負(fù)載均衡下的柔性配電網(wǎng)功率調(diào)制技術(shù)研究

陳明洋 袁旭峰 徐騰 黃倩 徐玉韜

摘? 要： 柔性配電網(wǎng)與傳統(tǒng)的城市交流配電網(wǎng)不同，柔性配電網(wǎng)利用背靠背換流器將多回10 kV交流饋線通過直流母線柔性互聯(lián);對于利用多端電壓源換流器（VSC）形成的柔性配電網(wǎng)，利用直流功率調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)中多回饋線的有功功率均衡，使多回饋線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。針對柔性互聯(lián)的多回10 kV交流饋線的換流器，在主從控制基礎(chǔ)上提出一種基于負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)，以該功率調(diào)制技術(shù)的輸出值作為電流控制環(huán)的參考輸入值，用以實(shí)現(xiàn)柔性配電網(wǎng)中的多回交流饋線的負(fù)載均衡。利用PSCAD/EMTDC搭建四端柔性配電網(wǎng)仿真，仿真結(jié)果表明，所提基于負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)能跟隨負(fù)載波動(dòng)實(shí)時(shí)平衡各回饋線間的負(fù)載，提高交流配網(wǎng)設(shè)備利用率和運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞： 柔性配電網(wǎng); 功率調(diào)制; 負(fù)載均衡; 交流饋線; 閉環(huán)運(yùn)行; 配電網(wǎng)仿真

中圖分類號： TN761?34; TM46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）05?0171?04

Research on flexible distribution network power modulation technology

based on load balancing

CHEN Mingyang1， 2， YUAN Xufeng1， XU Teng1， HUANG Qian1， XU Yutao2

（1. College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China;

2. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.， Ltd.， Guiyang 550002， China）

Abstract： The flexible distribution network is different from the traditional urban AC distribution network， in which back?to?back converter is used to realize interconnection of multiple 10 kV AC feeder lines through DC bus. For the flexible distribution network formed by multi?terminal voltage?source?convert （VSC）， the DC power modulation technology can be used to realize the active power equalization of multiple feedback lines in the distribution network， and realize the closed?loop operation of multiple feedback lines. On the basis of the master?slave control， the load?balancing?based power modulation technique is proposed in this paper for the flexible interconnected converters of 10 kV AC feeder lines. The output value of the power modulation technology is taken as a reference input value of the current control loop to implement load balancing of multiple AC feeder lines in the flexible distribution network. A four?terminal flexible distribution network simulation device was built by means of PSCAD/EMTDC. The simulation results show that the power modulation technology based on load balancing can balance the load among each feeder lines in time， following with load fluctuations， and improve the utilization and operational reliability of AC distribution network equipment.

Keywords： Flexible distribution network; power modulation; load balancing; AC feeder; closed?loop operation; distribution network simulation

0? 引? 言

傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)的交流饋線通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)相連，其閉環(huán)設(shè)計(jì)開環(huán)運(yùn)行的模式導(dǎo)致拓?fù)浜瓦\(yùn)行方式的不靈活[1]，存在轉(zhuǎn)供能力差，部分變電站趨于飽和以及設(shè)備負(fù)載水平偏高等缺陷[2]。隨著光伏、風(fēng)力等分布式電源的大量接入，電動(dòng)汽車、LED等直流負(fù)荷不斷增多，現(xiàn)有的配電網(wǎng)架構(gòu)在供電能力和運(yùn)行控制方面面臨極大挑戰(zhàn)[3]。柔性配電網(wǎng)能更好地接納分布式電源和直流負(fù)荷，滿足用戶對電能質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的要求，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率[4]。從利用現(xiàn)有的交流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和直流配電技術(shù)的優(yōu)勢角度出發(fā)，柔性配電網(wǎng)必然會(huì)是未來配電網(wǎng)的重要形式之一[5?6]。

