基于多端VSC技术的一种交直流混合配电网网络结构

严逍，焦彦军，杜哲

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北省保定市 071000)

基于多端VSC技术的一种交直流混合配电网网络结构

严逍，焦彦军，杜哲

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北省保定市 071000)

分布式电源的快速发展和配电网负荷的变化使得传统辐射型交流配电网面临诸多问题。该文利用多端电压源换流器(voltage source converter，VSC)技术，通过在交流配电网中增加直流环节来构建交流直流混合配电网，提出了交直流混合配电网的网络结构，并对其控制策略进行了理论分析，最后利用Matlab/Simulink搭建仿真模型对其网络结构和控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明，通过对换流器进行合理控制，能够有效改善原有交流配电线路的电压分布和负荷承载能力，并且能够对系统潮流进行灵活控制，实现对系统能源的合理分配。另外，交直流混合配电网中的直流环节可以作为未来直流配电网的一部分，从而使传统交流配电网可以平缓过渡到未来可能全面建设的直流配电网。

多端电压源换流器(VSC)；交直流混合配电网；网络结构；控制策略

0 引 言

随着城市规模的迅速增长和分布式发电技术的高速发展，传统交流配电网面临线路损耗大、供电走廊紧张以及电压波动和三相不平衡现象加剧等一系列供电质量下降问题[1-2]。

为了解决传统配电网遇到的问题，各国专家学者提出了许多配电网改造方案和未来配电网的建设目标。文献[3]提出了利用电压源换流器(voltage source converter，VSC)技术在传统辐射型交流电网中加入直流母线的方法，并通过理论分析和仿真实验，证明了该方法可以有效提高配电网的负荷承载能力以及对分布式电源的接纳能力。文献[4]提出了多端柔性直流环节的控制策略，通过软件仿真并在实验室搭建小型配电网模型进行分析，验证了直流环节能够改善原交流系统电压分布和实现灵活的潮流控制。文献[5]提出了在直流环节加入分布式电源以及储能设备的构想，并提出利用储能设备维持直流环节电压，进一步提高配电网对负荷和分布式电源的承载能力。但是，在上述研究中，直流环节仅用来增强原有的交流配电线路，而不具备直接向负荷供电的能力。

随着电力电子技术的快速发展，高效灵活的直流负荷正在传统的交流系统中快速增长，直流负荷和带换流器的交流负荷(ac loads with converters, ACwC)正逐渐成为配电网负荷的主体部分[6-7]。在分布式电源中，光伏电池板和燃料电池的输出都是直流电，需要经过DC/AC逆变器并网，而风力涡轮发电机发出的电能则需要经过AC/DC/AC变换才能并网[8-10]。因此，具有传输容量大、线路损耗小、供电可靠性高、便于分布式电源和储能系统接入等诸多优点的直流配电网引起了各国专家学者的注意，并成为了未来配电网建设的备选方案之一[11-14]。但是，由于目前我国的配电网基本以交流的辐射型配电网为主，无论是基础设施还是用电设备都是根据交流电来设计和建设的，所以优势众多的直流配电网仍需要经过一段漫长的改造过程才能实现。

据此，本文结合在配网中增加直流环节和建设直流配电网的优势，充分发挥直流环节的潜在供电能力，提出利用多端VSC技术构建交直流混合配电网的方案，对其网络结构和控制策略进行理论分析，并通过Matlab/Simulink搭建模型进行仿真验证。

1 交直流混合配电网网络结构

本文所提出的交直流混合配电网的网络结构，是在多端VSC技术构成直流环节的基础上发展得来的，其结构如图1所示。

图1 交直流混合配电网结构示意图

在图1所示的交直流混合配电网中，虚线框外的部分为原有的交流配电网，虚线框内的部分为新增的直流环节。VSC1、VSC2和VSC3与交流馈线的末端相连，其作用是实现原交流线路与直流环节的能量交换，并对原交流线路提供无功功率补偿；VSC4则通过变压器直接与上级电网相连，其作用是保持直流环节的电压稳定，并维持直流环节的功率平衡。直流负荷、分布式电源以及储能设备通过适当的换流器接入直流母线；新增交流负荷优先接入原交流馈线，当原交流馈线达到最大承载负荷上限时，剩余交流负荷则通过AC/DC换流器接入直流母线。直流环节功率平衡方程为

