配電網柔性互聯系統多模式運行及調控分析

栗文瑾，楊 龍，張靜忠

1.國網寧夏電力有限公司固原供電公司，寧夏 固原 756000

2.國網寧夏電力有限公司調度控制中心，寧夏 銀川 750001

0 引言

當前，全球新能源產業的發展不斷壯大，以太陽能、風能等為代表的分布式電源逐漸受到人們的關注，并且在各個領域中均有著十分廣泛的應用。在這樣的大環境背景下，配電網的整體結構發生了極大的改變，其負荷特性也呈現多樣化發展，有源配電網逐步形成，對配電網的穩定運行造成了不可忽視的影響[1]。在具體應用中，配電網的運行呈現出負荷波動頻率加劇、有功功率與無功功率流向日趨復雜等趨向。在這樣的發展下，為實現配電網的穩定運行，面向配電網的柔性互聯成為當前國內外相關領域研究人員重點關注的話題之一，而柔性互聯系統的創新也逐漸成為配電網未來實現創新發展的重要突破點[2]?；诖?，文章針對配電網柔性互聯系統在運行過程中的模式進行探究，并以配電網穩定運行為目標，實現對實際應用過程中配電網的運行調控分析。

1 配電網柔性互聯系統多模式運行與調控設計

1.1 配電網柔性互聯系統三類運行模式設計

在配電網運行過程中，隨著主變負載狀態的改變，柔性互聯系統的運行模式也需要進行相應的改變，以適應配電網的穩定運行。通過對配電網運行條件進行分析，在柔性互聯系統的兩個交流端口上，其變換器能夠根據不同的控制指令實現不同功率的雙向傳輸，方便在離線狀態下對系統運行模式的動態調節[3]。柔性互聯系統的三個端口分別連接著光伏發電設備、蓄電池設備和直流負載。根據系統的柔性互聯結構，確定其運行模式可分為以下三種。

第一種，柔性互聯運行模式。在這種模式下，與系統相連接的兩個變壓器均是以并網的形式運行，并通過兩個變壓器才能夠實現系統的柔性互聯[4]。在系統運行過程中，其端口位置上的功率大小與方向均可通過虛擬同步機對其進行控制，并通過變壓器連接實現雙向流動。

第二種，負荷轉換供應運行模式。在這種模式下，與柔性互聯系統相連接的變換器此時處于離線狀態。當配電網運行過程中出現異常時，饋線兩側產生的負荷將會通過另一組配電網進行轉換供應，并且在另一組配電網中對應的饋線功率能夠通過變壓器實現雙向傳輸，從而不需要轉換控制策略。

第三種，孤島運行模式。在這種模式下，柔性互聯系統連接的兩個變壓器均處于離線的狀態。當配電網1和配電網2均發生故障問題時，此時由于兩個變壓器均離線，需要通過分布式電源為系統提供短暫的電力供應，待配電網恢復正常供電后，系統可重新根據需要轉變為上述兩種運行模式。

1.2 系統交流端口VSG調控

針對柔性互聯系統交流端口的調控，引入VSG調控策略，通過虛擬同步電機實現控制。這種調控方式的主要目的是在交流端口位置上輸出功率能夠表現為同步發電機，并利用吸收功率的外特性實現對同步電動機的表示，從而提升系統連接柔性。在調控過程中，系統連接的同步電機轉子運動過程可用公式（1）表示：

公式（1）中，Tm為系統運行過程中同步電機的機械轉矩；Te為系統運行過程中同步電機的電磁轉矩；D為阻尼系數；ω為運行過程中的角速度；ω0為額定角速度；J為轉動慣量參數。

在公式（1）的基礎上，引進等比例諧波振動控制技術，將其與上端交流端口對接，通過此種方式，實現對電流信號與前端傳輸指令的有效追溯與跟蹤，從而實現在信息交互端，對電流的高精度宏觀調控[5]。在進行調控操作處理時，可采用調整機械功率的方式，進行多個交互端口的對接，實現對交互端的同步調整。

1.3 系統直流端口虛擬直流電機調控

針對柔性互聯系統直流端口的調控，引入虛擬直流電機調控策略，通過調節虛擬直流電機，實現系統與直流配電網之間的柔性互聯。虛擬直流電機的轉子在運行過程中可用公式（2）表示：

公式（2）中，Tdm、Tde、Dd、ωd均與上述公式（1）所示參數對應，分別為直流電機的機械轉矩、電磁轉矩、阻尼系數、角速度。

在公式（2）的基礎上，將直流電機電樞回路的電動勢平衡作為條件，對系統直流端口進行調控。同時，在調控的過程中，根據系統直流電機控制功率指令可將獲取到的控制指令采用電流閉環比例實現對電流參數變化的跟蹤。通過此種處理方式，實現在系統穩定運行過程中，對傳輸電流的高精度有效控制。在此基礎上，根據上文所述的電機調節方式調整系統聯機，這樣能夠在系統連接的過程中避免母線沖壓，對系統運行造成抑制與干擾，從而提高系統運行的穩定性。

2 應用效果分析

為了驗證上述設計的多模式運行和調控方法的合理性以及應用優勢，選擇以某電力企業作為依托，將上述提出的方法應用到該電力企業的配電網柔性互聯系統中，并對該電力系統的運行情況進行記錄，從而反映本文上述方法的應用效果。已知在該系統運行的環境中共包含兩個電壓均為10 kV的配電網運行環境，其直流母線電壓為750 kV。在配電網中，連接的5個變壓器額定容量為150 kVA，變壓器的額定功率為45 kW，直流負荷為5 kW，光伏出力為15 kW。按照上述提出的多模式運行方式完成運行，并在系統的交流端口采用VSG調控，在系統直流端口采用虛擬直流電機調控。完成上述內容后，分別記錄5個變壓器的運行狀態，并將在0.1～0.5 s、0.5～1.0 s和1.0～1.5 s范圍內變壓器的運行功率記錄如表1所示。

表1 五個變壓器運行狀態記錄表 單位：kW

從表1中記錄的數據可以看出，配電網中所有與柔性互聯系統相連接的變壓器均能夠保持正常的運行狀態。隨機選擇5個變壓器中，兩個相對應位置上的變壓器，對其在運行的0.2～1.8 s內系統端口上的功率進行記錄，并繪制成圖，如圖1所示。

圖1 系統端口功率變化圖

從圖1可以看出，兩個變壓器在0.2～1.8 s運行時間內，其功率變化曲線呈現出以功率為10 kW為軸線的軸對稱圖形，實現了對負載的均衡調控。

3 結束語

通過上述研究提出了一種符合配電網柔性互聯系統穩定運行的多模式運行方式，并針對其運行需要實現了對交流端口和直流端口的調控。同時應用實例的方式證明，文章提出的多模式運行與調控法在實際應用中能夠實現對配電網柔性互聯系統更穩定的控制，確保配電網整體運行安全。在后續的研究中，還將結合協同控制方法和故障保護控制方法，從優化降損的角度進一步完善該系統。