基于BTB-VSC的柔性互聯型低壓配電網及其末端電壓質量治理方案

仇成，李新聰，夏敏浩，張建文，周劍橋，施剛

（1.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200233；2.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240）

0 引言

傳統的低壓交流配電網為一種功率單向流動的輻射型結構。由于電磁環網問題，各饋線不可互聯運行，且饋線功率均由變電站母線側流向負荷側，從而為用戶供電[1]。輻射型配電網架結構簡單，易于保護，建設成本低。光伏、風電等可再生能源可通過分布式電源的形式實現并網發電。分布式電源受氣候影響大，出力隨機性和波動性強，且地理位置分散。傳統的配電網采用輻射型集中式架構，并基于單向潮流特性設計控制保護方案。因此，大量分布式電源的接入將對低壓配電網的運行產生諸多不利影響，包括電壓饋線負荷不均衡、線路末端電壓質量低、供電可靠性差、可再生能源消納能力不足等[2]。

針對以上問題，現有配電網可采用帶載調壓器（On Load Tap Changer，OLTC）電壓控制、無功補償裝備配置、切負荷/降功率運行以及線路擴容4種解決方案[3]～[6]。OLTC通過改變配電變壓器的抽頭調節線路首端電壓，從而實現饋線末端電壓與饋線負荷功率的間接控制。該方案控制簡單，成本較低，但控制性能差，調節范圍小，且無法實現電壓的連續調節。無功補償裝備可配置在線路末端，通過無功功率補償，提高末端電壓質量，但該方案對無功補償裝備的容量需求很高，將大幅增加設備成本。切負荷/降功率運行以犧牲部分用戶的供電或降低可再生能源發電功率為代價，無法作為常規手段進行電壓調節。線路擴容則需要大量的線纜和變壓器設備投資，經濟性不高。

配電線路的容量往往依據峰值負荷設計，而饋線負荷功率大部分時間處于較低水平，因此，配電饋線的負載率不高，其設計容量并未得到充分利用。同時，隨著分布式電源的大量接入，其饋線潮流的波動性和隨機性進一步增強，相鄰饋線間的負荷不均衡度進一步加劇。因此，為充分利用配電饋線的設計容量，提高饋線負荷均衡度與末端電壓質量，增強低壓配電饋線對分布式電源的消納能力。本文借鑒中壓配電網中的智能軟開關（Soft Normally Open Point，SNOP）概念[6]～[15]，提出一種基于BTB-VSC的柔性互聯型低壓配電網及其末端電壓質量治理方案。該方案具有3個優勢:①通過饋線互聯及有功補償，實現各配電線路末端電壓的一致性，有效提升配電網的末端電壓質量；②互聯化配電網總負載功率可依據各饋線容量實現自然均分；③當某條配電線路故障時，末端負載可由VSC持續供電，且該負載將由其余配電線路共同承擔，不會造成過載問題。

1 電壓-功率敏感度分析

本文提出基于BTB-VSC的柔性互聯型低壓配電網及其末端電壓質量治理方案，其網架結構如圖1所示。

圖1 基于BTB-VSC的互聯型低壓配電網架構Fig.1 Topology of interconnection-type LV distributiongridbasedon BTB-VSC

低壓交流配電線路的電阻不可忽略，因此，有功及無功功率將共同影響線路各處的電壓幅值。配電線路末端的線路阻抗最大，面臨著嚴重的電壓質量問題。當線路末端的用戶負荷重載時，可能造成低電壓越限；當線路末端存在大量分布式電源并網時，可能造成高電壓越限。在柔性互聯型低壓配電網中，BTB-VSC為線路末端提供了一個雙向可控功率源，當線路末端電壓由于重載下降時，BTB-VSC可將其余饋線的有功功率通過直流母線傳遞至線路末端，從而抬升末端電壓；當線路末端電壓由于可再生能源輸出功率增加而上升時，BTB-VSC可將過剩功率通過直流母線傳遞至互聯饋線，消納過剩功率，降低線路末端電壓[16]，[17]。因此，BTB-VSC可作為有功補償器，用于解決配電網末端電壓質量問題。