PPV+PWTG+Pdisc+P1+P2+P3+P4=

Pdc+Pac+Pc+Ps

(1)

式中：PPV为直流环节中光伏电池发电功率；PWTG为直流环节中风力机发电功率；Pdc和Pac分别为直流环节中的直流负荷和交流负荷；Pc和Pdisc分别为储能系统的充电功率和放电功率；P1、P2、P3和P4分别为从交流线路流入VSC1、VSC2、VSC3和VSC4的有功功率；Ps为直流环节中所有的线路和换流器的功率损耗。

相较于已有的利用多端VSC技术构建直流环节增强交流配电网的结构，本文提出的交直流混合配电网对直流环节进行了更进一步的利用，以直流公共母线为基础连接分布式电源、交直流负荷以及储能系统，使得交直流混合配电网中的直流环节既具备了微网概念中本地能源本地消耗，减小电能传输距离从而降低线路损耗的优点，还具备了直流配电网概念中便于分布式电源接入、提高供电质量、减少换流设备投资和换流损失等诸多优点。另外，在交直流混合配电网结构中增加了通过变压器直接与上级电网相连的VSC4，通过采用定直流电压控制能够保持直流公共母线电压的稳定，而且当直流环节所连接的分布式电源无法满足负荷需求时，上级电网可以通过VSC4为直流环节中的负荷提供电能，避免由于加重直流环节所连接的交流馈线的供电压力导致的线路过载的问题。除此之外，交直流混合配电网中的直流环节可以作为未来直流配电网的一部分，从而使传统交流配电网可以平缓过渡到未来可能全面建设的直流配电网。

2 交直流混合配电网控制策略

交直流混合配电网运行状态多变且功能结构复杂，除考虑交流系统潮流外，还需考虑多个VSC的换流约束以及直流环节所连接的负荷随机性用电、分布式电源的不确定性出力以及储能系统的充放电行为。因此，交直流混合配电网需要设计合理的系统能量控制策略，实现有限资源的高效利用，从而保证系统安全、可靠和经济运行。本文将交直流混合配电网的控制策略分为最优潮流控制以及VSC控制2个部分进行分析。

2.1 最优潮流控制

以图1所示的结构为例，本文提出了以下交直流混合配电网正常运行时的潮流控制策略。

(1)直流环节的分布式电源所发出的电能优先供应直流环节负荷，当直流环节中分布式发电功率大于负荷功率时，剩余电能优先供应VSC1、VSC2和VSC3所连接的交流线路，多余的电能再通过VSC4传输到上级电网。

(2)当直流环节中负荷功率大于分布式发电功率时，只由上级电网通过VSC4向直流环节供电，即其他换流器不参与向直流环节供电。

(3)当VSC1、VSC2和VSC3所连接的交流线路负荷过载时，直流环节通过VSC1、VSC2和VSC3向其传输电能，然后由上级电网通过VSC4维持直流环节的功率平衡。此举可以在原交流线路电流承载能力一定的情况下，提高原交流系统的供电质量和供电能力。

上述潮流控制策略的目的在于：(1)尽可能做到直流环节分布式发电功率就地消耗，减少功率传输，从而降低网损；(2)避免加重原交流配电线路的供电压力；(3)提高原交流配电线路的供电质量和负荷承载能力。

将上述潮流控制策略作为约束条件进行分析，而最终系统各部分的具体的控制参数则需要进行最优潮流计算得到。交直流混合系统的最优潮流算法在输电领域已经有许多专家学者进行过研究，如文献[15]提出的原对偶内点法和预测校正内点法，文献[16-17]提出的一种内点法和遗传算法交替迭代的混合算法，文献[18]提出的一种基于差分进化和原对偶内点法统一混合迭代算法等基于VSC-HVDC的最优潮流算法，以及文献[19]基于交替求解法提出的典型的多端柔性直流系统潮流计算模型和数学求解方法。但是，由于本文研究重点不在于此，故这些潮流算法不再具体讨论。结合这些优秀的交直流混合系统最优潮流算法，可以得到交直流混合配电网最优潮流的控制流程，如图2所示。

