指标

在配电网具有谐波源的情况下，将生成基波潮流和各次谐波潮流。谐波潮流是经由非线性负荷的基波潮流变换而成的，在所有潮流中占比很小，且与基波潮流相互耦合。谐波潮流的改变会影响基波功率，而基波潮流的变化对谐波潮流的作用更大。

谐波潮流等式约束如下[7]：

在计算基波潮流时由于谐波的作用，主要为对各节点产生的k 次谐波功率，即

式中 Pi、Qi为节点 i 总有功及无功功率为节点i 的基波有功及无功功率为节点 i 的 k 次谐波有功及无功功率。

基于谐波电压对谐波电流的作用，谐波源的注入电流可以根据节点基波电压和谐波源特性得到：

由于谐波参数基本不变，各谐波源节点的谐波电流与节点基波电压幅值成比例，当节点基波电压变化时，各谐波源节点的谐波电流也相应改变。由此可以通过上述公式（3.2）和（3.3）表现基波与谐波的相互作用。

配电网中的无功主要与各节点电压大小有关，且J矩阵中的各元素很小，可简化得：

将系数L 转换为节点导纳矩阵的形式：

B 为配电网的导纳阵[8]。

定义任一被控节点i 的节点电压Ui对SVG 控制节点j 处输出无功功率Qj的电压-无功灵敏度：

由电压-无功灵敏度可以大致得到SVG 注入无功电流时，各节点基波电压的变化情况。

由式（3.1），任一节点i 的h 次谐波电压对控制节点j处h 次谐波注入电流的谐波灵敏度为

则由谐波灵敏度可知，当APF 注入谐波电流时，各节点谐波电压的情况。

3 控制策略设计

配电网电能质量设备的协调控制，主要由监控主站，区域协调控制器和本地控制器构成，具体过程如下：

图1 控制流程

（1）计算各控制节点电能质量治理装置参数对各被控节点参数的灵敏度，即SVG 控制节点注入无功对各被控节点电压的电压-无功灵敏度和APF 控制节点注入谐波电流对各被控节点谐波电压的谐波灵敏度。

（2）根据控制节点装置容量和被控节点灵敏度等指标综合考虑发生扰动时的各控制节点配置。对于APF，协调系数为各控制节点对该被控节点的谐波灵敏度与总谐波灵敏度之比；对于SVG，协调系数为各控制节点对该被控节点的电压-无功灵敏度与总电压-无功灵敏度之比；对于APF 和SVG，先忽略不同类控制节点相互之间的影响，根据上述只有一类控制节点时的分配方法配置SVG参数，再根据各被控节点对控制节点的电压-无功灵敏度、谐波灵敏度和Kin（谐波电流与节点基波电压之比）计算APF 的协调系数。

（3）监控主站实时监测各节点支路电流畸变率和电压波动，基于各被控节点灵敏度指标计算各控制节点的协调系数，对各区域控制节点参数进行进一步优化配置。控制节点参数由区域控制器发送到各本地控制器。当区域协调控制器故障时，本地控制器基于下一条线路参数得到补偿电流，协调系数置为1，转发给控制节点。

4 仿真验证

文中以文献[9]的仿真算例为基础，形成如图2 所示15 节点配电网。分别在节点3、11、14 接谐波源，在节点5、9、13 接无功负荷。同时在节点 2、14 安装 APF，在节点5 安装 SVG。当 SVG 和 APF 自行调节时，节点 2、3、4、5、8、13、14 的电能质量指标如表1 所示。协调运行的各节点电能质量指标如表2 所示。

图2 15 节点配电网网络拓扑图

表1 优化前实验结果

表2 优化后实验结果

由表1、表2 数据可知，协调运行后在牺牲电流畸变率的情况下，电压波动范围得到改善，在应用时需要有所取舍。

6 结束语

文中通过监控主站的实时监测，基于各控制节点的灵敏度指标通过区域协调控制器设置协调系数，本地控制器基于协调系数调节各控制节点。从仿真结果来看，对于调节效果需要作出一定的取舍，进行进一步改善。在控制过程中，仅考虑了APF 和SVG 的谐波补偿和无功补偿能力，实际上两类装置都兼具更多功能，因此可以在更多方面进行配合协调控制。