柔性交直流混合配電網互聯換流站控制措施分析

段振梁，趙明偉

（國網武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引 言

相對于傳統的交流配電網而言，直流配電網具有提高輸送容量、提高供電質量和供電穩定性以及接入分布式電源等多方面的明顯優勢，在國內的實際工程中也初步得到了應用，如貴州銅仁大龍開發區已建成直流配電網工程并投入運行，浙江杭州和蘇州部分地區柔性直流配電網也在建設之中，有關部門也在陸續制定符合該系統的標準[1]。根據電壓負載特點，靈活采取交直流混配電網的方式，不僅可以在提高供電質量的同時有效降低成本，更能減小施工難度。

1 互聯換流站簡介

互聯換流站（Interlinking Converter，ILC）是結合交流系統和直流系統的重要節點[2]。除了能提高配電網可靠性之外，它也能幫助控制交流電壓及其頻率。以往控制交流電壓的方法往往是將電壓幅度的大小作為參考標準，ILC最大的問題在于當交流電成為無源電時，難以支持無源交流電的頻率。

目前，對于ILC的探索方向主要有以下兩種。一是對模式進行轉換，ILC在直流電穩定狀態時參與控制，由于交流電的頻率或電壓不在規定范圍內，必須依靠實時的通信和豐富的經驗判斷，因此很難定出模式切換的標準值。二是為了參與交直流功率平衡，協調直流與交流之間控制的整定[3]。有學者提出了另一種控制方法，即以直流電壓有效值與交流電壓有效值的差值作為參考值，幫助交流系統維持穩定。隨著研究工作的推進，上述方法已得到改進，將具有不同值的直流電壓和交流電壓有功功率標定在同一坐標系下，保證了功率的平衡。雖然都是從同一角度來考慮其穩定性，但是卻很難從根本上維持無緣交流電壓的穩定性。

為此提出了一種ILC的控制措施，借鑒傳統的交流側無源電網控制措施，改進了內環電流控制器，控制交流側電壓波動幅度和波動頻率，并且采用外環控制器設置下垂直控制系統。在穩定狀態下，ILC主要控制直流電壓，當非直流側發生波動時，對交流電壓進行控制，其余換流站負責維持直流側的穩定，確保供電的穩定性和靈活性。

2 交直流混合配電網系統組成及運行模式

2.1 系統組成

多年以來，由于成本和技術受限的問題，我國多以閉環設計、開環運行的原則設計配電網結構，但隨著大力推進智慧電網工程，特別是城市大規模的用電需求，開環運行的缺點和弊端開始越發明顯[4]。由于電纜線容量的限制，分布式發電的大規模接入難以被接納，限制了電力行業發展的進一步提高。為了提高配電網的供電可靠性，必須實現配電網的閉環運行。

因此提出了一種可以實現兩種電流混合的配電網，具體結構如圖1所示。來自不同輸電系統的兩個變電站分別連接整個體系。交流和直流兩個系統通過單個或多個電源置換器連接。直流電網將原交流電網分為兩個不同的子系統，實現交流系統的結構互聯。

圖1 交直流混合配電網系統基本結構

直流配電網中存在兩個不同電壓等級，具有雙向潮流的直流變壓器（DC Transformer，DCT）連接著兩個電網[5]。中壓對應其中的10 kV配電網，負責向高壓直流負荷供電，低壓對應其中的220/380 V配電網，又稱直流微電網。由于它直接與用戶和微電源對接，不僅可以減少換向環節，而且可以降低設備損耗。

2.2 運行模式

為了更方便地分析圖1中系統的運行方式，將每個單元的節點大致分為功率節點（恒功率）和平衡節點（保持系統的穩定性）兩類。第一類包括交直流微電源和負載，一般因素不會對其造成影響，后者包括交流輸電網絡、電流轉換裝置以及電能儲存裝置，系統穩定需要通過功率調節來實現[6]。為了保證系統的正常運行，每個子系統至少應包含一個平衡節點。根據上圖中斷路器和ILC的工作模式，操作方式如表1所示

