一種適用于配電網(wǎng)的新分布式潮流控制器拓?fù)?/h1>
2021-08-28 10:59:02唐愛(ài)紅翟曉輝盧智鍵徐秋實(shí)
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2021年16期
唐愛(ài)紅 翟曉輝 盧智鍵 鄭 旭 徐秋實(shí)
一種適用于配電網(wǎng)的新分布式潮流控制器拓?fù)?/p>
唐愛(ài)紅1翟曉輝1盧智鍵1鄭 旭2徐秋實(shí)2
（1. 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430070 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 武漢 430077）
常規(guī)分布式潮流控制器（DPFC）需通過(guò)3次諧波電流以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的有功功率交換，串聯(lián)側(cè)所在支路首末端分別需△/YN、YN/△聯(lián)結(jié)型變壓器，因此在配電網(wǎng)中的安裝地點(diǎn)受到一定限制。為此該文提出一種適用于配電網(wǎng)的新DPFC（NDPFC）拓?fù)?；分析NDPFC工作原理，應(yīng)用配電網(wǎng)典型系統(tǒng)驗(yàn)證其潮流調(diào)節(jié)范圍與調(diào)控特性；此外，研究NDPFC串并聯(lián)側(cè)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，為提高魯棒性與控制精度，提出一種采用三環(huán)控制的串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ控制策略；最后，在不同配電網(wǎng)場(chǎng)景下，通過(guò)仿真驗(yàn)證了NDPFC可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控、補(bǔ)償三相不平衡、促進(jìn)新能源消納，有效地提高了配電網(wǎng)電能質(zhì)量。
新分布式潮流控制器（NDPFC） 三環(huán)控制 綜合潮流調(diào)控 三相不平衡 新能源消納
0 引言
隨著我國(guó)電力需求的增加與國(guó)民經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源裝機(jī)規(guī)?？焖僭黾?。大量的二次設(shè)備投入、汽車充電樁逐漸普及、新能源電力自身的波動(dòng)性與間歇性、含新能源電源的電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機(jī)性以及線路輸送能力限制[1]，將導(dǎo)致配電網(wǎng)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(wèn)題[2-5]。同時(shí)，不受控的潮流會(huì)造成部分區(qū)域電力供給不足、線路傳輸損耗大等問(wèn)題，甚至降低系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性[6]。
柔性交流輸電技術(shù)（Flexible Alternating Current Transmission Systems, FACTS）可以優(yōu)化潮流分布，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。并聯(lián)型FACTS裝置可補(bǔ)償無(wú)功功率、穩(wěn)定母線電壓、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[7-9]，文獻(xiàn)[9]提出了不平衡條件下的星形聯(lián)結(jié)的鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（Distribution Static Synchronous Compensators, D-STATCOM）控制策略，可同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率與負(fù)序電流。串聯(lián)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(yīng)用于配電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)線路有功潮流調(diào)控、三相不對(duì)稱補(bǔ)償、諧波抑制等功能[10-13]，文獻(xiàn)[13]提出采用超級(jí)電容器儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器以有效提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量，但功率損耗較大、效率太低[14]。文獻(xiàn)[15]提出一種多并聯(lián)靜止同步補(bǔ)償器（Multiple Static Synchronous Series Compensator, MSSSC）以提高線路潮流調(diào)控靈活性，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合潮流調(diào)控。分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)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(wèn)題，國(guó)內(nèi)外針對(duì)DSSC的控制策略、選址定容、提升系統(tǒng)可靠性等方面進(jìn)行了大量的研究[16-18]。
