D-FACTS 装置交互影响分析及协调控制研究

霍群海 韩立博 韦统振 贾东强

（中国科学院电工研究所 北京 100190）

1 引言

D-FACTS 技术（Distribution-Flexible AC Transmission System，又称定制电力技术）可以增强配电系统可控性及灵活性，成为近年来的研究热点。D-FACTS 技术是将现代电力电子技术、现代控制理论、数字信号处理技术、现代通讯技术、计算机技术、储能技术和配电自动化技术等诸多学科技术交叉结合而产生的新一代供用电技术。随着对D-FACTS 技术研究的不断深入，出现了一系列与此相关的电能质量补偿装置：DVR（Dynamic Voltage Restorer，动态电压恢复器）、APF（Active Power Filter,电力有源滤波器）、D-STATCOM（Distribution Static Compensator，配电用静止同步补偿装置）、UPQC（Unified Power Quality Controller,统一电能质量调节器）、UPS（Uninterruptable Power Supply,不间断电源）、SSTS（Solid State Transfer Switch，固态切换开关）等。随着智能电网的发展，用户对电能质量的要求越来越高，并需要进行不同电能质量的分级管理，这将使得D-FACTS 装置得到越来越广泛的应用。为实现区域配电网电能质量的综合治理和实现不同电能质量的分级管理，常常需要多台D-FACTS 装置联合运行，如美国德拉瓦优质电力园区示范项目中就安装了DVR、D-STATCOM、SSTS 等多台 D-FACTS 装置。然而，由于各种D-FACTS 装置工作原理各不相同，它们之间的结合可以扩展彼此的功能，也可能会产生负面的影响。

迄今为止，国内外已有不少学者致力于FACTS控制器间交互影响的研究。D-FACTS 设备的原理、结构与FACTS 设备均相同，功能也相似。因此，D-FACTS 设备控制器间存在负交互影响问题的研究也具有十分重要的意义[1]。近年来越来越多的研究表明，由于各种D-FACTS 装置之间的电气耦合、控制目标的功能重复等原因，单台D-FACTS 装置的多个控制回路之间、多台D-FACTS 装置之间以及D-FACTS 装置与电力系统其它控制设备之间存在一定的负交互影响，并直接影响到供电电能质量。例如，APF 与SVC 联合运行时，SVC 控制器的设计要考虑到APF 的影响，否则系统可能会不稳定[2]。多逆变器并网时，逆变器的交互影响使得系统存在多个谐振频率，给电网的稳定运行和电能质量带来负面影响[3]。配电系统中投入多台配电网静止无功补偿器（DSVC）装置时，多个DSVC 控制器间存在交互影响问题[4]。一旦出现交互影响问题，轻则造成D-FACTS 装置补偿性能减弱，重则造成设备故障或停运，甚至可能是整个系统的崩溃。因此，D-FACTS 装置交互影响及协调控制研究具有重要的实用意义。

2 D-FACTS 装置交互影响及协调控制研究存在的问题

目前，对于D-FACTS 装置的研究是国内外学者研究的热点问题之一。下面分别从研究的对象、内容、方法和应对策略等方面对D-FACTS 装置交互影响及协调控制进行阐述。

研究对象方面，各种基于单台D-FACTS 装置的电能质量解决方案是当前的研究热点[5-10]。配电网中含多台及多种D-FACTS 装置的研究还处于初始阶段，文献[11]仅从经济性角度分析了区域配电网中DVR、D-STATCOM 之间容量的配比；文献[12]则研究了优质电力园区根据电压暂降幅度确定DVR、SSTS 设备的投切运行问题。

研究内容方面，目前国内外学者对输电系统FACTS 装置间及FACTS 装置与系统间的交互影响已有较多研究[13-25]，主要集中在输电网中的机电稳态交互影响、控制模态交互影响以及电磁稳定交互和非线性交互影响等方面[17,18,20,22]。D-FACTS 与FACTS 装置拓扑结构和控制方法相似，但两者控制目标不同，由于分析FACTS 交互影响时通常采用含发电机的机电稳态交互影响模型，而典型配电网中通常不需要考虑发电机模型，因此关于FACTS 交互影响的研究不能照搬到D-FACTS 研究中。

