張亞?wèn)|，余 洋

(國(guó)網(wǎng)浙江新昌縣供電有限公司，浙江 紹興 312500)

在交直流混合配電網(wǎng)中，換流器是配電網(wǎng)中重要的電流控制設(shè)備，在換流的過(guò)程中，為了維持配電網(wǎng)自身的電流平衡，換流器會(huì)大量吸收配電網(wǎng)中的無(wú)功功率，根據(jù)換流設(shè)備類型不同，所吸收的無(wú)功功率約為直流電壓功率的30%～60%[1-2]，無(wú)功功率的大大減少會(huì)直接導(dǎo)致配電網(wǎng)中電壓穩(wěn)定，其中交流母線上的電壓穩(wěn)定性失衡問(wèn)題最為明顯。當(dāng)交直流混合配電網(wǎng)中出現(xiàn)較大的電壓干擾時(shí)，如果采用電壓恢復(fù)控制方式操作不當(dāng)，則可能會(huì)直接引發(fā)交直流混合配電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失穩(wěn)[3-4]，因此對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)的電壓恢復(fù)控制方法一直是近些年來(lái)的熱點(diǎn)問(wèn)題[5]。

很多專家與學(xué)者在電壓恢復(fù)控制方面也提出了一些觀點(diǎn)，針對(duì)工業(yè)園區(qū)中配電網(wǎng)在分布式電源大量接入的情況，為了防止配電網(wǎng)中的電壓跌落，專家提出了基于多dq坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換進(jìn)行深入檢測(cè)分析，基于正負(fù)序分離法和S變換法對(duì)電壓進(jìn)行控制；還有的專家主要利用母線電壓補(bǔ)償技術(shù)結(jié)合系統(tǒng)的負(fù)荷電源功率，根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)配電網(wǎng)中的母線電壓采取動(dòng)態(tài)分配，主要目的是穩(wěn)定微電網(wǎng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定，基于下垂式控制實(shí)現(xiàn)了分布式電源的功率共享的同時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)中的參數(shù)進(jìn)行二次控制，調(diào)整下垂系數(shù)補(bǔ)償?shù)潆妷?。以上的電壓恢?fù)控制方法雖然取得了一定成效，但是在實(shí)際的配電網(wǎng)電壓控制中，以上方法僅從整流側(cè)或逆變側(cè)入手直接干擾電壓變化，容易產(chǎn)生超調(diào)情況，影響整體電壓穩(wěn)定性，因此本文設(shè)計(jì)一種多階段動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制方法。

1 多階段動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制研究

1.1 負(fù)荷恢復(fù)模型

對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)電壓的恢復(fù)控制，首先要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整[6-9]。將配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷恢復(fù)模型進(jìn)行重構(gòu)，并將其視為一個(gè)非線性的優(yōu)化問(wèn)題。

根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際情況來(lái)制定目標(biāo)函數(shù)。由于本文主要是針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)，這種配電網(wǎng)的最大問(wèn)題就是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不高，那么則需要將開(kāi)關(guān)操作次數(shù)降到最低以保證配電網(wǎng)中電能質(zhì)量最高。那么可以得到目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

上式中，yi表示交直流混合配電網(wǎng)中的分段開(kāi)關(guān)i的閉合狀態(tài)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)有2個(gè)賦值，當(dāng)賦值為0時(shí)，表示開(kāi)關(guān)由打開(kāi)變?yōu)殚]合狀態(tài)并保持，賦值為1時(shí)表示開(kāi)關(guān)由閉合變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)并保持。yi組成的集合為Y，表示出現(xiàn)電壓失衡之前非相關(guān)區(qū)域的開(kāi)關(guān)閉合變化情況，可以寫作：

Y=[y1，y2，…，ym]T

(2)

Z表示非相關(guān)區(qū)域中度和的開(kāi)關(guān)變化情況集合，可以寫作：

Z=[z1，z2，…，zn]T

(3)

另外，zj表示配電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)j的狀態(tài)[10-13]，該開(kāi)關(guān)狀態(tài)與yi所表示的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同。以上2種在負(fù)荷恢復(fù)模型中，還需要針對(duì)目標(biāo)函數(shù)設(shè)定一定的約束條件，本文設(shè)定的約束函數(shù)主要是綜合了節(jié)點(diǎn)的參數(shù)作為約束條件[14-16]，約束函數(shù)為：

(4)

1.2 基于多階段的動(dòng)態(tài)電壓控制策略

在交直流混合配電網(wǎng)自身所具有的防御體系下，為了保證在電壓控制的過(guò)程中不超調(diào)，更精準(zhǔn)，本文的控制策略選擇了分階段協(xié)調(diào)控制[17-20]。配電網(wǎng)的安全運(yùn)行主要依靠的是多階段控制架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交直流混合配電網(wǎng)多階段控制架構(gòu)Fig.1 Multi-stage control architecture of AC-DC hybrid distribution network

