交直流主动配电网多无功源协调的电压控制策略

赵涌泉，于汀，韩巍，蒲天骄，黄仁乐，穆云飞

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192；2.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市300072；3.四川大学电气信息学院，成都市 610065；4.国网北京市电力公司，北京市100031)

交直流主动配电网多无功源协调的电压控制策略

赵涌泉1,2，于汀1,3，韩巍1，蒲天骄1，黄仁乐4，穆云飞2

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192；2.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市300072；3.四川大学电气信息学院，成都市 610065；4.国网北京市电力公司，北京市100031)

为解决分布式电源高渗透率的交直流主动配电网因分布式电源出力波动及负荷变化等造成的电压越限问题，提出了利用柔性直流装置、分布式电源及离散无功设备等多无功源构建的主动配电网电压控制策略。将配电网电压运行状态划分为3种：(1)正常状态下进行全局优化，通过离散无功设备的静态无功功率置换出柔性直流装置的动态无功功率，提高配电网动态无功储备容量；(2)预警状态下通过多无功源就地控制与集中控制相互协调，实现轻度电压越限节点的校正控制；(3)紧急状态下利用柔性直流装置对电压越限节点快速紧急支援，实现配电网过渡到预警状态或恢复到正常状态。利用IEEE 33节点系统进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果表明该策略提高了系统的动态无功储备容量，实现了配电网电压的有效控制。

主动配电网；交直流电网；柔性直流互联；电压控制；多无功源；协调控制策略

0 引 言

环境污染和能源危机已经成为世界各国所关注的问题，新能源产业以此为契机而得到快速发展[1-3]。随着市场的开放，分布式电源(distributed generation，DG)在配电网中渗透率逐渐提高，给配电网带来巨大技术与环境效益的同时，也对配电网的电压和电能质量造成了影响[4-5]。分布式电源出力受气象条件的制约，具有较强的随机性和波动性[5-6]，分布式电源的出力波动以及配电网负荷变化会造成配电网内某些节点电压波动甚至越限，影响供电电能质量。

基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流互联系统[7]能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，动态支撑能力强。通过背靠背VSC，将多个交流系统互联构成交直流主动配电网，是提升高渗透率分布式电源在配电网中消纳水平的有效途径[8-10]。VSC换流站在交直流主动配电网系统中调节容量大，具备良好的动态电压无功支撑能力[11-12]。柔性直流研究方面，文献[13]验证了多端柔性直流连接多个风电场及无源负荷的可行性和优越性，文献[14]对特高压交直流混合电网协调自动电压控制(automatic voltage control，AVC)策略进行了分析，并在4种典型调压场景下验证了策略有效性，文献[15]提出了直流输电系统无功控制的目的、功能和控制模式。上述文献从不同角度研究了柔性直流的控制方式，但基本围绕特高压交直流电网或大型风电场并网。配电网电压控制方面，文献[16-17]分别提出参与AVC调节的静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)电压控制策略及光伏作为分布式电源参与配电网电压控制的方法，文献[18]提出一种基于电压控制设备响应速度的分层、分阶段电压协调控制框架，提出了DG与STATCOM协调配合的两阶段分区配合电压控制策略。目前针对配电网电压控制策略的研究中，挖掘柔性直流装置的无功能力并利用其作为电压无功控制手段参与配电网多无功源协调控制的研究较为少见。

柔性直流互联以及分布式电源的高渗透率接入为主动配电网引入了新的电压问题并且提供了新特性的可控无功源，如何利用VSC换流站、分布式电源以及离散无功设备的各自无功能力和相互协调关系，实现主动配电网的快速、可靠电压控制，成为本文关注的焦点以及核心研究问题。本文以分布式电源高渗透率的交直流主动配电网为背景，综合考虑VSC换流站、DG及原配电网中离散无功设备的电压无功调节能力，研究综合协调的电压优化控制策略。将交直流主动配电网的电压水平划分为正常、预警和紧急三种运行状态，根据不同运行状态设计相应控制策略，分别实现正常状态下动态无功储备容量优化、预警状态下电压水平校正控制以及紧急状态下电压快速支撑控制，并通过算例仿真验证控制策略的正确性。

