負載均衡下的柔性配電網功率調制技術研究

陳明洋 袁旭峰 徐騰 黃倩 徐玉韜

摘? 要： 柔性配電網與傳統的城市交流配電網不同，柔性配電網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;對于利用多端電壓源換流器（VSC）形成的柔性配電網，利用直流功率調制技術可以實現配網中多回饋線的有功功率均衡，使多回饋線實現閉環運行。針對柔性互聯的多回10 kV交流饋線的換流器，在主從控制基礎上提出一種基于負載均衡的功率調制技術，以該功率調制技術的輸出值作為電流控制環的參考輸入值，用以實現柔性配電網中的多回交流饋線的負載均衡。利用PSCAD/EMTDC搭建四端柔性配電網仿真，仿真結果表明，所提基于負載均衡的功率調制技術能跟隨負載波動實時平衡各回饋線間的負載，提高交流配網設備利用率和運行可靠性。

關鍵詞： 柔性配電網; 功率調制; 負載均衡; 交流饋線; 閉環運行; 配電網仿真

中圖分類號： TN761?34; TM46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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

傳統城市配電網的交流饋線通過聯絡開關相連，其閉環設計開環運行的模式導致拓撲和運行方式的不靈活[1]，存在轉供能力差，部分變電站趨于飽和以及設備負載水平偏高等缺陷[2]。隨著光伏、風力等分布式電源的大量接入，電動汽車、LED等直流負荷不斷增多，現有的配電網架構在供電能力和運行控制方面面臨極大挑戰[3]。柔性配電網能更好地接納分布式電源和直流負荷，滿足用戶對電能質量和優質服務的要求，進一步提升了系統效率[4]。從利用現有的交流網絡構架和直流配電技術的優勢角度出發，柔性配電網必然會是未來配電網的重要形式之一[5?6]。

直流功率調制技術通過從交流系統中獲取信號對直流線路的電流和功率進行調控，多用于改善交直流系統運行的穩定性，在直流輸電領域已獲得較多應用[7?16]。文獻[7]為改善多端直流系統功率協調能力，提出一種基于多端直流聯網的風電功率協調控制策略，它可根據直流電壓變化控制風電場端電網頻率，使風電能夠有效分擔系統內的不平衡功率。文獻[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償調制方法，通過在線計算換相失敗產生的功率沖擊能量，選擇功率補償效果較優的線路對換相失敗產生的沖擊進行快速抑制。文獻[9]為抑制交直流混聯系統負荷突變引起的功率振蕩提出一種變結構的直流功率調制和快速汽門最優控制的協調控制策略，該策略能在負荷發生擾動的初期顯著抑制頻率振蕩。文獻[10]針對水電機組的水錘效益引發的交流系統低頻振蕩，利用基于一階慣性環節的直流功率調制附加頻率控制器改善水電機組的運行特性，并對控制器參數的整定給出了合適范圍，有效抑制了交流系統中的低頻振蕩。文獻[11]針對大規模風電外送過程中功率波動引發的送端換流站交流母線電壓、頻率波動的問題，通過在直流調制器回路引入高通濾波器，將風電功率變化量中變化較快的部分通過直流輸電系統傳送到受端共同承擔功率波動的影響，減小了頻率波動量。文獻[12]為提高電壓源換流器（Voltage?Source?Convert，VSC）多端直流系統的頻率穩定性，提出一種多換流站共同參與主網頻率調節的多端協調控制策略，使多端系統中的各孤島電網換流站以最優直流電壓斜率控制協調參與主網頻率調節過程，與傳統控制方法相比，動態性能更優。文獻[13]針對阻尼系數未知的交直流混合輸電系統不確定小擾動情況提出一種非線性附加控制器，通過快速調節直流功率來提升混合系統的穩定性。文獻[14]針對多端直流系統，提出基于電流平衡器的多端直流輸電系統功率調制技術，提高了系統運行的穩定性。文獻[15?16]研究了如何利用直流功率調制技術改善交直流混聯系統中交流負荷突變時引發的頻率振蕩問題。

上述方案多用于提升交直流混合輸電系統的穩定性，對配電網的應用涉及較少，且部分方案涉及到控制器的優化算法，這增加了控制器設計的難度，不利于工程應用。而通過直流配電環節對交流配電網進行功率支撐是實現柔性配電網的關鍵，功率調制技術在柔性配電系統方面的應用還鮮有報道。文獻[14]的電流平衡器能實時快速地調控直流功率，對交流系統進行支撐，本文在文獻[14]的基礎上，對通過多端換流器柔性互聯的交流配電網設計了一種基于負載均衡的功率實時調制技術，僅需少量的測量點就能通過控制柔性配電網中的換流器達到交流饋線負載均衡的目的。

