基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)及其末端電壓質(zhì)量治理方案

張瑞穎 楊志芳 馬 杰 陳 濤 段 喻

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局）

0 引言

常規(guī)的低壓交流配電網(wǎng)絡(luò)是一種輻射式的電力單向流動，由于受到電磁環(huán)網(wǎng)絡(luò)的限制，饋線之間無法相互連接，并且饋線的電力都是從變壓器的母線到負載的。輻射式配電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造非常簡單，容易進行防護，且建造費用低廉。太陽能／風(fēng)力發(fā)電可以以分布式的方式進行并網(wǎng)發(fā)電，但是分布式的電力系統(tǒng)受到天氣條件的嚴重影響，其輸出的隨機波動性很大，并且在地域上非常的分散。由于使用輻射式的集中式網(wǎng)絡(luò)，并且根據(jù)單邊的潮流特征來進行控制與保護，所以，大規(guī)模的分布式電源的接入會給低壓配電網(wǎng)絡(luò)的運營帶來很大的負面效應(yīng)，主要有電網(wǎng)的負載不平衡、線路終端的電壓品質(zhì)較低、供電可靠性較低、新能源的消納能力較弱等。為了應(yīng)對上述問題，目前配電網(wǎng)可以通過幾種方式來解決：分別是帶載調(diào)壓器（OLTC）電壓控制、無功補償設(shè)備配置、開關(guān)負載、降功率運行和線路擴容［1］。

1 基于BTB-VSC的柔性互聯(lián)型配電網(wǎng)

OLTC采用變換配變方式，調(diào)整線路兩端的電壓，進而對饋線負載進行直接調(diào)控，這種方式操作簡便，造價低廉，但是其調(diào)控效果不佳，調(diào)整幅度窄，不能持續(xù)調(diào)控；采用無功補償方式，可以在線路兩端布置無功補償裝置，改善終端的電壓品質(zhì)，但是這種方式對無功補償裝置的要求非常高，會使裝置費用增加；采用減載方式，以損失一部分客戶的電力供應(yīng)或減少新能源的出力，不能替代傳統(tǒng)的調(diào)壓方式；采用擴展方式，對電纜、變壓器等裝置投入大量資金，經(jīng)濟效益不高。針對目前我國配電網(wǎng)中多按最大負荷進行規(guī)劃，而配電網(wǎng)在運行過程中，由于電網(wǎng)負荷強度偏低，導(dǎo)致配電網(wǎng)在實際運行過程中存在著嚴重的負荷波動、隨機性，導(dǎo)致其在電網(wǎng)運行中存在問題。本項目針對目前配電網(wǎng)饋線對DG的消納問題，提出了一種以BTB-VSC為基礎(chǔ)的靈活互連的低壓配電網(wǎng)及其終端電壓品質(zhì)控制方法。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，針對配電網(wǎng)中存在的問題，擬采用智能軟切換（SNOP）技術(shù)，研究一種適用于不同類型配電網(wǎng)的柔性互連的新型變頻器（BTB-VSC），并結(jié)合現(xiàn)有電力系統(tǒng)的實際需求，提出一種新型的BTB變結(jié)構(gòu)變頻器，用于解決配電網(wǎng)終端電壓品質(zhì)問題。根據(jù)各個饋線容量，使聯(lián)網(wǎng)配電網(wǎng)中的負荷自動均衡分配成為可能。在一條配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，由于VSC可以繼續(xù)提供終端負荷，而且終端負荷可以被其它配電網(wǎng)分擔，所以不存在過載問題。

BTB-VSC位于饋線的終端，利用其直流輸電方式，實現(xiàn)了低壓配電饋線之間的靈活互連。（1）BTB-VSC通過DC互連，可以實現(xiàn)各個配電饋線和各個地區(qū)配電網(wǎng)之間的軟連通，并且可以很好地控制配電饋線和電網(wǎng)之間的負載不均衡，防止線路阻塞，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提升供電網(wǎng)絡(luò)的整體運營水平。（2）采用BTBVSC的方法，在配電網(wǎng)終端出現(xiàn)低壓越級現(xiàn)象時，利用BTB-VSC的直流側(cè)的有功來實現(xiàn)低壓越級；在配電網(wǎng)終端出現(xiàn)過高電壓的情況下，采用變頻器，將有功功率轉(zhuǎn)移到中壓DC端，消除過高電壓，改善配電網(wǎng)終端的電壓品質(zhì)。（3）當配電網(wǎng)中有斷開保護時，利用BTB-VSC對終端客戶進行斷開保護，從而增加了配電網(wǎng)的可靠度。（4）通過多條連接線分擔新能源接入帶來的波動性和冗余電力，實現(xiàn)多條連接線的協(xié)調(diào)消納，顯著提升配電網(wǎng)的新能源接入容量。（5）為了防止快速充電站對電力系統(tǒng)的供電造成的沖擊，將其設(shè)置在DC端，使其對電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)產(chǎn)生不利的作用。 （6）BTB-VSC能夠承載STATCOM／有源濾波（APF）的部分作用，對無功和諧波進行通過補償，改善整個配電網(wǎng)的供電品質(zhì)。基于BTB-VSC的互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于BTB-VSC的互聯(lián)型低壓配電網(wǎng)架構(gòu)

