提高水風光可再生能源配網(wǎng)消納的分布式串聯(lián)補償研究

肖軍 朱正 魯曉軍 曹陽

摘要：

可再生能源自身存在的波動性及間歇性可能會導致傳輸線路存在雙向潮流、線路過載和電壓異常波動等問題，造成部分區(qū)域電力供給不足和增大線路傳輸損耗，進而降低系統(tǒng)運行可靠性。分布式串聯(lián)補償器作為一種柔性交流輸電設(shè)備，可根據(jù)上層系統(tǒng)指令對電網(wǎng)進行實時調(diào)控。研究了分布式串聯(lián)補償器對電網(wǎng)潮流的作用機理，提出了一種可促進可再生能源消納及抑制電壓波動與閃變的分布式串聯(lián)補償器電磁暫態(tài)建模方法，基于PSCAD/EMTDC構(gòu)建了含分布式串聯(lián)補償器的電磁暫態(tài)測試模型。結(jié)果表明：分布式串聯(lián)補償器可實現(xiàn)對分布式電源能量流向的精準控制和補償大功率沖擊負荷投入時所需的沖擊性功率，有效促進分布式可再生能源消納和抑制電壓異常波動。模擬結(jié)果驗證了電磁暫態(tài)模型的正確性與有效性。

關(guān)鍵詞：

分布式串聯(lián)補償器； 柔性交流輸電設(shè)備； 可再生能源消納； 潮流調(diào)控； 電磁暫態(tài)

中圖法分類號：TM 76

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.016

文章編號：1006-0081（2023）03-0089-07

0 引 言

配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中起著承上啟下的重要支撐作用，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和“雙碳”目標的提出，水電、風電和光伏等分布式電源直接接入配電網(wǎng)成為新趨勢［1-3］。分布式能源接入規(guī)模越來越龐大，使配電網(wǎng)形態(tài)由原本的單向輻射性變?yōu)橐苑植际诫娫礊楹诵牡膹碗s網(wǎng)絡(luò)［4-6］，進而導致配電網(wǎng)的運行狀態(tài)更為多樣化，其安全性、靈活性和經(jīng)濟性等方面都面臨更大的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)如下。

（1） 可再生能源消納能力不足。接入配電網(wǎng)的小水電多為徑流式，自身調(diào)節(jié)能力弱，夏季豐水期和冬季枯水期的發(fā)電功率相差較大，因此發(fā)電受季節(jié)波動性影響較大［7］。風電和光伏的出力亦具有較強的隨機與波動性。因此，分布式可再生能源并入配電網(wǎng)后，其高效消納成為難題［8］。配電網(wǎng)可再生能源消納能力不足，極易導致配電網(wǎng)因局部功率過剩而向上級電網(wǎng)倒送功率的現(xiàn)象，會給整個電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和繼電保護帶來嚴重影響［9-12］。

（2） 電壓波動與閃變。風電和光伏出力具有不確定性，其與電網(wǎng)負荷的時空匹配性較差，且電網(wǎng)在風電和光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)備的影響下會產(chǎn)生大量諧波。而小水電在冬季枯水期會造成配電網(wǎng)末端電壓超過下限值，故配電網(wǎng)中大量接入分布式可再生能源后所導致的另一個問題是系統(tǒng)電壓的波動與閃變［11］，嚴重影響了電能質(zhì)量。在分布式能源接入規(guī)模日益龐大的今天，用電負荷呈現(xiàn)出波動性、非線性和非對稱性，如何高效地抑制電壓波動與閃變是配電網(wǎng)面臨的又一嚴峻挑戰(zhàn)。

