基于BTB-VSC的柔性互联型低压配电网及其末端电压质量治理方案

仇成，李新聪，夏敏浩，张建文，周剑桥，施刚

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200233；2.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240）

0 引言

传统的低压交流配电网为一种功率单向流动的辐射型结构。由于电磁环网问题，各馈线不可互联运行，且馈线功率均由变电站母线侧流向负荷侧，从而为用户供电[1]。辐射型配电网架结构简单，易于保护，建设成本低。光伏、风电等可再生能源可通过分布式电源的形式实现并网发电。分布式电源受气候影响大，出力随机性和波动性强，且地理位置分散。传统的配电网采用辐射型集中式架构，并基于单向潮流特性设计控制保护方案。因此，大量分布式电源的接入将对低压配电网的运行产生诸多不利影响，包括电压馈线负荷不均衡、线路末端电压质量低、供电可靠性差、可再生能源消纳能力不足等[2]。

针对以上问题，现有配电网可采用带载调压器（On Load Tap Changer，OLTC）电压控制、无功补偿装备配置、切负荷/降功率运行以及线路扩容4种解决方案[3]～[6]。OLTC通过改变配电变压器的抽头调节线路首端电压，从而实现馈线末端电压与馈线负荷功率的间接控制。该方案控制简单，成本较低，但控制性能差，调节范围小，且无法实现电压的连续调节。无功补偿装备可配置在线路末端，通过无功功率补偿，提高末端电压质量，但该方案对无功补偿装备的容量需求很高，将大幅增加设备成本。切负荷/降功率运行以牺牲部分用户的供电或降低可再生能源发电功率为代价，无法作为常规手段进行电压调节。线路扩容则需要大量的线缆和变压器设备投资，经济性不高。

配电线路的容量往往依据峰值负荷设计，而馈线负荷功率大部分时间处于较低水平，因此，配电馈线的负载率不高，其设计容量并未得到充分利用。同时，随着分布式电源的大量接入，其馈线潮流的波动性和随机性进一步增强，相邻馈线间的负荷不均衡度进一步加剧。因此，为充分利用配电馈线的设计容量，提高馈线负荷均衡度与末端电压质量，增强低压配电馈线对分布式电源的消纳能力。本文借鉴中压配电网中的智能软开关（Soft Normally Open Point，SNOP）概念[6]～[15]，提出一种基于BTB-VSC的柔性互联型低压配电网及其末端电压质量治理方案。该方案具有3个优势:①通过馈线互联及有功补偿，实现各配电线路末端电压的一致性，有效提升配电网的末端电压质量；②互联化配电网总负载功率可依据各馈线容量实现自然均分；③当某条配电线路故障时，末端负载可由VSC持续供电，且该负载将由其余配电线路共同承担，不会造成过载问题。

1 电压-功率敏感度分析

本文提出基于BTB-VSC的柔性互联型低压配电网及其末端电压质量治理方案，其网架结构如图1所示。

图1 基于BTB-VSC的互联型低压配电网架构Fig.1 Topology of interconnection-type LV distributiongridbasedon BTB-VSC

低压交流配电线路的电阻不可忽略，因此，有功及无功功率将共同影响线路各处的电压幅值。配电线路末端的线路阻抗最大，面临着严重的电压质量问题。当线路末端的用户负荷重载时，可能造成低电压越限；当线路末端存在大量分布式电源并网时，可能造成高电压越限。在柔性互联型低压配电网中，BTB-VSC为线路末端提供了一个双向可控功率源，当线路末端电压由于重载下降时，BTB-VSC可将其余馈线的有功功率通过直流母线传递至线路末端，从而抬升末端电压；当线路末端电压由于可再生能源输出功率增加而上升时，BTB-VSC可将过剩功率通过直流母线传递至互联馈线，消纳过剩功率，降低线路末端电压[16]，[17]。因此，BTB-VSC可作为有功补偿器，用于解决配电网末端电压质量问题。

为评估有功补偿方案的有效性，建立配电网等效电路如图2所示。

图2 低压交流配电网等效电路Fig.2 Equivalent circuit of LVAC distribution grid

式中:θ为线路阻抗角；φ为可控电压源矢量相位；U为网侧电压幅值；E为可控电压源幅值；Z为线路阻抗值。

由式（2）可知，调节可控电压源的电压幅值，将同时影响线路传递的有功和无功功率。调节可控电压源的相角，亦将同时影响线路有功和无功功率。和传统的输电线路功率方程相比，由于线路阻抗不再为纯感性，线路末端电压亦将和线路传递的有功功率相关。

为分析线路电压对有功功率和无功功率的敏感度，建立式（2）的小信号模型。小信号扰动时，式（2）有功功率为

式中:d P为有功功率的扰动量；d E为线路电压幅值的扰动量；dφ为线路电压相角的扰动量。

忽略二次扰动项，并假设线路末端电压相角较小，即φ≈0。可得线路电压对有功功率的敏感度为

由式（7）可知，当线路阻抗接近于感性时，无功补偿对提升线路电压质量效果更好；而当线路阻抗接近于阻性时，有功补偿对提升线路电压质量效果更好。380 V低压配电网线路阻抗和导线型号的关系如表1所示。