直流功率調(diào)制技術(shù)通過從交流系統(tǒng)中獲取信號對直流線路的電流和功率進(jìn)行調(diào)控，多用于改善交直流系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在直流輸電領(lǐng)域已獲得較多應(yīng)用[7?16]。文獻(xiàn)[7]為改善多端直流系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)能力，提出一種基于多端直流聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電功率協(xié)調(diào)控制策略，它可根據(jù)直流電壓變化控制風(fēng)電場端電網(wǎng)頻率，使風(fēng)電能夠有效分擔(dān)系統(tǒng)內(nèi)的不平衡功率。文獻(xiàn)[8]針對多條直流換相失敗引起的大幅功率振蕩問題，提出一種直流功率補(bǔ)償調(diào)制方法，通過在線計(jì)算換相失敗產(chǎn)生的功率沖擊能量，選擇功率補(bǔ)償效果較優(yōu)的線路對換相失敗產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行快速抑制。文獻(xiàn)[9]為抑制交直流混聯(lián)系統(tǒng)負(fù)荷突變引起的功率振蕩提出一種變結(jié)構(gòu)的直流功率調(diào)制和快速汽門最優(yōu)控制的協(xié)調(diào)控制策略，該策略能在負(fù)荷發(fā)生擾動(dòng)的初期顯著抑制頻率振蕩。文獻(xiàn)[10]針對水電機(jī)組的水錘效益引發(fā)的交流系統(tǒng)低頻振蕩，利用基于一階慣性環(huán)節(jié)的直流功率調(diào)制附加頻率控制器改善水電機(jī)組的運(yùn)行特性，并對控制器參數(shù)的整定給出了合適范圍，有效抑制了交流系統(tǒng)中的低頻振蕩。文獻(xiàn)[11]針對大規(guī)模風(fēng)電外送過程中功率波動(dòng)引發(fā)的送端換流站交流母線電壓、頻率波動(dòng)的問題，通過在直流調(diào)制器回路引入高通濾波器，將風(fēng)電功率變化量中變化較快的部分通過直流輸電系統(tǒng)傳送到受端共同承擔(dān)功率波動(dòng)的影響，減小了頻率波動(dòng)量。文獻(xiàn)[12]為提高電壓源換流器（Voltage?Source?Convert，VSC）多端直流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，提出一種多換流站共同參與主網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的多端協(xié)調(diào)控制策略，使多端系統(tǒng)中的各孤島電網(wǎng)換流站以最優(yōu)直流電壓斜率控制協(xié)調(diào)參與主網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過程，與傳統(tǒng)控制方法相比，動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)。文獻(xiàn)[13]針對阻尼系數(shù)未知的交直流混合輸電系統(tǒng)不確定小擾動(dòng)情況提出一種非線性附加控制器，通過快速調(diào)節(jié)直流功率來提升混合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14]針對多端直流系統(tǒng)，提出基于電流平衡器的多端直流輸電系統(tǒng)功率調(diào)制技術(shù)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15?16]研究了如何利用直流功率調(diào)制技術(shù)改善交直流混聯(lián)系統(tǒng)中交流負(fù)荷突變時(shí)引發(fā)的頻率振蕩問題。

上述方案多用于提升交直流混合輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對配電網(wǎng)的應(yīng)用涉及較少，且部分方案涉及到控制器的優(yōu)化算法，這增加了控制器設(shè)計(jì)的難度，不利于工程應(yīng)用。而通過直流配電環(huán)節(jié)對交流配電網(wǎng)進(jìn)行功率支撐是實(shí)現(xiàn)柔性配電網(wǎng)的關(guān)鍵，功率調(diào)制技術(shù)在柔性配電系統(tǒng)方面的應(yīng)用還鮮有報(bào)道。文獻(xiàn)[14]的電流平衡器能實(shí)時(shí)快速地調(diào)控直流功率，對交流系統(tǒng)進(jìn)行支撐，本文在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，對通過多端換流器柔性互聯(lián)的交流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載均衡的功率實(shí)時(shí)調(diào)制技術(shù)，僅需少量的測量點(diǎn)就能通過控制柔性配電網(wǎng)中的換流器達(dá)到交流饋線負(fù)載均衡的目的。

