含分布式电源的低压配电网串补双向调压仿真系统设计

仉志华，田咏桃，冯兴田，董浩东

（1.中国石油大学（华东） 新能源学院，山东 青岛 266580；2.中国石油大学（华东） 理学院，山东 青岛 266580）

随着社会经济与科学技术的不断发展，敏感用电设备的应用越来越多，对电能质量提出了更高要求。电压波动是衡量电能质量的重要指标之一，《电能质量 供电电压偏差》规定，220 V 单相供电电压偏差为标称电压的-10%～7%[1]，但传统配电网建设薄弱，尤其低压配电网中存在大量供电半径大、线径小且供电容量不足的区域。随着负荷量的不断增加，低电压问题日益突出[2]。近年来，随着大量分布式电源通过低压侧接入，受其出力间歇性与随机性的影响，低压负荷侧的电压波动更为严重，已成为业界普遍关注的问题[3]。针对低压负荷侧稳压的方法较多[2]，主要包括振荡调节、无功补偿、负荷切换调整、变压器分接头调整等措施，但传统方法在调节连续性、实时性等方面，难以满足含分布式电源的低压配电网（简称低压有源配电网）中电压双向快速调节的需求。近年来，基于串联补偿原理与先进电力电子技术的负荷侧电压双向调控技术成为研究与应用的热点[4]。例如，英国的Green&Blue 公司已建设了多个工程试点；2019 年，亚洲电能质量联盟与中国电源技术学会联合国内多家高校、生产厂家与企业用户，着手组织制定该方面的团体标准。该技术已成为未来负荷侧智能稳压措施的主要发展方向。

“新工科”教育对于人才培养提出了新要求。2016 年，教育部印发了《关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》，明确指出学科专业结构和人才培养类型结构应更加适应国家和区域经济社会发展需要，以支撑“新工科”背景下创新驱动发展战略和服务经济社会发展导向[5-7]，并于2017 年先后形成了“复旦共识”“天大行动”与“北京指南”。为有效落实从学习知识向能力培养转变的“新工科”教育改革理念，结合科研体会与教学经验，综合考虑现实需求与技术发展，本文以低压有源配电网串补双向调压为内容设计仿真分析系统。该仿真系统融合了电气相关专业课程以及Matlab 仿真软件知识，研、教、学相融合，以问题为导向，有效践行“新工科”教育改革理念，系统培养了学生分析和解决问题的能力，实践效果良好。

1 串联补偿稳压技术实现原理

串联补偿系统的构成如图1 所示。L 与N 为装置的输入侧，由市电供给；L’与N’为装置的输出侧，为负荷供电；输入与输出侧的电压分别为和二者之间满足如下关系：

图1 串联补偿稳压技术实现原理

电压变换环节是产生补偿电压的关键，考虑实现经济性，可直接采用脉宽调制交流斩波调压方法。调节原理如图2 所示，根据输入电压与标称电压之间的差值，自动调节脉冲宽度即可实现对交流输出电压幅值的调节[8-12]。

图2 交流斩波脉宽调制原理

2 串联补偿稳压技术仿真实验系统设计

基于PSCAD 仿真软件搭建含分布式电源的低压配电网及其调压系统仿真模型，仿真系统主电路及其相关参数如图3 所示。该系统包括3 条低压出线，其中一条出线安装串联补偿稳压装置。在该装置中，T1控制串联斩波开关，T2 控制续流器件，开关频率均为2 kHz，死区时间为1 μs。T7 与T8 控制双向调压选择开关，升压时，T7 为高电平，T8 为低电平，通过耦合变压器叠加到线路上的电压与系统电压相位一致，起到升压的作用；降压时，T8 为高电平，T7 为低电平，通过耦合变压器叠加到线路上的电压与系统电压相位相反，起到降压的作用。

