交直流混合配电网多阶段动态电压恢复控制研究

张亚东，余 洋

(国网浙江新昌县供电有限公司，浙江 绍兴 312500)

在交直流混合配电网中，换流器是配电网中重要的电流控制设备，在换流的过程中，为了维持配电网自身的电流平衡，换流器会大量吸收配电网中的无功功率，根据换流设备类型不同，所吸收的无功功率约为直流电压功率的30%～60%[1-2]，无功功率的大大减少会直接导致配电网中电压稳定，其中交流母线上的电压稳定性失衡问题最为明显。当交直流混合配电网中出现较大的电压干扰时，如果采用电压恢复控制方式操作不当，则可能会直接引发交直流混合配电网电压严重失稳[3-4]，因此对于交直流混合配电网的电压恢复控制方法一直是近些年来的热点问题[5]。

很多专家与学者在电压恢复控制方面也提出了一些观点，针对工业园区中配电网在分布式电源大量接入的情况，为了防止配电网中的电压跌落，专家提出了基于多dq坐标旋转变换进行深入检测分析，基于正负序分离法和S变换法对电压进行控制；还有的专家主要利用母线电压补偿技术结合系统的负荷电源功率，根据实时的数据对配电网中的母线电压采取动态分配，主要目的是稳定微电网，以此来实现配电网系统中的电压稳定，基于下垂式控制实现了分布式电源的功率共享的同时，对配电网中的参数进行二次控制，调整下垂系数补偿跌落电压。以上的电压恢复控制方法虽然取得了一定成效，但是在实际的配电网电压控制中，以上方法仅从整流侧或逆变侧入手直接干扰电压变化，容易产生超调情况，影响整体电压稳定性，因此本文设计一种多阶段动态电压恢复控制方法。

1 多阶段动态电压恢复控制研究

1.1 负荷恢复模型

对于交直流混合配电网来说，要想实现电压的恢复控制，首先要对负荷进行调整[6-9]。将配电网网络负荷恢复模型进行重构，并将其视为一个非线性的优化问题。

根据配电网的实际情况来制定目标函数。由于本文主要是针对交直流混合配电网，这种配电网的最大问题就是网络质量不高，那么则需要将开关操作次数降到最低以保证配电网中电能质量最高。那么可以得到目标函数为：

(1)

上式中，yi表示交直流混合配电网中的分段开关i的闭合状态，开关状态有2个赋值，当赋值为0时，表示开关由打开变为闭合状态并保持，赋值为1时表示开关由闭合变为打开状态并保持。yi组成的集合为Y，表示出现电压失衡之前非相关区域的开关闭合变化情况，可以写作：

Y=[y1，y2，…，ym]T

(2)

Z表示非相关区域中度和的开关变化情况集合，可以写作：

Z=[z1，z2，…，zn]T

(3)

另外，zj表示配电网中联络开关j的状态[10-13]，该开关状态与yi所表示的开关状态相同。以上2种在负荷恢复模型中，还需要针对目标函数设定一定的约束条件，本文设定的约束函数主要是综合了节点的参数作为约束条件[14-16]，约束函数为：

(4)

1.2 基于多阶段的动态电压控制策略

在交直流混合配电网自身所具有的防御体系下，为了保证在电压控制的过程中不超调，更精准，本文的控制策略选择了分阶段协调控制[17-20]。配电网的安全运行主要依靠的是多阶段控制架构，其结构如图1所示。

图1 交直流混合配电网多阶段控制架构Fig.1 Multi-stage control architecture of AC-DC hybrid distribution network