2 電壓控制策略

Z2是分配饋線1的線路阻抗值，Z1是分配饋線2的線路阻抗值；U1、U2分別表示饋線1與饋線2的端電壓（p-p-volume）；其中，P1、P2是終端負荷功率；將I1、I2分別作為VSC1、VSC2的電網(wǎng)側(cè)電流向量；L1是VSC1的電網(wǎng)邊緣濾波器，L2是VSC1的電網(wǎng)邊緣濾波器；其中，Vdc是DC母線上的電壓；PC1、QC1是由VSC1所吸取的有、無功功率；PC2、QC2，它們是VSC2所吸收的有、無功功率。由于兩條饋線之間的距離比較近，BTB-VSC可同時對兩條饋線兩端的交流電壓幅值進行實時采集。以兩端電壓幅值相同為目標，可對其進行相應(yīng)的電壓控制策略。其中，Vac1、Vac2是饋線1的終端交流電壓的幅度，Vac1、Vac2是饋線2的終端交流電壓的幅度；id1、iq1是VSC1電網(wǎng)中的各電網(wǎng)側(cè)電流的d、q軸成分；和是VSC1電網(wǎng)側(cè)電流d、q軸分量的基準值；ud1、uq1是饋線1端部電壓的d、q軸向成分；和是VSC1AC電壓中d、q軸成分的基準值；是VSC1的三相AC電壓基準；表示的是中壓DC的基準電壓；id2、iq2是VSC2電網(wǎng)中電壓的d、q軸成分；和是VSC2電網(wǎng)中的d、q軸成分的基準值；ud2、uq2是饋線2端子電壓中的d、q軸成分；和是VSC2AC電壓中d和q軸成分的基準值；是VSC2的三相AC電壓基準。

VSC1提出了一種AC電壓偏差控制方法，其外環(huán)為AC電壓幅度＋無功控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為d軸＋q軸控制環(huán)，AC電壓幅度控制環(huán)以饋線兩端AC電壓幅度的差異作為輸入量，并根據(jù)PI進行控制，使AC電壓幅度變化為基準，從而在AC電壓幅度變化時，VSC可利用饋線之間的有功相互作用，來調(diào)整AC電壓幅度。無功功率控制環(huán)將無功功率與參考值之間的偏差作為輸入，通過過PI進行控制，使其輸出為q軸的無功電流參考值。VSC1的無功功率可以按照線路的要求，進行諧波補償?shù)茸饔茫瑥亩纳朴脩魝?cè)的電能品質(zhì)。在VSC2中，其外環(huán)是“DC＋無功”控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為d軸有功電流＋q軸無功電流控制環(huán)。直流電壓控制環(huán)將直流電壓和其參考值比較，其偏差為輸入，經(jīng)過PI控制，其輸出為d軸有功電流參考值，即該環(huán)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(cè)提供，直流僅作為功率傳遞路徑，而并不參與功率調(diào)節(jié)；其余各環(huán)和VSC1一致，此處不再贅述。基BTB-VSC的電壓控制策略如圖2所示。

圖2 BTB-VSC的電壓控制策略

在一定的阻抗下，配電網(wǎng)絡(luò)端壓振幅與端壓振幅之間存在一定的線性相關(guān)，二者之間存在一種自發(fā)的下垂特征，當端壓振幅增大時，端壓振幅減小；當終端供電功率提高時，系統(tǒng)輸出電壓振幅增大。以BTB-VSC為基礎(chǔ)的靈活互連式低壓配電網(wǎng)電壓調(diào)控方法，主要體現(xiàn)在： （1）通過過饋線的互連和主動補償，使配電網(wǎng)各個終端的電壓保持一致，從而提高配電網(wǎng)終端的電壓品質(zhì)。 （2）根據(jù)各個供電線路的容量，使聯(lián)網(wǎng)配電網(wǎng)的負荷能夠自動地分配到各個線路的負荷；（3）在某一條配線發(fā)生故障時，由于VSC可以繼續(xù)向其他配線提供電力，所以不存在過負荷問題［2］。

3 仿真驗證

在進行調(diào)壓之前，1號配電線路為負荷過大，2號配電系統(tǒng)為分散式供電，1號配電系統(tǒng)為負荷過重，2號配電站為負載過大，3號配電站為負荷過高，4號配電裝置為負荷過小，3號配電線為負載過小而兩端電壓升高；在進行調(diào)壓之后，將線路2上的有功電力經(jīng)由BTB-VSC和BTB-VSC補償至線路1上，使兩個線路兩端的電壓達到約380V的均衡。調(diào)壓之前，VSC1沒有運行；研究發(fā)現(xiàn)，當BTB-VSC能夠獲得兩條配電饋線兩端的端壓信息時，該VSC能夠利用兩條端壓信息，利用該VSC的主動作用，使饋線兩端的電壓達到750V，從而提高饋線的電壓品質(zhì)和負載的平衡性；將BTB-VSC應(yīng)用于饋線的連接，結(jié)合線路2的主動作用，使饋線對新能源的可持續(xù)利用能力得到極大的提高，在此基礎(chǔ)上，將BTB-VSC應(yīng)用于兩條配電饋線之間，對新能源的可持續(xù)利用進行了研究。

4 結(jié)束語

針對目前配網(wǎng)饋線終端電壓品質(zhì)問題，研究一種以BTB-VSC為基礎(chǔ)的靈活互聯(lián)配網(wǎng)電壓品質(zhì)調(diào)控方法。在此基礎(chǔ)上，提出一種以終端電壓一致性為目標的BTB-VSC電壓調(diào)控方法，實現(xiàn)對終端電壓品質(zhì)、保持直流系統(tǒng)穩(wěn)定性、緩解供電不平衡的目的。