表1 380 V低压配电网线路电阻、电抗值Table 1 Resistance and reactance value per kilometer of 380 V line

可见，在低压配电线路中，线路电抗远小于线路电阻，线路阻抗接近于阻性。因此，采用BTBVSC互联配电馈线，并对线路末端电压进行有功功率补偿的方案，具备有效性和可行性。

2 基于BTB-VSC的柔性互联型配电网及电压控制策略

2.1 拓扑架构与基本特点

BTB-VSC装设在配电馈线末端，通过直流线路，实现低压配电馈线间的柔性互联。得益于BTB-VSC端口功率的双向灵活可控性，该互联型网架具有以下特点:①采用直流线路实现多端互联，互联功率可控，不存在电磁环网问题；②直流互联后，BTB-VSC可实现各配电馈线以及各区域配电网的软连接。网间功率具有高可控性，可解决配电馈线及网间的负荷不平衡问题，避免线路阻塞，减小网损，提高馈线利用率，优化配电网的整体运行水平；③当配电馈线末端存在低电压越限问题时，BTB-VSC可由直流侧提供有功功率，解决低电压问题；当配电馈线末端存在高电压越限问题时，BTB-VSC可向中压直流侧传递有功功率，解决高电压问题，从而提高配电线路末端电压质量；④配电线路中存在故障切除时，末端用户可通过BTB-VSC实现供电，提高了配电网的供电可靠性；⑤可再生能源并网所引入的波动功率及过剩功率可由各互联线路共同承担，协同消纳，从而大幅提高配电网对可再生能源的消纳能力；⑥电动汽车快充站作为一峰值负荷，可配置在直流侧，并由各交流配电网的剩余容量共同承担该负荷，从而避免快充站影响配电用户的电能质量；⑦BTB-VSC可承担STATCOM、APF的部分功能，通过补偿无功及谐波功率，提高各配电网的电能质量。

可见，基于BTB-VSC的柔性互联型低压配电网可解决现有配电网潮流灵活性、可控性不足等基本问题，从而大大提高配电网的运行水平，并实现分布式电源的友好并网，是未来配电网的发展趋势之一。

2.2 电压控制策略

柔性互联型配电网的等效电路如图3所示。图中:Z1，Z2分别为配电馈线1和馈线2的线路阻抗；U·1，U·2分别为馈线1和馈线2的末端电压相量；P1，P2分别为末端负载功率；I·1，I·2分别为VSC1和VSC2的网侧电流矢量；L1，L2分别为VSC1和VSC2的网侧滤波电感；Vdc为直流母线电压；PC1，QC1为VSC1吸收的有功和无功功率；PC2，QC2分别为VSC2吸收的有功和无功功率。

图3 柔性互联型配电网等效电路Fig.3 Equivalen tcircui to finterconnected distribution grid

由于两条馈线相邻距离较近，BTB-VSC可同时采集两条馈线末端的交流电压幅值。以末端电压幅值一致为目标，可设计相应的电压控制策略，如图4所示。

图4 BTB-VSC的电压控制策略Fig.4 Voltagecontrolstrategy of BTB-VSC

图中:Vac1，Vac2分别为馈线1和馈线2的末端交流电压幅值；id1，iq1分别为VSC1网侧电流的d，q轴分量；id1ref，iq1ref分别为VSC1网侧电流的d，q轴分量的参考值；ud1，uq1分别为馈线1末端电压的d，q轴分量；ed1ref，eq1ref分别为VSC1交流电压的d，q轴分量的参考值；ea1ref，eb1ref，ec1ref分别为VSC1的三相交流电压参考值；Vdcref为中压直流电压参考值；id2，iq2分别为VSC2网侧电流的d，q轴分量；ed2ref，eq2ref分别为VSC2网侧电流的d，q轴分量的参考值；ud2，uq2分别为馈线2末端电压的d，q轴分量；ed2ref，eq2ref分别为VSC2交流电压的d，q轴分量的参考值；ea2ref，eb2ref，ec2ref分别为VSC2的三相交流电压参考值；Tdq_abc为dq旋转坐标系和abc三相静止坐标系间的变换矩阵。

图4中，VSC1采用交流电压偏差控制策略，其外环为交流电压幅值+无功功率控制环，内环为d轴有功电流+q轴无功电流控制环。交流电压幅值控制环以两条馈线末端交流电压幅值偏差为输入，经过PI控制，其输出为d轴有功电流参考值，即当交流电压幅值不一致时，VSC将通过馈线间的有功功率交互，实现电压幅值的调节；无功功率控制环以无功功率和参考值的偏差为输入，经过PI控制，其输出为q轴无功电流参考值，VSC1的无功功率可根据线路需求，实现谐波补偿等功能，提高用户侧电能质量；d，q轴电流控制环将网侧电流的d，q轴分量和参考值比较，其偏差经过PI控制，输出为VSC1的d，q轴电压分量参考值，再经过变换矩阵，输出VSC1的三相电压参考值，从而实现交流电压和无功功率等控制目标。

