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

張瑞穎 楊志芳 馬 杰 陳 濤 段 喻

（云南電網有限責任公司昆明供電局）

0 引言

常規的低壓交流配電網絡是一種輻射式的電力單向流動，由于受到電磁環網絡的限制，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。輻射式配電網絡的構造非常簡單，容易進行防護，且建造費用低廉。太陽能／風力發電可以以分布式的方式進行并網發電，但是分布式的電力系統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絡，并且根據單邊的潮流特征來進行控制與保護，所以，大規模的分布式電源的接入會給低壓配電網絡的運營帶來很大的負面效應，主要有電網的負載不平衡、線路終端的電壓品質較低、供電可靠性較低、新能源的消納能力較弱等。為了應對上述問題，目前配電網可以通過幾種方式來解決：分別是帶載調壓器（OLTC）電壓控制、無功補償設備配置、開關負載、降功率運行和線路擴容［1］。

1 基于BTB-VSC的柔性互聯型配電網

OLTC采用變換配變方式，調整線路兩端的電壓，進而對饋線負載進行直接調控，這種方式操作簡便，造價低廉，但是其調控效果不佳，調整幅度窄，不能持續調控；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，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或減少新能源的出力，不能替代傳統的調壓方式；采用擴展方式，對電纜、變壓器等裝置投入大量資金，經濟效益不高。針對目前我國配電網中多按最大負荷進行規劃，而配電網在運行過程中，由于電網負荷強度偏低，導致配電網在實際運行過程中存在著嚴重的負荷波動、隨機性，導致其在電網運行中存在問題。本項目針對目前配電網饋線對DG的消納問題，提出了一種以BTB-VSC為基礎的靈活互連的低壓配電網及其終端電壓品質控制方法。在現有研究基礎上，針對配電網中存在的問題，擬采用智能軟切換（SNOP）技術，研究一種適用于不同類型配電網的柔性互連的新型變頻器（BTB-VSC），并結合現有電力系統的實際需求，提出一種新型的BTB變結構變頻器，用于解決配電網終端電壓品質問題。根據各個饋線容量，使聯網配電網中的負荷自動均衡分配成為可能。在一條配電網發生故障的情況下，由于VSC可以繼續提供終端負荷，而且終端負荷可以被其它配電網分擔，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，可以實現各個配電饋線和各個地區配電網之間的軟連通，并且可以很好地控制配電饋線和電網之間的負載不均衡，防止線路阻塞，降低網絡損耗，提升供電網絡的整體運營水平。（2）采用BTBVSC的方法，在配電網終端出現低壓越級現象時，利用BTB-VSC的直流側的有功來實現低壓越級；在配電網終端出現過高電壓的情況下，采用變頻器，將有功功率轉移到中壓DC端，消除過高電壓，改善配電網終端的電壓品質。（3）當配電網中有斷開保護時，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，實現多條連接線的協調消納，顯著提升配電網的新能源接入容量。（5）為了防止快速充電站對電力系統的供電造成的沖擊，將其設置在DC端，使其對電力系統的供電品質產生不利的作用。 （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，改善整個配電網的供電品質?；贐TB-VSC的互聯型低壓配電網架構如圖1所示。

圖1 基于BTB-VSC的互聯型低壓配電網架構

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的電網側電流向量；L1是VSC1的電網邊緣濾波器，L2是VSC1的電網邊緣濾波器；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電網中的各電網側電流的d、q軸成分；和是VSC1電網側電流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電網中電壓的d、q軸成分；和是VSC2電網中的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，其外環為AC電壓幅度＋無功控制環，內環為d軸＋q軸控制環，AC電壓幅度控制環以饋線兩端AC電壓幅度的差異作為輸入量，并根據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，來調整AC電壓幅度。無功功率控制環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，進行諧波補償等作用，從而改善用戶側的電能品質。在VSC2中，其外環是“DC＋無功”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?；鵅TB-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，配電網絡端壓振幅與端壓振幅之間存在一定的線性相關，二者之間存在一種自發的下垂特征，當端壓振幅增大時，端壓振幅減??；當終端供電功率提高時，系統輸出電壓振幅增大。以BTB-VSC為基礎的靈活互連式低壓配電網電壓調控方法，主要體現在： （1）通過過饋線的互連和主動補償，使配電網各個終端的電壓保持一致，從而提高配電網終端的電壓品質。 （2）根據各個供電線路的容量，使聯網配電網的負荷能夠自動地分配到各個線路的負荷；（3）在某一條配線發生故障時，由于VSC可以繼續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

在進行調壓之前，1號配電線路為負荷過大，2號配電系統為分散式供電，1號配電系統為負荷過重，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；在進行調壓之后，將線路2上的有功電力經由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。調壓之前，VSC1沒有運行；研究發現，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和負載的平衡性；將BTB-VSC應用于饋線的連接，結合線路2的主動作用，使饋線對新能源的可持續利用能力得到極大的提高，在此基礎上，將BTB-VSC應用于兩條配電饋線之間，對新能源的可持續利用進行了研究。

4 結束語

針對目前配網饋線終端電壓品質問題，研究一種以BTB-VSC為基礎的靈活互聯配網電壓品質調控方法。在此基礎上，提出一種以終端電壓一致性為目標的BTB-VSC電壓調控方法，實現對終端電壓品質、保持直流系統穩定性、緩解供電不平衡的目的。