研究方法方面，分析FACTS 交互影响的方法主要有相对增益矩阵法（RGA）、奇异值分解法（SVD）和模态分析法等。这些方法在配电网中 D-FACTS交互影响的分析中也有一些借鉴和应用，其中文献[1]和文献[4]分别采用了RGA 方法、SVD 方法分析了多台无功补偿器之间的交互影响问题，文献[3]采用了RGA 方法分析了多台并网逆变器之间的交互影响，但是上述文献中，配电网静止同步补偿器D-STATCOM 所涉及到的数学建模均建立在其采用直接控制策略的基础上，另外以补偿电压质量问题为目的的动态电压恢复器（DVR）等D-FACTS 装置相关的交互影响分析还鲜见报道，因此需要深入分析比较各种研究方法的适用性，细致分析相关的交互影响机理，给出明确的物理意义。

应对策略方面，国内外对UPQC 装置串联部分和并联部分交互影响的研究已有较多文献论述[26-31]，其两个部分可以通过单个控制电路板实时高速通讯进行协调，因此其仅为D-FACTS 装置间交互影响的一个特例，对于多台D-FACTS 装置交互影响应对策略的研究还不多。配电网中安装多台DVR、APF 等串、并联D-FACTS 装置会较安装单台UPQC 装置更加灵活，便于实现不同电能质量的分级管理。但通常多台D-FACTS 装置间有一定的电气距离，每台D-FACTS 装置配备独立控制板，因此对于UPQC 交互影响的补偿相互关联多变量应对策略不能直接推广到多台D-FACTS 装置交互影响的问题上。

从国内外研究发展现状来看，针对未来配电网中D-FACTS 装置大量应用还存在以下问题需要研究：

（1）目前研究大多针对输电网FACTS 装置交互影响时的问题，未见文献系统地研究多台D-FACTS装置同时接入区域配电网时的交互影响问题。而且，国内外文献对于单台UPQC 串并联单元交互影响问题有较多研究[26-31]，而对于配电网中多台D-FACTS装置间交互影响的研究则较少。

（2）目前，对于配电网中电能质量问题改善策略的研究主要集中在采用单个D-FACTS 装置来改善配电网局部电能质量问题上[5-10]，未能考虑配电网中多台及多种D-FACTS 装置全系统协调配合运行以取得较好控制效果的问题，也未涉及优化配置多台及多种D-FACTS 装置以改善电能质量、降低系统投资成本的研究。

综上所述，目前学界虽然已经认识到D-FACTS交互影响的问题，但还没有合适的分析方法和解决手段。借鉴FACTS 装置交互影响的分析方法，研究多台D-FACTS 装置交互影响机理、协调控制策略及优化配置方法，可以为全系统最优补偿效果设计、最小补偿容量设计、最佳安装位置设计及最低投资成本设计提供设计依据。解决D-FACTS 装置交互影响问题，对推进D-FACTS 装置在配网中的大规模应用具有重要意义。

3 D-FACTS 联合运行交互影响、协调控制及优化配置研究进展

在国家自然科学基金项目《D-FACTS 装置交互影响分析及协调控制研究》和《优质电力园区关键问题研究》支持下，项目组开展了D-FACTS 联合运行交互影响、协调控制及优化配置的研究工作，本节对取得的研究工作进展进行介绍。

3.1 D-FACTS 装置交互影响研究

D-FACTS 装置间的负交互影响是影响系统电能质量控制效果的根本原因。所以，本研究拟从多台D-FACTS 装置间交互影响及其对电力系统的影响入手，考虑多台D-FACTS 装置间补偿量的影响及对电力系统影响的各种因素，建立适当的数学模型，从而得到多台D-FACTS 装置之间及D-FACTS装置与配电网之间相互耦合的数学模型；利用数学模型对典型电能质量问题进行分析，研究其同时进行电压、电流和有功、无功补偿时，彼此之间、D-FACTS 装置与配电网之间的影响，得到在系统工作时影响配电网电能质量问题的各种因素和特征描述，如补偿电压对补偿电流的影响深度、补偿量对系统稳定性的影响等，并与基于仿真软件的电磁仿真结果进行对比。