1? 基于負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)

本文所研究的多端柔性配電系統(tǒng)如圖1所示。通過一個(gè)四端直流系統(tǒng)將4條10 kV交流饋線柔性互聯(lián)，其中，直流母線電壓等級為±10 kV，在每條饋線的出口端都各自接有負(fù)荷。

本文為實(shí)現(xiàn)柔性配網(wǎng)中饋線閉環(huán)運(yùn)行，均衡各回饋線出力，在文獻(xiàn)[14]的電流平衡器基礎(chǔ)上，提出如圖2所示的基于負(fù)載均衡原則的功率調(diào)制技術(shù)，將其作為換流器電流內(nèi)環(huán)參考值的輸入命令，用于在負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)快速均衡各回饋線的有功功率。

圖2中，[idref1]，[idref2]，…，[idrefn]為通過功率調(diào)制技術(shù)輸出的換流器內(nèi)環(huán)電流參考命令。負(fù)荷均衡原則是讓各回10 kV線路從變電站出線的單位截面有功功率密度相同，從而使得柔性配電網(wǎng)中的各回交流饋線處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。如圖3所示，假設(shè)有[n+1]回交流線路通過換流器接入柔性配電網(wǎng)，以主從控制為基礎(chǔ)，設(shè)定第[n+1]回饋線連接的換流站為主站，控制柔性配電網(wǎng)的直流電壓，其余1～[n]回線路連接的換流站為從站，采用基于負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制;通過測量所得各回線路實(shí)際傳送的有功功率為[Pi]（[i=]1，2，…，[n]，[n+1]），設(shè)定各回線路所能傳送的最大功率為[Pmaxi]，主站相當(dāng)于柔性配電網(wǎng)的平衡節(jié)點(diǎn)，定義其傳送有功功率為[Pslack]，則有：

[Ki=Pmaxij=1nPmaxj+Pslack] （1）

[Km=Pslackj=1nPmaxj+Pslack] ? ? （2）

[i=1nKi+Km=1]? ? ? ?（3）

式中：[Ki]為第1～[n]回采用功率調(diào)制技術(shù)控制從站所接連交流饋線的功率分配系數(shù);[Km]為主站控制交流饋線的功率分配系數(shù)?；谪?fù)載均衡功率調(diào)制技術(shù)的控制思想在于：各回饋線輸出功率是總的饋線輸出功率按功率分配系數(shù)分配的，當(dāng)某一回饋線輸出功率發(fā)生突變時(shí)，由PI控制器控制其他采用功率控制的換流站共同分擔(dān)負(fù)載。由于主站采用的是定直流電壓控制，故通過修正從站控制饋線的輸出功率來實(shí)現(xiàn)多回饋線之間的負(fù)載均衡。

2? 多端柔性配電網(wǎng)控制策略

基于上述負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)，針對圖1所示的柔性配電網(wǎng)，提出如圖3所示的基于負(fù)載均衡的柔性配電網(wǎng)控制策略。

通過采集饋線出口端的有功功率[P1]，[P2]，[P3]，[P4]，然后利用如圖2所示的功率調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)各回交流饋線的負(fù)載均衡，主站的定直流控制、各端的無功控制環(huán)節(jié)保持不變。

3? 仿真分析

3.1? 仿真參數(shù)

利用PSCAD/EMTDC搭建如圖1所示的柔性配電網(wǎng)仿真模型，其中，具體仿真參數(shù)如表1所示。

此外，交流饋線Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ出口側(cè)分別帶10 MW，1 MW，1 MW，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相同。

