基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)及其末端電壓質(zhì)量治理方案

仇成，李新聰，夏敏浩，張建文，周劍橋，施剛

（1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 200233；2.上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240）

0 引言

傳統(tǒng)的低壓交流配電網(wǎng)為一種功率單向流動的輻射型結(jié)構(gòu)。由于電磁環(huán)網(wǎng)問題，各饋線不可互聯(lián)運行，且饋線功率均由變電站母線側(cè)流向負荷側(cè)，從而為用戶供電[1]。輻射型配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡單，易于保護，建設(shè)成本低。光伏、風(fēng)電等可再生能源可通過分布式電源的形式實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。分布式電源受氣候影響大，出力隨機性和波動性強，且地理位置分散。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)采用輻射型集中式架構(gòu)，并基于單向潮流特性設(shè)計控制保護方案。因此，大量分布式電源的接入將對低壓配電網(wǎng)的運行產(chǎn)生諸多不利影響，包括電壓饋線負荷不均衡、線路末端電壓質(zhì)量低、供電可靠性差、可再生能源消納能力不足等[2]。

針對以上問題，現(xiàn)有配電網(wǎng)可采用帶載調(diào)壓器（On Load Tap Changer，OLTC）電壓控制、無功補償裝備配置、切負荷/降功率運行以及線路擴容4種解決方案[3]～[6]。OLTC通過改變配電變壓器的抽頭調(diào)節(jié)線路首端電壓，從而實現(xiàn)饋線末端電壓與饋線負荷功率的間接控制。該方案控制簡單，成本較低，但控制性能差，調(diào)節(jié)范圍小，且無法實現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。無功補償裝備可配置在線路末端，通過無功功率補償，提高末端電壓質(zhì)量，但該方案對無功補償裝備的容量需求很高，將大幅增加設(shè)備成本。切負荷/降功率運行以犧牲部分用戶的供電或降低可再生能源發(fā)電功率為代價，無法作為常規(guī)手段進行電壓調(diào)節(jié)。線路擴容則需要大量的線纜和變壓器設(shè)備投資，經(jīng)濟性不高。

配電線路的容量往往依據(jù)峰值負荷設(shè)計，而饋線負荷功率大部分時間處于較低水平，因此，配電饋線的負載率不高，其設(shè)計容量并未得到充分利用。同時，隨著分布式電源的大量接入，其饋線潮流的波動性和隨機性進一步增強，相鄰饋線間的負荷不均衡度進一步加劇。因此，為充分利用配電饋線的設(shè)計容量，提高饋線負荷均衡度與末端電壓質(zhì)量，增強低壓配電饋線對分布式電源的消納能力。本文借鑒中壓配電網(wǎng)中的智能軟開關(guān)（Soft Normally Open Point，SNOP）概念[6]～[15]，提出一種基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)及其末端電壓質(zhì)量治理方案。該方案具有3個優(yōu)勢:①通過饋線互聯(lián)及有功補償，實現(xiàn)各配電線路末端電壓的一致性，有效提升配電網(wǎng)的末端電壓質(zhì)量；②互聯(lián)化配電網(wǎng)總負載功率可依據(jù)各饋線容量實現(xiàn)自然均分；③當(dāng)某條配電線路故障時，末端負載可由VSC持續(xù)供電，且該負載將由其余配電線路共同承擔(dān)，不會造成過載問題。

1 電壓-功率敏感度分析

本文提出基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)及其末端電壓質(zhì)量治理方案，其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于BTB-VSC的互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Topology of interconnection-type LV distributiongridbasedon BTB-VSC

低壓交流配電線路的電阻不可忽略，因此，有功及無功功率將共同影響線路各處的電壓幅值。配電線路末端的線路阻抗最大，面臨著嚴(yán)重的電壓質(zhì)量問題。當(dāng)線路末端的用戶負荷重載時，可能造成低電壓越限；當(dāng)線路末端存在大量分布式電源并網(wǎng)時，可能造成高電壓越限。在柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)中，BTB-VSC為線路末端提供了一個雙向可控功率源，當(dāng)線路末端電壓由于重載下降時，BTB-VSC可將其余饋線的有功功率通過直流母線傳遞至線路末端，從而抬升末端電壓；當(dāng)線路末端電壓由于可再生能源輸出功率增加而上升時，BTB-VSC可將過剩功率通過直流母線傳遞至互聯(lián)饋線，消納過剩功率，降低線路末端電壓[16]，[17]。因此，BTB-VSC可作為有功補償器，用于解決配電網(wǎng)末端電壓質(zhì)量問題。

