负载均衡下的柔性配电网功率调制技术研究

陈明洋 袁旭峰 徐腾 黄倩 徐玉韬

摘  要： 柔性配电网与传统的城市交流配电网不同，柔性配电网利用背靠背换流器将多回10 kV交流馈线通过直流母线柔性互联;对于利用多端电压源换流器（VSC）形成的柔性配电网，利用直流功率调制技术可以实现配网中多回馈线的有功功率均衡，使多回馈线实现闭环运行。针对柔性互联的多回10 kV交流馈线的换流器，在主从控制基础上提出一种基于负载均衡的功率调制技术，以该功率调制技术的输出值作为电流控制环的参考输入值，用以实现柔性配电网中的多回交流馈线的负载均衡。利用PSCAD/EMTDC搭建四端柔性配电网仿真，仿真结果表明，所提基于负载均衡的功率调制技术能跟随负载波动实时平衡各回馈线间的负载，提高交流配网设备利用率和运行可靠性。

关键词： 柔性配电网; 功率调制; 负载均衡; 交流馈线; 闭环运行; 配电网仿真

中图分类号： TN761?34; TM46                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）05?0171?04

Research on flexible distribution network power modulation technology

based on load balancing

CHEN Mingyang1， 2， YUAN Xufeng1， XU Teng1， HUANG Qian1， XU Yutao2

（1. College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China;

2. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.， Ltd.， Guiyang 550002， China）

Abstract： The flexible distribution network is different from the traditional urban AC distribution network， in which back?to?back converter is used to realize interconnection of multiple 10 kV AC feeder lines through DC bus. For the flexible distribution network formed by multi?terminal voltage?source?convert （VSC）， the DC power modulation technology can be used to realize the active power equalization of multiple feedback lines in the distribution network， and realize the closed?loop operation of multiple feedback lines. On the basis of the master?slave control， the load?balancing?based power modulation technique is proposed in this paper for the flexible interconnected converters of 10 kV AC feeder lines. The output value of the power modulation technology is taken as a reference input value of the current control loop to implement load balancing of multiple AC feeder lines in the flexible distribution network. A four?terminal flexible distribution network simulation device was built by means of PSCAD/EMTDC. The simulation results show that the power modulation technology based on load balancing can balance the load among each feeder lines in time， following with load fluctuations， and improve the utilization and operational reliability of AC distribution network equipment.

Keywords： Flexible distribution network; power modulation; load balancing; AC feeder; closed?loop operation; distribution network simulation

0  引  言

传统城市配电网的交流馈线通过联络开关相连，其闭环设计开环运行的模式导致拓扑和运行方式的不灵活[1]，存在转供能力差，部分变电站趋于饱和以及设备负载水平偏高等缺陷[2]。随着光伏、风力等分布式电源的大量接入，电动汽车、LED等直流负荷不断增多，现有的配电网架构在供电能力和运行控制方面面临极大挑战[3]。柔性配电网能更好地接纳分布式电源和直流负荷，满足用户对电能质量和优质服务的要求，进一步提升了系统效率[4]。从利用现有的交流网络构架和直流配电技术的优势角度出发，柔性配电网必然会是未来配电网的重要形式之一[5?6]。

