基于多端VSC技術的一種交直流混合配電網網絡結構

嚴逍，焦彥軍，杜哲

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市 071000)

基于多端VSC技術的一種交直流混合配電網網絡結構

嚴逍，焦彥軍，杜哲

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市 071000)

分布式電源的快速發展和配電網負荷的變化使得傳統輻射型交流配電網面臨諸多問題。該文利用多端電壓源換流器(voltage source converter，VSC)技術，通過在交流配電網中增加直流環節來構建交流直流混合配電網，提出了交直流混合配電網的網絡結構，并對其控制策略進行了理論分析，最后利用Matlab/Simulink搭建仿真模型對其網絡結構和控制策略進行了仿真驗證。仿真結果表明，通過對換流器進行合理控制，能夠有效改善原有交流配電線路的電壓分布和負荷承載能力，并且能夠對系統潮流進行靈活控制，實現對系統能源的合理分配。另外，交直流混合配電網中的直流環節可以作為未來直流配電網的一部分，從而使傳統交流配電網可以平緩過渡到未來可能全面建設的直流配電網。

多端電壓源換流器(VSC)；交直流混合配電網；網絡結構；控制策略

0 引 言

隨著城市規模的迅速增長和分布式發電技術的高速發展，傳統交流配電網面臨線路損耗大、供電走廊緊張以及電壓波動和三相不平衡現象加劇等一系列供電質量下降問題[1-2]。

為了解決傳統配電網遇到的問題，各國專家學者提出了許多配電網改造方案和未來配電網的建設目標。文獻[3]提出了利用電壓源換流器(voltage source converter，VSC)技術在傳統輻射型交流電網中加入直流母線的方法，并通過理論分析和仿真實驗，證明了該方法可以有效提高配電網的負荷承載能力以及對分布式電源的接納能力。文獻[4]提出了多端柔性直流環節的控制策略，通過軟件仿真并在實驗室搭建小型配電網模型進行分析，驗證了直流環節能夠改善原交流系統電壓分布和實現靈活的潮流控制。文獻[5]提出了在直流環節加入分布式電源以及儲能設備的構想，并提出利用儲能設備維持直流環節電壓，進一步提高配電網對負荷和分布式電源的承載能力。但是，在上述研究中，直流環節僅用來增強原有的交流配電線路，而不具備直接向負荷供電的能力。

隨著電力電子技術的快速發展，高效靈活的直流負荷正在傳統的交流系統中快速增長，直流負荷和帶換流器的交流負荷(ac loads with converters, ACwC)正逐漸成為配電網負荷的主體部分[6-7]。在分布式電源中，光伏電池板和燃料電池的輸出都是直流電，需要經過DC/AC逆變器并網，而風力渦輪發電機發出的電能則需要經過AC/DC/AC變換才能并網[8-10]。因此，具有傳輸容量大、線路損耗小、供電可靠性高、便于分布式電源和儲能系統接入等諸多優點的直流配電網引起了各國專家學者的注意，并成為了未來配電網建設的備選方案之一[11-14]。但是，由于目前我國的配電網基本以交流的輻射型配電網為主，無論是基礎設施還是用電設備都是根據交流電來設計和建設的，所以優勢眾多的直流配電網仍需要經過一段漫長的改造過程才能實現。

據此，本文結合在配網中增加直流環節和建設直流配電網的優勢，充分發揮直流環節的潛在供電能力，提出利用多端VSC技術構建交直流混合配電網的方案，對其網絡結構和控制策略進行理論分析，并通過Matlab/Simulink搭建模型進行仿真驗證。

1 交直流混合配電網網絡結構

本文所提出的交直流混合配電網的網絡結構，是在多端VSC技術構成直流環節的基礎上發展得來的，其結構如圖1所示。

圖1 交直流混合配電網結構示意圖

在圖1所示的交直流混合配電網中，虛線框外的部分為原有的交流配電網，虛線框內的部分為新增的直流環節。VSC1、VSC2和VSC3與交流饋線的末端相連，其作用是實現原交流線路與直流環節的能量交換，并對原交流線路提供無功功率補償；VSC4則通過變壓器直接與上級電網相連，其作用是保持直流環節的電壓穩定，并維持直流環節的功率平衡。直流負荷、分布式電源以及儲能設備通過適當的換流器接入直流母線；新增交流負荷優先接入原交流饋線，當原交流饋線達到最大承載負荷上限時，剩余交流負荷則通過AC/DC換流器接入直流母線。直流環節功率平衡方程為

