基于全桥变流器的区域电网电压协同控制

郑仕涛， 易春磊， 任小航， 王世友

(云南电网有限责任公司瑞丽供电局， 云南 瑞丽 678600)

0 引 言

由于区域电网在运行中受到突变电流和电压等因素的影响[1]，非常容易导致区域电网的电压发生突变，出现电压超限或偏低的现象，一系列的安全事故也由此而来，导致发电设备损坏，甚至还会出现大量人员伤亡[2]。当区域电网位于事故高发区时，需要优化控制区域电网的电压，保证区域电网输出电压的稳定性，这对区域电网优化部署具有极其重要的意义。协同控制方法的研究也受到了广泛关注[3]。

张宇精等[4]设计了一种电压控制方法，将参考值的偏差和最小化节点电压作为优化目标，采用深度神经网络来拟合关键节点电压与可控节点注入功率的函数关系，基于梯度下降法求解了优化模型，实现低感知度配电网电压的控制，通过算例证明了该方法的有效性。邢志斌等[5]把多代理技术应用到直流配电网电压控制中，将直流/交流转换器相接供电节点设置为电压控制中枢点，通过调节供电节点的电压，使直流配电网的电压控制在指定范围内，通过优化直流配电网的有功出力来控制直流配电网的电压。结果验证了该方法的经济性。

在以上研究背景的基础上，本文将全桥变流器应用到了区域电网电压协同控制中，有效地提高了区域电网电压的协同控制能力。

1 区域电网电压协同控制方法设计

1.1 全桥变流器主电路建模

全桥变流器主要由变换器、蓄电池以及电流变换模块组成[6]，其主电路模型如图1所示。

图1 全桥变流器主电路模型

根据全桥变流器的等效电路和向量关系，可以计算得到全桥变流器的输出，那么进网电流为：

(1)

式中：Us为变换器等效电压；UG为蓄电池等效电压；φ为变换角；R为变流器电阻；Xj为电感。可以得到全桥变流器的有功功率和无功功率[7]，即：

(2)

式中:P、Q分别为全桥变流器的有功功率及无功功率。由于Us的值远远大于φ的值，因此，计算全桥变流器的有功功率为：

(3)

最终可以计算出全桥变流器的有功输出和无功输出，分别为：

(4)

式中:ωt为变换周期。

1.2 分析区域电网电压控制约束参量

为控制区域电网的电压稳定，首先建立区域电网电压控制的约束参量模型，假设在区域电网中，由M个分布节点组成一个电网模型。可以将区域电网输出电压的负荷数据集表示为：

U={U1,U2,…,UN}

(5)

式中：UN为区域电网电压输出的高频分量。在区域电网逆变器中，对输出电能状态的转移方程为：

x(n)=s(n)+v(n)

(6)

式中：s(n)为区域电网输出的功率参考因素；v(n)为电磁场的干扰分量。

区域电网在长时间的供电过程中，会因导线的热量损耗出现电能的传递衰减现象[8]。因此，建立导线对区域电网功率约束的控制目标函数为：

(7)

式中：θ为约束角。假设k1表示区域电网电压的闭环控制系数，在时延不确定的情况下，区域电网输出电能的时滞函数为Gm(s)=G0(s)，得到区域电网电压控制约束参量为：

(8)

式中：χ为输出电能的瞬时时滞。通过构建区域电网电压控制约束参量，为区域电网的电压控制提供了输出参量基础。

1.3 构建区域电网电压控制目标函数

在分析区域电网电压控制约束参量的基础上，建立区域电网电压控制的目标函数，结合代价因素，对电压控制目标函数进行优化求解，计算出区域电网电压的控制律。首先建立了区域电网电压输入与输出之间的关系模型，即：

(9)

式中：p(am)为区域电网的输出功率，取值在0～1之间。考虑到区域电网的电压控制误差和不确定扰动现象，计算了区域电网的输出负载为：

(10)

根据以上过程，构建了区域电网输出电压与负载、功率因素及电流之间的关系模型，如图2所示。

图2 区域电网输出电压与负载、功率因素及电流之间的关系模型

根据区域电网输入功率与输出功率的特性，建立电压控制的优化目标函数，计算区域电网中的有效电流值：

(11)

