基于B2B-MMC的柔性互聯(lián)變電站優(yōu)化調(diào)度方法

班國(guó)邦，張臘華，袁旭峰，馬曉紅，歐陽(yáng)澤宇，劉 麗

（1.貴州電網(wǎng)有限公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽(yáng) 550002；2.南方電網(wǎng)公司防冰減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng) 550002；3.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；4.貴州電網(wǎng)有限公司畢節(jié)供電局，貴州畢節(jié) 551700）

0 引言

近年來(lái)，隨著功率半導(dǎo)體的飛速發(fā)展，進(jìn)一步推進(jìn)柔性互聯(lián)技術(shù)成為智能電網(wǎng)的重要研究方向之一[1-4]。由于傳統(tǒng)配電網(wǎng)依賴(lài)“硬”開(kāi)關(guān)的控制方式無(wú)法滿(mǎn)足靈活、主動(dòng)調(diào)控潮流的需求，為此引入智能軟開(kāi)關(guān)（Soft Open Point，SOP）以適應(yīng)智能電網(wǎng)的建設(shè)需求。背靠背模塊化多電平換流器（Back to Back Modular Multilevel Converter，B2B-MMC）具備靈活潮流調(diào)控能力，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、平滑的功率控制，保障區(qū)域間的潮流互濟(jì)，極大提升配電網(wǎng)可靠性和靈活性[5-9]。2018 年由國(guó)家電網(wǎng)有限公司設(shè)計(jì)的世界首個(gè)柔性變電站投入運(yùn)行，將新型電力電子技術(shù)與變電站技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)新能源與多元化負(fù)荷的柔性接入，提升了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、安全、高效運(yùn)行水平[10-11]。

目前柔性變電站在配電網(wǎng)系統(tǒng)控制和優(yōu)化調(diào)度方面已有一定研究成果，為配電網(wǎng)的整體優(yōu)化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)[12-13]。文獻(xiàn)[14]通過(guò)分析張北10 kV柔性變電站在有源配電網(wǎng)中節(jié)能降損等功能，進(jìn)一步說(shuō)明了柔性變電站在配電網(wǎng)中的實(shí)際效益。文獻(xiàn)[15]提出一種以電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）為載體的柔性變電站結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)交、直流電壓之間的相互轉(zhuǎn)換和電氣隔離，通過(guò)局部控制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)與負(fù)荷之間的潮流控制，所設(shè)計(jì)的控制策略可保證柔性變電站穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[16]以含柔性變電站的交直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，提出一種基于目標(biāo)級(jí)聯(lián)法的分布式優(yōu)化調(diào)度方法，柔性變電站同時(shí)兼顧中壓交流、中壓直流、低壓直流系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷”之間的協(xié)調(diào)互動(dòng)與交直流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

SOP 作為柔性接入配電網(wǎng)的可控媒介，在配電網(wǎng)運(yùn)行控制和優(yōu)化調(diào)度中均是升級(jí)改造的重點(diǎn)。在配電網(wǎng)運(yùn)行控制方面：文獻(xiàn)[17]提出一種直接式SOP結(jié)構(gòu)，采用AC-AC 級(jí)聯(lián)模塊靈活控制互聯(lián)饋線(xiàn)環(huán)網(wǎng)潮流，在恢復(fù)供電方面優(yōu)勢(shì)顯著。文獻(xiàn)[18]提出一種基于雙鉗位子模塊的多端SOP 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于控制策略和運(yùn)行模式靈活多樣，能夠有效提升線(xiàn)路之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，提高配網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力及可靠性。在配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方面：文獻(xiàn)[19]將SOP 應(yīng)用于有源配電網(wǎng)中，采用改進(jìn)型遺傳粒子群混合優(yōu)化算法對(duì)所提模型進(jìn)行雙層優(yōu)化，以解決配電網(wǎng)中大規(guī)模多變量非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[20]提出一種基于SOP接入配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立含SOP 支路的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型，提高了設(shè)備調(diào)節(jié)的主動(dòng)靈活性。

綜上所述，現(xiàn)階段的研究將B2B-MMC 與變電站相融合以促使系統(tǒng)空間上的潮流分布適應(yīng)負(fù)荷多元化需求[21]，研究基于B2B-MMC 的柔性互聯(lián)變電站運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)具有較好的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文提出一種基于B2B-MMC 的柔互聯(lián)變電站優(yōu)化調(diào)度方法，通過(guò)柔性互聯(lián)變電站間的優(yōu)化協(xié)同控制降低了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)潮流的主動(dòng)調(diào)控。

