交直流主動配電網多無功源協調的電壓控制策略

趙涌泉，于汀，韓巍，蒲天驕，黃仁樂，穆云飛

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192；2.智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072；3.四川大學電氣信息學院，成都市 610065；4.國網北京市電力公司，北京市100031)

交直流主動配電網多無功源協調的電壓控制策略

趙涌泉1,2，于汀1,3，韓巍1，蒲天驕1，黃仁樂4，穆云飛2

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192；2.智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072；3.四川大學電氣信息學院，成都市 610065；4.國網北京市電力公司，北京市100031)

為解決分布式電源高滲透率的交直流主動配電網因分布式電源出力波動及負荷變化等造成的電壓越限問題，提出了利用柔性直流裝置、分布式電源及離散無功設備等多無功源構建的主動配電網電壓控制策略。將配電網電壓運行狀態劃分為3種：(1)正常狀態下進行全局優化，通過離散無功設備的靜態無功功率置換出柔性直流裝置的動態無功功率，提高配電網動態無功儲備容量；(2)預警狀態下通過多無功源就地控制與集中控制相互協調，實現輕度電壓越限節點的校正控制；(3)緊急狀態下利用柔性直流裝置對電壓越限節點快速緊急支援，實現配電網過渡到預警狀態或恢復到正常狀態。利用IEEE 33節點系統進行了仿真和實驗驗證，仿真和實驗結果表明該策略提高了系統的動態無功儲備容量，實現了配電網電壓的有效控制。

主動配電網；交直流電網；柔性直流互聯；電壓控制；多無功源；協調控制策略

0 引 言

環境污染和能源危機已經成為世界各國所關注的問題，新能源產業以此為契機而得到快速發展[1-3]。隨著市場的開放，分布式電源(distributed generation，DG)在配電網中滲透率逐漸提高，給配電網帶來巨大技術與環境效益的同時，也對配電網的電壓和電能質量造成了影響[4-5]。分布式電源出力受氣象條件的制約，具有較強的隨機性和波動性[5-6]，分布式電源的出力波動以及配電網負荷變化會造成配電網內某些節點電壓波動甚至越限，影響供電電能質量。

基于電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流互聯系統[7]能夠實現有功功率和無功功率的解耦控制，動態支撐能力強。通過背靠背VSC，將多個交流系統互聯構成交直流主動配電網，是提升高滲透率分布式電源在配電網中消納水平的有效途徑[8-10]。VSC換流站在交直流主動配電網系統中調節容量大，具備良好的動態電壓無功支撐能力[11-12]。柔性直流研究方面，文獻[13]驗證了多端柔性直流連接多個風電場及無源負荷的可行性和優越性，文獻[14]對特高壓交直流混合電網協調自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)策略進行了分析，并在4種典型調壓場景下驗證了策略有效性，文獻[15]提出了直流輸電系統無功控制的目的、功能和控制模式。上述文獻從不同角度研究了柔性直流的控制方式，但基本圍繞特高壓交直流電網或大型風電場并網。配電網電壓控制方面，文獻[16-17]分別提出參與AVC調節的靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)電壓控制策略及光伏作為分布式電源參與配電網電壓控制的方法，文獻[18]提出一種基于電壓控制設備響應速度的分層、分階段電壓協調控制框架，提出了DG與STATCOM協調配合的兩階段分區配合電壓控制策略。目前針對配電網電壓控制策略的研究中，挖掘柔性直流裝置的無功能力并利用其作為電壓無功控制手段參與配電網多無功源協調控制的研究較為少見。

柔性直流互聯以及分布式電源的高滲透率接入為主動配電網引入了新的電壓問題并且提供了新特性的可控無功源，如何利用VSC換流站、分布式電源以及離散無功設備的各自無功能力和相互協調關系，實現主動配電網的快速、可靠電壓控制，成為本文關注的焦點以及核心研究問題。本文以分布式電源高滲透率的交直流主動配電網為背景，綜合考慮VSC換流站、DG及原配電網中離散無功設備的電壓無功調節能力，研究綜合協調的電壓優化控制策略。將交直流主動配電網的電壓水平劃分為正常、預警和緊急三種運行狀態，根據不同運行狀態設計相應控制策略，分別實現正常狀態下動態無功儲備容量優化、預警狀態下電壓水平校正控制以及緊急狀態下電壓快速支撐控制，并通過算例仿真驗證控制策略的正確性。

