一種適用于配電網的新分布式潮流控制器拓撲

唐愛紅 翟曉輝 盧智鍵 鄭 旭 徐秋實

一種適用于配電網的新分布式潮流控制器拓撲

唐愛紅1翟曉輝1盧智鍵1鄭 旭2徐秋實2

（1. 武漢理工大學自動化學院 武漢 430070 2. 國網湖北省電力公司經濟技術研究院 武漢 430077）

常規分布式潮流控制器（DPFC）需通過3次諧波電流以實現串聯側與系統的有功功率交換，串聯側所在支路首末端分別需△/YN、YN/△聯結型變壓器，因此在配電網中的安裝地點受到一定限制。為此該文提出一種適用于配電網的新DPFC（NDPFC）拓撲；分析NDPFC工作原理，應用配電網典型系統驗證其潮流調節范圍與調控特性；此外，研究NDPFC串并聯側電磁暫態數學模型，為提高魯棒性與控制精度，提出一種采用三環控制的串聯側Ⅰ、Ⅱ控制策略；最后，在不同配電網場景下，通過仿真驗證了NDPFC可實現配電網綜合潮流調控、補償三相不平衡、促進新能源消納，有效地提高了配電網電能質量。

新分布式潮流控制器（NDPFC） 三環控制 綜合潮流調控 三相不平衡 新能源消納

0 引言

隨著我國電力需求的增加與國民經濟日益發展，以風能、太陽能為代表的新能源裝機規模快速增加。大量的二次設備投入、汽車充電樁逐漸普及、新能源電力自身的波動性與間歇性、含新能源電源的電力系統雙側隨機性以及線路輸送能力限制[1]，將導致配電網可能存在線路潮流可控性低、三相不平衡、新能源消納能力不足等問題[2-5]。同時，不受控的潮流會造成部分區域電力供給不足、線路傳輸損耗大等問題，甚至降低系統穩定性和可靠性[6]。

柔性交流輸電技術（Flexible Alternating Current Transmission Systems, FACTS）可以優化潮流分布，提高電網電能質量。并聯型FACTS裝置可補償無功功率、穩定母線電壓、提高系統運行穩定性[7-9]，文獻[9]提出了不平衡條件下的星形聯結的鏈式配電網靜止同步補償器（Distribution Static Synchronous Compensators, D-STATCOM）控制策略，可同時補償無功功率與負序電流。串聯型FACTS裝置可改善線路電壓、降低線路損耗、提高線路輸送容量，應用于配電網可實現線路有功潮流調控、三相不對稱補償、諧波抑制等功能[10-13]，文獻[13]提出采用超級電容器儲能的動態電壓恢復器以有效提高配電網電能質量，但功率損耗較大、效率太低[14]。文獻[15]提出一種多并聯靜止同步補償器（Multiple Static Synchronous Series Compensator, MSSSC）以提高線路潮流調控靈活性，但無法實現綜合潮流調控。分布式靜止串聯補償器（Distributed Static Series Compensator, DSSC）可解決集中式裝置成本高、靈活性與可靠性不足的問題，國內外針對DSSC的控制策略、選址定容、提升系統可靠性等方面進行了大量的研究[16-18]。

串并聯混合型FACTS裝置有統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller, UPFC）、分布式潮流控制器（Distributed Power Flow Controller, DPFC），均可實現穩定電力系統母線電壓、調節線路綜合潮流、阻塞調度等功能[19-21]。文獻[22]提出了一種基于多電平UPFC的三相不對稱抑制策略，但UPFC高額的造價及較大的占地需求限制了其在配電網的應用。常規DPFC兼顧了UPFC的強大功能性和DSSC的高經濟性、靈活性、可靠性等優點，文獻[23-24]分別提出了常規DPFC多目標優化、非線性反饋控制策略，但均需向系統注入3次諧波電流以實現串聯側與系統的有功功率交換，這會引起額外的線路損耗，且安裝支路兩端需中性點接地的變壓器以形成3次諧波回路，并不是所有配電網變壓器類型及中性點接地方式都能滿足常規DPFC的需求。

針對以上問題，本文擬提出一種適用于配電網的新型串并聯混合型FACTS裝置——新分布式潮流控制器（Novel Distributed Power Flow Controller, NDPFC）。首先對NDPFC拓撲結構和工作原理進行研究，再分析其潮流調節范圍與潮流調控特性，得出NDPFC的電磁暫態數學模型，研究可充分發揮NDPFC性能的相關控制策略，并通過仿真驗證所提NDPFC對現代配電網控制的適應性。