1 柔性互聯(lián)變電站系統(tǒng)架構(gòu)及運(yùn)行控制策略

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

B2B-MMC 以新型電力電子裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)控制指令值實(shí)時(shí)調(diào)整換流器功率輸出值，從而改變系統(tǒng)潮流分布。本文針對(duì)配電網(wǎng)110 kV/10 kV 雙主變系統(tǒng)，提出一種采用B2B-MMC 替代傳統(tǒng)斷路器及分段開(kāi)關(guān)的柔性互聯(lián)變電站系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 柔性互聯(lián)變電站系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of flexible interconnected substation system

圖1 中，B2B-MMC 由MMC1 和MMC2 構(gòu)成，O1和O2分別為MMC1 和MMC2 的容量，P1+jQ1和P2+jQ2分別為10 kV 母線(xiàn)等效負(fù)載，j 為虛部，QC 和QF 分別為電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和斷路器。該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以下4 個(gè)方面的功能：

1）母線(xiàn)互聯(lián)。實(shí)現(xiàn)區(qū)域間能量互通、無(wú)功補(bǔ)償功能，為母線(xiàn)電壓提供相互支持。

2）主變負(fù)載均衡。降低設(shè)備過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)，提高供電可靠性。

3）不停電轉(zhuǎn)供。主變故障時(shí)實(shí)現(xiàn)快速隔離和非故障區(qū)的快速恢復(fù)，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4）系統(tǒng)潮流優(yōu)化。柔性互聯(lián)態(tài)可以提升配電網(wǎng)傳輸容量以及豐富線(xiàn)路傳輸路徑，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)潮流最優(yōu)分布控制。

在含B2B-MMC 的柔性互聯(lián)變電站投入運(yùn)行時(shí)，QF 和QC 處于斷開(kāi)狀態(tài)。

1.2 運(yùn)行控制策略

基于B2B-MMC 的柔性配電系統(tǒng)中，根據(jù)不同運(yùn)行場(chǎng)景將換流站之間的通訊狀態(tài)分為有通信控制與無(wú)通信控制。有通信控制狀態(tài)下采用主從控制，無(wú)通信控制狀態(tài)下采用電壓下垂控制。

1.2.1 主從控制策略

通常狀態(tài)下B2B-MMC 采用主從控制，其外環(huán)控制需固定2 個(gè)控制自由度。主換流站的有功類(lèi)控制采用定直流電壓控制，以保證換流站的直流節(jié)點(diǎn)電壓為設(shè)定值；從換流站的有功類(lèi)控制采用定有功功率控制，以保證換流站注入的有功功率為設(shè)定值。

針對(duì)多端柔性互聯(lián)系統(tǒng)，設(shè)定系統(tǒng)具有n個(gè)直流節(jié)點(diǎn)，則系統(tǒng)主從控制策略對(duì)應(yīng)模型為：

式中：ΔP1i為主從控制模式下節(jié)點(diǎn)i的失配功率；Prefi為換流器設(shè)定初始有功功率；PGi，PDi分別為節(jié)點(diǎn)i上發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率和負(fù)荷吸收的有功功率；Udci，Udcj分別為節(jié)點(diǎn)i，j的直流電壓；Rij為節(jié)點(diǎn)i，j之間的線(xiàn)路電阻。

1.2.2 直流電壓下垂控制策略

直流電壓下垂控制是指多個(gè)換流站的有功類(lèi)控制均為直流電壓下垂控制，為保證多個(gè)換流站的直流節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定運(yùn)行，需根據(jù)自身特性曲線(xiàn)中的下垂系數(shù)ei來(lái)增加注入的有功功率。節(jié)點(diǎn)i處運(yùn)行特性為：

式中：Pi為換流器實(shí)際輸出有功功率；Udcrefi為直流節(jié)點(diǎn)設(shè)定的電壓值；Urefi為直流節(jié)點(diǎn)實(shí)際電壓值。