VSC2采用直流电压控制策略，其外环为直流电压+无功功率控制环，内环为d轴有功电流+q轴无功电流控制环。直流电压控制环将直流电压和其参考值比较，其偏差为输入，经过PI控制，其输出为d轴有功电流参考值，即该环控制直流电压恒定，其VSC1所需交互的有功功率，完全由VSC2从交流侧提供，直流仅作为功率传递路径，而并不参与功率调节；其余各环和VSC1一致，此处不再赘述。

在图4的电压控制策略下，BTB-VSC可通过直流母线交互馈线间的有功功率，进而实现两条馈线末端电压幅值的一致性控制，例如，若馈线1过载，馈线2轻载，则馈线1末端电压越下限。

在图4的控制策略下，馈线2将自然传递功率对馈线1末端电压进行有功补偿，两条馈线的末端电压将逐渐接近并在稳态下维持一致，即两条馈线共同承担馈线1的负载，从而实现电压质量的提升。若馈线1分布式发电功率过高，馈线2轻载，则馈线1末端电压越上限。在图4的控制策略下，馈线1将自然传递发电功率给馈线2，两条馈线的末端电压将逐渐接近并在稳态下维持一致，即两条馈线共同消纳馈线1的分布式电源发电功率，从而实现电压质量的提升。与此同时，该控制策略可维持直流母线电压的稳定，并实现BTB-VSC无功功率的独立控制。

2.3 性能分析

由式（4）可知，在线路阻抗给定的条件下，配电网末端电压幅值和末端有功功率呈线性关系，即两者间具备自然下垂特性。随着末端负载功率的提高，电压幅值下降；随着末端电源功率的提高，电压幅值上升，该特性可用下垂曲线描述，如图5所示。图中:Vacmax，Vacmin分别为线路1，2的末端电压幅值上限和下限；Vac0为电压额定值；Pac1，Pac2分别为线路1和线路2的末端总有功功率；Pac1rate，Pac2rate分别为线路1和线路2的有功功率额定值。

图5 配电线路1和2的自然下垂曲线Fig.5 Natural droop curve of distribution line 1

由于线路1和2为同一配电网的两条馈线，具有相同的额定电压，以及电压幅值上下限。

由式（11）可知，基于BTB-VSC的柔性互联型低压配电网电压控制策略具有3个优势:①通过馈线互联及有功补偿，实现各配电线路末端电压的一致性，有效提升配电网的末端电压质量；②互联化配电网总负载功率可依据各馈线容量实现自然均分；③当某个配电线路故障时，末端负载可由VSC持续供电，且该负载将由其余配电线路共同承担，不会造成过载问题。

3 仿真验证

为验证本节所提控制方案的有效性，在Matlab/Simulink仿真模型中，按照图3搭建两条380 V配电线路及BTB-VSC等效平均值模型，仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数Table 2 Simulink parameters

两条配电线路末端分别配置100 kW的有功负载和100 kW的分布式电源，直流侧电压控制为750 V，且不带直流负载。仿真时序:t=0 s时，仿真启动，VSC2控制直流电压恒定，VSC1不工作；t=1.5 s时，VSC1投入工作，采用图4控制策略；t=2 s，仿真结束。该方案的仿真结果如图6所示。

图6 仿真结果Fig.6 Simulationresults

由图6（a）可知:投入电压控制前，配电线路1重载，线路末端电压下降，配电线路2接入分布式电源，线路末端电压上升；投入电压控制后，通过直流母线及BTB-VSC，将线路2的有功功率补偿至线路1中，两条线路末端电压均平衡在380 V左右。由图6（b）可知:投入电压控制前，VSC1不工作；投入电压控制后，其无功功率控制为0，而有功功率控制为-200 kW，即VSC1从直流侧接收线路2的分布式电源发电功率为线路1的有功负载供电，实现了两条配电线路的负荷均衡。由图6（c）可知，电压控制前后，直流电压均由VSC2控制在750 V。

图6的仿真结果表明，在相邻馈线互联的方案中，若BTB-VSC可同时获取两条馈线的末端电压信息，则采用图4所示的电压控制策略，即可通过有功功率交互实现线路末端电压一致及负载均分，提升馈线电压质量与馈线负荷平衡度。

采用BTB-VSC实现配电馈线互联及图4的控制策略后，可大幅提升配电馈线的可再生能源消纳能力，在电压上限范围内，采用BTB-VSC前后配电馈线的可再生能源消纳能力变化如表3所示。

表3 可再生能源消纳能力Table 3 Renewable energy resources integration capability with/without BTB-VSC

4 结论

本文以低压配电网馈线末端电压质量为目标，提出了基于BTB-VSC的柔性互联型配电网电压控制策略。首先通过电压-功率敏感度分析，理论论证了通过有功功率补偿解决配电网末端电压质量问题的可行性和有效性；然后，在柔性互联型配电网场景下，设计了以末端电压一致为目标的BTB-VSC电压控制策略，可有效提高末端电压质量，维持直流电压的稳定，并改善馈线负荷不均衡的情况。基于Matlab/Simulink搭建的380 V配电网仿真平台，验证了该配电网柔性互联方案及其末端电压控制策略的可行性和有效性。