1 交直流主动配电网电压控制模式

本文根据配电网内各节点电压所处范围，将配电网电压水平划分为3种状态：(1)各节点电压满足0.95 pu≤Ui≤1.05 pu，配电网电压处于正常状态；(2)节点电压处于0.9 pu≤Ui≤0.95 pu或1.05 pu≤Ui≤1.1 pu，则进入预警状态；(3)配电网内电压偏离最严重的节点满足Ui≤0.9 pu或Ui≥1.1 pu，则进入紧急状态[16]。

交直流主动配电网的电压控制是根据当前电压水平所处的状态，采取相应的控制策略调节各无功源的出力，如图1所示。

图1 配电网电压控制策略Fig.1 Voltage control strategy of distribution network

当配电网电压处于正常状态时，进行全局优化控制，通过投入离散无功源，置换出VSC换流站的无功功率，从而提高配电网动态无功储备容量，保障配电网对未来可能出现的电压问题的快速响应能力。

当DG出力波动或负荷变化导致配电网某节点电压轻度越限时进入预警状态。当越限节点为DG接入点时，DG就地控制策略由恒功率因数控制迅速转为恒电压控制，调节自身无功出力校正接入点电压。若就地控制下的DG无功输出达到上限仍未使接入点电压回到正常状态，或电压越限发生在缺乏无功源支撑的负荷节点，配电网实施集中控制策略，调动全网无功设备，对仍处于预警状态的节点进行控制。

集中控制策略采用电压无功灵敏度算法，以区域内各无功电源出力调节量之和最小为目标，以配电网各节点电压回到正常状态为约束，制定各无功源的调节量。预警状态下的集中就地协调控制策略，能够快速、全面对电压轻度越限节点实施控制，使配电网电压水平回到正常状态。

当DG出力或负荷水平突然变化，或配电网发生故障时，配电网某节点电压偏离严重进入紧急状态。紧急状态下，VSC换流站根据越限节点电压偏离程度，由节点间电压灵敏度关系确定换流站交流侧目标电压，进而通过快速调整VSC换流站的无功功率，调节换流站交流侧电压从而对越限节点起到快速支撑控制的作用，使越限节点电压水平过渡到预警状态或直接恢复到正常状态。紧急状态的控制策略充分利用VSC换流站无功容量大、调节速度快的优势，实现电压越限节点的快速紧急控制，保证配电网连续供电。

值得注意的是，主动配电网通过柔性直流互联与其他配电网建立联系，在规划运行一体化的建设思路下，柔性直流连接点的位置选取应充分考虑主动配电网区域内各节点电压分布特性、VSC换流站无功容量及有效电压支撑范围。VSC换流站的有效电压支撑范围应完全覆盖易出现电压越限的节点，如果主动配电网范围广、馈线长、节点多，VSC换流站电压支撑范围有限，不能覆盖所有上述节点，需要在这些节点加装额外的无功补偿设备，否则会造成某个节点因与VSC换流站之间灵敏度关系较小而电压控制失效的问题。

2 正常状态下的控制策略

正常状态下配电网内各节点电压合格，此时周期地进行全局优化控制，通过适量投入离散无功设备，置换柔性直流装置等连续无功源的无功功率，提高配电网的动态无功储备裕度。

在正常状态下，需综合节点电压水平、分布式电源无功出力、电容器投退状态以及VSC换流站的无功出力，以提高柔性直流装置的动态无功储备裕度为目标，优化配电网各无功源的出力水平，调整过程中需保证各节点电压在安全范围内，无功源出力不超出上下限。

