下垂控制下柔性配電網(wǎng)有功功率調(diào)制技術(shù)

羅劍，林虎，黃志清，劉建成，夏樹貴，艾小清

(1.貴州電網(wǎng)物資有限公司，貴州 貴陽 550005； 2.貴州電網(wǎng)公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554300；3.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

城市配電網(wǎng)各饋線之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接形成環(huán)網(wǎng)接線模式，但在實(shí)際上聯(lián)絡(luò)開關(guān)通常處于開斷狀態(tài)，配網(wǎng)各饋線之間無功率支撐，導(dǎo)致設(shè)備利用率較低。為解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在的問題，可以利用先進(jìn)的柔性設(shè)備在不改變配電網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)架的前提下將配電網(wǎng)中多回饋線柔性互聯(lián)起來，提高配電網(wǎng)的系統(tǒng)可控性，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的實(shí)際閉環(huán)運(yùn)行，充分發(fā)揮其閉環(huán)運(yùn)行的優(yōu)勢，增強(qiáng)對分布式能源的消納、提升配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性[1]。因此，以柔性電力電子技術(shù)和設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)成的柔性互聯(lián)配電網(wǎng)必然是未來配電網(wǎng)發(fā)展的方向[2-3]。

由于使用智能軟開關(guān)(soft open point, SOP)能實(shí)現(xiàn)饋線之間的“軟連接”，使得配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，近幾年也有不少學(xué)者開始對SOP相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]對交直流混合配電系統(tǒng)進(jìn)行建模，同時對系統(tǒng)不同條件下的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真分析，但其沒有考慮利用多端SOP對多回饋線進(jìn)行組網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的情況。文獻(xiàn)[5]對基于SOP的配電網(wǎng)進(jìn)行了運(yùn)行優(yōu)化及分析，得出通過SOP可以降低系統(tǒng)損耗、改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)不停電轉(zhuǎn)供提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和提升電網(wǎng)對分布式能源的消納能力等觀點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]對一個基于三端SOP的柔性配電系統(tǒng)建立了基于多端柔性軟開關(guān)的柔性配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型，所提方法減少了分布式電源產(chǎn)生的波動，能夠較好實(shí)現(xiàn)分布式能源的消納。文獻(xiàn)[7]對海寧尖山新區(qū)的主動配電網(wǎng)工程進(jìn)行詳細(xì)介紹，利用多端口能量路由器組成柔性配電網(wǎng)提升了該區(qū)域的供電可靠性，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)源荷儲的協(xié)調(diào)運(yùn)行，改善了當(dāng)?shù)氐碾娔苜|(zhì)量。

現(xiàn)有控制方法多通過算法得出最優(yōu)潮流給定換流器參考命令來實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[8]13提出一種主從控制下的基于負(fù)載均衡控制的功率調(diào)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主從控制下接入多端SOP的饋線經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但實(shí)際上采用主從控制的柔性配電系統(tǒng)在主站發(fā)生故障退出運(yùn)行時系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得不到很好的保證，而采用下垂控制各換流器通過設(shè)定的下垂系數(shù)共同承擔(dān)穩(wěn)定直流側(cè)電壓的任務(wù)，穩(wěn)定性較好。本文在負(fù)載均衡的基礎(chǔ)上對柔性配電網(wǎng)的下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，提出一種下垂控制下柔性配電網(wǎng)功率調(diào)制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)接入柔性配電網(wǎng)的多回饋線負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 柔性配電系統(tǒng)模型

本文針對一個四端柔性配電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載均衡的研究，該系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 四端柔性配電網(wǎng)仿真模型

本文所研究的四端配電系統(tǒng)利用四個模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)通過隔離變壓器將四回交流饋線柔性互聯(lián)，其中直流側(cè)電壓Udc取±10 kV。根據(jù)負(fù)載均衡原則可知假設(shè)多回導(dǎo)線的單位截面有功功率密度相同，則意味著線路處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)[8]10。

2 下垂控制下基于負(fù)荷平衡的有功功率調(diào)制策略

2.1 下垂控制特性

本文采用的有功功率/直流電壓下垂控制器和對應(yīng)下垂特性曲線如圖2所示。

圖2 有功功率/直流電壓下垂控制器

圖2中:Kdroop為下垂控制系數(shù)；idref為內(nèi)環(huán)電流控制器的參考電流命令。在下垂控制中，每個站都按照各自的下垂系數(shù)對功率進(jìn)行分配運(yùn)行，對直流電壓起到支撐作用。與主從控制相比，下垂控制中的各換流站之間無需通信，各自按照分配的下垂系數(shù)運(yùn)行，能夠快速實(shí)現(xiàn)直流功率的分配。

2.2 基于負(fù)荷均衡的有功功率調(diào)制策略

圖3 下垂控制下基于負(fù)載均衡的有功功率調(diào)制技術(shù)

為使得柔性配電網(wǎng)中的交流饋線負(fù)載均衡以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，本文提出如圖3所示的基于負(fù)載均衡的下垂控制下的功率調(diào)制技術(shù)，將其輸出發(fā)送到柔性配電系統(tǒng)中作為各下垂站有功功率給定命令。

首先測量得到各回饋線出線端實(shí)際發(fā)出的有功功率為P1～Pn；Kav為下垂控制下的功率平衡系數(shù)，采集n回饋線有功功率乘以Kav，可以得到均衡后的每回饋線的有功出力，然后與實(shí)際出力作比較，通過PI控制器對其進(jìn)行修正，為防止換流站傳送的功率越限損壞設(shè)備，在PI控制器出口接上限幅環(huán)節(jié)，設(shè)定幅值為各換流器能傳送的功率限值±Pmaxn，Kav計算如式(1)所示。