在图1的多阶段控制架构下，对于故障发生时，配电网保护不会立刻采取措施，第1阶段控制中央区域中的调度方式，同时检测电压在受到外界干扰之后所产生的波动幅度，根据幅度大小判断配电网产生故障的严重性，从而设定配电网的电压控制参考值，并将获取到的电网信息向下传递，下发给配电网所覆盖的各个区域的FDG，保证区域和本地控制的相电压在合理范围内，减少负荷输出，保证无功功率在配电网中的存储量。另外还需要保证FDG在持续输出电流时不会脱网，故障切除之后，动态电压控制操作才能结束。在第2阶段的控制中，PCC区域接收到第1阶段控制完毕的信号之后，在配电网整体处于自适应电压恢复控制之后，将第1阶段得到的电压参考值作为控制标准，进行二次控制。二次控制的持续时间长短与相电压偏差的大小呈现反比关系，此时对于故障点的供电暂停，因此对于FDG容量的要求不高。在恢复过程中，需要使交直流配电网中的各个节点达到电压共识。节点的电压共识过程分为3个阶段：预准备(Pre-prepare)、准备(Prepare)和提交(Commit)，其算法主要过程如图2所示。其中，即便交直流混合配电网中的某节点失效，其他节点依然能够达成共识，完成电压的恢复控制。

图2 共识算法Fig.2 Consensus algorithm

(1)主节点0开始推送电压预准备的消息Pre-prepare。

(2)副节点收到预准备的消息，判定有效就会进入准备阶段，并把收到的准备消息Prepare传给其他副节点。当收到有效的电压控制消息数量不少于2f时，则进入提交阶段，并广播提交消息Commit。

(3)收到广播的消息后将有效的写入日志中；若接收的有效的提交消息条数大于或等于2f+1(包含自己)，则发送响应Reply。

(4)当配电网的主节点收到f+1个有效投票时(因为节点最多有f个)，电压控制的推送得到最终确认。完成第2阶段控制之后，配电网中的电压基本上就能够恢复正常，当有突发状况时，第3阶段的控制会启动紧急预案控制，从动态控制转换为自适应电压恢复控制。在控制架构中，ZCVC是配电网电压控制与故障防御中的补充程序，可以容纳通道完好的FDG进行参与电压调控，对于通道存在故障FDG，只能通过有线方式来完成周围电压的恢复与控制。至此完成交直流混合配电网多阶段动态电压恢复控制的研究。

2 基于多阶段的动态电压控制策略

2.1 算例设计

为了验证本文设计的交直流混合配电网多阶段动态电压恢复控制方法具有一定的有效性，需要设计仿真算例进行验证计算。

图3 实验平台Fig.3 Experimental platform

选择某交直流混合配电网作为算例进行仿真，该算例结构如图4所示。

在图4的算例结构中，设定算例中的直流配电网的额定输出功率为500 MVA，额定电压为250 kV，额定电流为0.5 kA，以上算例系统的运行方式主要包括整流侧定电流与逆变侧定熄弧角。使用Matlab仿真软件搭载以上算例，并在其中加入具体的故障类型，并编制仿真流程图。

在以上的实验流程下，分别使用本文控制方法和整流侧定电流—逆变侧定电压控制、整流侧定功率—逆变侧定电压控制两种传统的控制方法进行测试。在测试过程中，设置超电压规定范围为[9.5，12.0]，当超过该范围，则启动控制方法使电压回到规定范围，根据以上条件，分别得到不同控制方法下算例中的电压稳定裕度和PV曲线，并根据得到的结果进行分析。

2.2 实验结果与分析

仿真流程如图5所示，获取随机选取算例中重要节点5、7的PV曲线如图6所示。从节点5和节点7的PV曲线来看，电压控制方法对于节点的电压超量控制效果较好。不同方法中各重要节点的电压超量极限值统计见表1。

根据以上的各个节点电压超量极限值和电压稳定裕度值可以看出，本文方法的电压超量极限值和电压稳定裕度值较小，验证了在实际的配电网电压控制过程中，本文方法对于电压控制的稳定性更高。

3 结语

本文针对目前交直流配电网电压恢复控制方法所存在的不足，设计一种交直流混合配电网多阶段动态电压恢复控制方法。通过建立交直流混合配电网的负荷恢复模型和设计交直流混合配电网多阶段控制架构，减少电压控制过程中产生的超调，通过仿真算例的实验结果证明，设计的控制方法电压超量极限值与电压稳定裕度更加稳定，验证了设计方法精确性更高。但是本文在研究过程中由于受到一些限制，整体的控制策略还有很多需要改进的地方，在未来的工作中还要进一步优化。