2.1 目标函数

正常状态下全局优化控制策略以提高柔性直流装置的动态无功储备裕度为目标函数，即

(1)

式中：QVSC是VSC换流站调整后的无功功率；QVSC,set是VSC换流站的无功出力设定值；QVSC,max是VSC换流站的无功容量。

2.2 等式约束

等式约束为配电网的潮流约束，数学表达式为：

(2)

(3)

式中：PGi是节点i处有功电源注入有功功率；PLi是节点i处有功负荷；Gij和Bij分别是支路i-j的电导和电纳；QGi是节点i处无功电源注入无功功率；QLi是节点i处无功负荷。

2.3 不等式约束

不等式约束包括各无功源的无功出力上下限以及各节点电压的安全范围，即：

QGimin≤QGi≤QGimax

(4)

Uimin≤Ui≤Uimax

(5)

式中：QGimin为节点i处无功源注入无功功率最小值；QGimax是节点i处无功源注入无功功率最大值；Ui为节点i处的电压值；Uimin为节点i处的电压最小值，此处取0.95 pu；Uimax是节点i处的电压最大值，此处取1.05 pu。

正常状态下的控制策略的数学模型属于非线性规划问题，采用内点法可以实现模型的快速准确求解[13]。

3 预警状态下的控制策略

分布式电源高渗透率的交直流主动配电网电压水平受分布式电源波动影响较大，且10 kV配电网处于电力系统末端，负荷的变化对电压的影响也非常明显。当配电网中某节点电压轻度越限，即0.9 pu≤Ui≤0.95 pu或1.05 pu≤Ui≤1.1 pu时，配电网进入预警状态，采用预警状态下的电压水平校正控制策略。

含分布式电源的交直流配电网区域内，电压轻度越限会发生在以下3类节点：VSC连接点、DG接入点及纯负荷节点。当VSC接入点发生电压轻度越限时，VSC通过调整换流站交流侧无功功率，校正接入点电压。当DG接入点发生电压轻度越限时，DG就地控制策略由正常状态下的恒功率因数控制迅速转为恒电压控制，利用DG的无功能力调节接入点电压。当纯负荷节点发生电压轻度越限时，节点因缺乏就地控制设备而不能对节点电压偏离做出调整。

为解决就地控制下DG接入点电压控制能力弱(分散接入DG无功容量较小)或纯负荷节点无电压控制能力的问题，就地控制之后，集中控制将集中配电网区域内各无功源的电压调节能力，采用电压无功灵敏度算法[19]，对仍处于轻度越限的节点电压实施校正控制。

预警状态下集中控制策略的目标函数为配电网内各无功源输出调整量最小，即

(6)

式中ΔQi是集中控制前后节点i处的无功源输出调整量。

预警状态下集中控制策略的等式约束和不等式约束与正常状态相同，为系统潮流约束、无功源出力限制以及各节点电压安全范围约束。优化模型为非线性规划，同样采用内点法求解。

4 紧急状态下的控制策略

当配电网内分布式电源或负荷突然增减，或故障情况发生时，配电网电压将发生剧烈变化，进入紧急状态。VSC换流站无功储备容量大，调节速度快，在优先保证VSC换流站交流母线电压合格的原则下，由越限节点电压偏离程度及越限节点与换流站交流母线的电压变化灵敏度确定换流站交流母线电压调整量，再由交流母线电压变化量与VSC无功调节量关系确定VSC换流站的无功调节量，通过对VSC换流站的无功功率进行控制，使得越限节点的电压得到快速恢复。VSC换流站无功功率调节量计算过程如下。

(1)由文献[20]所提节点间电压变化灵敏度计算方法，计算紧急状态下电压越限节点i对VSC连接点电压变化灵敏度λiVSC。

(2)根据式(7)确定VSC连接点电压调节量

(7)