(1)

3 下垂控制下柔性配電系統(tǒng)的控制策略

針對圖1所示的四端柔性配電系統(tǒng)和圖3所示的下垂控制下基于負(fù)載均衡的有功功率調(diào)制技術(shù)，下垂控制下基于功率調(diào)制的四端整體控制策略如圖4所示。

圖4 下垂控制下基于有功功率調(diào)制的柔性配電網(wǎng)控制策略

從圖4可以看到，圖1中的4個MMC站均采用下垂控制，其有功功率命令給定值由圖4給出。即首先采集各回饋線的實(shí)際送出的有功功率P1～P4，然后輸送到負(fù)載均衡控制器中。其余無功控制環(huán)節(jié)根據(jù)需求采用定交流電壓幅值或者定無功功率控制，然后利用最近電平調(diào)制策略對參考波進(jìn)行調(diào)制，這里不再贅述。

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

利用PSCAD/EMTDC搭建如圖1所示的四端柔性配電系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

表1中：各回交流饋線的線電壓為10 kV；直流側(cè)母線電壓為±10 kV；為抑制MMC橋臂環(huán)流和沖擊電流，橋臂環(huán)流電抗值為0.008 H；MMC聯(lián)接變壓器泄漏電抗為0.18 pu；饋線10 kV交流電源側(cè)的等值電抗采用R1～R2∥L結(jié)構(gòu)。

此外，交流饋線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

出口側(cè)分別帶10 MW、1 MW、1 MW和3 MW負(fù)荷，假定變電站出口線路橫截面相同，即各回線路允許傳送的最大功率Pmax相同。

4.2 算例1

在下垂控制的基礎(chǔ)下，沒有采用圖3所示的有功功率調(diào)制技術(shù)，設(shè)在柔性配電網(wǎng)整個運(yùn)行過程中，四個MMC都采用下垂控制，將其功率給定命令分別設(shè)定為-6 MW、2 MW、3 MW和1 MW。為觀察系統(tǒng)在發(fā)生交流側(cè)負(fù)荷突變情況下的運(yùn)行工況，設(shè)定兩個動作：交流饋線Ⅱ在1.0 s投入3 MW負(fù)荷，在2.0 s時將該負(fù)荷切除。圖5給出了柔性配電系統(tǒng)在負(fù)荷突變時的運(yùn)行波形圖(為了便于分析，只選取了0.8 s～2.4 s的波形圖)。

圖5 未考慮有功功率調(diào)制柔性配電網(wǎng)負(fù)荷突變時運(yùn)行特性

由圖5可知，當(dāng)饋線負(fù)載發(fā)生變化時，換流器的輸入功率維持在給定值。除了負(fù)荷突變的Ⅱ號變電站出線功率發(fā)生變化外，其余線路的輸送功率都沒有發(fā)生變化，且MMC#2閥側(cè)無功功率由原來的-0.4 Mvar變?yōu)?1.3 Mvar，其余閥側(cè)輸出無功功率沒有變化，意味著增加的負(fù)荷全部由饋線Ⅱ承擔(dān)，沒能體現(xiàn)多端SOP使得配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行的優(yōu)勢，饋線相互之間沒有實(shí)現(xiàn)功率支撐。

4.3 算例2

在下垂控制的基礎(chǔ)下，采用本文所提出的下垂控制下基于負(fù)載均衡的有功功率調(diào)制技術(shù)，柔性配電網(wǎng)控制策略如圖4所示，其余仿真工況如算例1相同。根據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)定，圖3中的平衡系數(shù)Kav為1/4。圖6給出了在下垂控制基礎(chǔ)下的四端柔性配電系統(tǒng)在負(fù)荷突變時的運(yùn)行波形圖。

圖6 下垂控制下有功功率調(diào)制柔性配電網(wǎng)負(fù)荷突變時運(yùn)行特性

由圖6可知，在1 s投入負(fù)荷前，各VSC在閥側(cè)輸入的有功功率分別穩(wěn)定在-6.2 MW、2.7 MW、2.7 MW以及0.8 MW，這表明，利用功率調(diào)制技術(shù)的各MMC使得饋線按照負(fù)載均衡的原則輸送有功功率。同時有功出力均維持在3.75 MW，實(shí)現(xiàn)了各回饋線相互之間的功率支撐。在1 s投入負(fù)荷后各VSC在閥側(cè)輸入的有功功率變?yōu)?5.61 MW、0.53 MW、3.51 MW以及1.55 MW，在原有功率命令上得到修正。各回交流饋線的送出的有功功率變?yōu)?.50 MW，意味著突增的負(fù)荷通過多端SOP均分到了各回饋線上。饋線Ⅱ閥側(cè)電流在負(fù)荷投入后，電流幅值變小，在負(fù)荷切除后又恢復(fù)至初始值。各換流器在閥側(cè)送出無功功率也基本保持一致，確保變電站出線電流幅值一致，基于多端SOP的柔性配電網(wǎng)閉環(huán)接線模式實(shí)現(xiàn)了各回饋線的負(fù)載平衡，達(dá)到了預(yù)期控制目的。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于負(fù)載均衡的有功功率調(diào)制技術(shù)，將其作為基于多端SOP的柔性配電系統(tǒng)的附加控制，以實(shí)現(xiàn)多回饋線負(fù)載均衡，提升設(shè)備利用率，且無需算法優(yōu)化，控制簡單，降低了成本，有利于工程實(shí)現(xiàn)。