PPV+PWTG+Pdisc+P1+P2+P3+P4=

Pdc+Pac+Pc+Ps

(1)

式中：PPV為直流環節中光伏電池發電功率；PWTG為直流環節中風力機發電功率；Pdc和Pac分別為直流環節中的直流負荷和交流負荷；Pc和Pdisc分別為儲能系統的充電功率和放電功率；P1、P2、P3和P4分別為從交流線路流入VSC1、VSC2、VSC3和VSC4的有功功率；Ps為直流環節中所有的線路和換流器的功率損耗。

相較于已有的利用多端VSC技術構建直流環節增強交流配電網的結構，本文提出的交直流混合配電網對直流環節進行了更進一步的利用，以直流公共母線為基礎連接分布式電源、交直流負荷以及儲能系統，使得交直流混合配電網中的直流環節既具備了微網概念中本地能源本地消耗，減小電能傳輸距離從而降低線路損耗的優點，還具備了直流配電網概念中便于分布式電源接入、提高供電質量、減少換流設備投資和換流損失等諸多優點。另外，在交直流混合配電網結構中增加了通過變壓器直接與上級電網相連的VSC4，通過采用定直流電壓控制能夠保持直流公共母線電壓的穩定，而且當直流環節所連接的分布式電源無法滿足負荷需求時，上級電網可以通過VSC4為直流環節中的負荷提供電能，避免由于加重直流環節所連接的交流饋線的供電壓力導致的線路過載的問題。除此之外，交直流混合配電網中的直流環節可以作為未來直流配電網的一部分，從而使傳統交流配電網可以平緩過渡到未來可能全面建設的直流配電網。

2 交直流混合配電網控制策略

交直流混合配電網運行狀態多變且功能結構復雜，除考慮交流系統潮流外，還需考慮多個VSC的換流約束以及直流環節所連接的負荷隨機性用電、分布式電源的不確定性出力以及儲能系統的充放電行為。因此，交直流混合配電網需要設計合理的系統能量控制策略，實現有限資源的高效利用，從而保證系統安全、可靠和經濟運行。本文將交直流混合配電網的控制策略分為最優潮流控制以及VSC控制2個部分進行分析。

2.1 最優潮流控制

以圖1所示的結構為例，本文提出了以下交直流混合配電網正常運行時的潮流控制策略。

(1)直流環節的分布式電源所發出的電能優先供應直流環節負荷，當直流環節中分布式發電功率大于負荷功率時，剩余電能優先供應VSC1、VSC2和VSC3所連接的交流線路，多余的電能再通過VSC4傳輸到上級電網。

(2)當直流環節中負荷功率大于分布式發電功率時，只由上級電網通過VSC4向直流環節供電，即其他換流器不參與向直流環節供電。

(3)當VSC1、VSC2和VSC3所連接的交流線路負荷過載時，直流環節通過VSC1、VSC2和VSC3向其傳輸電能，然后由上級電網通過VSC4維持直流環節的功率平衡。此舉可以在原交流線路電流承載能力一定的情況下，提高原交流系統的供電質量和供電能力。

上述潮流控制策略的目的在于：(1)盡可能做到直流環節分布式發電功率就地消耗，減少功率傳輸，從而降低網損；(2)避免加重原交流配電線路的供電壓力；(3)提高原交流配電線路的供電質量和負荷承載能力。

將上述潮流控制策略作為約束條件進行分析，而最終系統各部分的具體的控制參數則需要進行最優潮流計算得到。交直流混合系統的最優潮流算法在輸電領域已經有許多專家學者進行過研究，如文獻[15]提出的原對偶內點法和預測校正內點法，文獻[16-17]提出的一種內點法和遺傳算法交替迭代的混合算法，文獻[18]提出的一種基于差分進化和原對偶內點法統一混合迭代算法等基于VSC-HVDC的最優潮流算法，以及文獻[19]基于交替求解法提出的典型的多端柔性直流系統潮流計算模型和數學求解方法。但是，由于本文研究重點不在于此，故這些潮流算法不再具體討論。結合這些優秀的交直流混合系統最優潮流算法，可以得到交直流混合配電網最優潮流的控制流程，如圖2所示。