串并聯(lián)混合型FACTS裝置有統(tǒng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電力系統(tǒng)母線電壓、調(diào)節(jié)線路綜合潮流、阻塞調(diào)度等功能[19-21]。文獻(xiàn)[22]提出了一種基于多電平UPFC的三相不對(duì)稱抑制策略，但UPFC高額的造價(jià)及較大的占地需求限制了其在配電網(wǎng)的應(yīng)用。常規(guī)DPFC兼顧了UPFC的強(qiáng)大功能性和DSSC的高經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[23-24]分別提出了常規(guī)DPFC多目標(biāo)優(yōu)化、非線性反饋控制策略，但均需向系統(tǒng)注入3次諧波電流以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的有功功率交換，這會(huì)引起額外的線路損耗，且安裝支路兩端需中性點(diǎn)接地的變壓器以形成3次諧波回路，并不是所有配電網(wǎng)變壓器類型及中性點(diǎn)接地方式都能滿足常規(guī)DPFC的需求。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文擬提出一種適用于配電網(wǎng)的新型串并聯(lián)混合型FACTS裝置——新分布式潮流控制器（Novel Distributed Power Flow Controller, NDPFC）。首先對(duì)NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行研究，再分析其潮流調(diào)節(jié)范圍與潮流調(diào)控特性，得出NDPFC的電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究可充分發(fā)揮NDPFC性能的相關(guān)控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證所提NDPFC對(duì)現(xiàn)代配電網(wǎng)控制的適應(yīng)性。
1 NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。常規(guī)DPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1a所示，需經(jīng)△/YN聯(lián)結(jié)的變壓器T1中性點(diǎn)向系統(tǒng)注入3次諧波電流以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的有功功率交換[25]，另需YN/△聯(lián)結(jié)的變壓器T2，以形成3次諧波回路。而中低壓配電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)一般采取不接地或經(jīng)阻抗接地，且3次諧波電流會(huì)增加系統(tǒng)損耗。NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1b所示，對(duì)變壓器型號(hào)與接地方式無(wú)特殊要求，且無(wú)需通過(guò)3次諧波進(jìn)行串并聯(lián)能量交換，更適用于配電網(wǎng)。
圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
NDPFC并聯(lián)側(cè)由并聯(lián)變壓器、三相變流器、公共直流電容組成。串聯(lián)側(cè)分為串聯(lián)側(cè)Ⅰ與串聯(lián)側(cè)Ⅱ，其中，串聯(lián)側(cè)Ⅰ為三個(gè)共直流側(cè)（并聯(lián)側(cè)公共直流電容）的單相變流器，經(jīng)三相隔離變壓器串入電力線路；串聯(lián)側(cè)Ⅱ包含多組（A、B、C三個(gè)單相為一組）單相變流器，通過(guò)單匝耦合變壓器串入線路。
1.2 工作原理與調(diào)節(jié)特性
NDPFC并聯(lián)側(cè)功能與UPFC/DPFC一致，國(guó)內(nèi)外已有大量的研究[22-26]，本文不再贅述。電壓補(bǔ)償矢量如圖2所示。DPFC、NDPFC串聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償矢量分別如圖2a、圖2b所示。圖中，s、r、、分別為串聯(lián)側(cè)所在支路首、末端節(jié)點(diǎn)電壓與對(duì)應(yīng)相位，L為線路電流，XR為線路阻抗上的壓降，se為常規(guī)DPFC串聯(lián)側(cè)等效補(bǔ)償電壓，sed為NDPFC串聯(lián)側(cè)Ⅰ等效補(bǔ)償電壓，seq為串聯(lián)側(cè)Ⅱ等效補(bǔ)償電壓。為實(shí)現(xiàn)DPFC的綜合潮流調(diào)控功能，NDPFC串聯(lián)側(cè)應(yīng)用dq解耦思想，串聯(lián)側(cè)Ⅰ提供與線路電流同相/反相的電壓sed，串聯(lián)側(cè)Ⅱ提供與線路電流垂直的電壓seq，通過(guò)調(diào)節(jié)sed、seq的大小與方向，等效補(bǔ)償幅值相位均可變的電壓se。
圖2 電壓補(bǔ)償矢量
當(dāng)串聯(lián)側(cè)Ⅱ單獨(dú)工作時(shí)，可工作于容性/感性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償方式如圖3所示。
圖3 串聯(lián)側(cè)Ⅱ補(bǔ)償方式
圖4 電力線路簡(jiǎn)化電路
線路末端的有功潮流和無(wú)功潮流分別為
結(jié)合配電網(wǎng)特點(diǎn)：①配電網(wǎng)RX要遠(yuǎn)大于輸電網(wǎng)，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(wǎng)功率因數(shù)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(jié)仿真參數(shù)一致。令，結(jié)合式（3）～式（5），補(bǔ)償電壓Vseq的潮流調(diào)節(jié)范圍如圖5所示。