直流功率调制技术通过从交流系统中获取信号对直流线路的电流和功率进行调控，多用于改善交直流系统运行的稳定性，在直流输电领域已获得较多应用[7?16]。文献[7]为改善多端直流系统功率协调能力，提出一种基于多端直流联网的风电功率协调控制策略，它可根据直流电压变化控制风电场端电网频率，使风电能够有效分担系统内的不平衡功率。文献[8]针对多条直流换相失败引起的大幅功率振荡问题，提出一种直流功率补偿调制方法，通过在线计算换相失败产生的功率冲击能量，选择功率补偿效果较优的线路对换相失败产生的冲击进行快速抑制。文献[9]为抑制交直流混联系统负荷突变引起的功率振荡提出一种变结构的直流功率调制和快速汽门最优控制的协调控制策略，该策略能在负荷发生扰动的初期显著抑制频率振荡。文献[10]针对水电机组的水锤效益引发的交流系统低频振荡，利用基于一阶惯性环节的直流功率调制附加频率控制器改善水电机组的运行特性，并对控制器参数的整定给出了合适范围，有效抑制了交流系统中的低频振荡。文献[11]针对大规模风电外送过程中功率波动引发的送端换流站交流母线电压、频率波动的问题，通过在直流调制器回路引入高通滤波器，将风电功率变化量中变化较快的部分通过直流输电系统传送到受端共同承担功率波动的影响，减小了频率波动量。文献[12]为提高电压源换流器（Voltage?Source?Convert，VSC）多端直流系统的频率稳定性，提出一种多换流站共同参与主网频率调节的多端协调控制策略，使多端系统中的各孤岛电网换流站以最优直流电压斜率控制协调参与主网频率调节过程，与传统控制方法相比，动态性能更优。文献[13]针对阻尼系数未知的交直流混合输电系统不确定小扰动情况提出一种非线性附加控制器，通过快速调节直流功率来提升混合系统的稳定性。文献[14]针对多端直流系统，提出基于电流平衡器的多端直流输电系统功率调制技术，提高了系统运行的稳定性。文献[15?16]研究了如何利用直流功率调制技术改善交直流混联系统中交流负荷突变时引发的频率振荡问题。

上述方案多用于提升交直流混合输电系统的稳定性，对配电网的应用涉及较少，且部分方案涉及到控制器的优化算法，这增加了控制器设计的难度，不利于工程应用。而通过直流配电环节对交流配电网进行功率支撑是实现柔性配电网的关键，功率调制技术在柔性配电系统方面的应用还鲜有报道。文献[14]的电流平衡器能实时快速地调控直流功率，对交流系统进行支撑，本文在文献[14]的基础上，对通过多端换流器柔性互联的交流配电网设计了一种基于负载均衡的功率实时调制技术，仅需少量的测量点就能通过控制柔性配电网中的换流器达到交流馈线负载均衡的目的。

1  基于负载均衡的功率调制技术

本文所研究的多端柔性配电系统如图1所示。通过一个四端直流系统将4条10 kV交流馈线柔性互联，其中，直流母线电压等级为±10 kV，在每条馈线的出口端都各自接有负荷。

本文为实现柔性配网中馈线闭环运行，均衡各回馈线出力，在文献[14]的电流平衡器基础上，提出如图2所示的基于负载均衡原则的功率调制技术，将其作为换流器电流内环参考值的输入命令，用于在负荷发生突变时快速均衡各回馈线的有功功率。

图2中，[idref1]，[idref2]，…，[idrefn]为通过功率调制技术输出的换流器内环电流参考命令。负荷均衡原则是让各回10 kV线路从变电站出线的单位截面有功功率密度相同，从而使得柔性配电网中的各回交流馈线处于经济运行水平。如图3所示，假设有[n+1]回交流线路通过换流器接入柔性配电网，以主从控制为基础，设定第[n+1]回馈线连接的换流站为主站，控制柔性配电网的直流电压，其余1～[n]回线路连接的换流站为从站，采用基于负载均衡的功率调制技术进行控制;通过测量所得各回线路实际传送的有功功率为[Pi]（[i=]1，2，…，[n]，[n+1]），设定各回线路所能传送的最大功率为[Pmaxi]，主站相当于柔性配电网的平衡节点，定义其传送有功功率为[Pslack]，则有：

[Ki=Pmaxij=1nPmaxj+Pslack] （1）

[Km=Pslackj=1nPmaxj+Pslack]     （2）

[i=1nKi+Km=1]       （3）

式中：[Ki]为第1～[n]回采用功率调制技术控制从站所接连交流馈线的功率分配系数;[Km]為主站控制交流馈线的功率分配系数。基于负载均衡功率调制技术的控制思想在于：各回馈线输出功率是总的馈线输出功率按功率分配系数分配的，当某一回馈线输出功率发生突变时，由PI控制器控制其他采用功率控制的换流站共同分担负载。由于主站采用的是定直流电压控制，故通过修正从站控制馈线的输出功率来实现多回馈线之间的负载均衡。

