交直流混合配電網多階段動態電壓恢復控制研究

張亞東，余 洋

(國網浙江新昌縣供電有限公司，浙江 紹興 312500)

在交直流混合配電網中，換流器是配電網中重要的電流控制設備，在換流的過程中，為了維持配電網自身的電流平衡，換流器會大量吸收配電網中的無功功率，根據換流設備類型不同，所吸收的無功功率約為直流電壓功率的30%～60%[1-2]，無功功率的大大減少會直接導致配電網中電壓穩定，其中交流母線上的電壓穩定性失衡問題最為明顯。當交直流混合配電網中出現較大的電壓干擾時，如果采用電壓恢復控制方式操作不當，則可能會直接引發交直流混合配電網電壓嚴重失穩[3-4]，因此對于交直流混合配電網的電壓恢復控制方法一直是近些年來的熱點問題[5]。

很多專家與學者在電壓恢復控制方面也提出了一些觀點，針對工業園區中配電網在分布式電源大量接入的情況，為了防止配電網中的電壓跌落，專家提出了基于多dq坐標旋轉變換進行深入檢測分析，基于正負序分離法和S變換法對電壓進行控制；還有的專家主要利用母線電壓補償技術結合系統的負荷電源功率，根據實時的數據對配電網中的母線電壓采取動態分配，主要目的是穩定微電網，以此來實現配電網系統中的電壓穩定，基于下垂式控制實現了分布式電源的功率共享的同時，對配電網中的參數進行二次控制，調整下垂系數補償跌落電壓。以上的電壓恢復控制方法雖然取得了一定成效，但是在實際的配電網電壓控制中，以上方法僅從整流側或逆變側入手直接干擾電壓變化，容易產生超調情況，影響整體電壓穩定性，因此本文設計一種多階段動態電壓恢復控制方法。

1 多階段動態電壓恢復控制研究

1.1 負荷恢復模型

對于交直流混合配電網來說，要想實現電壓的恢復控制，首先要對負荷進行調整[6-9]。將配電網網絡負荷恢復模型進行重構，并將其視為一個非線性的優化問題。

根據配電網的實際情況來制定目標函數。由于本文主要是針對交直流混合配電網，這種配電網的最大問題就是網絡質量不高，那么則需要將開關操作次數降到最低以保證配電網中電能質量最高。那么可以得到目標函數為：

(1)

上式中，yi表示交直流混合配電網中的分段開關i的閉合狀態，開關狀態有2個賦值，當賦值為0時，表示開關由打開變為閉合狀態并保持，賦值為1時表示開關由閉合變為打開狀態并保持。yi組成的集合為Y，表示出現電壓失衡之前非相關區域的開關閉合變化情況，可以寫作：

Y=[y1，y2，…，ym]T

(2)

Z表示非相關區域中度和的開關變化情況集合，可以寫作：

Z=[z1，z2，…，zn]T

(3)

另外，zj表示配電網中聯絡開關j的狀態[10-13]，該開關狀態與yi所表示的開關狀態相同。以上2種在負荷恢復模型中，還需要針對目標函數設定一定的約束條件，本文設定的約束函數主要是綜合了節點的參數作為約束條件[14-16]，約束函數為：

(4)

1.2 基于多階段的動態電壓控制策略

在交直流混合配電網自身所具有的防御體系下，為了保證在電壓控制的過程中不超調，更精準，本文的控制策略選擇了分階段協調控制[17-20]。配電網的安全運行主要依靠的是多階段控制架構，其結構如圖1所示。

圖1 交直流混合配電網多階段控制架構Fig.1 Multi-stage control architecture of AC-DC hybrid distribution network