圖6 NDPFC潮流運(yùn)行范圍
由圖6可以看出，NDPFC串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ協(xié)同工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)線路潮流的綜合調(diào)控。seq、sed潮流調(diào)節(jié)特性如圖7所示。
由圖7可見(jiàn)，在典型配電網(wǎng)系統(tǒng)中，seq調(diào)節(jié)有功潮流能力優(yōu)于sed，sed調(diào)節(jié)無(wú)功潮流能力優(yōu)于seq。因此串聯(lián)側(cè)Ⅰ控制目標(biāo)為線路無(wú)功潮流，串聯(lián)側(cè)Ⅱ控制目標(biāo)為線路有功潮流。配電網(wǎng)功率因數(shù)較高，無(wú)功潮流調(diào)節(jié)范圍較小，故串聯(lián)側(cè)Ⅰ所需容量很小；而串聯(lián)側(cè)Ⅱ調(diào)節(jié)有功潮流，調(diào)節(jié)范圍較大，串聯(lián)側(cè)Ⅱ所需總?cè)萘恳草^大，與其分布式布置方式相匹配。
圖7 Vseq、Vsed潮流調(diào)節(jié)特性
2 NDPFC數(shù)學(xué)模型與控制策略
本節(jié)根據(jù)NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推導(dǎo)出并、串聯(lián)側(cè)數(shù)學(xué)模型，為提高控制精度，提出并聯(lián)側(cè)雙環(huán)控制策略與串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ的三環(huán)控制策略。
2.1 并聯(lián)側(cè)數(shù)學(xué)模型與控制策略
NDPFC并聯(lián)側(cè)等效電路模型如圖8所示。
圖8 并聯(lián)側(cè)等效電路模型
將式（8）進(jìn)行Park變換，可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下NDPFC并聯(lián)側(cè)的數(shù)學(xué)模型為
式中，下標(biāo)d和q分別表示變量的d軸、q軸分量。并聯(lián)側(cè)輸出電壓的d軸分量與q軸分量分別為
NDPFC并聯(lián)側(cè)通過(guò)與系統(tǒng)交換無(wú)功功率以維持接入點(diǎn)母線電壓的穩(wěn)定。為保證并聯(lián)側(cè)可靠運(yùn)行，并為串聯(lián)側(cè)Ⅰ變流器提供穩(wěn)定的直流電壓，需維持公共直流電容電壓的穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。圖中，下標(biāo)ref表示變量的參考值或給定值；為并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)母線電壓 幅值。
2.2 串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ數(shù)學(xué)模型與控制策略
圖10 NDPFC串聯(lián)側(cè)等效模型
結(jié)合式（11）～式（13），進(jìn)行單相Park變換，串聯(lián)側(cè)單相變流器dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為
式中，為串聯(lián)側(cè)兩側(cè)電壓差；為系統(tǒng)頻率。NDPFC串聯(lián)側(cè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。
圖12 串聯(lián)側(cè)Ⅰ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
Fig.12 The diagram of control system structure for series sideⅠ
3 NDPFC應(yīng)用于配電網(wǎng)場(chǎng)景仿真研究
圖13 含NDPFC的仿真系統(tǒng)
3.1 NDPFC應(yīng)用于配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控
此實(shí)驗(yàn)中NDPFC串、并聯(lián)均投入，新能源與負(fù)荷以及不對(duì)稱模塊不投入。
配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控仿真結(jié)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(shí)潮流指令給定值為2.4MW+j0Mvar。經(jīng)0.15sⅠ-Ⅱ支路末端有功潮流達(dá)到2.4MW并保持穩(wěn)定，無(wú)功潮流經(jīng)0.5s達(dá)到0Mvar并保持穩(wěn)定。
圖14 配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控仿真結(jié)果
3.2 NDPFC應(yīng)用于配電網(wǎng)三相不對(duì)稱場(chǎng)景
NDPFC可通過(guò)分相控制對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行不對(duì)稱補(bǔ)償，以解決配電網(wǎng)不對(duì)稱問(wèn)題。
綜上可以看出，NDPFC可以有效補(bǔ)償配電網(wǎng)三相不對(duì)稱。
3.3 NDPFC應(yīng)用于促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景