式中：ΔUVSC为紧急控制前后VSC连接点电压调节量；UiX为越限节点i的当前电压；UiN为越限节点i紧急控制后的电压目标值，且有

(8)

(3)根据式(9)得到VSC换流站的无功功率调节量

ΔQVSC≈ΔUVSCSc

(9)

式中：ΔQVSC为VSC换流站无功功率调节量；Sc为换流站短路容量。

紧急状态下的电压快速支撑控制，可以有效提高区域内紧急状态下的配电网电压水平，减小因故障或分布式电源、负荷突然变化引起的电压越限问题。

5 算例验证

为了验证本文所提控制策略的有效性，基于IEEE 33节点配电系统[21]，在节点28处通过VSC直流互联装置与外部配电网合环运行，并在节点8、14、16、17、32接入DG，在节点33装设电容器组，构成交直流主动配电网，如图2所示。

电容器组补偿容量为80 kvar。各分布式电源的容量均为200 kW。分布式电源并网逆变器满足额定有功出力下功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。

5.1 正常状态控制策略仿真验证

配电网内各节点电压均处于正常范围内时，采取正常状态的全局优化控制策略。

设当前各分布式电源出力正常且保持恒功率因数(Pf=1.0)运行，VSC供出50 kvar的无功功率，电容器处于退出状态。为提高柔性直流装置的动态无功备用容量，根据正常状态控制策略，计算得到各无功源的控制指令：投入电容器组C1，置换出柔性直流装置的无功功率，调整结果如表1、2所示。

图2 IEEE 33节点配电系统Fig.2 IEEE 33-bus power distribution system

表2 正常状态下控制前、后的设备无功出力Table 2 Reactive power of device before and after control in normal state

kvar

由于正常控制前后多数节点电压没有发生变化，表1仅列出了调整前后变化相对较大的5个节点的电压值。可以看出，正常状态下的控制策略在保证配电网电压基本保持稳定的同时，实现了动态无功储备容量优化，配电网应对故障能力得到提升。

5.2 预警状态控制策略仿真验证

设某时刻，通过节点14、16、17并网的分布式电源DG2—DG4出力有较大波动，配电网内某些节点电压出现轻度越限，进入预警状态。电压轻度越限节点的电压值如表3“预警状态”所示。

表3 预警状态下控制前、后的部分节点电压
Table 3 Node voltage before and after control in early warning state

pu

由表3可看出，分布式电源有功出力跌落导致配电网节点16、17、18、31、32、33电压值低于0.95 pu。

接入上述节点的分布式电源DG3、DG4和DG5就地控制策略由恒功率因数(Pf=1.0)控制转为恒电压控制，无功出力分别调整至15、37和62 kvar，其中DG5达到其无功输出上限。就地控制下各无功源的无功输出功率如表4“预警状态”所示。

表4 预警状态下控制前、后的部分无功源无功输出功率
Table 4 Reactive power of parts of reactive power source before and after control in early warning state kvar

经过就地控制后各节点的电压值如表3“就地控制”所示，节点16、17和18电压抬升至0.95 pu以上，回升到正常状态；节点31、32、33电压值虽均有提升，但未达到0.95 pu。

当就地控制未能完成电压校正时，实施预警状态下的集中控制策略。以总的无功调整量最小为目标，协调各无功源实现越限节点的电压校正。调整后各无功源的无功水平如表4“集中控制”所示。调整后，各节点的电压值如表3“集中控制”所示，可以看到各节点电压均上升到0.95 pu以上，预警状态下的集中就地协调控制策略能够校正越限节点电压，起到良好的控制效果。

5.3 紧急状态下控制策略仿真验证

某时刻配电网内分布式电源出力较低，设节点31和节点32负荷突增1倍，分别增至300+j140 kVA和420+j200 kVA，大量节点电压跌落严重，节点31～33电压下降至0.9 pu以下，如表5“紧急状态”所示，配电网进入紧急状态。VSC换流站根据节点间电压灵敏度关系以及接入点电压升幅与无功调整量及短路容量的关系，迅速调整无功出力，增加330 kvar无功功率。紧急控制后的节点电压值如表5“紧急控制”所示，节点31～33电压均迅速回升至0.9 pu以上。