表1 運行模式分類

3 低壓直流配電網的并網控制措施

3.1 直流微電源的恒功率控制

在經過boost變換器后，直流微電源可直接并入低壓直流電。由于其容量非常小，所以通過采用恒功率控制方式，可以確保提高能源的利用效率。以光伏列陣為例，為了實現可控功率輸出，往往使用最大功率進行跟蹤控制，采用單環控制的方式。

3.2 堅持以強補弱原則

為了穩定直流微電源的功率波動，實現組合系統的功率輸出控制，有必要設計一種采用以強補弱控制的微存儲組合系統[7]。

在雙環控制儲能裝置措施中，其中控制功率的一環為外環，控制電流的一環為內環。設直流微電源功率實際值為Pmic，利用公式可以算出其功率值為P*mic，儲能裝置真實輸出功率為Pbat，則外環偏差值為直流微電源功率值減去直流微電源功率值和儲能裝置實際功率后得出來的數值。

4 直流變壓器控制策略

該裝置作為連接低壓和中壓直流配電網的重要設施，不僅可以實現大容量與高壓的功率轉換，而且可以實現雙向送電。以使用量最多的變壓器為例，經過兩次全橋變換后，單元斬波將變成高頻方波，需要使用高頻變壓器來達到電壓變換和電氣隔離，最后通過相關設備轉換為直流電壓[8]。

5 互聯互聯換流站控制策略

對于圖1，如果交流電網的一側失電成為無源網絡，未失電的一側電源將通過直流配電網間接為失電的無源電網供給電力支持。因此，為了控制無源電網的電壓和頻率，和它連接的換流站是關鍵因素。當有多個ILC接入無源電網時，最起碼有一個ILC具有交流平滑控制功能。本文提出了ILC的控制策略，ILC在穩定狀態時調節直流側的功率，控制其電壓，當ILC電壓變化幅度過大或變為ILC交流側的無源網絡時，可以保證交流側的電壓穩定，協調控制直流電壓的控制依賴于換流站的其余部分來實現。

5.1 直流電壓協調控制策略

在d軸外環控制器中，其中P-Ude下垂屬性可描述為：

式中，Udcref代表直流電壓及其額定值，P、Pref代表傳輸功率及其最大限額。當Udcref和Pref確定后，再對K進行計算[9]。

5.2 交流電壓平穩控制策略

基于坐標下的ILC數學模型在穩態時公式為：

以電網側交流電壓矢量Us的相位參考相量，如果想要平穩地控制交流電壓和頻率，理想情況下可以將其簡化為：

該控制器采用雙閉環原則，下垂控制設計出d軸的外環，保持直流電壓穩定，q軸外環控制器實現無功控制，獲得內環電流參考值[10]。同時，兩環協同工作，想要實現電壓和頻率的雙重控制，就要基于以上公式添加電壓控制器。新型ILC的控制措施如圖2所示。

圖2 新型ILC控制措施

在該控制策略中，要實現電網電壓d-q的變換，就需要電網電壓U由鎖相環環節提供。同時在控制頻率時的重要一步是鎖相環環節為Ucd和Ucq在d-q反向變換中提供的頻率標準，因此應保證鎖相環輸出的信號精準。

當交流電壓變化幅度較小時，電源置換器交流一側電壓usd和usq基本等同于Us和0，此時PI1和PI2有較小的跟蹤誤差，那么由外環控制器主要決定ucd和ucq的輸出。當交流電源電網由于產生強烈波動導致其變成無源網絡時，其電壓和頻率都會發生巨大變化，usd和usq與Us和0之間差異較大，由PII和PI2跟蹤產生的誤差值也會隨之增大，同時由于外環控制器產生的isdref和isqref沒有發生明顯變化，那么控制交流電壓的目的主要是決定ucd和ueq的輸出。為了保證其電壓，需要調整交直流電網功率，此時VSC就可以起到支撐交流側電壓幅值和頻率平穩的作用。

6 結 論

本文提出了一種新的互聯換流站控制措施，該措施通過對原有控制方法進行改進，在保證換流站能夠控制直流電電壓之外，也可以對交流電壓進行控制。改進后的控制措施不僅可以提高交流和直流之間的協調質量，還可以高效支持無源電網，希可以對電力工程起到幫助。