新能源電源投入會(huì)造成系統(tǒng)潮流的變化，但NDPFC的控制能有效促進(jìn)新能源的消納，其仿真結(jié)果如圖16所示。線路末端潮流最終穩(wěn)定于3.57+ j0.113Mvar，與用戶側(cè)負(fù)荷相匹配。線路首端輸出有功潮流經(jīng)0.2s由3.643MW降為3.171MW，減少量與新能源流向電網(wǎng)量近似相等。Ⅰ-Ⅱ支路電流變小，即線路潮流降低。
綜上可見(jiàn)，NDPFC可通過(guò)控制線路末端潮流，在保障負(fù)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(jìn)新能源電源消納。
4 結(jié)論
本文提出了一種適用于配電網(wǎng)的分布式潮流控制器拓?fù)洌粦?yīng)用典型配電網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)證了其調(diào)節(jié)特性與調(diào)控范圍；提出了串并聯(lián)側(cè)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型與高魯棒性高精度的串聯(lián)側(cè)三環(huán)控制策略，通過(guò)NDPFC調(diào)控配電網(wǎng)綜合潮流、補(bǔ)償配電網(wǎng)三相不對(duì)稱、促進(jìn)新能源消納的仿真實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：
1）NDPFC可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控，解決潮流阻塞、系統(tǒng)潮流最優(yōu)調(diào)控等問(wèn)題。
2）NDPFC可通過(guò)改變每相出力，有效地改善因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱而導(dǎo)致線路電流不對(duì)稱的問(wèn)題。
3）NDPFC可通過(guò)強(qiáng)制控制線路潮流，從而在無(wú)儲(chǔ)能、負(fù)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(cè)，促進(jìn)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(ài)紅 女，1969年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)運(yùn)行與控制、柔性交直流輸電技術(shù)。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?yàn)槿嵝越恢绷鬏旊娂夹g(shù)。E-mail: zxh2019@whut.edu.cn
2020-06-30
2020-09-05
國(guó)家自然科學(xué)基金（51177114）和湖北省技術(shù)創(chuàng)新重大專項(xiàng)（2019AAA016）資助項(xiàng)目。
（編輯 陳 誠(chéng)）
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唐愛(ài)紅 翟曉輝 盧智鍵 鄭 旭 徐秋實(shí)
一種適用于配電網(wǎng)的新分布式潮流控制器拓?fù)?/p>
唐愛(ài)紅1翟曉輝1盧智鍵1鄭 旭2徐秋實(shí)2
（1. 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430070 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 武漢 430077）
常規(guī)分布式潮流控制器（DPFC）需通過(guò)3次諧波電流以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的有功功率交換，串聯(lián)側(cè)所在支路首末端分別需△/YN、YN/△聯(lián)結(jié)型變壓器，因此在配電網(wǎng)中的安裝地點(diǎn)受到一定限制。為此該文提出一種適用于配電網(wǎng)的新DPFC（NDPFC）拓?fù)?；分析NDPFC工作原理，應(yīng)用配電網(wǎng)典型系統(tǒng)驗(yàn)證其潮流調(diào)節(jié)范圍與調(diào)控特性；此外，研究NDPFC串并聯(lián)側(cè)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，為提高魯棒性與控制精度，提出一種采用三環(huán)控制的串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ控制策略；最后，在不同配電網(wǎng)場(chǎng)景下，通過(guò)仿真驗(yàn)證了NDPFC可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控、補(bǔ)償三相不平衡、促進(jìn)新能源消納，有效地提高了配電網(wǎng)電能質(zhì)量。
新分布式潮流控制器（NDPFC） 三環(huán)控制 綜合潮流調(diào)控 三相不平衡 新能源消納
0 引言
隨著我國(guó)電力需求的增加與國(guó)民經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源裝機(jī)規(guī)?？焖僭黾?。大量的二次設(shè)備投入、汽車充電樁逐漸普及、新能源電力自身的波動(dòng)性與間歇性、含新能源電源的電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機(jī)性以及線路輸送能力限制[1]，將導(dǎo)致配電網(wǎng)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(wèn)題[2-5]。同時(shí)，不受控的潮流會(huì)造成部分區(qū)域電力供給不足、線路傳輸損耗大等問(wèn)題，甚至降低系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性[6]。
