配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制方法

張盛 戴元安 程振龍 張沖標(biāo) 王冠

摘 要：為提高配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制能力，提出基于并網(wǎng)逆變耦合特性的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制方法。建立配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用混合雙饋入直流輸電配置方法進(jìn)行饋線無(wú)功電壓配置;建立動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)模型，抑制配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制干擾，采用并網(wǎng)逆變耦合特性分析方法進(jìn)行誤差反饋調(diào)節(jié)和參數(shù)優(yōu)化估計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制的輸出穩(wěn)定性較好，配電網(wǎng)的輸出增益較大，抗干擾性較好。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);饋線;無(wú)功電壓;控制;參數(shù)估計(jì);并網(wǎng)逆變耦合特性

Abstract：In order to improve that reactive voltage control capability of the feeder line of the distribution network， a method for optimizing the reactive voltage safety of a distribution network based on a grid-connected inversion coupling characteristic is proposed. The structure model of the reactive voltage control system of the distribution network feeder is established， the reactive voltage configuration of the feeder line is carried out by adopting a hybrid double-fed direct-current transmission configuration method. A dynamic parameter regulation model is established， the reactive voltage safety control interference of the power distribution network feeder is restrained， The error feedback adjustment and the parameter optimization estimation are carried out using the grid-connected inverter coupling characteristic analysis method， and the optimal design of the control model is realized. The simulation results show that the output stability of reactive power and voltage security control of distribution network feeder is better， the output gain of distribution network is large， and the anti-interference is better.

Key words：distribution network;feeder;reactive power and voltage;control;parameter estimation;grid-connected inverter coupling characteristics

0 引言

為提高配電網(wǎng)的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓調(diào)節(jié)能力，在新能源高滲透率的電網(wǎng)中，限制新能源并網(wǎng)有許多原因，而過(guò)電壓就是其中最為主要的原因之一，當(dāng)處于負(fù)荷較低與充足光線照射狀態(tài)下的配電網(wǎng)有一定概率會(huì)發(fā)生功率反向流動(dòng)，從而致使饋線過(guò)電壓，許多學(xué)者對(duì)該種情況進(jìn)行了有關(guān)分布式電源接入配網(wǎng)后對(duì)饋線電壓影響的研究。一方面，考慮利用增加設(shè)備與設(shè)備的某些自身特性進(jìn)行調(diào)壓;另一方面，在逆變器并網(wǎng)的自身控制角度下手，基于不改變配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，提高分布式能源接入配網(wǎng)后對(duì)電壓的管理效率。除此之外，為提升智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展進(jìn)程，可以通過(guò)通訊等技術(shù)在分布式能源接入智能配電網(wǎng)的應(yīng)用使整個(gè)配電網(wǎng)更加安全，使其具有高效的分配與輸送電力能力。

在進(jìn)行配電網(wǎng)的組網(wǎng)控制中，需要構(gòu)建配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓調(diào)節(jié)模型，結(jié)合輸出電壓的耦合調(diào)節(jié)方法，進(jìn)行無(wú)損功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高配電網(wǎng)的輸出安全性，研究配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制模型在配電網(wǎng)設(shè)計(jì)中具有重要意義。由于電力系統(tǒng)的電力分布節(jié)點(diǎn)及相關(guān)能源數(shù)量的增加，采用電力領(lǐng)域的控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多領(lǐng)域交叉學(xué)習(xí)方法，及相關(guān)的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制方法研究受到人們的極大關(guān)注。

傳統(tǒng)方法中，對(duì)配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制方法主要采用自抗擾控制方法和卷積學(xué)習(xí)方法。文獻(xiàn)[1]提出一種基于自抗擾控制的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制算法。構(gòu)建配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)和約束參量模型，進(jìn)行自抗擾控制設(shè)計(jì)，但該方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制的自適應(yīng)性差，計(jì)算開下較大。文獻(xiàn)[2]中提出基于卷積學(xué)習(xí)方法的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制，進(jìn)行分布式配電網(wǎng)電源接入信息的分類識(shí)別，結(jié)合配電網(wǎng)的輸出電壓優(yōu)化控制，但該方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制的抗干擾性差。文獻(xiàn)[3]提出一種有載調(diào)壓變壓器和具備靜止同步補(bǔ)償器功能的并網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合電壓控制方法，該方法通過(guò)分析自身電網(wǎng)功能，通過(guò)有載調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)電壓，若調(diào)節(jié)過(guò)程中有載調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)范圍有限，則該算法會(huì)自動(dòng)限制光伏輸出功率，以此實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)控制。但該方法同樣存在自適應(yīng)較差的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于并網(wǎng)逆變耦合特性建模的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制方法。首先建立配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓的動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)模型，然后結(jié)合小干擾穩(wěn)定性調(diào)節(jié)方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制過(guò)程中的干擾抑制。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了本文方法在提高配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制能力方面的優(yōu)越性能。