在圖1的多階段控制架構下，對于故障發生時，配電網保護不會立刻采取措施，第1階段控制中央區域中的調度方式，同時檢測電壓在受到外界干擾之后所產生的波動幅度，根據幅度大小判斷配電網產生故障的嚴重性，從而設定配電網的電壓控制參考值，并將獲取到的電網信息向下傳遞，下發給配電網所覆蓋的各個區域的FDG，保證區域和本地控制的相電壓在合理范圍內，減少負荷輸出，保證無功功率在配電網中的存儲量。另外還需要保證FDG在持續輸出電流時不會脫網，故障切除之后，動態電壓控制操作才能結束。在第2階段的控制中，PCC區域接收到第1階段控制完畢的信號之后，在配電網整體處于自適應電壓恢復控制之后，將第1階段得到的電壓參考值作為控制標準，進行二次控制。二次控制的持續時間長短與相電壓偏差的大小呈現反比關系，此時對于故障點的供電暫停，因此對于FDG容量的要求不高。在恢復過程中，需要使交直流配電網中的各個節點達到電壓共識。節點的電壓共識過程分為3個階段：預準備(Pre-prepare)、準備(Prepare)和提交(Commit)，其算法主要過程如圖2所示。其中，即便交直流混合配電網中的某節點失效，其他節點依然能夠達成共識，完成電壓的恢復控制。

圖2 共識算法Fig.2 Consensus algorithm

(1)主節點0開始推送電壓預準備的消息Pre-prepare。

(2)副節點收到預準備的消息，判定有效就會進入準備階段，并把收到的準備消息Prepare傳給其他副節點。當收到有效的電壓控制消息數量不少于2f時，則進入提交階段，并廣播提交消息Commit。

(3)收到廣播的消息后將有效的寫入日志中；若接收的有效的提交消息條數大于或等于2f+1(包含自己)，則發送響應Reply。

(4)當配電網的主節點收到f+1個有效投票時(因為節點最多有f個)，電壓控制的推送得到最終確認。完成第2階段控制之后，配電網中的電壓基本上就能夠恢復正常，當有突發狀況時，第3階段的控制會啟動緊急預案控制，從動態控制轉換為自適應電壓恢復控制。在控制架構中，ZCVC是配電網電壓控制與故障防御中的補充程序，可以容納通道完好的FDG進行參與電壓調控，對于通道存在故障FDG，只能通過有線方式來完成周圍電壓的恢復與控制。至此完成交直流混合配電網多階段動態電壓恢復控制的研究。

2 基于多階段的動態電壓控制策略

2.1 算例設計

為了驗證本文設計的交直流混合配電網多階段動態電壓恢復控制方法具有一定的有效性，需要設計仿真算例進行驗證計算。

圖3 實驗平臺Fig.3 Experimental platform

選擇某交直流混合配電網作為算例進行仿真，該算例結構如圖4所示。

在圖4的算例結構中，設定算例中的直流配電網的額定輸出功率為500 MVA，額定電壓為250 kV，額定電流為0.5 kA，以上算例系統的運行方式主要包括整流側定電流與逆變側定熄弧角。使用Matlab仿真軟件搭載以上算例，并在其中加入具體的故障類型，并編制仿真流程圖。

在以上的實驗流程下，分別使用本文控制方法和整流側定電流—逆變側定電壓控制、整流側定功率—逆變側定電壓控制兩種傳統的控制方法進行測試。在測試過程中，設置超電壓規定范圍為[9.5，12.0]，當超過該范圍，則啟動控制方法使電壓回到規定范圍，根據以上條件，分別得到不同控制方法下算例中的電壓穩定裕度和PV曲線，并根據得到的結果進行分析。

2.2 實驗結果與分析

仿真流程如圖5所示，獲取隨機選取算例中重要節點5、7的PV曲線如圖6所示。從節點5和節點7的PV曲線來看，電壓控制方法對于節點的電壓超量控制效果較好。不同方法中各重要節點的電壓超量極限值統計見表1。

根據以上的各個節點電壓超量極限值和電壓穩定裕度值可以看出，本文方法的電壓超量極限值和電壓穩定裕度值較小，驗證了在實際的配電網電壓控制過程中，本文方法對于電壓控制的穩定性更高。

3 結語

本文針對目前交直流配電網電壓恢復控制方法所存在的不足，設計一種交直流混合配電網多階段動態電壓恢復控制方法。通過建立交直流混合配電網的負荷恢復模型和設計交直流混合配電網多階段控制架構，減少電壓控制過程中產生的超調，通過仿真算例的實驗結果證明，設計的控制方法電壓超量極限值與電壓穩定裕度更加穩定，驗證了設計方法精確性更高。但是本文在研究過程中由于受到一些限制，整體的控制策略還有很多需要改進的地方，在未來的工作中還要進一步優化。