电子调压器下配电网电压协调控制分析

张振华

（国网盐城供电公司，江苏 盐城 224000）

目前，柔性交流传输技术（FACTS）发展迅猛，FACTS 装置静态无功补偿器（SVC）、静态同步串联补偿器（SSSC）、统一潮流控制器（UPFC）等，能够在不间断的调节下，进行电流调节。但是其应用范围多在高压、特高压直流等主电网施工，而在人口稀少的区域，中、低电压配电网则不适合，而在稀疏区域，由于其主要问题是线路阻抗大、压降高，因此，延长配网供电半径是主要目标，这就使得FACTS 装置改善功率分布的能力无法充分发挥，同时PEVR（电子调压器）可以很好地解决以上器件的缺点，使稀配电网的电源范围得到极大扩展。

1 稀疏区域电网的电压控制

由于其经济性好，但其调整结果有一些静态偏差，因此，常规的电力系统中，采用固定电容和可投切电容作为主要电源。本文针对电力电子调压器的特点，采用一种新型电力电子调节器来进行电网的电压调节。

PEVR 是一种用于6 kV、10 kV、35 kV 配电网的调压设备，其能实时地对电压进行反馈，以达到持续调整的目的。其调整范围是基准电压的±10%。

PEVR 串并联侧换流器是用DC 电容连接起来的，其两端都是全控制装置（GTO 或IGBT），利用电压倒相器进行电力补偿。PEVR 并联侧的功能与静态同步补偿器（STATCOM）一样，采用并联变压器将无功电流输入到接入点，从而达到对接入点的无功补偿。PEVR 通过将2 种不同的功能部件组合在一起，使原有单一部件工作状态下的电压调整幅度更大。

因为PEVR 自身不能产生电力，因此，并联侧的有功由并联侧的电力和PEVR 自身装置的有功功率之差通过串、并联侧的DC 电容来完成，同时串、并联侧的无功由串、并联侧的逆变电路完成。控制装置通过对节点电压进行实时监测，并对其进行分析，确定是否对PEVR 进行补偿，通过串、并联侧的内控环路对其进行了处理，再将其反馈给系统。

在0～2π 的区间，PEVR 并联侧等值补偿和串级等值补偿电压的相位角均能得到调整，并将其作为4 个分界的形式体现在电力坐标体系中。尽管调整范围很大，但是由于其是串联的，当出现短路等过流时，很可能会损坏器件，所以在投入使用时必须进行限流控制。

根据PEVR 的构成，在接入网时，会出现2 个接入点，而当接入点进行了电压和相位的补充时，就必须增加1 个新的接入点。因此，采用新的潮流方法进行潮流的求解，改变了电力系统的拓扑，增加了潮流的求解难度。PEVR 可以相当于1 个节点的能量注入模式，而PEVR 调节端的电压调节功能相当于将附加功率输入到2 个连接端。

在不改变原有网络结构的前提下，将功率补偿和潮流计算进行解耦，可以有效地减少计算困难。PEVR 电压协调控制方框如图1 所示，这里Vi是一个结点i 的电压，λ 是1 个容许的电压偏移比例，1 个VN是1 个额定电压。

图1 电压协同控制框图

在系统的控制区，根据负荷、运行状况等信息，判断出实时的电压监测值在安全区间内，以判断PEVR是否在调整过程中起作用。在不允许的情况下，利用PSO 两级控制器对系统进行了最优配置，通过对各节点的电压判断矩阵进行选择，对满足电压安全运行要求的各结点进行额外的增补，而对下级的结构进行了优化。确定最大的有功/无功补偿，也就是PEVR 节点注入的额外电力。在PEVR 并联端，采用了一种无功补偿模式，即在并联端注入无功，并利用优化算法求解各输入端的无功。在串口上，采用了一种电压调节方法，并通过电流方法计算出了该系统的补偿电压的振幅和相位角。而通过对系统的控制级计算，发现该结点的电压在允许值以下，PEVR 将不能正常工作。