目前，柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS）技術(shù)因其優(yōu)良的可控性和精準的調(diào)節(jié)能力，已成為分布式可再生能源廣泛接入配電網(wǎng)帶來諸多問題的高效解決方案［12-14］，而分布式串聯(lián)補償器（Distributed Series Compensator，DSC）是其中分散式布置的一個典型代表，其可根據(jù)上層系統(tǒng)潮流調(diào)控指令進行實時狀態(tài)感知和潮流調(diào)節(jié)，是一種適用于現(xiàn)代配電網(wǎng)靈活調(diào)控需求的設(shè)備［15］?，F(xiàn)有文獻中，針對DSC的理論研究主要是圍繞控制策略及拓撲模型開展。詹雄等［16］研究了DSC的控制保護策略及相應(yīng)的容量設(shè)計方法，并構(gòu)建了DSC樣機系統(tǒng)；饒永杰等［17］研究了DSC的比例諧振控制策略，并以電壓補償為目標提出了對應(yīng)的控制器參數(shù)設(shè)計方法。在對DSC的電磁暫態(tài)建模方面，Tang等［18］在ADPSS平臺構(gòu)建了DSC的電磁暫態(tài)模型，并進行了電壓控制與潮流調(diào)節(jié)的試驗仿真，推進了DSC的工程化應(yīng)用進程；田星等［19］基于RTDS平臺完成了DSC主控單元的優(yōu)化出力分配測試，仿真結(jié)果表明所提出的實時優(yōu)化分配法可以實現(xiàn)最快的子模塊響應(yīng)速度。

本文將從DSC拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，詳細分析DSC對線路潮流的作用機理，針對配電網(wǎng)中的可再生能源消納及電壓波動與閃變的問題，構(gòu)建了含DSC的電磁暫態(tài)測試模型，并基于PSCAD/EMTDC仿真平臺進行仿真分析，驗證了所搭建的電磁暫態(tài)模型的有效性與可適性。

1 DSC拓撲結(jié)構(gòu)

DSC分散布置在線路中，由多個子單元組成一個完整的系統(tǒng)，其子單元拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DSC子單元由單相電壓源型變流器、單匝耦合變壓器、濾波電路、電流取能電路、電流采樣電路及控制單元組成，其等效電路模型如圖2所示。

在圖2中，Vdc為直流電容電壓，idc為單相變流器直流電流。Vse為單相變流器輸出電壓，Cdc為直流電容，RL為單相變流器損耗，SA1，SA2，SB1和SB2為每個橋臂上的開關(guān)管，Rf為線路等效電阻，Lf為單相變流器的濾波電感，Cf為濾波電容，Vc為濾波電容的電壓，i1為變流器輸出電流，i2為通過LC濾波電路后DSC交流側(cè)輸出電流。

2 DSC數(shù)學模型及控制策略研究

2.1 數(shù)學模型

由多個DSC子單元串聯(lián)在一起的數(shù)學模型，可將其看作為多個受控源串聯(lián)在線路上，其等效數(shù)學模型如圖3所示。

在圖3中，V·1，V·2分別是DSC所在線路首端和末端的電壓，XL為線路等效阻抗，I·L為線路電流，PL為線路末端有功功率潮流，QL為線路末端無功功率潮流，V·ci為第i個DSC子單元注入到線路的等效電壓，i=1，2，…，n。

根據(jù)圖3的等效模型，可得：

PL=V1V2XL1±∑ni=1VciV21+V22－2V1V2cosθ12（1）

QL=V1V2cosθ12－V22XL1±∑ni=1VciV21+V22－2V1V2cosθ12（2）

式中：V1，V2為DSC所在線路首端和末端電壓幅值；θ12為布置有DSC線路的首末端母線電壓相位差?？赏ㄟ^控制DSC注入的電壓來對線路有功功率PL與無功功率QL進行調(diào)控。同時，由于線路運行的功率因數(shù)較高，故一般只考慮有功功率潮流的調(diào)節(jié)效果，因此，DSC運行在潮流調(diào)控模式時，通常以有功功率作為其控制目標，無功功率則為隨動變量。符號的選擇方式為：當DSC工作在容性條件下時取+，感性條件下取-。