為評估有功補償方案的有效性，建立配電網(wǎng)等效電路如圖2所示。

圖2 低壓交流配電網(wǎng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of LVAC distribution grid

式中:θ為線路阻抗角；φ為可控電壓源矢量相位；U為網(wǎng)側(cè)電壓幅值；E為可控電壓源幅值；Z為線路阻抗值。

由式（2）可知，調(diào)節(jié)可控電壓源的電壓幅值，將同時影響線路傳遞的有功和無功功率。調(diào)節(jié)可控電壓源的相角，亦將同時影響線路有功和無功功率。和傳統(tǒng)的輸電線路功率方程相比，由于線路阻抗不再為純感性，線路末端電壓亦將和線路傳遞的有功功率相關(guān)。

為分析線路電壓對有功功率和無功功率的敏感度，建立式（2）的小信號模型。小信號擾動時，式（2）有功功率為

式中:d P為有功功率的擾動量；d E為線路電壓幅值的擾動量；dφ為線路電壓相角的擾動量。

忽略二次擾動項，并假設(shè)線路末端電壓相角較小，即φ≈0?？傻镁€路電壓對有功功率的敏感度為

由式（7）可知，當(dāng)線路阻抗接近于感性時，無功補償對提升線路電壓質(zhì)量效果更好；而當(dāng)線路阻抗接近于阻性時，有功補償對提升線路電壓質(zhì)量效果更好。380 V低壓配電網(wǎng)線路阻抗和導(dǎo)線型號的關(guān)系如表1所示。

表1 380 V低壓配電網(wǎng)線路電阻、電抗值Table 1 Resistance and reactance value per kilometer of 380 V line

可見，在低壓配電線路中，線路電抗遠小于線路電阻，線路阻抗接近于阻性。因此，采用BTBVSC互聯(lián)配電饋線，并對線路末端電壓進行有功功率補償?shù)姆桨?，具備有效性和可行性?/p>

2 基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型配電網(wǎng)及電壓控制策略

2.1 拓撲架構(gòu)與基本特點

BTB-VSC裝設(shè)在配電饋線末端，通過直流線路，實現(xiàn)低壓配電饋線間的柔性互聯(lián)。得益于BTB-VSC端口功率的雙向靈活可控性，該互聯(lián)型網(wǎng)架具有以下特點:①采用直流線路實現(xiàn)多端互聯(lián)，互聯(lián)功率可控，不存在電磁環(huán)網(wǎng)問題；②直流互聯(lián)后，BTB-VSC可實現(xiàn)各配電饋線以及各區(qū)域配電網(wǎng)的軟連接。網(wǎng)間功率具有高可控性，可解決配電饋線及網(wǎng)間的負荷不平衡問題，避免線路阻塞，減小網(wǎng)損，提高饋線利用率，優(yōu)化配電網(wǎng)的整體運行水平；③當(dāng)配電饋線末端存在低電壓越限問題時，BTB-VSC可由直流側(cè)提供有功功率，解決低電壓問題；當(dāng)配電饋線末端存在高電壓越限問題時，BTB-VSC可向中壓直流側(cè)傳遞有功功率，解決高電壓問題，從而提高配電線路末端電壓質(zhì)量；④配電線路中存在故障切除時，末端用戶可通過BTB-VSC實現(xiàn)供電，提高了配電網(wǎng)的供電可靠性；⑤可再生能源并網(wǎng)所引入的波動功率及過剩功率可由各互聯(lián)線路共同承擔(dān)，協(xié)同消納，從而大幅提高配電網(wǎng)對可再生能源的消納能力；⑥電動汽車快充站作為一峰值負荷，可配置在直流側(cè)，并由各交流配電網(wǎng)的剩余容量共同承擔(dān)該負荷，從而避免快充站影響配電用戶的電能質(zhì)量；⑦BTB-VSC可承擔(dān)STATCOM、APF的部分功能，通過補償無功及諧波功率，提高各配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

可見，基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)可解決現(xiàn)有配電網(wǎng)潮流靈活性、可控性不足等基本問題，從而大大提高配電網(wǎng)的運行水平，并實現(xiàn)分布式電源的友好并網(wǎng)，是未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一。