3.2? 算例分析

3.2.1? 算例1

柔性配電網(wǎng)未采用功率調(diào)制技術(shù)，主站采用定直流電壓控制，從站采用有功功率控制，其中，VSC1～VSC3的有功功率指定命令分別為-6 MW，2 MW，3 MW，VSC4控制直流電壓為±10 kV;饋線Ⅱ出口側(cè)在1 s時(shí)投入3 MW負(fù)荷，2 s后該負(fù)荷退出運(yùn)行。柔性配電網(wǎng)在負(fù)荷突變時(shí)的運(yùn)行特性如圖4所示。

由圖4可知，在負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，各個(gè)換流器輸送功率發(fā)生了小擾動(dòng)，然后基本維持在給定值;饋線Ⅱ的輸出功率由3 MW增加到了6 MW，在1 s時(shí)投入的3 MW負(fù)荷全部由饋線Ⅱ承擔(dān)，饋線Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ發(fā)出功率沒有變化;1，3，4號VSC隔離變壓器側(cè)無功功率沒有發(fā)生變化，2號VSC隔離變壓器側(cè)無功功率由原來的-0.4 Mvar變?yōu)?1.3 Mvar。也就是說，當(dāng)不采用功率調(diào)制技術(shù)時(shí)，負(fù)荷僅由所在的饋線承擔(dān)，且與負(fù)載相連的VSC僅為維持交流電壓而提供無功功率支撐，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際意義上的閉環(huán)運(yùn)行，饋線Ⅱ的負(fù)載率遠(yuǎn)大于其余饋線。

3.2.2? 算例2

柔性配電網(wǎng)采用功率調(diào)制技術(shù)，VSC1～VSC3使用功率調(diào)制器輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制器的參考輸入值，各回饋線功率分配系數(shù)[K]相同，設(shè)定為0.25，VSC4仍然作為主站維持直流電壓。采用功率調(diào)制器柔性配電網(wǎng)在負(fù)荷突變時(shí)的運(yùn)行特性如圖5所示。

由圖5可知，在1 s前，1～4號VSC輸送的有功率分別為-6.2 MW，2.8 MW，2.8 MW以及0.8 MW，在采用功率調(diào)制技術(shù)時(shí)，各回饋線輸出功率同為3.8 MW，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡;當(dāng)負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，VSC1～VSC4輸送的功率變化到-5.45 MW，0.54 MW，3.54 MW和1.52 MW;增加的負(fù)載由每回饋線分別分擔(dān)，經(jīng)過小擾動(dòng)后，每回饋線輸出的有功功率共同維持在4.53 MW，實(shí)現(xiàn)饋線負(fù)載均衡。從隔離變側(cè)無功功率可以看出，在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，各VSC發(fā)出的無功功率變化趨勢相同，這意味著各VSC共同分擔(dān)了交流負(fù)荷，體現(xiàn)了柔性配電網(wǎng)利用VSC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行的優(yōu)勢。

4? 結(jié)? 論

本文針對柔性配電網(wǎng)中的多回交流饋線，在主從控制的基礎(chǔ)上，提出一種基于負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)，并以此改進(jìn)了柔性配電網(wǎng)的控制策略，通過算例仿真，得出以下結(jié)論：

1） 利用該功率調(diào)制技術(shù)能根據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)柔性配電網(wǎng)中多回饋線的有功出力，實(shí)現(xiàn)柔性配電網(wǎng)中多回饋線之間的負(fù)載均衡;

2） 基于負(fù)載均衡的功率調(diào)制技術(shù)僅需少量的測量點(diǎn)即可完成多回饋線出力均衡，且不需優(yōu)化算法，不用附加控制器，減少了成本，有利于工程實(shí)現(xiàn)。

本文針對柔性配電網(wǎng)中多端VSC系統(tǒng)僅基于負(fù)載均衡思想提出了控制方法，此外，通過柔性配電網(wǎng)提升分布式能源的消納能力，消除電磁環(huán)網(wǎng)電流，這些控制方法還有待深入研究。

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