2 PEVR 串并联端的控制策略

在偏远区域，新的能源装置、负荷分布较大，且具有逆向分布特性，引入新的能量将导致电力系统中的电压不平衡、谐波等问题。为了获得精确的网相信号，需要使用一种新的锁相环。采用三相正弦波参量与负载侧的实际电压监测值差异，得到了系统的串联电压量，并通过采用该方法来克服电流的差异，从而改善了系统的供电品质。PEVR 并联端子不仅能够实现对DC母线进行的电容降压，而且能够维持其相对的稳压，这是PEVR 串行工作的前提。

2.1 电力系统的基本频率成分抽取

在电网电压畸变时，除了基本频率之外，还存在一定数量的谐波成分，如果用直接锁相方式将所检测到的电网电压进行锁相，则可能会因谐波的影响而影响测量精度。采用复合系数滤波（CCF），将三相电压转换为两相静态阿尔法-β 坐标系，再利用其坐标轴间的互差为90°，从而获得复合系数转移函数，其结果如下：

式中：ω0是带通频率，ωe为常数，是jnmq 频率或n 次谐波；当其是一个恒定的值时，决定了滤波器的频带。在分母取s±jω0+ωe的情况下，就能得到基频的电压成分，并对其进行分析。

利用复数滤波器，能够在选定频率下维持信号的单位增益、零相位偏移，并且在其他频带范围内会有较大衰减，因此，从包含电压失真的谐波成分的网络侧电压中抽取正序50 Hz 的基频成分。通过锁相环，可以获得准确的电网侧电压电流角，将其用于参考输出波形。

CCF 与实系数滤波器相比，既有频率选择性，又有极性选择性，在锁相同步过程中，既能消除谐波干扰，又能有效地消除电网电压的影响。当电力系统电压受到干扰时，系统的电压、相位信息也能准确地反映出来。

2.2 PVR 串联侧的谐波电压检测及补偿

CCF 法提取的50 Hz 的基础频率是三相对称的正弦波，但是由于受不平衡、谐波和电压的下限所影响，所以其基础频率不需要等于所要求的负荷端子电压的幅值，因为在这里要进行一个振幅标准化的过程。首先将基频分量除其有效值进行规范，再经比率运算，得到与线标称值相等、相位与网电压基础频率分量的正弦波段，即负载所需要的电压

PEVR 的串联侧控制方法如下

在图2 中，显示了串联侧的谐波电压补偿控制方框图。该方法是在三相a-b-c 坐标系统中，将从电网电压中提取并进行幅值规范化的目标电压值与负荷端取样的实际电压值进行比较，实现串联端的补偿电压量。

图2 串联端的谐波电压补偿控制方框图

另外，采用差动控制方法，可以对电压凹陷进行补偿。在电网电压下降时，即使没有谐波成分，也要对其进行振幅规范化，这时，负载端目标电压和实际值之间的差异就是50 Hz。该正弦波的振幅是电压瞬变，最后由控制逻辑产生，使得串联端输出一个与电网电压相位相等的同频电压来补偿电网电压。

2.3 PEVR 并联侧矢量控制策略

PEVR 并联侧采用电压电流双环PI 控制，电流内环是由DC 母线的电压设定值和并联侧换流器所产生的无功功率值产生电流基准值，电压外环输出信号Md、Mq被调制后用作转换器。

因为电网侧换流器需要保持DC 电容电压的稳定性，所以它在向量控制中的有功轴电流指令可以用以下方式来表达

在实际应用中，通过对电网的基本频率电压进行锁相，通过θ 坐标转换，获得了旋转坐标系统下的电压Uq=0，因此，在给定了逆变器的无功功率命令后，q 轴的电流基准值通过以下公式得出