针对 D-FACTS 交互影响问题，首先从单台D-FACTS 装置出发，分析D-STATCOM 交直流控制回路交互影响机理及D-STATCOM 与电力系统之间交互影响。进而分析系统中多D-FACTS 交互影响问题，取得的进展有：

（1）针对D-FACTS 装置不同控制回路间可能存在的交互影响问题,以配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）为例,建立其交直流控制回路的数学模型。引入相对增益矩阵（RGA）的方法对其交直流控制回路之间存在的静态交互影响进行定量的分析，研究了负载等因素与D-STATCOM 交直流控制回路之间耦合作用的关联机理。并针对某些时变负荷提出了变功率因数策略以避免补偿装置交直流控制回路之间存在的负交互影响。分析了交互影响数据的物理意义，提出了D-STATCOM 交直流控制系统参数设计规则[32]。

（2）针对统一电能质量调节器（UPQC）切换运行模式时引起的小扰动稳定性及动态交互影响问题，建立了包括串、并联变流器控制在内的小信号模型，对比分析了串、并联变流器独立运行以及联合运行时的稳定性及动态性能，并以特征根灵敏度的方法研究了控制参数、负荷等因素与UPQC 运行模式切换时的小扰动稳定性的关联机理。该结论可为UPQC 的参数设计提供部分参考依据，最后提出了可减少串并联变流器与电网之间能量交换、提高串联变流器利用率的新型功率流协调控制策略[33]。

（3）针对在区域性配电网中分散安装补偿装置时，由于参数不匹配等原因引起严重的交互影响问题，以 D-STATCOM为例，建立了电网与D-STATCOM 谐波阻抗模型，并对整个系统电路进行化简，当电网阻抗与D-STATCOM 的参数不匹配时，两者的等效谐波阻抗会在某频率处幅值相近，相位相反，进而会引起串并联谐振，严重威胁系统的稳定性。在分析其产生机理的基础上，提出了相应的解决方案，包括优化控制参数等措施，从而使得两者联合运行时，系统有足够的相位裕度和幅值裕度。最后结合时域仿真对相关结论进行验证，相关的理论推导以及交互影响机理也可以推广至多台D-FACTS 装置联合运行模式的分析中[34]。

3.2 D-FACTS 装置协调控制研究

提出的配电网中多台及多种D-FACTS 装置全系统协调配合问题，难点是不同的D-FACTS 采用的是不同的控制策略，需要区分哪些D-FACTS 装置需要协调、如何协调、控制目标等，首先从单台D-FACTS 装置统一电能质量控制器（UPQC）出发，分析UPQC 串并联部分协调控制机理，进而以电压调节装置和无功调节装置之间、电压调节装置和电流调节装置之间以及电压调节装置与电压调节装置之间的协调控制为目标来分析D-FACTS 装置协调控制问题，取得的进展有：

（1）为改善多D-FACTS 装置联合运行时，出现的成本上升、效率降低和负交互影响等问题，提出一种“先并后串”、“主并支串”新型分散式电能质量调节器（图1）及其无线控制运行策略，分析了其运行原理及分散式电能质量调节器与系统端、负荷端的功率流动关系。该种分散式电能质量调节器主要有两种运行模式：在PCC 母线端电压处于正常范围内时，并联变流器负责补偿负载端所需无功，提高该馈线电网侧的功率因数；而当PCC 母线电压发生跌落时，该馈线负载侧各支路串联变流器开始投入运行，补偿其所在支路敏感负荷端电压。仿真结果表明提出的分散式电能质量调节器有效可行[35]。