2.2 電壓控制策略

柔性互聯(lián)型配電網(wǎng)的等效電路如圖3所示。圖中:Z1，Z2分別為配電饋線1和饋線2的線路阻抗；U·1，U·2分別為饋線1和饋線2的末端電壓相量；P1，P2分別為末端負載功率；I·1，I·2分別為VSC1和VSC2的網(wǎng)側(cè)電流矢量；L1，L2分別為VSC1和VSC2的網(wǎng)側(cè)濾波電感；Vdc為直流母線電壓；PC1，QC1為VSC1吸收的有功和無功功率；PC2，QC2分別為VSC2吸收的有功和無功功率。

圖3 柔性互聯(lián)型配電網(wǎng)等效電路Fig.3 Equivalen tcircui to finterconnected distribution grid

由于兩條饋線相鄰距離較近，BTB-VSC可同時采集兩條饋線末端的交流電壓幅值。以末端電壓幅值一致為目標(biāo)，可設(shè)計相應(yīng)的電壓控制策略，如圖4所示。

圖4 BTB-VSC的電壓控制策略Fig.4 Voltagecontrolstrategy of BTB-VSC

圖中:Vac1，Vac2分別為饋線1和饋線2的末端交流電壓幅值；id1，iq1分別為VSC1網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量；id1ref，iq1ref分別為VSC1網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量的參考值；ud1，uq1分別為饋線1末端電壓的d，q軸分量；ed1ref，eq1ref分別為VSC1交流電壓的d，q軸分量的參考值；ea1ref，eb1ref，ec1ref分別為VSC1的三相交流電壓參考值；Vdcref為中壓直流電壓參考值；id2，iq2分別為VSC2網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量；ed2ref，eq2ref分別為VSC2網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量的參考值；ud2，uq2分別為饋線2末端電壓的d，q軸分量；ed2ref，eq2ref分別為VSC2交流電壓的d，q軸分量的參考值；ea2ref，eb2ref，ec2ref分別為VSC2的三相交流電壓參考值；Tdq_abc為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和abc三相靜止坐標(biāo)系間的變換矩陣。

圖4中，VSC1采用交流電壓偏差控制策略，其外環(huán)為交流電壓幅值+無功功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為d軸有功電流+q軸無功電流控制環(huán)。交流電壓幅值控制環(huán)以兩條饋線末端交流電壓幅值偏差為輸入，經(jīng)過PI控制，其輸出為d軸有功電流參考值，即當(dāng)交流電壓幅值不一致時，VSC將通過饋線間的有功功率交互，實現(xiàn)電壓幅值的調(diào)節(jié)；無功功率控制環(huán)以無功功率和參考值的偏差為輸入，經(jīng)過PI控制，其輸出為q軸無功電流參考值，VSC1的無功功率可根據(jù)線路需求，實現(xiàn)諧波補償?shù)裙δ?，提高用戶?cè)電能質(zhì)量；d，q軸電流控制環(huán)將網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量和參考值比較，其偏差經(jīng)過PI控制，輸出為VSC1的d，q軸電壓分量參考值，再經(jīng)過變換矩陣，輸出VSC1的三相電壓參考值，從而實現(xiàn)交流電壓和無功功率等控制目標(biāo)。

VSC2采用直流電壓控制策略，其外環(huán)為直流電壓+無功功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為d軸有功電流+q軸無功電流控制環(huán)。直流電壓控制環(huán)將直流電壓和其參考值比較，其偏差為輸入，經(jīng)過PI控制，其輸出為d軸有功電流參考值，即該環(huán)控制直流電壓恒定，其VSC1所需交互的有功功率，完全由VSC2從交流側(cè)提供，直流僅作為功率傳遞路徑，而并不參與功率調(diào)節(jié)；其余各環(huán)和VSC1一致，此處不再贅述。

在圖4的電壓控制策略下，BTB-VSC可通過直流母線交互饋線間的有功功率，進而實現(xiàn)兩條饋線末端電壓幅值的一致性控制，例如，若饋線1過載，饋線2輕載，則饋線1末端電壓越下限。

在圖4的控制策略下，饋線2將自然傳遞功率對饋線1末端電壓進行有功補償，兩條饋線的末端電壓將逐漸接近并在穩(wěn)態(tài)下維持一致，即兩條饋線共同承擔(dān)饋線1的負載，從而實現(xiàn)電壓質(zhì)量的提升。若饋線1分布式發(fā)電功率過高，饋線2輕載，則饋線1末端電壓越上限。在圖4的控制策略下，饋線1將自然傳遞發(fā)電功率給饋線2，兩條饋線的末端電壓將逐漸接近并在穩(wěn)態(tài)下維持一致，即兩條饋線共同消納饋線1的分布式電源發(fā)電功率，從而實現(xiàn)電壓質(zhì)量的提升。與此同時，該控制策略可維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并實現(xiàn)BTB-VSC無功功率的獨立控制。