柔性交流輸電技術(shù)（Flexible Alternating Current Transmission Systems, FACTS）可以優(yōu)化潮流分布，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。并聯(lián)型FACTS裝置可補(bǔ)償無(wú)功功率、穩(wěn)定母線電壓、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[7-9]，文獻(xiàn)[9]提出了不平衡條件下的星形聯(lián)結(jié)的鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（Distribution Static Synchronous Compensators, D-STATCOM）控制策略，可同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率與負(fù)序電流。串聯(lián)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(yīng)用于配電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)線路有功潮流調(diào)控、三相不對(duì)稱補(bǔ)償、諧波抑制等功能[10-13]，文獻(xiàn)[13]提出采用超級(jí)電容器儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器以有效提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量，但功率損耗較大、效率太低[14]。文獻(xiàn)[15]提出一種多并聯(lián)靜止同步補(bǔ)償器（Multiple Static Synchronous Series Compensator, MSSSC）以提高線路潮流調(diào)控靈活性，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合潮流調(diào)控。分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)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(wèn)題，國(guó)內(nèi)外針對(duì)DSSC的控制策略、選址定容、提升系統(tǒng)可靠性等方面進(jìn)行了大量的研究[16-18]。
串并聯(lián)混合型FACTS裝置有統(tǒng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電力系統(tǒng)母線電壓、調(diào)節(jié)線路綜合潮流、阻塞調(diào)度等功能[19-21]。文獻(xiàn)[22]提出了一種基于多電平UPFC的三相不對(duì)稱抑制策略，但UPFC高額的造價(jià)及較大的占地需求限制了其在配電網(wǎng)的應(yīng)用。常規(guī)DPFC兼顧了UPFC的強(qiáng)大功能性和DSSC的高經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[23-24]分別提出了常規(guī)DPFC多目標(biāo)優(yōu)化、非線性反饋控制策略，但均需向系統(tǒng)注入3次諧波電流以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的有功功率交換，這會(huì)引起額外的線路損耗，且安裝支路兩端需中性點(diǎn)接地的變壓器以形成3次諧波回路，并不是所有配電網(wǎng)變壓器類型及中性點(diǎn)接地方式都能滿足常規(guī)DPFC的需求。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文擬提出一種適用于配電網(wǎng)的新型串并聯(lián)混合型FACTS裝置——新分布式潮流控制器（Novel Distributed Power Flow Controller, NDPFC）。首先對(duì)NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行研究，再分析其潮流調(diào)節(jié)范圍與潮流調(diào)控特性，得出NDPFC的電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究可充分發(fā)揮NDPFC性能的相關(guān)控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證所提NDPFC對(duì)現(xiàn)代配電網(wǎng)控制的適應(yīng)性。
1 NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。常規(guī)DPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1a所示，需經(jīng)△/YN聯(lián)結(jié)的變壓器T1中性點(diǎn)向系統(tǒng)注入3次諧波電流以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的有功功率交換[25]，另需YN/△聯(lián)結(jié)的變壓器T2，以形成3次諧波回路。而中低壓配電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)一般采取不接地或經(jīng)阻抗接地，且3次諧波電流會(huì)增加系統(tǒng)損耗。NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1b所示，對(duì)變壓器型號(hào)與接地方式無(wú)特殊要求，且無(wú)需通過(guò)3次諧波進(jìn)行串并聯(lián)能量交換，更適用于配電網(wǎng)。
圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
NDPFC并聯(lián)側(cè)由并聯(lián)變壓器、三相變流器、公共直流電容組成。串聯(lián)側(cè)分為串聯(lián)側(cè)Ⅰ與串聯(lián)側(cè)Ⅱ，其中，串聯(lián)側(cè)Ⅰ為三個(gè)共直流側(cè)（并聯(lián)側(cè)公共直流電容）的單相變流器，經(jīng)三相隔離變壓器串入電力線路；串聯(lián)側(cè)Ⅱ包含多組（A、B、C三個(gè)單相為一組）單相變流器，通過(guò)單匝耦合變壓器串入線路。
1.2 工作原理與調(diào)節(jié)特性
NDPFC并聯(lián)側(cè)功能與UPFC/DPFC一致，國(guó)內(nèi)外已有大量的研究[22-26]，本文不再贅述。電壓補(bǔ)償矢量如圖2所示。DPFC、NDPFC串聯(lián)側(cè)電壓補(bǔ)償矢量分別如圖2a、圖2b所示。圖中，s、r、、分別為串聯(lián)側(cè)所在支路首、末端節(jié)點(diǎn)電壓與對(duì)應(yīng)相位，L為線路電流，XR為線路阻抗上的壓降，se為常規(guī)DPFC串聯(lián)側(cè)等效補(bǔ)償電壓，sed為NDPFC串聯(lián)側(cè)Ⅰ等效補(bǔ)償電壓，seq為串聯(lián)側(cè)Ⅱ等效補(bǔ)償電壓。為實(shí)現(xiàn)DPFC的綜合潮流調(diào)控功能，NDPFC串聯(lián)側(cè)應(yīng)用dq解耦思想，串聯(lián)側(cè)Ⅰ提供與線路電流同相/反相的電壓sed，串聯(lián)側(cè)Ⅱ提供與線路電流垂直的電壓seq，通過(guò)調(diào)節(jié)sed、seq的大小與方向，等效補(bǔ)償幅值相位均可變的電壓se。
圖2 電壓補(bǔ)償矢量
當(dāng)串聯(lián)側(cè)Ⅱ單獨(dú)工作時(shí)，可工作于容性/感性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償方式如圖3所示。
圖3 串聯(lián)側(cè)Ⅱ補(bǔ)償方式
圖4 電力線路簡(jiǎn)化電路
線路末端的有功潮流和無(wú)功潮流分別為
結(jié)合配電網(wǎng)特點(diǎn)：①配電網(wǎng)RX要遠(yuǎn)大于輸電網(wǎng)，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(wǎng)功率因數(shù)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(jié)仿真參數(shù)一致。令，結(jié)合式（3）～式（5），補(bǔ)償電壓Vseq的潮流調(diào)節(jié)范圍如圖5所示。
圖6 NDPFC潮流運(yùn)行范圍
由圖6可以看出，NDPFC串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ協(xié)同工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)線路潮流的綜合調(diào)控。seq、sed潮流調(diào)節(jié)特性如圖7所示。
由圖7可見(jiàn)，在典型配電網(wǎng)系統(tǒng)中，seq調(diào)節(jié)有功潮流能力優(yōu)于sed，sed調(diào)節(jié)無(wú)功潮流能力優(yōu)于seq。因此串聯(lián)側(cè)Ⅰ控制目標(biāo)為線路無(wú)功潮流，串聯(lián)側(cè)Ⅱ控制目標(biāo)為線路有功潮流。配電網(wǎng)功率因數(shù)較高，無(wú)功潮流調(diào)節(jié)范圍較小，故串聯(lián)側(cè)Ⅰ所需容量很小；而串聯(lián)側(cè)Ⅱ調(diào)節(jié)有功潮流，調(diào)節(jié)范圍較大，串聯(lián)側(cè)Ⅱ所需總?cè)萘恳草^大，與其分布式布置方式相匹配。
圖7 Vseq、Vsed潮流調(diào)節(jié)特性
2 NDPFC數(shù)學(xué)模型與控制策略
本節(jié)根據(jù)NDPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推導(dǎo)出并、串聯(lián)側(cè)數(shù)學(xué)模型，為提高控制精度，提出并聯(lián)側(cè)雙環(huán)控制策略與串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ的三環(huán)控制策略。
2.1 并聯(lián)側(cè)數(shù)學(xué)模型與控制策略
NDPFC并聯(lián)側(cè)等效電路模型如圖8所示。
圖8 并聯(lián)側(cè)等效電路模型
將式（8）進(jìn)行Park變換，可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下NDPFC并聯(lián)側(cè)的數(shù)學(xué)模型為
式中，下標(biāo)d和q分別表示變量的d軸、q軸分量。并聯(lián)側(cè)輸出電壓的d軸分量與q軸分量分別為
NDPFC并聯(lián)側(cè)通過(guò)與系統(tǒng)交換無(wú)功功率以維持接入點(diǎn)母線電壓的穩(wěn)定。為保證并聯(lián)側(cè)可靠運(yùn)行，并為串聯(lián)側(cè)Ⅰ變流器提供穩(wěn)定的直流電壓，需維持公共直流電容電壓的穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。圖中，下標(biāo)ref表示變量的參考值或給定值；為并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)母線電壓 幅值。