圖2 交直流混合配電網能量管理系統流程圖

交直流混合配電網最優潮流控制系統能夠整合數量眾多的智能電表所測得的實時數據，通過適當分析獲得系統各部分包括線路、負荷、VSC、分布式電源和儲能系統的實時狀態參數以及控制策略，根據配電網管理者的需求，選擇單個或多個優化目標并確定合適的最優潮流算法，計算得到系統各控制變量的下一時刻參考值，最后再將這些參考值傳遞給對應的控制系統。其中，流入各VSC的有功功率和無功功率參考值將傳遞到VSC控制系統，然后，VSC控制系統將依據這些參考值對各VSC進行控制，從而對系統潮流做出調整以及對交流線路提供無功功率補償。

2.2 VSC控制策略

2.2.1 VSC1、VSC2和VSC3控制策略

在圖1所示的交直流混合配電網結構示意圖中，VSC1、VSC2和VSC3的作用是控制直流環節與原交流系統間有功功率的流動，并通過為交流線路提供無功功率來改善原有交流線路的電壓分布，故采取有功功率和無功功率控制方式。

由文獻[20-21]可知，當假設交流系統為無窮大系統時，流入換流器的有功功率和無功功率分別與id和iq成線性關系，id和iq為三相交流側電流矢量的d、q軸分量。通過控制id和iq就可以獨立控制有功功率和無功功率，其控制策略如圖3所示。

圖3 VSC1、VSC2和VSC3控制策略示意圖

圖中，Usabc為交流系統側三相電壓瞬時值；Isabc為流入換流器的三相電流瞬時值；Pref和Qref為最優潮流控制策略確定的有功功率和無功功率參考值。

2.2.2 VSC4控制策略

VSC4的作用則是維持直流環節的母線電壓穩定，保持直流環節的功率平衡，故采取定直流電壓控制方式。由文獻[22]可知：

(2)

式中：udc為直流側電壓；C為直流側電容；id為VSC

三相交流側電流矢量的d軸分量；ed為電網電動勢矢量的d軸分量。

由式(2)可知，直流電壓與有功電流成非線性關系。因此，可以采用比例積分調節器來控制直流電壓，其控制策略如圖4所示。

3 仿真分析

為了驗證交直流混合配電網網絡結構以及控制策略的正確性和可行性，本文利用Matlab/Simulink軟件建立了交直流混合配電網的仿真模型進行仿真

圖4 VSC4控制策略示意圖

分析。仿真模型中的原始交流系統是在IEEE 14節點3饋線系統的基礎上對部分參數進行調整得到的，模型結構如圖1所示。交流系統基準容量為100 MV·A，基準電壓為10 kV，支路參數如表1所示，節點功率如表2所示。

表1 交流系統支路參數

Table 1 Parameters of branches in AC system

表2 交流系統節點功率

直流環節母線電壓為20 kV，光伏電池最大發電功率為10 MW，風力發電機最大發電功率為13 MW，儲能系統容量為1 MW·h，最大充電功率為 0.5 MW，最大放電功率為0.3 MW，直流負荷最大功率為15 MW，假設原交流饋線已滿載，新增交流負荷全部接入直流母線，其最大功率為5 MW，功率因數為0.9。

3.1 VSC對交流線路電壓分布的影響

原有的交流配電網在加入直流環節前后，各節點母線電壓如圖5所示。

由圖5可以看出，在加入直流環節之前各節點母線電壓都低于標準電壓，一些節點母線電壓甚至超過了正常運行允許的5%的電壓差。當加入直流環節之后，VSC1、VSC2和VSC3分別向所連接的交流線路輸入的無功功率為7.85，8.85,1.72 MV·A。

當增加直流環節之后，VSC1、VSC2和VSC3向各交流線路提供的無功功率顯著改善了各節點母線電壓，提高了原交流線路的供電質量。其中，直接與換流器相連的節點5、10和14的電壓達到了系統標準電壓。

圖5 交流配網加入直流環節前后各節點電壓

3.2 直流母線電壓及潮流控制

在0～0.5 s，設置光伏電池發電功率為10 MW，風力發電機發電功率為13 MW，直流負荷功率為4 MW，交流負荷功率為2 MV·A，功率因數為0.9，儲能系統為充電狀態，充電功率為0.5 MW。在0.5～1 s調整光伏電池發電功率至2 MW，風力發電機發電功率至5 MW，直流負荷功率至15 MW，交流負荷功率至5 MV·A，儲能系統為放電狀態，放電功率為0.3 MW。運行仿真模型，得到流入VSC1、VSC2、VSC3和VSC4的有功功率P1、P2、P3和P4以及直流環節母線電壓的波形如圖6所示。