在圖1的多階段控制架構(gòu)下，對(duì)于故障發(fā)生時(shí)，配電網(wǎng)保護(hù)不會(huì)立刻采取措施，第1階段控制中央?yún)^(qū)域中的調(diào)度方式，同時(shí)檢測(cè)電壓在受到外界干擾之后所產(chǎn)生的波動(dòng)幅度，根據(jù)幅度大小判斷配電網(wǎng)產(chǎn)生故障的嚴(yán)重性，從而設(shè)定配電網(wǎng)的電壓控制參考值，并將獲取到的電網(wǎng)信息向下傳遞，下發(fā)給配電網(wǎng)所覆蓋的各個(gè)區(qū)域的FDG，保證區(qū)域和本地控制的相電壓在合理范圍內(nèi)，減少負(fù)荷輸出，保證無(wú)功功率在配電網(wǎng)中的存儲(chǔ)量。另外還需要保證FDG在持續(xù)輸出電流時(shí)不會(huì)脫網(wǎng)，故障切除之后，動(dòng)態(tài)電壓控制操作才能結(jié)束。在第2階段的控制中，PCC區(qū)域接收到第1階段控制完畢的信號(hào)之后，在配電網(wǎng)整體處于自適應(yīng)電壓恢復(fù)控制之后，將第1階段得到的電壓參考值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行二次控制。二次控制的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短與相電壓偏差的大小呈現(xiàn)反比關(guān)系，此時(shí)對(duì)于故障點(diǎn)的供電暫停，因此對(duì)于FDG容量的要求不高。在恢復(fù)過(guò)程中，需要使交直流配電網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)到電壓共識(shí)。節(jié)點(diǎn)的電壓共識(shí)過(guò)程分為3個(gè)階段：預(yù)準(zhǔn)備(Pre-prepare)、準(zhǔn)備(Prepare)和提交(Commit)，其算法主要過(guò)程如圖2所示。其中，即便交直流混合配電網(wǎng)中的某節(jié)點(diǎn)失效，其他節(jié)點(diǎn)依然能夠達(dá)成共識(shí)，完成電壓的恢復(fù)控制。

圖2 共識(shí)算法Fig.2 Consensus algorithm

(1)主節(jié)點(diǎn)0開(kāi)始推送電壓預(yù)準(zhǔn)備的消息Pre-prepare。

(2)副節(jié)點(diǎn)收到預(yù)準(zhǔn)備的消息，判定有效就會(huì)進(jìn)入準(zhǔn)備階段，并把收到的準(zhǔn)備消息Prepare傳給其他副節(jié)點(diǎn)。當(dāng)收到有效的電壓控制消息數(shù)量不少于2f時(shí)，則進(jìn)入提交階段，并廣播提交消息Commit。

(3)收到廣播的消息后將有效的寫入日志中；若接收的有效的提交消息條數(shù)大于或等于2f+1(包含自己)，則發(fā)送響應(yīng)Reply。

(4)當(dāng)配電網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)收到f+1個(gè)有效投票時(shí)(因?yàn)楣?jié)點(diǎn)最多有f個(gè))，電壓控制的推送得到最終確認(rèn)。完成第2階段控制之后，配電網(wǎng)中的電壓基本上就能夠恢復(fù)正常，當(dāng)有突發(fā)狀況時(shí)，第3階段的控制會(huì)啟動(dòng)緊急預(yù)案控制，從動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)電壓恢復(fù)控制。在控制架構(gòu)中，ZCVC是配電網(wǎng)電壓控制與故障防御中的補(bǔ)充程序，可以容納通道完好的FDG進(jìn)行參與電壓調(diào)控，對(duì)于通道存在故障FDG，只能通過(guò)有線方式來(lái)完成周圍電壓的恢復(fù)與控制。至此完成交直流混合配電網(wǎng)多階段動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制的研究。

2 基于多階段的動(dòng)態(tài)電壓控制策略

2.1 算例設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的交直流混合配電網(wǎng)多階段動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制方法具有一定的有效性，需要設(shè)計(jì)仿真算例進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Experimental platform

選擇某交直流混合配電網(wǎng)作為算例進(jìn)行仿真，該算例結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在圖4的算例結(jié)構(gòu)中，設(shè)定算例中的直流配電網(wǎng)的額定輸出功率為500 MVA，額定電壓為250 kV，額定電流為0.5 kA，以上算例系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要包括整流側(cè)定電流與逆變側(cè)定熄弧角。使用Matlab仿真軟件搭載以上算例，并在其中加入具體的故障類型，并編制仿真流程圖。

在以上的實(shí)驗(yàn)流程下，分別使用本文控制方法和整流側(cè)定電流—逆變側(cè)定電壓控制、整流側(cè)定功率—逆變側(cè)定電壓控制兩種傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，設(shè)置超電壓規(guī)定范圍為[9.5，12.0]，當(dāng)超過(guò)該范圍，則啟動(dòng)控制方法使電壓回到規(guī)定范圍，根據(jù)以上條件，分別得到不同控制方法下算例中的電壓穩(wěn)定裕度和PV曲線，并根據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真流程如圖5所示，獲取隨機(jī)選取算例中重要節(jié)點(diǎn)5、7的PV曲線如圖6所示。從節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7的PV曲線來(lái)看，電壓控制方法對(duì)于節(jié)點(diǎn)的電壓超量控制效果較好。不同方法中各重要節(jié)點(diǎn)的電壓超量極限值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

根據(jù)以上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓超量極限值和電壓穩(wěn)定裕度值可以看出，本文方法的電壓超量極限值和電壓穩(wěn)定裕度值較小，驗(yàn)證了在實(shí)際的配電網(wǎng)電壓控制過(guò)程中，本文方法對(duì)于電壓控制的穩(wěn)定性更高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前交直流配電網(wǎng)電壓恢復(fù)控制方法所存在的不足，設(shè)計(jì)一種交直流混合配電網(wǎng)多階段動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制方法。通過(guò)建立交直流混合配電網(wǎng)的負(fù)荷恢復(fù)模型和設(shè)計(jì)交直流混合配電網(wǎng)多階段控制架構(gòu)，減少電壓控制過(guò)程中產(chǎn)生的超調(diào)，通過(guò)仿真算例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的控制方法電壓超量極限值與電壓穩(wěn)定裕度更加穩(wěn)定，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法精確性更高。但是本文在研究過(guò)程中由于受到一些限制，整體的控制策略還有很多需要改進(jìn)的地方，在未來(lái)的工作中還要進(jìn)一步優(yōu)化。