根據(jù)圖2，忽略線路等效電阻Rf，可得DSC的子單元電壓和電流特性：

Vse=Vc－Lfdi2dt（3）

i2=i1－CfdVcdt（4）

其中，DSC的注入電壓Vc在瞬態(tài)表現(xiàn)為輸出幅值為Vdc的脈沖波，難以用于構(gòu)造線性模型，故本文將其平均化，可得：

Vse=mVdcsin（5）

式中：m為調(diào)制深度，其取值范圍為［0，1］；sin為調(diào)制波的單位正弦波。

對式（3）和式（4）進行Park變換，可得：

Vsed=Vcd－LfdI2ddt+ωLfI2qVseq=Vcq－LfdI2qdt－ωLfI2d（6）

I2d=I1d－CfdVcddt+ωCfVcqI2q=I1q－CfdVcqdt－ωCfVcd（7）

式中：ω為工頻角頻率；d，q下標分別對應(yīng)相應(yīng)電氣量經(jīng)Park變換后得到的d，q坐標下的分量；I2q，I2d分別為i2在dq坐標系下的q軸與d軸分量。由于dq坐標系以電流i1相位為參考，因此始終有I1q等于0、I1d等于線路電流的幅值。在不考慮DSC子單元損耗時，可以得到穩(wěn)態(tài)工況下滿足：

Vcq/I1d=XcVcd=0（8）

式中：Xc表示DSC子單元端口的等效阻抗。

2.2 控制策略

對單個DSC子單元的控制實質(zhì)上是對其輸出電壓的控制，DSC子單元作用到線路的變量為注入電壓Vc，對Vc進行Park變換之后，因為其d軸與q軸分量之間存在耦合關(guān)系，要實現(xiàn)解耦控制，可使用前饋解耦控制方法，令

CfdVcddt=Kp1V*cd－Vcd+Ki1∫V*cd－VcddtCfdVcqdt=Kp1V*cq－Vcq+Ki1∫V*cq－Vcqdt（9）

式中：V*cd，V*cq為Vcd和Vcq在控制系統(tǒng)中給定的參考值；Kp1和Ki1分別是比例控制參數(shù)和積分控制參數(shù)。將式（9）轉(zhuǎn)化為s域表達式，可得：

sCfVcd=Kp1+Ki1sV*cd－VcdsCfVcq=Kp1+Ki1sV*cq－Vcq（10）

則DSC子單元注入電壓d軸分量Vcd與q軸分量Vcq的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

Vcd=sKp1+Ki1s2Cf+sKp1+Ki1V*cdVcq=sKp1+Ki1s2Cf+sKp1+Ki1V*cq（11）

由式（11）可知，通過控制Kp1和Ki1的大小，即可改變DSC的動態(tài)響應(yīng)特性。

將式（9）代入式（7），可得：

I2d=I1d－Kp1+Ki1sV*cd－Vcd+ωCfVcqI2q=I1q－Kp1+Ki1sV*cq－Vcq－ωCfVcd（12）

上式可作為外環(huán)控制特性，所得到的I2d和I2q可作為內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)的電流跟蹤指令I(lǐng)2d*和I2q*。

與式（10）類似，得到電流I2d和I2q的控制特性：

sLfI2d=Kp2+Ki2sI*2d－I2dsLfI2q=Kp2+Ki2sI*2q－I2q（13）

將式（13）代入式（6），可得：

Vsed=Vcd－Kp2+Ki2sI*2d－I2d+ωLfI2qVseq=Vcq－Kp2+Ki2sI*2q－I2q－ωLfI2d（14）

式（12）和式（14）共同構(gòu)成了DSC子單元交流側(cè)的控制系統(tǒng)原理，輸出電壓d軸與q軸分量。根據(jù)上層潮流調(diào)控指令可確定DSC對線路的注入電壓的大小，進而可以快速、準確地調(diào)節(jié)線路潮流。

當輸入有功功率潮流指令PLref時，可以反推得到DSC的所有子單元串聯(lián)后所需要補償?shù)淖杩怪礨csum的計算式：

Xcsum=V1V2sinθ12PLref－XL（15）

線路電流的有效值為

IL=（V1－V2cosθ12）2+（V2sinθ12）2XL+Xcsum（16）

3 電磁暫態(tài)建模與仿真

3.1 電磁暫態(tài)建模

本節(jié)采用如圖4所示仿真系統(tǒng)驗證DSC對可再生能源消納的促進能力和對電壓波動的能力。在PSCAD/EMTDC仿真平臺中完成了仿真測試系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型構(gòu)建，其中，可變負荷Gs可產(chǎn)生大功率沖擊來模擬系統(tǒng)中的電壓波動來源，在測試電壓波動時才投入使用。