（2）在直流母线端带储能单元的UPQC 常规控制中，其串联变流器主要输出有功功率处理电压暂降问题，通常处于待机状态，未得到充分利用。针对所设计的UPQC 结构，提出基于有功环流的功率流协调控制策略，利用串联变流器输出无功功率，分担并联变流器的无功补偿功能。通过分析系统中功率流和有功环流的变化，得到串并联变流器的无功分配策略、串联变流器的复合控制策略和储能单元的补偿策略，实现了UPQC 各单元的协调控制[36]。

图1 新型分散式电能质量调节器Fig.1 The new topology of scattered power quality Conditioner (SPQC) in a distribution network

（3）针对直流母线端无大容量储能的UPQC，提出了一种新型协同运行策略。在电网电压处于正常范围内时，串联变流器以减少电网侧功率因数角度的方式补偿部分无功功率，从而可以减少并联变流器的容量需求。电压深度跌落时，串联变流器始终以注入最大电压的方式减少与并联变流器之间的有功交换，从而可减弱两变流器之间的能量耦合[33]。同时提出了基于新型协同运行策略的容量设计方案，在负荷功率因数角所在的大部分区间内，可有效的减少补偿装置的总容量需求。

若定义参数e为：

其中S′，S 分别表示新型运行策略和传统运行策略所需最小容量，e 表示新型运行策略比传统运行策略所节省的容量百分比,实际上也是函数e 关于负荷功率因数角φ 的数学函数，因此可进一步作出相应的关联示意图如图2 所示。由图2 可以看出，在负荷功率因数角处于 51°时，可减少补偿装置27%的容量需求。

图2 所节省的容量百分比e 与φ关联示意图Fig.2 The relationship between eand φ

（4）为满足动态电压恢复器（DVR）大容量、高可靠性和灵活性的要求，探讨适合多个DVR 装置串联的拓扑结构和控制方法。提出了集中控制方式和分散控制方式，并进一步细分为五种运行模式，其中集中控制方式又细分为按容量比分配、按各自容量限幅分配以及按各自功能分配各自补偿电压的三种运行模式，分散控制方式又细分为均分参考补偿电压和依容量限幅分配参考补偿电压两种运行模式[37]。

（5）为满足D-STATCOM 大容量、高可靠性的要求，借鉴电力系统有功负荷分配的思路和方法，探讨适合多台D-STATCOM 并联补偿的运行模式。以多台D-STATCOM为例，提出了基于等运行损耗微增率的无功功率分配方案，将多台D-STATCOM模块并联运行时参考电流的分配问题转化为损耗的经济分配问题。依照等运行损耗微增率构建方程组，可求得n 台D-STATCOM 应该输出的无功电流参考值。

3.3 D-FACTS 装置优化配置研究

提出的多台及多种D-FACTS 装置优化配置问题，难点是D-FACTS 装置种类较多，功能各不相同，D-FACTS 装置选取和优化配置目标难以设定，项目组采用最小补偿容量设计、最佳安装位置设计及最低投资成本设计为约束条件分析D-FACTS 装置优化配置问题[38-40]，取得的进展有：

（1）针对高渗透下分布式发电配电网系统中的电压质量问题,提出采用配有大容量储能的电压质量调节器（VQC）进行改善。通过分析含有 VQC的高渗透分布式发电系统的功率流模型,确定VQC的使用环境。通过分析VQC 在直流侧储能存在与否两种情况下的能量需求,确定VQC 串并联容量的计算方法。针对所提出的优化配置的数学模型和约束条件,提出了基于遗传算法的VQC 优化配置策略,实现了VQC 串并联容量的合理分配,有效地解决了相关电压质量问题[38]。