為評估有功補償方案的有效性，建立配電網等效電路如圖2所示。

圖2 低壓交流配電網等效電路Fig.2 Equivalent circuit of LVAC distribution grid

式中:θ為線路阻抗角；φ為可控電壓源矢量相位；U為網側電壓幅值；E為可控電壓源幅值；Z為線路阻抗值。

由式（2）可知，調節可控電壓源的電壓幅值，將同時影響線路傳遞的有功和無功功率。調節可控電壓源的相角，亦將同時影響線路有功和無功功率。和傳統的輸電線路功率方程相比，由于線路阻抗不再為純感性，線路末端電壓亦將和線路傳遞的有功功率相關。

為分析線路電壓對有功功率和無功功率的敏感度，建立式（2）的小信號模型。小信號擾動時，式（2）有功功率為

式中:d P為有功功率的擾動量；d E為線路電壓幅值的擾動量；dφ為線路電壓相角的擾動量。

忽略二次擾動項，并假設線路末端電壓相角較小，即φ≈0。可得線路電壓對有功功率的敏感度為

由式（7）可知，當線路阻抗接近于感性時，無功補償對提升線路電壓質量效果更好；而當線路阻抗接近于阻性時，有功補償對提升線路電壓質量效果更好。380 V低壓配電網線路阻抗和導線型號的關系如表1所示。

表1 380 V低壓配電網線路電阻、電抗值Table 1 Resistance and reactance value per kilometer of 380 V line

可見，在低壓配電線路中，線路電抗遠小于線路電阻，線路阻抗接近于阻性。因此，采用BTBVSC互聯配電饋線，并對線路末端電壓進行有功功率補償的方案，具備有效性和可行性。

2 基于BTB-VSC的柔性互聯型配電網及電壓控制策略

2.1 拓撲架構與基本特點

BTB-VSC裝設在配電饋線末端，通過直流線路，實現低壓配電饋線間的柔性互聯。得益于BTB-VSC端口功率的雙向靈活可控性，該互聯型網架具有以下特點:①采用直流線路實現多端互聯，互聯功率可控，不存在電磁環網問題；②直流互聯后，BTB-VSC可實現各配電饋線以及各區域配電網的軟連接。網間功率具有高可控性，可解決配電饋線及網間的負荷不平衡問題，避免線路阻塞，減小網損，提高饋線利用率，優化配電網的整體運行水平；③當配電饋線末端存在低電壓越限問題時，BTB-VSC可由直流側提供有功功率，解決低電壓問題；當配電饋線末端存在高電壓越限問題時，BTB-VSC可向中壓直流側傳遞有功功率，解決高電壓問題，從而提高配電線路末端電壓質量；④配電線路中存在故障切除時，末端用戶可通過BTB-VSC實現供電，提高了配電網的供電可靠性；⑤可再生能源并網所引入的波動功率及過剩功率可由各互聯線路共同承擔，協同消納，從而大幅提高配電網對可再生能源的消納能力；⑥電動汽車快充站作為一峰值負荷，可配置在直流側，并由各交流配電網的剩余容量共同承擔該負荷，從而避免快充站影響配電用戶的電能質量；⑦BTB-VSC可承擔STATCOM、APF的部分功能，通過補償無功及諧波功率，提高各配電網的電能質量。

可見，基于BTB-VSC的柔性互聯型低壓配電網可解決現有配電網潮流靈活性、可控性不足等基本問題，從而大大提高配電網的運行水平，并實現分布式電源的友好并網，是未來配電網的發展趨勢之一。

2.2 電壓控制策略

柔性互聯型配電網的等效電路如圖3所示。圖中:Z1，Z2分別為配電饋線1和饋線2的線路阻抗；U·1，U·2分別為饋線1和饋線2的末端電壓相量；P1，P2分別為末端負載功率；I·1，I·2分別為VSC1和VSC2的網側電流矢量；L1，L2分別為VSC1和VSC2的網側濾波電感；Vdc為直流母線電壓；PC1，QC1為VSC1吸收的有功和無功功率；PC2，QC2分別為VSC2吸收的有功和無功功率。