表5 紧急状态下控制前、后的设备无功出力及部分节点电压
Table 5 Reactive power of device and node voltage before and after control in emergency state pu

VSC换流站的快速无功支撑，使得配电网电压水平过渡到预警状态，抑制了配电网电压的继续下降，分布式电源能够持续并网运行，消除了分布式电源脱网对配电网电压的二次冲击。

6 结 论

本文针对分布式电源高渗透率下的交直流主动配电网电压控制问题，提出以柔性直流装置、分布式电源与离散无功补偿装置等多无功源相互协调的配电网电压控制策略。正常状态下，通过投入离散无功设备，置换柔性直流装置的动态无功功率，提高配电网动态无功储备裕度；预警状态下，通过就地控制与集中控制相协调，利用多无功源实现了轻度越限节点的快速有效校正控制；紧急状态下，利用柔性直流装置的大容量快速无功支援，实现了电压越限节点的紧急控制。本文提出的多无功源协调的电压控制策略，充分挖掘并利用了不同类型无功源的电压支撑特性及无功源间的协调关系，对分布式电源高渗透率的交直流配电网电压控制起到良好效果，保证了配电网供电稳定性，提高了电能质量。

致 谢

本文是在中国电力科学研究院创新基金项目“适应新能源和负荷时变特性的交直流电网动态无功电压优化调度控制技术研究”的大力支持下完成的，在此向该项目组成员表示衷心的感谢。

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赵涌泉 (1990)，男，硕士研究生，通讯作者，从事交直流配电网运行控制研究工作；

于汀 (1984)，男，博士研究生，从事电网调度技术研究工作；

韩巍 (1980)，男，工程师，从事智能电网调度自动化和优化控制技术研究工作；

蒲天骄 (1970)，男，教授级高级工程师，主要研究方向为智能电网模拟仿真；

黄仁乐(1963)，男，硕士，教授级高级工程师，长期从事电力系统自动化和电网技术的研究管理工作；

穆云飞(1984)，男，博士、讲师，研究方向为电力系统安全稳定性及新能源应用。

(编辑 蒋毅恒)

Voltage Control Strategy Based on Coordinated Multiple Reactive Power Source in AC/DC Active Distribution Network

ZHAO Yongquan1,2, YU Ting1,3, HAN Wei1, PU Tianjiao1, HUANG Renle4, MU Yunfei2

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;4. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

To solve the voltage deviation caused by the fluctuation of generation and variety of load in AC/DC active distribution network (ADN) with distributed generation (DG) of high-permeability, this paper proposes an ADN voltage control strategy composed of multiple reactive power source such as flexible DC device, DGs and discrete reactive power compensation equipment, etc. We divide the voltage running state of distribution network into three states. (1) In normal state, global optimization is conducted by putting into the discrete reactive power source and using its static reactive power to replace the dynamic reactive power of flexible DC device to improve the dynamic reactive power reserve capacity of distribution network. (2) In early warning state, the coordinated strategy of centralized control and local control is implemented through multiple reactive power source to adjust the node voltage which is slightly deviated. (3) In emergency state, the flexible DC device is used to rapidly support the deviating node and transform the state of distribution network into early warning state or normal state. The simulation and experimental validation based on IEEE 33-bus network are performed and the result shows that the proposed strategy can improve the reserve margin of the dynamic reactive power and realize the effective control of the distribution network voltage.

active distribution network; AC/DC power grid; flexible DC interconnection; voltage control; multiple reactive power source; coordination control strategy

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)；国家电网公司科技项目(52020115001F)

TM 761

A

1000-7229(2016)05-0034-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2013-01-28

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102)