1 NDPFC拓撲結構與工作原理

1.1 拓撲結構

拓撲結構如圖1所示。常規DPFC拓撲結構如圖1a所示，需經△/YN聯結的變壓器T1中性點向系統注入3次諧波電流以實現串聯側與系統的有功功率交換[25]，另需YN/△聯結的變壓器T2，以形成3次諧波回路。而中低壓配電網變壓器中性點一般采取不接地或經阻抗接地，且3次諧波電流會增加系統損耗。NDPFC拓撲結構如圖1b所示，對變壓器型號與接地方式無特殊要求，且無需通過3次諧波進行串并聯能量交換，更適用于配電網。

圖1 拓撲結構

NDPFC并聯側由并聯變壓器、三相變流器、公共直流電容組成。串聯側分為串聯側Ⅰ與串聯側Ⅱ，其中，串聯側Ⅰ為三個共直流側（并聯側公共直流電容）的單相變流器，經三相隔離變壓器串入電力線路；串聯側Ⅱ包含多組（A、B、C三個單相為一組）單相變流器，通過單匝耦合變壓器串入線路。

1.2 工作原理與調節特性

NDPFC并聯側功能與UPFC/DPFC一致，國內外已有大量的研究[22-26]，本文不再贅述。電壓補償矢量如圖2所示。DPFC、NDPFC串聯側電壓補償矢量分別如圖2a、圖2b所示。圖中，s、r、、分別為串聯側所在支路首、末端節點電壓與對應相位，L為線路電流，XR為線路阻抗上的壓降，se為常規DPFC串聯側等效補償電壓，sed為NDPFC串聯側Ⅰ等效補償電壓，seq為串聯側Ⅱ等效補償電壓。為實現DPFC的綜合潮流調控功能，NDPFC串聯側應用dq解耦思想，串聯側Ⅰ提供與線路電流同相/反相的電壓sed，串聯側Ⅱ提供與線路電流垂直的電壓seq，通過調節sed、seq的大小與方向，等效補償幅值相位均可變的電壓se。

圖2 電壓補償矢量

當串聯側Ⅱ單獨工作時，可工作于容性/感性狀態，對應的補償方式如圖3所示。

圖3 串聯側Ⅱ補償方式

圖4 電力線路簡化電路

線路末端的有功潮流和無功潮流分別為

結合配電網特點：①配電網RX要遠大于輸電網，一般在12.5左右；②支路首末端電壓相位差非常小；③配電網功率因數較高。令首端電壓有效值為1.025(pu)，初相位為3°，末端電壓有效值為1.0(pu)，初相位0°，線路阻抗，與第3節仿真參數一致。令，結合式（3）～式（5），補償電壓Vseq的潮流調節范圍如圖5所示。

圖6 NDPFC潮流運行范圍

由圖6可以看出，NDPFC串聯側Ⅰ、Ⅱ協同工作時，可以實現線路潮流的綜合調控。seq、sed潮流調節特性如圖7所示。

由圖7可見，在典型配電網系統中，seq調節有功潮流能力優于sed，sed調節無功潮流能力優于seq。因此串聯側Ⅰ控制目標為線路無功潮流，串聯側Ⅱ控制目標為線路有功潮流。配電網功率因數較高，無功潮流調節范圍較小，故串聯側Ⅰ所需容量很小；而串聯側Ⅱ調節有功潮流，調節范圍較大，串聯側Ⅱ所需總容量也較大，與其分布式布置方式相匹配。

圖7 Vseq、Vsed潮流調節特性

2 NDPFC數學模型與控制策略

本節根據NDPFC拓撲結構推導出并、串聯側數學模型，為提高控制精度，提出并聯側雙環控制策略與串聯側Ⅰ、Ⅱ的三環控制策略。

2.1 并聯側數學模型與控制策略

NDPFC并聯側等效電路模型如圖8所示。

圖8 并聯側等效電路模型

將式（8）進行Park變換，可以得到同步旋轉坐標系下NDPFC并聯側的數學模型為

式中，下標d和q分別表示變量的d軸、q軸分量。并聯側輸出電壓的d軸分量與q軸分量分別為

NDPFC并聯側通過與系統交換無功功率以維持接入點母線電壓的穩定。為保證并聯側可靠運行，并為串聯側Ⅰ變流器提供穩定的直流電壓，需維持公共直流電容電壓的穩定。對應控制系統結構框圖如圖9所示。圖中，下標ref表示變量的參考值或給定值；為并聯側接入點母線電壓 幅值。