針對(duì)多端柔性互聯(lián)系統(tǒng)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)1～w為直流電壓下垂控制，節(jié)點(diǎn)w+1～k為定有功功率控制，則系統(tǒng)的直流電壓下垂控制策略對(duì)應(yīng)模型為：

式中：ΔP2i為直流電壓下垂控制模式下節(jié)點(diǎn)i的失配功率。

通過(guò)對(duì)B2B-MMC 換流器控制模式的分析可知：在不同控制方式下其模型結(jié)構(gòu)不同，形成關(guān)于狀態(tài)變量的求解也不一致。主從控制能夠?qū)崿F(xiàn)換流器輸出功率的準(zhǔn)確控制，該策略簡(jiǎn)單清晰易于實(shí)現(xiàn)，據(jù)此本文采用主從控制模式進(jìn)行求解。

2 含柔性互聯(lián)變電站的配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度分析

換流站采用可關(guān)斷電力電子器件，保證其能夠靈活地控制相關(guān)交流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的有功和無(wú)功變量。在換流器系統(tǒng)中表現(xiàn)為定有功控制、定無(wú)功控制，進(jìn)而可以得到換流器控制策略及等效關(guān)系，如表1 所示。

表1 換流器控制策略及等效關(guān)系Table 1 Control strategy and equivalent relation of converter

表1 中，P為定有功功率控制，Q為定無(wú)功功率控制，Udc為定直流電壓控制，Pdc為直流側(cè)有功功率，Ps為交流系統(tǒng)傳輸?shù)綋Q流器的有功功率，Ploss為換流器損耗功率。對(duì)于換流器采用P/Q控制時(shí)，交流側(cè)將其等效為PQ節(jié)點(diǎn)，直流側(cè)將其等效為P節(jié)點(diǎn)；換流器采用Udc/Q控制時(shí)，交流側(cè)將其等效為PV節(jié)點(diǎn)，直流側(cè)將其等效為V節(jié)點(diǎn)；換流器采用電壓下垂/Q控制時(shí)，交流側(cè)將其等效為PQ節(jié)點(diǎn)，直流側(cè)將其等效為電壓下垂節(jié)點(diǎn)。

2.1 B2B-MMC等效模型及功率特性

柔性互聯(lián)變電站中B2B-MMC 換流站拓?fù)涞刃Ｐ腿鐖D2 所示，該模型主要包括交流系統(tǒng)模型、B2B-MMC 模型和直流系統(tǒng)模型。

圖2 B2B-MMC換流站拓?fù)涞刃Ｐ虵ig.2 Equivalent model of B2B-MMC converter station topology

圖2 中，RT和XT分別為變壓器和B2B-MMC損耗等效阻抗，Psi和Qsi分別為母線(xiàn)到換流變壓器的有功功率和無(wú)功功率，Usi和Uci分別為母線(xiàn)兩側(cè)電壓幅值，Pci和Qci分別為換流站側(cè)母線(xiàn)的有功功率、無(wú)功功率，Udc為換流站側(cè)母線(xiàn)的直流電壓，δsi和δci分別為母線(xiàn)兩側(cè)電壓相角，Pdci為直流側(cè)節(jié)點(diǎn)i的有功功率。

根據(jù)模塊化多電平換流器功率特性，得到交流側(cè)潮流方程、交流測(cè)流入換流器的潮流方程。

交流側(cè)潮流方程為：

式中：Gi，Bi分別為交流系統(tǒng)線(xiàn)路等效電導(dǎo)和電納。

交流測(cè)流入換流器的潮流方程為：

2.2 MMC功率約束

針對(duì)圖1 中的MMC1 和MMC2，主從控制模式下?lián)Q流站功率輸出及容量需要滿(mǎn)足式（6），即：

式中：PMMC1和PMMC2分別為換流器注入的有功功率；QMMC1和QMMC2分別為換流器注入的無(wú)功功率。

2.3 主變壓器約束

為防止等效負(fù)荷功率加上B2B-MMC 輸出功率超出變壓器承載能力，其約束條件為：

式中：PMMC和QMMC分別為換流器注入的有功、無(wú)功功率；PDi和QDi分別為與換流器連接點(diǎn)處的等效有功、無(wú)功功率負(fù)荷；T為變壓器容量。

2.4 目標(biāo)函數(shù)