圖3 柔性互聯型配電網等效電路Fig.3 Equivalen tcircui to finterconnected distribution grid

由于兩條饋線相鄰距離較近，BTB-VSC可同時采集兩條饋線末端的交流電壓幅值。以末端電壓幅值一致為目標，可設計相應的電壓控制策略，如圖4所示。

圖4 BTB-VSC的電壓控制策略Fig.4 Voltagecontrolstrategy of BTB-VSC

圖中:Vac1，Vac2分別為饋線1和饋線2的末端交流電壓幅值；id1，iq1分別為VSC1網側電流的d，q軸分量；id1ref，iq1ref分別為VSC1網側電流的d，q軸分量的參考值；ud1，uq1分別為饋線1末端電壓的d，q軸分量；ed1ref，eq1ref分別為VSC1交流電壓的d，q軸分量的參考值；ea1ref，eb1ref，ec1ref分別為VSC1的三相交流電壓參考值；Vdcref為中壓直流電壓參考值；id2，iq2分別為VSC2網側電流的d，q軸分量；ed2ref，eq2ref分別為VSC2網側電流的d，q軸分量的參考值；ud2，uq2分別為饋線2末端電壓的d，q軸分量；ed2ref，eq2ref分別為VSC2交流電壓的d，q軸分量的參考值；ea2ref，eb2ref，ec2ref分別為VSC2的三相交流電壓參考值；Tdq_abc為dq旋轉坐標系和abc三相靜止坐標系間的變換矩陣。

圖4中，VSC1采用交流電壓偏差控制策略，其外環為交流電壓幅值+無功功率控制環，內環為d軸有功電流+q軸無功電流控制環。交流電壓幅值控制環以兩條饋線末端交流電壓幅值偏差為輸入，經過PI控制，其輸出為d軸有功電流參考值，即當交流電壓幅值不一致時，VSC將通過饋線間的有功功率交互，實現電壓幅值的調節；無功功率控制環以無功功率和參考值的偏差為輸入，經過PI控制，其輸出為q軸無功電流參考值，VSC1的無功功率可根據線路需求，實現諧波補償等功能，提高用戶側電能質量；d，q軸電流控制環將網側電流的d，q軸分量和參考值比較，其偏差經過PI控制，輸出為VSC1的d，q軸電壓分量參考值，再經過變換矩陣，輸出VSC1的三相電壓參考值，從而實現交流電壓和無功功率等控制目標。

VSC2采用直流電壓控制策略，其外環為直流電壓+無功功率控制環，內環為d軸有功電流+q軸無功電流控制環。直流電壓控制環將直流電壓和其參考值比較，其偏差為輸入，經過PI控制，其輸出為d軸有功電流參考值，即該環控制直流電壓恒定，其VSC1所需交互的有功功率，完全由VSC2從交流側提供，直流僅作為功率傳遞路徑，而并不參與功率調節；其余各環和VSC1一致，此處不再贅述。

在圖4的電壓控制策略下，BTB-VSC可通過直流母線交互饋線間的有功功率，進而實現兩條饋線末端電壓幅值的一致性控制，例如，若饋線1過載，饋線2輕載，則饋線1末端電壓越下限。

在圖4的控制策略下，饋線2將自然傳遞功率對饋線1末端電壓進行有功補償，兩條饋線的末端電壓將逐漸接近并在穩態下維持一致，即兩條饋線共同承擔饋線1的負載，從而實現電壓質量的提升。若饋線1分布式發電功率過高，饋線2輕載，則饋線1末端電壓越上限。在圖4的控制策略下，饋線1將自然傳遞發電功率給饋線2，兩條饋線的末端電壓將逐漸接近并在穩態下維持一致，即兩條饋線共同消納饋線1的分布式電源發電功率，從而實現電壓質量的提升。與此同時，該控制策略可維持直流母線電壓的穩定，并實現BTB-VSC無功功率的獨立控制。