在圖4中，配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的基準電壓為380 V，母線I與母線II分別連接一個三相交流電壓源模擬無窮大電網(wǎng)，兩個電源的相角差為11.431°，母線I處可變負荷Gs為0.036 MW。在母線III處裝有一個容量為0.071 MW的恒功率負荷，并用一個三相電源模擬可再生能源電源接入系統(tǒng)，其額定功率為0.113 MW。DSC裝置安裝在線路I上。

所構(gòu)建含DSC及線路等效阻抗參數(shù)的簡單電力系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。所搭建的DSC子單元一次系統(tǒng)詳細電磁暫態(tài)仿真模型如圖6所示，控制系統(tǒng)模型如圖 7所示。其中，設(shè)置DSC子單元的交流側(cè)濾波電容為500 μF，濾波電感為0.2 mH。

3.2 仿真分析

3.2.1 促進可再生能源消納仿真分析

在圖4中，母線III處用一個三相電源模擬一個可再生能源電源接入系統(tǒng)，其額定功率為0.113 MW。同時設(shè)定母線III處的負載額定功率是0.071 MW，故線路III滿載，且可再生能源發(fā)電有盈余?，F(xiàn)測試DSC裝置能否將可再生能源的多余發(fā)電量通過“線路II—母線I—線路I”的路線輸送至母線II處的受端電網(wǎng)以促進消納。

對上述應(yīng)用場景進行仿真驗證。在1 s時，將DSC投入線路中；1.5 s時開始對直流電容充電；2.1 s時開始投入變流器潮流調(diào)節(jié)控制器對每相的潮流進行調(diào)整；3.5 s時開始投入可再生能源電源。DSC單相電容電壓如圖8所示。

可以看到，在1.5 s時，DSC對變流器的直流電容進行充電，電容電壓在0.2s后達到給定值0.25 kV，在2.1 s時的波動是由于潮流調(diào)節(jié)控制器投入所導致的，之后也一直穩(wěn)定在0.25 kV。

母線II處每相有功功率潮流如圖9所示。1 s之前未投入DSC，線路原始有功功率為0.028 MW；在1 s時投入DSC后，由于裝置內(nèi)的變壓器增加了線路阻抗，故有功功率略有下降，大小不足1%；在1.5 s時對直流電容進行充電，使線路有功功率出現(xiàn)了短時下降，但很快就恢復到原值；在2.1 s時投入潮流調(diào)節(jié)模式后，有功功率達到給定值0.030 MW；在3.5 s時投入可再生能源，并設(shè)定線路I傳輸?shù)挠泄β式o定值為0.044 MW，功率快速上升到穩(wěn)定值。

母線II處每相無功功率潮流如圖10所示。在1 s時將DSC投入線路后，容性無功功率略有減少；在2.1 s及3.5 s給定潮流控制后，無功功率均能實現(xiàn)穩(wěn)定。

從圖9和圖10可以看出：

（1） 在可再生能源電源投入后，通過線路I傳輸?shù)挠泄β食绷饔?.030 MW/相增大為0.044 MW/相，有功功率變化量為0.014 MW/相。

（2） 可再生能源發(fā)出的0.113 MW功率除了一部分用于0.071 MW負荷供電外，剩下的0.014 MW/相的功率將會傳遞到系統(tǒng)中，恰好等于線路I傳輸?shù)挠泄β首兓俊?/p>

（3） 上述結(jié)果表明，可再生能源發(fā)出的多余電能全部通過“線路II—母線I—線路I”的路線輸送至母線II處的受端電網(wǎng)消納，驗證了DSC可按照預(yù)期改變線路潮流，實現(xiàn)對分布式電源能量流向的精準控制，有效促進了分布式可再生能源消納。

3.2.2 解決電壓波動和閃變仿真分析

如圖11所示，在線路不投入DSC的情況下，在2 s時投入大功率沖擊負荷，母線I處的電壓產(chǎn)生劇烈波動和閃變，母線電壓跌落至376.5 V，最大電壓變化率約為100 V/s，電壓恢復時間較長，超過了0.8 s。

投入DSC后，同樣在2 s時投入大功率沖擊負荷。如圖12所示，DSC可把母線I的電壓波動維持在±0.3 V之間，在2.5 s后重新穩(wěn)定于380 V。與圖12相比可知，DSC可有效抑制因沖擊負荷導致的電壓波動與閃變。