由圖6可以看出，在整個仿真過程中直流環節母線電壓被控制在設定值20 kV左右，證明應用在VSC4的定直流電壓控制策略效果顯著，可以有效地控制交直流混合配電網中直流環節母線電壓。

在0～0.5 s，直流環節的分布式發電功率之和大于負荷功率之和，直流環節剩余功率理論值為 16.7 MW。如圖6所示，仿真結果中流入VSC1、VSC2和VSC3有功功率大小分別為：-8，-7，-1.4 MW，負號表示功率方向為流入交流線路?？紤]到直流環節線路以及各換流器的損耗，可以認為0～0.5 s的仿真結果滿足式(1)所示的直流環節有功功率平衡方程。

在加入直流環節前以及加入直流環節后0～0.5 s，原交流線路各支路電流的變化如圖7所示。由圖7可知，交流配電網加入直流環節之后，當直流環節有剩余功率流入交流線路時，部分支路電流會下降，這在一定程度上可以提高交流線路的負荷承載能力并降低網損。

在0.5～1 s，直流環節分布式發電功率之和小于負荷功率之和，額外需求的功率理論值為12.2 MW。如圖6所示，仿真結果中交流線路通過VSC1、VSC2和VSC3向直流環節提供的功率為0，流入VSC4的功率為12.8 MW。考慮到直流環節線路以及各換流器的損耗，可以認為0.5～1 s的仿真結果滿足式(1)所示的直流環節有功功率平衡方程。

圖6 流入各VSC功率以及直流環節母線電壓

圖7 加入直流環節前后各支路電流變化

綜上，仿真結果很好地驗證了前文所提出的交直流混合配電網控制策略的有效性，在合適的控制策略下，交直流混合配電網能夠有效改善原交流線路的電壓分布以及負荷承載能力，并通過靈活的潮流控制實現能源的合理分配和系統的穩定運行。

4 結 論

本文提出了利用多端VSC技術在交流配電網中增加直流環節來構建交流直流混合配電網的構想，并對交直流混合配電網的控制策略進行了理論分析，最后利用Matlab/Simulink搭建仿真模型對交直流混合配電網進行了仿真驗證，證明了交直流混合配電網的網絡結構和控制策略的可行性。

在交直流混合配電網中，通過對換流器進行合理控制，可以有效改善原有交流線路的電壓分布和負荷承載能力，并且能夠對系統潮流進行靈活控制，從而實現對系統能源的高效合理分配；另外，交直流混合配電網中的直流環節可以作為未來可能建設的直流配電網的一部分，從而使得傳統交流配電網可以逐步平緩向直流配電網過渡。

綜上所述，本文提出的交直流混合配電網的網絡結構具有較強的可行性，能夠作為由傳統交流配電網改造為直流配電網的一種可行的平緩過渡方案，具有較大的現實意義和發展前景。

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(編輯 張小飛)

An AC/DC Hybrid Distribution Network Structure Based on Multiterminal VSC

YAN Xiao, JIAO Yanjun, DU Zhe

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071000, Hebei Province, China)

With the rapid development of distributed generation and changes of loads, traditional radical AC distribution network is confronted with many problems. With the technology of multiterminal VSCs (voltage source converters), this paper builds the AC/DC hybrid distribution network through adding DC-link to AC distribution network, proposes the network structure of AC/DC hybrid distribution network and theoretically analyzes its control strategy. Finally, this paper constructs the simulation model by Matlab/Simulink to simulate and verify the network structure and control strategy. The simulation results show that through the rational control of VSCs, the voltage distribution and load carrying capacity of existed AC distribution lines can be improved effectively, and the power flow can be controlled flexibly, therefore, the resources can be allocated appropriately. Moreover, the DC-link of AC/DC hybrid distribution network can be a part of future DC distribution network so that the distribution network can be transitioned smoothly from traditional AC to DC.

multiterminal VSC; AC/DC hybrid distribution network; network structure; control strategy

TM 727

A

1000-7229(2016)12-0048-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.006

2016-07-25

嚴逍(1992)，男，碩士研究生，研究方向為交直流混合配電網網絡結構等；

焦彥軍(1963)，男，博士，教授，研究方向為電力系統保護與控制；

杜哲(1992)，女，碩士研究生，研究方向為交直流混合微網優化配置。