式中：kf、kc、ls为低压调制系数；rr、lg为阻抗因素；kβ、k1、Br为超压抑制系数；lw、lm为电网磁损耗系数。

在区域电网电压稳定的前提下，以最大电能输出的增益为电压控制的约束目标函数，得到了区域电网电压控制的目标函数。可描述为：

P1=Pcu+Ph+Pe

(12)

式中：Pcu为区域电网导线的电损耗；Ph为区域电网的功率损耗；Pe为区域电网的耦合磁损耗。

1.4 协同控制区域电网电压

制订区域电网电压协同控制策略必须优先考虑区域电厂的无功需求和无功极限。根据比例电压控制(如图3所示)，计算区域电网的无功需求，即：

图3 比例电压控制原理

(13)

式中：U1、U2为区域电网相邻两个周期所测量的电压值；Uset为区域电网协同控制的目标电压；Q1、Q2为区域电网相邻两个周期的无功功率。

根据比例电压控制原理，可以计算出区域电网电压协同控制过程中的有功输出和无功输出。即：

(14)

式中：Ps为电压协同控制的有功功率；Qs为电压协同控制的无功功率；s为滑差。

根据区域电网电压控制目标函数，求解得到区域电网电压控制的无功极限为：

(15)

当区域电网在电压控制过程中的无功需求比无功极限值小时，那么靠近区域电网的一端就会优先参与到无功调压中。当区域电网在电压控制过程中的无功需求比无功极限值大时，所有的区域电网都满发无功，剩余的无功缺额都由无功补偿装置来承担。通过制订区域电网电压的协同控制策略，实现了区域电网电压的协同控制。

2 试验对比分析

2.1 区域电网电压控制的有功损耗测试

充分考虑到区域电网电压协调控制的实际需求，按照区域电网电压协同控制的基本要求，分别采用所提方法、文献[4]方法以及文献[5]方法，对区域电网的电压进行控制，测试区域电网电压控制的有功损耗情况，测试结果如表1所示。

表1 区域电网电压控制的有功损耗测试结果

表1试验结果可以看出，采用文献[5]方法的有功损耗平均值为941.8 MW，由于该控制方法没有考虑到导线电阻率对区域电网电压控制的影响，使得测试过程中有一部分导线的损耗被计入到了区域电网电压控制的有功损耗中，导致最终的区域电网电压控制有功损耗值偏大。采用文献[4]方法的有功损耗平均值为186.66 MW，由于该控制方法忽略了区域电网涡流和磁带损耗的耦合性因素，使区域电网输出的电压存在测量误差。采用本文所提方法对区域电网电压进行控制时，随着区域电网功率水平的变化，仍然具有非常高的控制能力，经计算，该方法区域电网电压控制的有功损耗平均值为80.96 MW，可以有效降低区域电网电压控制的有功损耗。

2.2 区域电网电压控制的无功损耗测试

为验证基于全桥变流器的区域电网电压协同控制方法的有效性，测试本文所提方法、文献[4]方法以及文献[5]方法在区域电网电压控制中的无功损耗情况，结果如图4所示。

从图4的试验结果可以看出，在区域电网电压控制的无功损耗测试中，随着区域电网的功率水平变化，基于全桥变流器的区域电网电压协同控制方法的无损功耗较小。而文献[4]的区域电网电压协同控制方法和文献[5]的区域电网电压协同控制方法测试得到区域电网电压控制的无功损耗虽然比有功损耗小，但是仍然不如基于全桥变流器的区域电网电压协同控制方法。本文所提方法由于引入了全桥变流器，考虑到全桥变流器输出电压与区域电网电压之间的相位差，提高了区域电网的电压控制能力。

图4 区域电网电压控制的无功损耗

3 结束语

本文提出了基于全桥变流器的区域电网电压协同控制。该方法在区域电网电压控制中，可以减少电压控制的有功损耗和无功损耗，具有比较高的电压控制能力。在以后的研究中，可以将区域电网电压预测信息加入到电压协同控制中，在提高区域电网运行过程中可靠性的同时，降低了电网的功率损耗。