2  多端柔性配电网控制策略

基于上述负载均衡的功率调制技术，针对图1所示的柔性配电网，提出如图3所示的基于负载均衡的柔性配电网控制策略。

通过采集馈线出口端的有功功率[P1]，[P2]，[P3]，[P4]，然后利用如图2所示的功率调制技术实现各回交流馈线的负载均衡，主站的定直流控制、各端的无功控制环节保持不变。

3  仿真分析

3.1  仿真参数

利用PSCAD/EMTDC搭建如图1所示的柔性配电网仿真模型，其中，具体仿真参数如表1所示。

此外，交流馈线Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ出口侧分别带10 MW，1 MW，1 MW，3 MW负荷，假定变电站出口线路横截面相同，即各回线路允许传送的最大功率相同。

3.2  算例分析

3.2.1  算例1

柔性配电网未采用功率调制技术，主站采用定直流电压控制，从站采用有功功率控制，其中，VSC1～VSC3的有功功率指定命令分别为-6 MW，2 MW，3 MW，VSC4控制直流电压为±10 kV;馈线Ⅱ出口侧在1 s时投入3 MW负荷，2 s后该负荷退出运行。柔性配电网在负荷突变时的运行特性如图4所示。

由图4可知，在负荷发生突变时，各个换流器输送功率发生了小扰动，然后基本维持在给定值;馈线Ⅱ的输出功率由3 MW增加到了6 MW，在1 s时投入的3 MW负荷全部由馈线Ⅱ承担，馈线Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ发出功率没有变化;1，3，4号VSC隔离变压器侧无功功率没有发生变化，2号VSC隔离变压器侧无功功率由原来的-0.4 Mvar变为-1.3 Mvar。也就是说，当不采用功率调制技术时，负荷仅由所在的馈线承担，且与负载相连的VSC仅为维持交流电压而提供无功功率支撑，无法实现实际意义上的闭环运行，馈线Ⅱ的负载率远大于其余馈线。

3.2.2  算例2

柔性配电网采用功率调制技术，VSC1～VSC3使用功率调制器输出作为电流内环控制器的参考输入值，各回馈线功率分配系数[K]相同，设定为0.25，VSC4仍然作为主站维持直流电压。采用功率调制器柔性配电网在负荷突变时的运行特性如图5所示。

由图5可知，在1 s前，1～4号VSC输送的有功率分别为-6.2 MW，2.8 MW，2.8 MW以及0.8 MW，在采用功率调制技术时，各回馈线输出功率同为3.8 MW，实现了负载均衡;当负荷发生突变时，VSC1～VSC4输送的功率变化到-5.45 MW，0.54 MW，3.54 MW和1.52 MW;增加的负载由每回馈线分别分担，经过小扰动后，每回馈线输出的有功功率共同维持在4.53 MW，实现馈线负载均衡。从隔离变侧无功功率可以看出，在负荷发生变化时，各VSC发出的无功功率变化趋势相同，这意味着各VSC共同分担了交流负荷，体现了柔性配电网利用VSC实现闭环运行的优势。

4  结  论

本文针对柔性配电网中的多回交流馈线，在主从控制的基础上，提出一种基于负载均衡的功率调制技术，并以此改进了柔性配电网的控制策略，通过算例仿真，得出以下结论：

1） 利用该功率调制技术能根据负荷的变化实时调节柔性配电网中多回馈线的有功出力，实现柔性配电网中多回馈线之间的负载均衡;

2） 基于负载均衡的功率调制技术仅需少量的测量点即可完成多回馈线出力均衡，且不需优化算法，不用附加控制器，减少了成本，有利于工程实现。

本文针对柔性配电网中多端VSC系统仅基于负载均衡思想提出了控制方法，此外，通过柔性配电网提升分布式能源的消纳能力，消除电磁环网电流，这些控制方法还有待深入研究。

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