1 交直流主動配電網電壓控制模式

本文根據配電網內各節點電壓所處范圍，將配電網電壓水平劃分為3種狀態：(1)各節點電壓滿足0.95 pu≤Ui≤1.05 pu，配電網電壓處于正常狀態；(2)節點電壓處于0.9 pu≤Ui≤0.95 pu或1.05 pu≤Ui≤1.1 pu，則進入預警狀態；(3)配電網內電壓偏離最嚴重的節點滿足Ui≤0.9 pu或Ui≥1.1 pu，則進入緊急狀態[16]。

交直流主動配電網的電壓控制是根據當前電壓水平所處的狀態，采取相應的控制策略調節各無功源的出力，如圖1所示。

圖1 配電網電壓控制策略Fig.1 Voltage control strategy of distribution network

當配電網電壓處于正常狀態時，進行全局優化控制，通過投入離散無功源，置換出VSC換流站的無功功率，從而提高配電網動態無功儲備容量，保障配電網對未來可能出現的電壓問題的快速響應能力。

當DG出力波動或負荷變化導致配電網某節點電壓輕度越限時進入預警狀態。當越限節點為DG接入點時，DG就地控制策略由恒功率因數控制迅速轉為恒電壓控制，調節自身無功出力校正接入點電壓。若就地控制下的DG無功輸出達到上限仍未使接入點電壓回到正常狀態，或電壓越限發生在缺乏無功源支撐的負荷節點，配電網實施集中控制策略，調動全網無功設備，對仍處于預警狀態的節點進行控制。

集中控制策略采用電壓無功靈敏度算法，以區域內各無功電源出力調節量之和最小為目標，以配電網各節點電壓回到正常狀態為約束，制定各無功源的調節量。預警狀態下的集中就地協調控制策略，能夠快速、全面對電壓輕度越限節點實施控制，使配電網電壓水平回到正常狀態。

當DG出力或負荷水平突然變化，或配電網發生故障時，配電網某節點電壓偏離嚴重進入緊急狀態。緊急狀態下，VSC換流站根據越限節點電壓偏離程度，由節點間電壓靈敏度關系確定換流站交流側目標電壓，進而通過快速調整VSC換流站的無功功率，調節換流站交流側電壓從而對越限節點起到快速支撐控制的作用，使越限節點電壓水平過渡到預警狀態或直接恢復到正常狀態。緊急狀態的控制策略充分利用VSC換流站無功容量大、調節速度快的優勢，實現電壓越限節點的快速緊急控制，保證配電網連續供電。

值得注意的是，主動配電網通過柔性直流互聯與其他配電網建立聯系，在規劃運行一體化的建設思路下，柔性直流連接點的位置選取應充分考慮主動配電網區域內各節點電壓分布特性、VSC換流站無功容量及有效電壓支撐范圍。VSC換流站的有效電壓支撐范圍應完全覆蓋易出現電壓越限的節點，如果主動配電網范圍廣、饋線長、節點多，VSC換流站電壓支撐范圍有限，不能覆蓋所有上述節點，需要在這些節點加裝額外的無功補償設備，否則會造成某個節點因與VSC換流站之間靈敏度關系較小而電壓控制失效的問題。

2 正常狀態下的控制策略

正常狀態下配電網內各節點電壓合格，此時周期地進行全局優化控制，通過適量投入離散無功設備，置換柔性直流裝置等連續無功源的無功功率，提高配電網的動態無功儲備裕度。

在正常狀態下，需綜合節點電壓水平、分布式電源無功出力、電容器投退狀態以及VSC換流站的無功出力，以提高柔性直流裝置的動態無功儲備裕度為目標，優化配電網各無功源的出力水平，調整過程中需保證各節點電壓在安全范圍內，無功源出力不超出上下限。