2.3 性能分析

由式（4）可知，在線路阻抗給定的條件下，配電網(wǎng)末端電壓幅值和末端有功功率呈線性關(guān)系，即兩者間具備自然下垂特性。隨著末端負載功率的提高，電壓幅值下降；隨著末端電源功率的提高，電壓幅值上升，該特性可用下垂曲線描述，如圖5所示。圖中:Vacmax，Vacmin分別為線路1，2的末端電壓幅值上限和下限；Vac0為電壓額定值；Pac1，Pac2分別為線路1和線路2的末端總有功功率；Pac1rate，Pac2rate分別為線路1和線路2的有功功率額定值。

圖5 配電線路1和2的自然下垂曲線Fig.5 Natural droop curve of distribution line 1

由于線路1和2為同一配電網(wǎng)的兩條饋線，具有相同的額定電壓，以及電壓幅值上下限。

由式（11）可知，基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)電壓控制策略具有3個優(yōu)勢:①通過饋線互聯(lián)及有功補償，實現(xiàn)各配電線路末端電壓的一致性，有效提升配電網(wǎng)的末端電壓質(zhì)量；②互聯(lián)化配電網(wǎng)總負載功率可依據(jù)各饋線容量實現(xiàn)自然均分；③當(dāng)某個配電線路故障時，末端負載可由VSC持續(xù)供電，且該負載將由其余配電線路共同承擔(dān)，不會造成過載問題。

3 仿真驗證

為驗證本節(jié)所提控制方案的有效性，在Matlab/Simulink仿真模型中，按照圖3搭建兩條380 V配電線路及BTB-VSC等效平均值模型，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulink parameters

兩條配電線路末端分別配置100 kW的有功負載和100 kW的分布式電源，直流側(cè)電壓控制為750 V，且不帶直流負載。仿真時序:t=0 s時，仿真啟動，VSC2控制直流電壓恒定，VSC1不工作；t=1.5 s時，VSC1投入工作，采用圖4控制策略；t=2 s，仿真結(jié)束。該方案的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulationresults

由圖6（a）可知:投入電壓控制前，配電線路1重載，線路末端電壓下降，配電線路2接入分布式電源，線路末端電壓上升；投入電壓控制后，通過直流母線及BTB-VSC，將線路2的有功功率補償至線路1中，兩條線路末端電壓均平衡在380 V左右。由圖6（b）可知:投入電壓控制前，VSC1不工作；投入電壓控制后，其無功功率控制為0，而有功功率控制為-200 kW，即VSC1從直流側(cè)接收線路2的分布式電源發(fā)電功率為線路1的有功負載供電，實現(xiàn)了兩條配電線路的負荷均衡。由圖6（c）可知，電壓控制前后，直流電壓均由VSC2控制在750 V。

圖6的仿真結(jié)果表明，在相鄰饋線互聯(lián)的方案中，若BTB-VSC可同時獲取兩條饋線的末端電壓信息，則采用圖4所示的電壓控制策略，即可通過有功功率交互實現(xiàn)線路末端電壓一致及負載均分，提升饋線電壓質(zhì)量與饋線負荷平衡度。

采用BTB-VSC實現(xiàn)配電饋線互聯(lián)及圖4的控制策略后，可大幅提升配電饋線的可再生能源消納能力，在電壓上限范圍內(nèi)，采用BTB-VSC前后配電饋線的可再生能源消納能力變化如表3所示。

表3 可再生能源消納能力Table 3 Renewable energy resources integration capability with/without BTB-VSC

4 結(jié)論

本文以低壓配電網(wǎng)饋線末端電壓質(zhì)量為目標(biāo)，提出了基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型配電網(wǎng)電壓控制策略。首先通過電壓-功率敏感度分析，理論論證了通過有功功率補償解決配電網(wǎng)末端電壓質(zhì)量問題的可行性和有效性；然后，在柔性互聯(lián)型配電網(wǎng)場景下，設(shè)計了以末端電壓一致為目標(biāo)的BTB-VSC電壓控制策略，可有效提高末端電壓質(zhì)量，維持直流電壓的穩(wěn)定，并改善饋線負荷不均衡的情況?；贛atlab/Simulink搭建的380 V配電網(wǎng)仿真平臺，驗證了該配電網(wǎng)柔性互聯(lián)方案及其末端電壓控制策略的可行性和有效性。