2.2 串聯(lián)側(cè)Ⅰ、Ⅱ數(shù)學(xué)模型與控制策略
圖10 NDPFC串聯(lián)側(cè)等效模型
結(jié)合式（11）～式（13），進(jìn)行單相Park變換，串聯(lián)側(cè)單相變流器dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為
式中，為串聯(lián)側(cè)兩側(cè)電壓差；為系統(tǒng)頻率。NDPFC串聯(lián)側(cè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。
圖12 串聯(lián)側(cè)Ⅰ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
Fig.12 The diagram of control system structure for series sideⅠ
3 NDPFC應(yīng)用于配電網(wǎng)場(chǎng)景仿真研究
圖13 含NDPFC的仿真系統(tǒng)
3.1 NDPFC應(yīng)用于配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控
此實(shí)驗(yàn)中NDPFC串、并聯(lián)均投入，新能源與負(fù)荷以及不對(duì)稱模塊不投入。
配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控仿真結(jié)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(shí)潮流指令給定值為2.4MW+j0Mvar。經(jīng)0.15sⅠ-Ⅱ支路末端有功潮流達(dá)到2.4MW并保持穩(wěn)定，無(wú)功潮流經(jīng)0.5s達(dá)到0Mvar并保持穩(wěn)定。
圖14 配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控仿真結(jié)果
3.2 NDPFC應(yīng)用于配電網(wǎng)三相不對(duì)稱場(chǎng)景
NDPFC可通過(guò)分相控制對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行不對(duì)稱補(bǔ)償，以解決配電網(wǎng)不對(duì)稱問(wèn)題。
綜上可以看出，NDPFC可以有效補(bǔ)償配電網(wǎng)三相不對(duì)稱。
3.3 NDPFC應(yīng)用于促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景
新能源電源投入會(huì)造成系統(tǒng)潮流的變化，但NDPFC的控制能有效促進(jìn)新能源的消納，其仿真結(jié)果如圖16所示。線路末端潮流最終穩(wěn)定于3.57+ j0.113Mvar，與用戶側(cè)負(fù)荷相匹配。線路首端輸出有功潮流經(jīng)0.2s由3.643MW降為3.171MW，減少量與新能源流向電網(wǎng)量近似相等。Ⅰ-Ⅱ支路電流變小，即線路潮流降低。
綜上可見(jiàn)，NDPFC可通過(guò)控制線路末端潮流，在保障負(fù)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(jìn)新能源電源消納。
4 結(jié)論
本文提出了一種適用于配電網(wǎng)的分布式潮流控制器拓?fù)洌粦?yīng)用典型配電網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)證了其調(diào)節(jié)特性與調(diào)控范圍；提出了串并聯(lián)側(cè)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型與高魯棒性高精度的串聯(lián)側(cè)三環(huán)控制策略，通過(guò)NDPFC調(diào)控配電網(wǎng)綜合潮流、補(bǔ)償配電網(wǎng)三相不對(duì)稱、促進(jìn)新能源消納的仿真實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：
1）NDPFC可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)綜合潮流調(diào)控，解決潮流阻塞、系統(tǒng)潮流最優(yōu)調(diào)控等問(wèn)題。
2）NDPFC可通過(guò)改變每相出力，有效地改善因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱而導(dǎo)致線路電流不對(duì)稱的問(wèn)題。
3）NDPFC可通過(guò)強(qiáng)制控制線路潮流，從而在無(wú)儲(chǔ)能、負(fù)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(cè)，促進(jìn)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(ài)紅 女，1969年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)運(yùn)行與控制、柔性交直流輸電技術(shù)。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?yàn)槿嵝越恢绷鬏旊娂夹g(shù)。E-mail: zxh2019@whut.edu.cn
2020-06-30
2020-09-05
國(guó)家自然科學(xué)基金（51177114）和湖北省技術(shù)創(chuàng)新重大專項(xiàng)（2019AAA016）資助項(xiàng)目。
（編輯 陳 誠(chéng)）
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