2.1 目標函數

正常狀態下全局優化控制策略以提高柔性直流裝置的動態無功儲備裕度為目標函數，即

(1)

式中：QVSC是VSC換流站調整后的無功功率；QVSC,set是VSC換流站的無功出力設定值；QVSC,max是VSC換流站的無功容量。

2.2 等式約束

等式約束為配電網的潮流約束，數學表達式為：

(2)

(3)

式中：PGi是節點i處有功電源注入有功功率；PLi是節點i處有功負荷；Gij和Bij分別是支路i-j的電導和電納；QGi是節點i處無功電源注入無功功率；QLi是節點i處無功負荷。

2.3 不等式約束

不等式約束包括各無功源的無功出力上下限以及各節點電壓的安全范圍，即：

QGimin≤QGi≤QGimax

(4)

Uimin≤Ui≤Uimax

(5)

式中：QGimin為節點i處無功源注入無功功率最小值；QGimax是節點i處無功源注入無功功率最大值；Ui為節點i處的電壓值；Uimin為節點i處的電壓最小值，此處取0.95 pu；Uimax是節點i處的電壓最大值，此處取1.05 pu。

正常狀態下的控制策略的數學模型屬于非線性規劃問題，采用內點法可以實現模型的快速準確求解[13]。

3 預警狀態下的控制策略

分布式電源高滲透率的交直流主動配電網電壓水平受分布式電源波動影響較大，且10 kV配電網處于電力系統末端，負荷的變化對電壓的影響也非常明顯。當配電網中某節點電壓輕度越限，即0.9 pu≤Ui≤0.95 pu或1.05 pu≤Ui≤1.1 pu時，配電網進入預警狀態，采用預警狀態下的電壓水平校正控制策略。

含分布式電源的交直流配電網區域內，電壓輕度越限會發生在以下3類節點：VSC連接點、DG接入點及純負荷節點。當VSC接入點發生電壓輕度越限時，VSC通過調整換流站交流側無功功率，校正接入點電壓。當DG接入點發生電壓輕度越限時，DG就地控制策略由正常狀態下的恒功率因數控制迅速轉為恒電壓控制，利用DG的無功能力調節接入點電壓。當純負荷節點發生電壓輕度越限時，節點因缺乏就地控制設備而不能對節點電壓偏離做出調整。

為解決就地控制下DG接入點電壓控制能力弱(分散接入DG無功容量較小)或純負荷節點無電壓控制能力的問題，就地控制之后，集中控制將集中配電網區域內各無功源的電壓調節能力，采用電壓無功靈敏度算法[19]，對仍處于輕度越限的節點電壓實施校正控制。

預警狀態下集中控制策略的目標函數為配電網內各無功源輸出調整量最小，即

(6)

式中ΔQi是集中控制前后節點i處的無功源輸出調整量。

預警狀態下集中控制策略的等式約束和不等式約束與正常狀態相同，為系統潮流約束、無功源出力限制以及各節點電壓安全范圍約束。優化模型為非線性規劃，同樣采用內點法求解。

4 緊急狀態下的控制策略

當配電網內分布式電源或負荷突然增減，或故障情況發生時，配電網電壓將發生劇烈變化，進入緊急狀態。VSC換流站無功儲備容量大，調節速度快，在優先保證VSC換流站交流母線電壓合格的原則下，由越限節點電壓偏離程度及越限節點與換流站交流母線的電壓變化靈敏度確定換流站交流母線電壓調整量，再由交流母線電壓變化量與VSC無功調節量關系確定VSC換流站的無功調節量，通過對VSC換流站的無功功率進行控制，使得越限節點的電壓得到快速恢復。VSC換流站無功功率調節量計算過程如下。

(1)由文獻[20]所提節點間電壓變化靈敏度計算方法，計算緊急狀態下電壓越限節點i對VSC連接點電壓變化靈敏度λiVSC。

(2)根據式(7)確定VSC連接點電壓調節量

(7)