图2 交直流混合配电网能量管理系统流程图

交直流混合配电网最优潮流控制系统能够整合数量众多的智能电表所测得的实时数据，通过适当分析获得系统各部分包括线路、负荷、VSC、分布式电源和储能系统的实时状态参数以及控制策略，根据配电网管理者的需求，选择单个或多个优化目标并确定合适的最优潮流算法，计算得到系统各控制变量的下一时刻参考值，最后再将这些参考值传递给对应的控制系统。其中，流入各VSC的有功功率和无功功率参考值将传递到VSC控制系统，然后，VSC控制系统将依据这些参考值对各VSC进行控制，从而对系统潮流做出调整以及对交流线路提供无功功率补偿。

2.2 VSC控制策略

2.2.1 VSC1、VSC2和VSC3控制策略

在图1所示的交直流混合配电网结构示意图中，VSC1、VSC2和VSC3的作用是控制直流环节与原交流系统间有功功率的流动，并通过为交流线路提供无功功率来改善原有交流线路的电压分布，故采取有功功率和无功功率控制方式。

由文献[20-21]可知，当假设交流系统为无穷大系统时，流入换流器的有功功率和无功功率分别与id和iq成线性关系，id和iq为三相交流侧电流矢量的d、q轴分量。通过控制id和iq就可以独立控制有功功率和无功功率，其控制策略如图3所示。

图3 VSC1、VSC2和VSC3控制策略示意图

图中，Usabc为交流系统侧三相电压瞬时值；Isabc为流入换流器的三相电流瞬时值；Pref和Qref为最优潮流控制策略确定的有功功率和无功功率参考值。

2.2.2 VSC4控制策略

VSC4的作用则是维持直流环节的母线电压稳定，保持直流环节的功率平衡，故采取定直流电压控制方式。由文献[22]可知：

(2)

式中：udc为直流侧电压；C为直流侧电容；id为VSC

三相交流侧电流矢量的d轴分量；ed为电网电动势矢量的d轴分量。

由式(2)可知，直流电压与有功电流成非线性关系。因此，可以采用比例积分调节器来控制直流电压，其控制策略如图4所示。

3 仿真分析

为了验证交直流混合配电网网络结构以及控制策略的正确性和可行性，本文利用Matlab/Simulink软件建立了交直流混合配电网的仿真模型进行仿真

图4 VSC4控制策略示意图

分析。仿真模型中的原始交流系统是在IEEE 14节点3馈线系统的基础上对部分参数进行调整得到的，模型结构如图1所示。交流系统基准容量为100 MV·A，基准电压为10 kV，支路参数如表1所示，节点功率如表2所示。

表1 交流系统支路参数

Table 1 Parameters of branches in AC system

表2 交流系统节点功率

直流环节母线电压为20 kV，光伏电池最大发电功率为10 MW，风力发电机最大发电功率为13 MW，储能系统容量为1 MW·h，最大充电功率为 0.5 MW，最大放电功率为0.3 MW，直流负荷最大功率为15 MW，假设原交流馈线已满载，新增交流负荷全部接入直流母线，其最大功率为5 MW，功率因数为0.9。

3.1 VSC对交流线路电压分布的影响

原有的交流配电网在加入直流环节前后，各节点母线电压如图5所示。

由图5可以看出，在加入直流环节之前各节点母线电压都低于标准电压，一些节点母线电压甚至超过了正常运行允许的5%的电压差。当加入直流环节之后，VSC1、VSC2和VSC3分别向所连接的交流线路输入的无功功率为7.85，8.85,1.72 MV·A。

当增加直流环节之后，VSC1、VSC2和VSC3向各交流线路提供的无功功率显著改善了各节点母线电压，提高了原交流线路的供电质量。其中，直接与换流器相连的节点5、10和14的电压达到了系统标准电压。

图5 交流配网加入直流环节前后各节点电压

3.2 直流母线电压及潮流控制

在0～0.5 s，设置光伏电池发电功率为10 MW，风力发电机发电功率为13 MW，直流负荷功率为4 MW，交流负荷功率为2 MV·A，功率因数为0.9，储能系统为充电状态，充电功率为0.5 MW。在0.5～1 s调整光伏电池发电功率至2 MW，风力发电机发电功率至5 MW，直流负荷功率至15 MW，交流负荷功率至5 MV·A，储能系统为放电状态，放电功率为0.3 MW。运行仿真模型，得到流入VSC1、VSC2、VSC3和VSC4的有功功率P1、P2、P3和P4以及直流环节母线电压的波形如图6所示。