1 配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制系統(tǒng)的參數(shù)分析

1.1 混合雙饋入直流分布模型的穩(wěn)態(tài)特征量

為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制，需要首先建立配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用混合雙饋入直流輸電配置方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓配置，建立由LCC-HVDC 和 VSC-HVDC 組成的混合控制模型[4]，得到配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述，如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，得到配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制的耦合模型，如式（1）所示。

1.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)模型

基于混合雙饋入直流分布模型的穩(wěn)態(tài)特征量，建立配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓的動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)模型，在頻率耦合時(shí)，得到電壓擾動(dòng)特征狀態(tài)方程，如式（7）所示。

根據(jù)上述分析，進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制過(guò)程中的干擾抑制，采用并網(wǎng)逆變耦合特性分析方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制，提高輸出穩(wěn)定性。

2 配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制算法

在上述建立配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制算法設(shè)計(jì)，本文提出基于并網(wǎng)逆變耦合特性建模的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制方法，分析配電網(wǎng)在d軸和q 軸的控制器結(jié)構(gòu)[8]，得到控制目標(biāo)函數(shù)如式（15）所示。

根據(jù)上述分析，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制，為檢驗(yàn)本文方法的有效性及可行性，需進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制中的應(yīng)用性能。采用Matlab軟件檢測(cè)配電網(wǎng)電壓特征根軌跡，得到結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2軌跡結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在0.3 MW，0.6 MW和2.0 MW等3種工況的功率等級(jí)下進(jìn)行并網(wǎng)逆變耦合特性建模及饋線無(wú)功電壓安全控制，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定配電網(wǎng)參數(shù)，如表1所示。

3.2 輸出性能曲線

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制，得到控制輸出性能曲線對(duì)比，如圖3所示。

分析圖3得知，采用本文方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制，電網(wǎng)振蕩幅值較小，說(shuō)明控制性能較好。這是由于本文方法根據(jù)輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略，進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制，并設(shè)置映射條件構(gòu)建自適應(yīng)的尋優(yōu)函數(shù)，以得到穩(wěn)態(tài)特征量，利用穩(wěn)態(tài)特征對(duì)配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓進(jìn)行控制。

3.3 無(wú)功功率曲線

為檢驗(yàn)本文方法的魯棒性，本文將與未考慮考慮并網(wǎng)逆變特性的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓控制技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。則配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓的無(wú)功功率曲線及饋線關(guān)口注入無(wú)功功率曲線對(duì)比圖如圖4、圖5所示。

由圖4可知，饋線關(guān)口總輸出無(wú)功較大，功率因數(shù)比較低，即饋線的全局角度需要無(wú)功補(bǔ)償;從圖5的無(wú)功功率曲線來(lái)看，未考慮并網(wǎng)逆變特性的配變輸出無(wú)功功率曲線無(wú)明顯變化，饋線總輸出無(wú)功無(wú)改善。而采用本文方法控制后，配變輸出的無(wú)功功率曲線變化明顯，饋線的無(wú)功曲線得到了明顯改善。

4 總結(jié)

構(gòu)建配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓調(diào)節(jié)模型，結(jié)合輸出電壓的耦合調(diào)節(jié)方法，進(jìn)行無(wú)損功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高配電網(wǎng)的輸出安全性，本文提出基于并網(wǎng)逆變耦合特性建模的配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全優(yōu)化控制方法。研究得知，本文方法進(jìn)行配電網(wǎng)饋線無(wú)功電壓安全控制的性能較好，抗振蕩干擾能力較強(qiáng)，收斂性較好。

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（收稿日期：2019.09.21）