DSC與沖擊負荷的無功功率波形如圖13所示。其中，Q1為沖擊負荷吸收的無功功率，Qsh為DSC變流器吸收的無功功率。可以看到，在2.0～2.2 s間，沖擊負荷與DSC變流器吸收的無功功率呈大小相等、符號相反的互補變化趨勢，說明變流器可以有效地向沖擊負荷提供無功功率，從而減弱沖擊負荷對系統(tǒng)無功功率造成的影響。同時，因為變流器還需要消耗無功功率以維持母線電壓恒定，所以吸收的無功功率穩(wěn)態(tài)值不為零。

DSC與沖擊負荷的有功功率波形如圖14所示。其中，P1為沖擊負荷的有功功率，Psh為DSC變流器的有功功率?？梢钥吹?，在2.0～2.2 s間，沖擊負荷與DSC變流器的有功功率呈相反的互補變化趨勢，說明變流器可以有效地向沖擊負荷提供有功功率，從而減弱沖擊負荷對系統(tǒng)有功功率造成的影響。最終沖擊負荷維持于0.036 MW，達到額定工作狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文首先對分布式串聯(lián)補償器（DSC）的拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析，闡明了DSC對線路潮流的作用機理，提出了一種能促進可再生能源在配電網(wǎng)消納和抑制配電網(wǎng)電壓波動與閃變的DSC電磁暫態(tài)建模方法，然后構(gòu)建了含DSC的簡單測試系統(tǒng)，基于PSCAD平臺對所構(gòu)建的電磁暫態(tài)模型進行了仿真驗證，結(jié)果表明：

（1） 本文所構(gòu)建的DSC電磁暫態(tài)模型能實現(xiàn)對輸入電壓指令的靈敏跟蹤，通過改變自身輸出阻抗的性質(zhì)（感性/容性）來改變注入線路的等效阻抗；

（2） DSC可根據(jù)上層潮流調(diào)控指令強制控制線路潮流走向，在系統(tǒng)安全運行范圍內(nèi)實現(xiàn)對分布式可再生能源能量流向的精準控制，從而可有效解決配電網(wǎng)中分布式可再生能源消納問題；

（3） DSC能夠補償大功率沖擊負荷投入時所需的沖擊性功率，同時還可以根據(jù)負荷的波動特性來補償波動性功率，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)中節(jié)點電壓波動與閃變的抑制。

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（編輯：李 慧）

Distributed series compensators for enhancing renewable energy consumption in distribution grid containing hydro-wind-solar power

XIAO Jun，ZHU Zheng，LU Xiaojun，CAO Yang

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

The embedded fluctuation and intermittency of renewable energy may lead to several problems of the transmission lines，including bi-directional power flow，overload current and abnormal voltage variation，which results in deficiency of power supply and increase of transmission loss.Finally，the system reliability is reduced.The distributed series compensator （DSC），one of the flexible AC transmission （FACT） equipment，is able to conduct real-time regulation of the power network according to upper-level system orders.The control mechanism of the DSC towards power system flow was studied based on its topology and structure.The electromagnetic transient modeling method of the DSC for promoting renewable energy consumption and depressing voltage variation was researched.The test model of DSC based on PSCAD/EMTDC platform was built.The results showed that distributed series compensator can realize the precise control of the energy flow direction of the distributed power supply and compensate the impact power required when the high-power impact load was put into operation，which can effectively promote the consumption of distributed renewable energy and suppress the abnormal voltage fluctuation with its correctness and validity verified by simulation results.

Key words：

distributed series compensator；flexible AC transmission equipment；renewable energy consumption；power flow regulation；electromagnetic transient modeling

收稿日期：

2022-09-29

基金項目：

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司自主創(chuàng)新項目（CX2018Z34）

作者簡介：

肖 軍，男，高級工程師，碩士，主要從事輸變電電氣一次設(shè)計工作。E-mail：xiaojun@cjwjsy.com.cn

通信作者：

魯曉軍，男，高級工程師，博士，主要從事新能源及柔性直流研究。E-mail：luxiaojun1212@foxmail.com