式中：ΔUVSC為緊急控制前后VSC連接點電壓調節量；UiX為越限節點i的當前電壓；UiN為越限節點i緊急控制后的電壓目標值，且有

(8)

(3)根據式(9)得到VSC換流站的無功功率調節量

ΔQVSC≈ΔUVSCSc

(9)

式中：ΔQVSC為VSC換流站無功功率調節量；Sc為換流站短路容量。

緊急狀態下的電壓快速支撐控制，可以有效提高區域內緊急狀態下的配電網電壓水平，減小因故障或分布式電源、負荷突然變化引起的電壓越限問題。

5 算例驗證

為了驗證本文所提控制策略的有效性，基于IEEE 33節點配電系統[21]，在節點28處通過VSC直流互聯裝置與外部配電網合環運行，并在節點8、14、16、17、32接入DG，在節點33裝設電容器組，構成交直流主動配電網，如圖2所示。

電容器組補償容量為80 kvar。各分布式電源的容量均為200 kW。分布式電源并網逆變器滿足額定有功出力下功率因數在超前0.95～滯后0.95的范圍內動態可調。

5.1 正常狀態控制策略仿真驗證

配電網內各節點電壓均處于正常范圍內時，采取正常狀態的全局優化控制策略。

設當前各分布式電源出力正常且保持恒功率因數(Pf=1.0)運行，VSC供出50 kvar的無功功率，電容器處于退出狀態。為提高柔性直流裝置的動態無功備用容量，根據正常狀態控制策略，計算得到各無功源的控制指令：投入電容器組C1，置換出柔性直流裝置的無功功率，調整結果如表1、2所示。

圖2 IEEE 33節點配電系統Fig.2 IEEE 33-bus power distribution system

表2 正常狀態下控制前、后的設備無功出力Table 2 Reactive power of device before and after control in normal state

kvar

由于正常控制前后多數節點電壓沒有發生變化，表1僅列出了調整前后變化相對較大的5個節點的電壓值。可以看出，正常狀態下的控制策略在保證配電網電壓基本保持穩定的同時，實現了動態無功儲備容量優化，配電網應對故障能力得到提升。

5.2 預警狀態控制策略仿真驗證

設某時刻，通過節點14、16、17并網的分布式電源DG2—DG4出力有較大波動，配電網內某些節點電壓出現輕度越限，進入預警狀態。電壓輕度越限節點的電壓值如表3“預警狀態”所示。

表3 預警狀態下控制前、后的部分節點電壓
Table 3 Node voltage before and after control in early warning state

pu

由表3可看出，分布式電源有功出力跌落導致配電網節點16、17、18、31、32、33電壓值低于0.95 pu。

接入上述節點的分布式電源DG3、DG4和DG5就地控制策略由恒功率因數(Pf=1.0)控制轉為恒電壓控制，無功出力分別調整至15、37和62 kvar，其中DG5達到其無功輸出上限。就地控制下各無功源的無功輸出功率如表4“預警狀態”所示。

表4 預警狀態下控制前、后的部分無功源無功輸出功率
Table 4 Reactive power of parts of reactive power source before and after control in early warning state kvar

經過就地控制后各節點的電壓值如表3“就地控制”所示，節點16、17和18電壓抬升至0.95 pu以上，回升到正常狀態；節點31、32、33電壓值雖均有提升，但未達到0.95 pu。

當就地控制未能完成電壓校正時，實施預警狀態下的集中控制策略。以總的無功調整量最小為目標，協調各無功源實現越限節點的電壓校正。調整后各無功源的無功水平如表4“集中控制”所示。調整后，各節點的電壓值如表3“集中控制”所示，可以看到各節點電壓均上升到0.95 pu以上，預警狀態下的集中就地協調控制策略能夠校正越限節點電壓，起到良好的控制效果。