由图6可以看出，在整个仿真过程中直流环节母线电压被控制在设定值20 kV左右，证明应用在VSC4的定直流电压控制策略效果显著，可以有效地控制交直流混合配电网中直流环节母线电压。

在0～0.5 s，直流环节的分布式发电功率之和大于负荷功率之和，直流环节剩余功率理论值为 16.7 MW。如图6所示，仿真结果中流入VSC1、VSC2和VSC3有功功率大小分别为：-8，-7，-1.4 MW，负号表示功率方向为流入交流线路。考虑到直流环节线路以及各换流器的损耗，可以认为0～0.5 s的仿真结果满足式(1)所示的直流环节有功功率平衡方程。

在加入直流环节前以及加入直流环节后0～0.5 s，原交流线路各支路电流的变化如图7所示。由图7可知，交流配电网加入直流环节之后，当直流环节有剩余功率流入交流线路时，部分支路电流会下降，这在一定程度上可以提高交流线路的负荷承载能力并降低网损。

在0.5～1 s，直流环节分布式发电功率之和小于负荷功率之和，额外需求的功率理论值为12.2 MW。如图6所示，仿真结果中交流线路通过VSC1、VSC2和VSC3向直流环节提供的功率为0，流入VSC4的功率为12.8 MW。考虑到直流环节线路以及各换流器的损耗，可以认为0.5～1 s的仿真结果满足式(1)所示的直流环节有功功率平衡方程。

图6 流入各VSC功率以及直流环节母线电压

图7 加入直流环节前后各支路电流变化

综上，仿真结果很好地验证了前文所提出的交直流混合配电网控制策略的有效性，在合适的控制策略下，交直流混合配电网能够有效改善原交流线路的电压分布以及负荷承载能力，并通过灵活的潮流控制实现能源的合理分配和系统的稳定运行。

4 结 论

本文提出了利用多端VSC技术在交流配电网中增加直流环节来构建交流直流混合配电网的构想，并对交直流混合配电网的控制策略进行了理论分析，最后利用Matlab/Simulink搭建仿真模型对交直流混合配电网进行了仿真验证，证明了交直流混合配电网的网络结构和控制策略的可行性。

在交直流混合配电网中，通过对换流器进行合理控制，可以有效改善原有交流线路的电压分布和负荷承载能力，并且能够对系统潮流进行灵活控制，从而实现对系统能源的高效合理分配；另外，交直流混合配电网中的直流环节可以作为未来可能建设的直流配电网的一部分，从而使得传统交流配电网可以逐步平缓向直流配电网过渡。

综上所述，本文提出的交直流混合配电网的网络结构具有较强的可行性，能够作为由传统交流配电网改造为直流配电网的一种可行的平缓过渡方案，具有较大的现实意义和发展前景。

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(编辑 张小飞)

An AC/DC Hybrid Distribution Network Structure Based on Multiterminal VSC

YAN Xiao, JIAO Yanjun, DU Zhe

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071000, Hebei Province, China)

With the rapid development of distributed generation and changes of loads, traditional radical AC distribution network is confronted with many problems. With the technology of multiterminal VSCs (voltage source converters), this paper builds the AC/DC hybrid distribution network through adding DC-link to AC distribution network, proposes the network structure of AC/DC hybrid distribution network and theoretically analyzes its control strategy. Finally, this paper constructs the simulation model by Matlab/Simulink to simulate and verify the network structure and control strategy. The simulation results show that through the rational control of VSCs, the voltage distribution and load carrying capacity of existed AC distribution lines can be improved effectively, and the power flow can be controlled flexibly, therefore, the resources can be allocated appropriately. Moreover, the DC-link of AC/DC hybrid distribution network can be a part of future DC distribution network so that the distribution network can be transitioned smoothly from traditional AC to DC.

multiterminal VSC; AC/DC hybrid distribution network; network structure; control strategy

TM 727

A

1000-7229(2016)12-0048-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.006

2016-07-25

严逍(1992)，男，硕士研究生，研究方向为交直流混合配电网网络结构等；

焦彦军(1963)，男，博士，教授，研究方向为电力系统保护与控制；

杜哲(1992)，女，硕士研究生，研究方向为交直流混合微网优化配置。