基于B2B-MMC 的含柔性互聯(lián)變電站的優(yōu)化調(diào)度作為控制目標(biāo)與控制手段之間的橋梁，在配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中利用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）對(duì)換流器功率設(shè)定值進(jìn)行賦值，根據(jù)改進(jìn)交替迭代法[22-23]計(jì)算出的最優(yōu)結(jié)果可不斷修正換流器功率設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)損最小化。本文將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為網(wǎng)損最小，其中換流器有功損耗約為注入功率的1%[24-25]，則高壓電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗功率為：

式中：Ploss為高壓電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗功率；Ui和Uj分別為節(jié)點(diǎn)i，j的電壓幅值；Gij，Bij，θij分別為節(jié)點(diǎn)i，j之間的電導(dǎo)、電納和相角差；m為交流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)；PMMC_loss為換流器損耗值。

考慮配電節(jié)點(diǎn)電壓裕度約束，在目標(biāo)函數(shù)中增加懲罰函數(shù)，建立考慮系統(tǒng)可靠性約束的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Ude為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓裕度約束；mmax和mmin分別為超于電壓上下限的數(shù)量；Umax和Umin分別為節(jié)點(diǎn)電壓裕度上下限；minPall_loss為損耗最小值；M為懲罰因子。

2.5 基于GA的最優(yōu)潮流算法流程

GA 最早源于Darwin 的生物進(jìn)化理論，是一種自然選擇機(jī)制。其定義為：假設(shè)在某一特定的環(huán)境下，生物個(gè)體出于環(huán)境限制，采用生存競(jìng)爭(zhēng)、適者生存的方式來(lái)遺傳優(yōu)良性狀。

GA 主要包括編碼、選擇、交叉、變異等。在進(jìn)行編碼時(shí)需要確定編碼的方式：通常情況下離散型變量采用二進(jìn)制編碼；連續(xù)型變量采用浮點(diǎn)數(shù)編碼。選擇主要包括輪盤(pán)賭、小生境技術(shù)等操作。交叉和變異主要通過(guò)設(shè)定值和位置進(jìn)行操作。

將GA 應(yīng)用到電力系統(tǒng)的方式為：在某一工況下通過(guò)設(shè)定初始值及約束條件，采用適應(yīng)度函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣性。較劣的解被放棄，較優(yōu)的解被遺傳至下一代，直至獲得最優(yōu)解。

基于GA 的最優(yōu)潮流流程圖如圖3 所示。

圖3 基于GA的最優(yōu)潮流流程圖Fig.3 Flow chart of optimal power based on genetic algorithm

圖3 的流程中幾個(gè)重點(diǎn)步驟具體分析如下：

1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)、GA 數(shù)據(jù)初始化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化，設(shè)定負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率大小及MMC 控制策略；遺傳算法數(shù)據(jù)初始化，設(shè)定二進(jìn)制編碼方式及算法迭代次數(shù)，優(yōu)化變量個(gè)數(shù)等。

2）換流器賦值。采用初始種群對(duì)換流器功率進(jìn)行賦值，對(duì)主換流器輸出的無(wú)功功率、從換流器輸出的有功功率和無(wú)功功率采用交替迭代法進(jìn)行系統(tǒng)潮流計(jì)算，并得到個(gè)體適應(yīng)度值。

3）選擇，交叉，變異。選擇，為避免GA 陷入局部最優(yōu)解，保證個(gè)體選擇公平，采用輪盤(pán)賭的方法比較個(gè)體適應(yīng)度；交叉，設(shè)定參數(shù)“交叉率”，提高后代適應(yīng)度值；變異，設(shè)定參數(shù)“變異率”，通過(guò)修改染色體上隨機(jī)位置的1 個(gè)基因?qū)崿F(xiàn)變異。

4）換流器再次賦值。使用GA 得到的修訂值再次對(duì)換流器功率指令值賦值，采用改進(jìn)交替迭代法再次計(jì)算系統(tǒng)網(wǎng)損并求取最小值，與上1 次計(jì)算的網(wǎng)損最小值結(jié)果進(jìn)行比較，選取全局最優(yōu)值。

3 算例分析

為驗(yàn)證基于B2B-MMC 的柔性互聯(lián)變電站優(yōu)化調(diào)度方法的有效性，本文對(duì)某地實(shí)際配電進(jìn)行改進(jìn)，在其基礎(chǔ)上增加了2 組B2B-MMC 系統(tǒng)，建立了含柔性互聯(lián)變電站的配電網(wǎng)模型，該系統(tǒng)為11 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 含柔性互聯(lián)變電站的配電網(wǎng)模型Fig.4 Model of distribution network with flexible interconnected substations