如果使电网侧的换流器维持单位的功率因数，也就是要求无功为0，那么

图3 中显示了并联端的控制方框图。利用并联侧换流器的双闭环电压-电流控制，在d-q 坐标系中产生输出电压Md、Mq，然后进行调制，产生换流器切换信号，从而对电网电压进行PWM 整流，从而获得稳定的DC 汇流电容值Udc。并提供了必要的电源通道，以达到串联侧换流器的电压补偿。

图3 并联侧控制方框图

3 IEEE 33 结点算例模拟系统

首先对IEEE33 节点系统进行了模拟和分析，该节点系统的参考电压为12.66 kV，节点电压的安全操作范围为0.95～1.05 p.u.。在节点7、节点16 和节点29中加入了300 kW 的光伏发电系统，OLTC 被连接在系统根节点和节点1 之间，PEVR1 和PEVR2 被分别接入节点7、节点8 和节点26 与节点27，节点13、节点17 和节点31 被合并到CB 中。在此基础上，OLTC 可调至9 档，而中间档则对应于参考电压，可调整至0.95～1.05 p.u.，即调整步长为0.012 5 p.u.；PEVR 串联侧电压可调至参考电压的±10%，并联侧可调至-1 000～1 000 kV；CB 的每个电容具有50 kvar 的容量，3 组投入节点13，节点17 和11 投入4 组（图4）。

图4 对IEEE 33 节点的改善系统

为了更好地发挥该方法的优势，设计了2 种不同的方案，以比较检验节点的电压波动和越界。本文建议等时标间距为1 h，也就是在日调整下每个小时的调整。

常规的调压设备每1 h 进行最优调整，而PEVR则是根据电压的实时监控数据实时调整。

情景1：选取照明强度最高、负载功率平均为11：00～14：00 的时段，在该时段中，对光伏发电功率的随机干扰提高10%，同时负载不变，以模拟光伏系统随机波动时的电压变化（图5）。

图5 场景1 节点16 电压

情景2：选择19：00～22：00，在照明强度低、负载功率最大的时段，随机干扰10%，以模拟负载发生较大的随机变化（图6）。

图6 场景2 节点32 电压

然后，在此基础上，分别探讨了2 种不同的控制方案：一种是不加任何控制，只采用等时间隔的常规电压调节装置，另一种是PEVR 和常规电压调节装置的集成控制。因为节点16 电压远离根结点，并且受到光伏发电量的影响，所以选择了该结点16 电压。

在情景1 中，节点电压用作被讨论的目标；当没有任何措施时，节点32 远离根节点的电压，这些电压基本上都在下限以下，并且受到负载的影响，所以我们把其当作第二个问题。

在没有任何控制的情况下，2 个节点的电压都会受到光伏出力和负载的影响，并且在电压越低的时候，特别是在节点32 的电压。此时的光伏不能发电，而负载正处于峰值，19：00～22：00 的电压都不能满足安全工作的要求。采用常规的调压装置进行控制，可以使电压等级得到一定的改善，但是无法达到每一时间的电压需求。通过对PEVR 与常规调压装置的综合协同控制，发现该系统的电压波动范围减小，电压不会发生过大的越界现象。

本文只使用了常规的电压调节装置和本章所述的电网损耗比较。通过对电网的综合协调，可以看出，电网的有功损失较少。这是因为在PEVR 参与调节之后，降低了电源流量，并提高了结点的电压等级，因此降低了线路损耗。

结果表明，PEVR 参与调节后，OLTC、CB 动作的次数显著低于不参加PEVR 的情况。降低了常规的压力调节装置的工作频率，延长了OLTC，CB 的使用寿命。

4 结论

本文针对我国人口稀少地区中低压配网线路长、负荷分散、波动大、新能源接入分散，非线性负荷造成电网电压下降和谐波含量高的问题，本文采用PEVR技术实现谐波集成。这种新的计算方式不需要在2 个相位的位置上进行运算，不需要变换位置，不需要额外的控制方式来实现复杂的谐振电压。这种方法能统一地体现在负荷侧的谐波和目标电流的差异上，从而有效地避免了电网的谐振和畸变。