（2）在电力系统中安装DVR，需要确定安装容量及位置，考虑的因素有配电网拓扑结构、负荷特性、线路阻抗参数等。DVR 储能单元成本高，且与容量正相关，通过合理配置，可以减少DVR 总容量，进而降低DVR 配置总成本。建立了含多台DVR的配电网简化模型，分析了不同位置DVR 安装容量需求。以各敏感负载工作电压范围为约束条件，以DVR 总容量为目标函数，基于遗传算法提出了配电网中多台DVR 的优化配置策略，在保障所有负载正常工作的同时，实现了配电网中DVR 总容量最小的优化配置目标。最后，选取了典型算例，对提出的优化配置策略在配电网中的应用进行了研究[39]。

（3）基于DVR、D-STATCOM 和典型配电网系统模型，分析了同一网络中多台DVR、D-STATCOM协同工作数量关系，为在多台多类D-FACTS 装置在配电网中的优化配置提供依据。基于遗传算法，给出了电压暂降时DVR、D-STATCOM 容量的计算方法，考虑各类装置的单位成本，提出了配电网中多台DVR 和D-STATCOM 在电压暂降时的优化配置策略。

为验证所提出的配电网中D-FACTS 装置配置方法的有效性及经济性，采用IEEE 14 节点配电网络进行仿真验证。算例分析结果表明该策略简单易行、切实有效，可为多台D-FACTS 装置在配电网中的优化配置应用提供理论与技术支持[40]。

4 未来工作展望

论文虽然从多台D-FACTS 装置间交互影响的作用机理、协调控制策略及优化配置方法三个方面开展了相关研究工作，由于时间和实验条件限制，研究过程中主要以串并联变流器共用直流母线（UPQC）、串并联补偿器不共用直流母线等较为简单的拓扑为基础，分别对相关的特性进行研究，在此基础上，还存在一些研究工作有待完善。

（1）主要以安装于主馈线上的D-STATCOM为例，采用谐波阻抗模型法分析了D-STATCOM 与电网之间的交互影响，可以在此基础上研究区域性配电网中安装于不同主馈线或者支路上的多台D-FACTS 装置之间的交互影响问题及解决方案。

（2）主要以自带大功率储能和不带大功率储能的“前串后并”式UPQC为例，采用矢量图的方法研究了串联变流器与并联变流器的协调控制问题，在此基础上，可以研究“前并后串”式UPQC 的协调控制或者其他相关特性问题。

（3）主要以节点较少的区域性配电网为基础，研究了DVR 与D-STATCOM 的优化配置问题，其约束条件与优化目标较为简单，可在此基础上研究节点数较多、补偿装置种类较多的复杂配电网的多D-FACTS 优化配置问题，也可以增加约束条件，例如其余的经济、技术指标等，也可以根据现场实际情况增加目标函数，例如运行成本、效率等因素。

5 总结

本文主要针对区域性配电网多台D-FACTS 装置联合运行开展的研究工作进行了综述，主要内容如下：

（1）针对区域性配电网中D-FACTS 装置相关的交互影响问题，以安装于主馈线上的D-STATCOM为例，采用谐波阻抗法分析了其与电网阻抗之间的交互影响，并提出了相应的解决方案。以UPQC为例，建立了包含其固有参数、控制参数在内的状态空间模型，分析了各参数对系统稳定性的影响。

（2）针对多台D-FACTS 装置间协调控制研究时，对区域性配电网中共用直流母线的串并联变流器联合补偿问题，以自带和不带大功率储能的UPQC为例，研究了两者之间的协调控制问题，针对所设计的带大功率储能UPQC 结构，提出基于有功环流的功率流协调控制策略。针对不带大功率储能的UPQC 结构，提出了基于新型协同运行策略的容量设计方案。针对大容量场合下多台 D-FACTS装置联合运行的问题，以多台DVR 串联补偿为例提出了集中控制方式和分散控制方式。

（3）针对配电网中各台D-FACTS 装置容量未经充分优化的问题，分别以区域性配电网中只安装DVR、同时安装DVR 与D-STATCOM为例，建立了包含上述D-FACTS 装置的配电网简化模型，分析了不同位置D-FACTS 安装容量需求。以节点电压等因素为约束条件，以总成本为目标函数，基于遗传算法，提出了配电网中多台D-FACTS 的优化配置策略。

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