2.3 性能分析

由式（4）可知，在線路阻抗給定的條件下，配電網末端電壓幅值和末端有功功率呈線性關系，即兩者間具備自然下垂特性。隨著末端負載功率的提高，電壓幅值下降；隨著末端電源功率的提高，電壓幅值上升，該特性可用下垂曲線描述，如圖5所示。圖中:Vacmax，Vacmin分別為線路1，2的末端電壓幅值上限和下限；Vac0為電壓額定值；Pac1，Pac2分別為線路1和線路2的末端總有功功率；Pac1rate，Pac2rate分別為線路1和線路2的有功功率額定值。

圖5 配電線路1和2的自然下垂曲線Fig.5 Natural droop curve of distribution line 1

由于線路1和2為同一配電網的兩條饋線，具有相同的額定電壓，以及電壓幅值上下限。

由式（11）可知，基于BTB-VSC的柔性互聯型低壓配電網電壓控制策略具有3個優勢:①通過饋線互聯及有功補償，實現各配電線路末端電壓的一致性，有效提升配電網的末端電壓質量；②互聯化配電網總負載功率可依據各饋線容量實現自然均分；③當某個配電線路故障時，末端負載可由VSC持續供電，且該負載將由其余配電線路共同承擔，不會造成過載問題。

3 仿真驗證

為驗證本節所提控制方案的有效性，在Matlab/Simulink仿真模型中，按照圖3搭建兩條380 V配電線路及BTB-VSC等效平均值模型，仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數Table 2 Simulink parameters

兩條配電線路末端分別配置100 kW的有功負載和100 kW的分布式電源，直流側電壓控制為750 V，且不帶直流負載。仿真時序:t=0 s時，仿真啟動，VSC2控制直流電壓恒定，VSC1不工作；t=1.5 s時，VSC1投入工作，采用圖4控制策略；t=2 s，仿真結束。該方案的仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真結果Fig.6 Simulationresults

由圖6（a）可知:投入電壓控制前，配電線路1重載，線路末端電壓下降，配電線路2接入分布式電源，線路末端電壓上升；投入電壓控制后，通過直流母線及BTB-VSC，將線路2的有功功率補償至線路1中，兩條線路末端電壓均平衡在380 V左右。由圖6（b）可知:投入電壓控制前，VSC1不工作；投入電壓控制后，其無功功率控制為0，而有功功率控制為-200 kW，即VSC1從直流側接收線路2的分布式電源發電功率為線路1的有功負載供電，實現了兩條配電線路的負荷均衡。由圖6（c）可知，電壓控制前后，直流電壓均由VSC2控制在750 V。

圖6的仿真結果表明，在相鄰饋線互聯的方案中，若BTB-VSC可同時獲取兩條饋線的末端電壓信息，則采用圖4所示的電壓控制策略，即可通過有功功率交互實現線路末端電壓一致及負載均分，提升饋線電壓質量與饋線負荷平衡度。

采用BTB-VSC實現配電饋線互聯及圖4的控制策略后，可大幅提升配電饋線的可再生能源消納能力，在電壓上限范圍內，采用BTB-VSC前后配電饋線的可再生能源消納能力變化如表3所示。

表3 可再生能源消納能力Table 3 Renewable energy resources integration capability with/without BTB-VSC

4 結論

本文以低壓配電網饋線末端電壓質量為目標，提出了基于BTB-VSC的柔性互聯型配電網電壓控制策略。首先通過電壓-功率敏感度分析，理論論證了通過有功功率補償解決配電網末端電壓質量問題的可行性和有效性；然后，在柔性互聯型配電網場景下，設計了以末端電壓一致為目標的BTB-VSC電壓控制策略，可有效提高末端電壓質量，維持直流電壓的穩定，并改善饋線負荷不均衡的情況。基于Matlab/Simulink搭建的380 V配電網仿真平臺，驗證了該配電網柔性互聯方案及其末端電壓控制策略的可行性和有效性。