圖4 中，1～11 為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，線(xiàn)路電壓等級(jí)為110 kV，線(xiàn)路型號(hào)選取LGJ—185，交流電源1 個(gè)，MMC1，MMC3 分別采用定直流電壓控制和定無(wú)功功率控制，MMC2，MMC4 分別采用定有功功率控制和定無(wú)功功率控制，L1～L4為交流輸電線(xiàn)路，T1～T6為6 臺(tái)主變壓器（其容量分別為40 MVA，31.5 MVA，31.5 MVA，40 MVA，50 MVA，40 MVA），P1+jQ1～P6+jQ6為10 kV 母線(xiàn)等效負(fù)載，以節(jié)點(diǎn)5 與節(jié)點(diǎn)6之間的母線(xiàn)為電網(wǎng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行點(diǎn)；將變壓器10 kV 母線(xiàn)負(fù)荷進(jìn)行等效，節(jié)點(diǎn)負(fù)荷參數(shù)如表2 所示。

表2 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷參數(shù)Table 2 Parameters of node load

本文利用GA 和改進(jìn)改進(jìn)交替迭代法對(duì)所建含柔性互聯(lián)變電站的配電模型進(jìn)行求解，并在目標(biāo)函數(shù)中增加節(jié)點(diǎn)電壓越限懲罰項(xiàng)，其懲罰因子取10 000，防止節(jié)點(diǎn)電壓偏離電壓設(shè)定的區(qū)間；GA 的參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模100，進(jìn)化代數(shù)50，交叉概率0.8，變異概率0.05，優(yōu)化模型求解迭代過(guò)程中采用改進(jìn)交替迭代法，迭代次數(shù)對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值如圖5所示。

圖5 迭代次數(shù)對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值Fig.5 The number of iterations corresponding to objective function value

由圖5 可知，GA 在迭代5 次后趨于穩(wěn)定，在迭代到第7 次時(shí)目標(biāo)函數(shù)值發(fā)生微小變化。說(shuō)明該算法能朝著最優(yōu)解移動(dòng)。輸出目標(biāo)函數(shù)值的同時(shí)得到換流器功率指令值的優(yōu)化調(diào)度值，換流器功率輸出值如表3 所示，優(yōu)化值中+，-表示換流器功率的流入、流出。

表3 換流器功率輸出值Table 3 Power output value of converter

優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比圖如圖6 所示。由圖6可知，所提方法在有效地降低系統(tǒng)網(wǎng)損的同時(shí)改善了配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。優(yōu)化前網(wǎng)損為2.196 MW，優(yōu)化后的損耗主要由2 部分組成：網(wǎng)絡(luò)損耗為1.588 MW，換流器損耗約為0.215 MW。與優(yōu)化前相比網(wǎng)損降低了17.8%，電壓偏差改善了5.2%，有效提升了電網(wǎng)的運(yùn)行潛力，體現(xiàn)了柔性互聯(lián)變電站在配電網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

圖6 節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比圖Fig.6 Comparison of node voltage

4 結(jié)論

本文提出一種基于B2B-MMC 的柔性互聯(lián)變電站的優(yōu)化調(diào)度方法，通過(guò)算例分析驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

1）柔性互聯(lián)變電站架構(gòu)的提出，為電網(wǎng)提供多種靈活的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)區(qū)域自治優(yōu)化。

2）實(shí)現(xiàn)多個(gè)變電站間的協(xié)調(diào)互動(dòng)及系統(tǒng)潮流的主動(dòng)調(diào)控，有效降低了網(wǎng)絡(luò)損耗，較未優(yōu)化前損耗降低17.8%，縮小了電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓范圍。

本文所提調(diào)度方法僅考慮單一時(shí)間尺度下柔性互聯(lián)變電站對(duì)電網(wǎng)的改善效果，后續(xù)將研究增加風(fēng)光預(yù)測(cè)曲線(xiàn)，多時(shí)間尺度下?lián)Q流器的輸出功率對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化效果，以及下垂控制、多個(gè)B2B-MMC 換流器下對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的影響。