5.3 緊急狀態下控制策略仿真驗證

某時刻配電網內分布式電源出力較低，設節點31和節點32負荷突增1倍，分別增至300+j140 kVA和420+j200 kVA，大量節點電壓跌落嚴重，節點31～33電壓下降至0.9 pu以下，如表5“緊急狀態”所示，配電網進入緊急狀態。VSC換流站根據節點間電壓靈敏度關系以及接入點電壓升幅與無功調整量及短路容量的關系，迅速調整無功出力，增加330 kvar無功功率。緊急控制后的節點電壓值如表5“緊急控制”所示，節點31～33電壓均迅速回升至0.9 pu以上。

表5 緊急狀態下控制前、后的設備無功出力及部分節點電壓
Table 5 Reactive power of device and node voltage before and after control in emergency state pu

VSC換流站的快速無功支撐，使得配電網電壓水平過渡到預警狀態，抑制了配電網電壓的繼續下降，分布式電源能夠持續并網運行，消除了分布式電源脫網對配電網電壓的二次沖擊。

6 結 論

本文針對分布式電源高滲透率下的交直流主動配電網電壓控制問題，提出以柔性直流裝置、分布式電源與離散無功補償裝置等多無功源相互協調的配電網電壓控制策略。正常狀態下，通過投入離散無功設備，置換柔性直流裝置的動態無功功率，提高配電網動態無功儲備裕度；預警狀態下，通過就地控制與集中控制相協調，利用多無功源實現了輕度越限節點的快速有效校正控制；緊急狀態下，利用柔性直流裝置的大容量快速無功支援，實現了電壓越限節點的緊急控制。本文提出的多無功源協調的電壓控制策略，充分挖掘并利用了不同類型無功源的電壓支撐特性及無功源間的協調關系，對分布式電源高滲透率的交直流配電網電壓控制起到良好效果，保證了配電網供電穩定性，提高了電能質量。

致 謝

本文是在中國電力科學研究院創新基金項目“適應新能源和負荷時變特性的交直流電網動態無功電壓優化調度控制技術研究”的大力支持下完成的，在此向該項目組成員表示衷心的感謝。

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趙涌泉 (1990)，男，碩士研究生，通訊作者，從事交直流配電網運行控制研究工作；

于汀 (1984)，男，博士研究生，從事電網調度技術研究工作；

韓巍 (1980)，男，工程師，從事智能電網調度自動化和優化控制技術研究工作；

蒲天驕 (1970)，男，教授級高級工程師，主要研究方向為智能電網模擬仿真；

黃仁樂(1963)，男，碩士，教授級高級工程師，長期從事電力系統自動化和電網技術的研究管理工作；

穆云飛(1984)，男，博士、講師，研究方向為電力系統安全穩定性及新能源應用。

(編輯 蔣毅恒)

Voltage Control Strategy Based on Coordinated Multiple Reactive Power Source in AC/DC Active Distribution Network

ZHAO Yongquan1,2, YU Ting1,3, HAN Wei1, PU Tianjiao1, HUANG Renle4, MU Yunfei2

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;4. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

To solve the voltage deviation caused by the fluctuation of generation and variety of load in AC/DC active distribution network (ADN) with distributed generation (DG) of high-permeability, this paper proposes an ADN voltage control strategy composed of multiple reactive power source such as flexible DC device, DGs and discrete reactive power compensation equipment, etc. We divide the voltage running state of distribution network into three states. (1) In normal state, global optimization is conducted by putting into the discrete reactive power source and using its static reactive power to replace the dynamic reactive power of flexible DC device to improve the dynamic reactive power reserve capacity of distribution network. (2) In early warning state, the coordinated strategy of centralized control and local control is implemented through multiple reactive power source to adjust the node voltage which is slightly deviated. (3) In emergency state, the flexible DC device is used to rapidly support the deviating node and transform the state of distribution network into early warning state or normal state. The simulation and experimental validation based on IEEE 33-bus network are performed and the result shows that the proposed strategy can improve the reserve margin of the dynamic reactive power and realize the effective control of the distribution network voltage.

active distribution network; AC/DC power grid; flexible DC interconnection; voltage control; multiple reactive power source; coordination control strategy

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA050102)；國家電網公司科技項目(52020115001F)

TM 761

A

1000-7229(2016)05-0034-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2013-01-28

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102)