2.2 串聯側Ⅰ、Ⅱ數學模型與控制策略

圖10 NDPFC串聯側等效模型

結合式（11）～式（13），進行單相Park變換，串聯側單相變流器dq坐標系下數學模型為

式中，為串聯側兩側電壓差；為系統頻率。NDPFC串聯側Ⅱ需控制線路末端有功潮流以及自身電容電壓Vdcse，其控制系統結構框圖如圖11所示。

圖12 串聯側Ⅰ控制系統結構框圖

Fig.12 The diagram of control system structure for series sideⅠ

3 NDPFC應用于配電網場景仿真研究

圖13 含NDPFC的仿真系統

3.1 NDPFC應用于配電網綜合潮流調控

此實驗中NDPFC串、并聯均投入，新能源與負荷以及不對稱模塊不投入。

配電網綜合潮流調控仿真結果如圖14所示。Ⅰ- Ⅱ支路末端初始潮流為2.2+j0.039MV·A。1.5s時潮流指令給定值為2.4MW+j0Mvar。經0.15sⅠ-Ⅱ支路末端有功潮流達到2.4MW并保持穩定，無功潮流經0.5s達到0Mvar并保持穩定。

圖14 配電網綜合潮流調控仿真結果

3.2 NDPFC應用于配電網三相不對稱場景

NDPFC可通過分相控制對配電網進行不對稱補償，以解決配電網不對稱問題。

綜上可以看出，NDPFC可以有效補償配電網三相不對稱。

3.3 NDPFC應用于促進新能源消納場景

新能源電源投入會造成系統潮流的變化，但NDPFC的控制能有效促進新能源的消納，其仿真結果如圖16所示。線路末端潮流最終穩定于3.57+ j0.113Mvar，與用戶側負荷相匹配。線路首端輸出有功潮流經0.2s由3.643MW降為3.171MW，減少量與新能源流向電網量近似相等。Ⅰ-Ⅱ支路電流變小，即線路潮流降低。

綜上可見，NDPFC可通過控制線路末端潮流，在保障負荷需求的情況下，減小首端電源出力，以盡量多地利用新能源電源輸出功率，有效促進新能源電源消納。

4 結論

本文提出了一種適用于配電網的分布式潮流控制器拓撲；應用典型配電網系統驗證了其調節特性與調控范圍；提出了串并聯側電磁暫態數學模型與高魯棒性高精度的串聯側三環控制策略，通過NDPFC調控配電網綜合潮流、補償配電網三相不對稱、促進新能源消納的仿真實驗，得出如下結論：

1）NDPFC可實現配電網綜合潮流調控，解決潮流阻塞、系統潮流最優調控等問題。

2）NDPFC可通過改變每相出力，有效地改善因系統結構不對稱而導致線路電流不對稱的問題。

3）NDPFC可通過強制控制線路潮流，從而在無儲能、負荷不可變的情況下減少首端電源出力，使得新能源電源完全輸送至用戶側，促進新能源消納。

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A Novel Topology of Distributed Power Flow Controller for Distribution Network

11122

（1. School of Automation Wuhan University of Technology Wuhan 430070 China 2. State Grid Hubei Economic & Technology Research Institute Wuhan 430077 China）

In order to realize the transmission of the active power flow between the series side and the system, the conventional distributed power flow controller needs to interchange the power through the third harmonic current. Since the special △/YN and YN/△ transformers are required at both ends of the branch where the series side is located, the installation location of the distributed power flow controller in the distribution network is limited. Thus, a novel distributed power flow controller (NDPFC) for distribution network is proposed in this paper. The operation principle of the NDPFC is analyzed, and its power flow regulation range and regulation characteristics are verified by the typical distribution network system. In addition, the mathematical model of electromagnetic transient in series side of novel topology is studied, and a control strategy for series side Ⅰ and series side Ⅱ based on the three-loop control is proposed to improve the robustness and control accuracy. Finally, simulations in different distribution network scenarios verify that the NDPFC can realize the power flow regulation for the distribution network, compensate for three-phase imbalance, promote renewable energy consumption, and improve the power quality.

Novel distributed power flow controller (NDPFC), three-loop control, comprehensive power flow regulation, three-phase imbalance, consumption of renewable energy

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200744

TM761

唐愛紅 女，1969年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為智能電網運行與控制、柔性交直流輸電技術。E-mail: tah@whut.edu.cn（通信作者）

翟曉輝 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為柔性交直流輸電技術。E-mail: zxh2019@whut.edu.cn

2020-06-30

2020-09-05

國家自然科學基金（51177114）和湖北省技術創新重大專項（2019AAA016）資助項目。

（編輯 陳 誠）