1? 基于負載均衡的功率調制技術

本文所研究的多端柔性配電系統如圖1所示。通過一個四端直流系統將4條10 kV交流饋線柔性互聯，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荷。

本文為實現柔性配網中饋線閉環運行，均衡各回饋線出力，在文獻[14]的電流平衡器基礎上，提出如圖2所示的基于負載均衡原則的功率調制技術，將其作為換流器電流內環參考值的輸入命令，用于在負荷發生突變時快速均衡各回饋線的有功功率。

圖2中，[idref1]，[idref2]，…，[idrefn]為通過功率調制技術輸出的換流器內環電流參考命令。負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中的各回交流饋線處于經濟運行水平。如圖3所示，假設有[n+1]回交流線路通過換流器接入柔性配電網，以主從控制為基礎，設定第[n+1]回饋線連接的換流站為主站，控制柔性配電網的直流電壓，其余1～[n]回線路連接的換流站為從站，采用基于負載均衡的功率調制技術進行控制;通過測量所得各回線路實際傳送的有功功率為[Pi]（[i=]1，2，…，[n]，[n+1]），設定各回線路所能傳送的最大功率為[Pmaxi]，主站相當于柔性配電網的平衡節點，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]回采用功率調制技術控制從站所接連交流饋線的功率分配系數;[Km]為主站控制交流饋線的功率分配系數。基于負載均衡功率調制技術的控制思想在于：各回饋線輸出功率是總的饋線輸出功率按功率分配系數分配的，當某一回饋線輸出功率發生突變時，由PI控制器控制其他采用功率控制的換流站共同分擔負載。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現多回饋線之間的負載均衡。

2? 多端柔性配電網控制策略

基于上述負載均衡的功率調制技術，針對圖1所示的柔性配電網，提出如圖3所示的基于負載均衡的柔性配電網控制策略。

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所示的功率調制技術實現各回交流饋線的負載均衡，主站的定直流控制、各端的無功控制環節保持不變。

3? 仿真分析

3.1? 仿真參數

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

此外，交流饋線Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ出口側分別帶10 MW，1 MW，1 MW，3 MW負荷，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

柔性配電網未采用功率調制技術，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出口側在1 s時投入3 MW負荷，2 s后該負荷退出運行。柔性配電網在負荷突變時的運行特性如圖4所示。

由圖4可知，在負荷發生突變時，各個換流器輸送功率發生了小擾動，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時投入的3 MW負荷全部由饋線Ⅱ承擔，饋線Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ發出功率沒有變化;1，3，4號VSC隔離變壓器側無功功率沒有發生變化，2號VSC隔離變壓器側無功功率由原來的-0.4 Mvar變為-1.3 Mvar。也就是說，當不采用功率調制技術時，負荷僅由所在的饋線承擔，且與負載相連的VSC僅為維持交流電壓而提供無功功率支撐，無法實現實際意義上的閉環運行，饋線Ⅱ的負載率遠大于其余饋線。

3.2.2? 算例2

柔性配電網采用功率調制技術，VSC1～VSC3使用功率調制器輸出作為電流內環控制器的參考輸入值，各回饋線功率分配系數[K]相同，設定為0.25，VSC4仍然作為主站維持直流電壓。采用功率調制器柔性配電網在負荷突變時的運行特性如圖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，在采用功率調制技術時，各回饋線輸出功率同為3.8 MW，實現了負載均衡;當負荷發生突變時，VSC1～VSC4輸送的功率變化到-5.45 MW，0.54 MW，3.54 MW和1.52 MW;增加的負載由每回饋線分別分擔，經過小擾動后，每回饋線輸出的有功功率共同維持在4.53 MW，實現饋線負載均衡。從隔離變側無功功率可以看出，在負荷發生變化時，各VSC發出的無功功率變化趨勢相同，這意味著各VSC共同分擔了交流負荷，體現了柔性配電網利用VSC實現閉環運行的優勢。

4? 結? 論

本文針對柔性配電網中的多回交流饋線，在主從控制的基礎上，提出一種基于負載均衡的功率調制技術，并以此改進了柔性配電網的控制策略，通過算例仿真，得出以下結論：

1） 利用該功率調制技術能根據負荷的變化實時調節柔性配電網中多回饋線的有功出力，實現柔性配電網中多回饋線之間的負載均衡;

2） 基于負載均衡的功率調制技術僅需少量的測量點即可完成多回饋線出力均衡，且不需優化算法，不用附加控制器，減少了成本，有利于工程實現。

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

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