控制回路如图4 所示。三角波频率设为2 kHz；整体采用PI 控制方法，其中KP=1，Ti=0.005 s。E20为补偿后的负荷侧电压；在调节过程中，E20 与设定的负荷侧额定电压作差之后进行PI 调节。斩波电路的输出与输入存在占空比D 倍的关系，调节占空比就能控制输出电压大小；经PI 调节后的补偿值与斩波输入电压相比，得到占空比D，与峰值为1 的三角波进行比较，即可得到T1 和T2 所需的PWM 脉冲控制信号，进而控制T7 与T8 得到所需的补偿电压。按照《电能质量 供电电压偏差》规定，220 V 单相供电电压偏差为标称电压的-10%～7%；设定该调节系统的补偿电压的偏差范围为（-40%～30%）Un，则对应的补偿装置调整范围与策略如表1 所示。

图3 串联补偿调压仿真系统主电路

图4 串联补偿调压仿真系统控制回路

表1 补偿装置调整范围与策略

3 仿真结果分析

3.1 负荷波动时的调节效果

在1.5 s 时投入0.06 MW+j 0.04 MVar 的负荷量，输入端电压E1降低至0.1591 kV，自动产生补偿电压E3为0.0528 kV，补偿后的输出电压E2为0.2116 kV；在2.5 s 时继续投入0.02 MW+j 0.01 MVar 的负荷量之后，E2变为0.201 kV，但依然处于标准规定的范围之内，故补偿装置不予继续调节；在4 s 时将后者负荷切除，电压依然合格。电压E1—E3的瞬时值波形与有效值波形分别如图5 与图6 所示，表明了负荷侧电压波动时串联补偿系统的稳压效果良好。

图5 负荷波动情况下的瞬时电压关系

图6 负荷波动情况下的电压有效值变化

3.2 输入侧电压波动时的调节效果

在1.5 s 时在低压母线上投入0.13 MW+j 0.08 MVar的负荷，系统电压降为U1=0.1641 kV，补偿电压为0.0566 kV，补偿后的输出电压为0.2204 kV；电压E1—E3的瞬时值波形与有效值波形分别如图7 与图8 所示；仿真结果说明，系统侧电压波动时依然能够达到理想的串联补偿效果。

3.3 分布式电源出力变化后的调节效果

利用恒流源模拟光伏等分布式电源，构建有源低压配电网。系统稳态运行时负荷侧电压为0.2143 kV，在1 s 时，通过负荷侧加入550 A 的恒流源，负荷侧电压上升为0.245 kV，自动串联补偿后负荷侧电压变为0.2153 kV。电压E1—E3的瞬时值波形与有效值波形分别如图9 与图10 所示。仿真结果表明，分布式电源出力导致负荷侧电压升高时，通过串联补偿调压依然能够达到理想的稳压效果。

图7 系统电压波动情况下的瞬时电压关系

图8 系统电压波动情况下的电压有效值变化

图9 分布式电源导致负荷侧电压升高情况下的瞬时电压关系

图10 分布式电源导致负荷侧电压升高时的电压有效值变化

4 结论

针对冲击负荷与分布式电源接入对低压配电网电压波动的影响，分析了基于交流斩波技术的串联补偿稳压实现原理，基于PSCAD 仿真软件搭建了含分布式电源的低压配电网仿真模型，并针对负荷侧扰动、系统侧扰动以及分布式电源扰动场景下的稳压效果进行了仿真分析，证明了该方法的有效性。本研究得到的主要结论如下：

（1）含光伏的低压配电网电压波动严重的现象已成为供需双方关注的问题，而基于电力电子技术与串联补偿原理的稳压方法，是有效的解决途径；且目前已有相关的应用产品与示范工程，但在教学过程中尚未体现出来。立足电气专业学生的知识结构，从实际问题需求出发提炼关键技术，能够真正将培养学生解决复杂工程问题落到实处。

（2）该仿真系统融合了电力电子技术、电力工程、计算机控制技术、电力系统分析等电气专业课程以及PSCAD 仿真软件知识，将原有的知识点通过仿真实验环节串联成为知识面，形成完善的知识架构，有助于学生对相关专业知识的理解。

（3）该仿真系统应用于学生的锻炼与培养，可真正实现研学一体化；而且，实践过程中以问题为导向，系统培养了学生分析和解决问题的能力，能够有效落实本专业从学习知识向能力培养转变的“新工科”教育改革理念。