基于电能路由器的交直流混合配电网潮流优化控制

殷展 杜仁平 姜黎明 张建文 施刚 周剑桥 朱城昊

摘 要：为实现配电网的潮流灵活可控，提高供电质量，探索了一种基于电能路由器的交直流混合配电网架构，并设计了其潮流优化控制方案。作为该网架的核心装备，电能路由器一方面可取代传统配电变压器，实现中低压电力变换;另一方面具备中压直流端口，可实现多区域配电网间的直流互联，形成网状直流能量层，利用该直流功率流动，可优化控制整个配电系统的潮流。首先提出了基于电能路由器的交直流混合配电网架构;其次设计了该配电网的混合交直流潮流计算方法，并采用粒子群算法实现潮流快速解算与实时优化;最后，通过构建29节点的配电网仿真模型，以网络损耗和节点电压为优化目标，在正常工况和重载工况两种场景下，验证了文中所提出的配电网架构及其潮流优化方案的可行性和有效性。

关键词：电能路由器，交直流混合配电网，粒子群算法，潮流优化控制

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.004

中图分类号：TM721.3

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2021）04-0020-08

Abstract：In recent years， a large number of distributed new energy power generation devices have been integrated into the grid， resulting in bidirectional power flow in distribution network. At the same time， traditional end users have also begun to join the distribution network as power supplies， which cannot be afforded by traditional distribution network systems. Therefore， it is necessary to transform and optimize the traditional grid structure to meet the higher standard of electricity demand in the future economic society. This paper explores a new type of AC/DC hybrid distribution network networking structure， that is， through the power router to achieve medium voltage DC interconnection between different distribution areas， forming a layer of network DC energy， optimizating the entire distribution by the DC power flow. This paper firstly introduces the new distribution network structure， and then uses the AC-DC hybrid power flow calculation as a tool to carry out the distribution network operation simulation. Finally， based on the particle swarm optimization algorithm， the new distribution network structure is optimizedly controlled. Through the analysis of the simulation results， it is found that the new distribution network structure adopted in this paper has a large optimization effect on the network loss and node voltage status of the distribution network.

Keywords：power router; AC/DC hybrid distribution network; particle swarm optimization（PSO）; power flow optimization control

0 引 言

近年來，为了缓解能源危机，减小工业排放的污染，大量分布式能源并入电网，使得传统的集中式发电模式逐渐转变为集中式和分布式发电并存的模式。分布式能源具有地理分散性、出力间歇性、波动随机性等特点，其输出的波动性功率将会恶化配电网的运行性能与电能质量。为了减小分布式能源对配电网的冲击，提高分布式能源的利用率，需接入储能设备以提供能量缓冲。分布式能源和储能的配置，将在配电网中引入双向潮流问题。同时，随着柔性负荷的发展，以及电动汽车等新型直流负荷的加入，在未来，配电终端用户亦将参与配电潮流调节，并对电力形式的多样化提出了更高要求，也使得配电网电能管理变得更加困难。现有的单向潮流、辐射型架构配电网已无法满足终端源-荷的双向主动潮流及可定制化电力需求。

为了满足未来配电系统对电能控制的多样性和复杂性的要求，美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative（SBI）”计划[1]，后来更改为“Sustainable Building and Nanogrides（SBN）”计划，公布了经典的基于分层互联交直流子网混合概念性互联网络结构。在2011年美国北卡罗来纳州立大学提出了“The future Renewable Electric Energy Delivery and Management（FREEDM）”[2]，确定了可实现源荷即插即用的交直流混合配电网结构。在欧洲，英国诺丁汉大学提出了“Universal and Flexible Power Management（UNIFLEX-PM）”方案，该方案用于交直流混合配电网，能够实现能量双向流动[3]。直流作为分布式电源的理想接入形式，近年来越来越受到人们的重视，在多层级交直流混合配电网中，分布式新能源发电装置可以直接以直流形式接入直流配电网，对比于传统的新能源电源并网过程，省去了直流转交流环节，减少了大量的换流损耗，同时直接以直流形式并网不需要进行相位和频率的跟踪，系统的可控型和可靠性得到极大提升，因此采用多层级交直流混合配电网成为电网应对大规模分布式电源接入的一个有效解决方式。

其中，基于电力电子技术的电能路由器，因其功率高可控性、多形态端口可扩展性、电气绝缘与故障隔离能力，成为能源互联网中实现网间互联及能量路由的核心装置[4-5]。

本文探索了一种基于电能路由器的交直流混合配电网架结构，和现有交直流混合配电网相比，该网架具有如下特点：1）以多端口电能路由器作为网间互联的核心装备，多端口电能路由器可以增加电气接口的多样性，适应当下及未来大量分布式能源与新型负荷的接入需求，且其多端口功率灵活可控，可主动调节配电系统的潮流，降低线路损耗，优化电压状况，增加电力系统稳定性;2）该网架具有中压直流配电网，可实现多区域交流配电网间的直流互联，形成网状直流能量层，利用该直流功率流动，可优化控制整个配电系统的潮流。

本文从配电网潮流优化控制的角度出发，首先提出了基于电能路由器的交直流混合配电网架构;其次设计了该配电网的混合交直流潮流计算方法，并采用粒子群算法实现潮流快速解算与实时优化;最后，通过构建29节点的配电网仿真模型，以网络损耗和节点电压为优化目标，在正常工况和重载工况两种场景下，验证了本文所提出的配电网架构及其潮流优化方案的可行性和有效性。

1 基于多端口电能路由器的交直流混合配电网

交直流混合配电网的网架结构将影响配电网运行的灵活性、可靠性和经济性。现有文献提出了两种拓扑架构，分别为含柔性直流装置的交直流混合配电网以及以直流网为组成部分的交直流混合配电网。含柔性直流装置的交直流混合配电网主要应用于直流源类型负荷较少的场景，而以直流网为组成部分的交直流混合配电网更加适合直流源类型负荷接入较多的场景。因此含直流网的交直流混合配电网更适合未来大量新能源电力设备的接入。

本文提出的基于多端口电能路由器的新型网架结构区别于传统的交直流混合配电网，其包含多个区域配电网，每个区域配电网以多端口电能路由器为核心，实现中压交流、中压直流、低压交流、低压直流四类网络的柔性互联。而不同区域配电网之间可通过电能路由器的中压直流端口实现柔性直流互联，并形成一个网状中压直流结构，各个区域配电网通过该中压直流网实现能量在不同区域配电网之间流动。图1为本文采用的新型交直流混合配电网架构。

该架构主要具有以下3个方面的优点：

1）电能路由器中压端口互联，实现跨区域能量互通，不同配电网之间提供相互支持。

2）网状结构可以提升传输容量和丰富传输路径，有利于实现潮流最优分布控制。

3）多区域互联可以实现故障的快速隔离和非故障区的快速恢复，配电系统稳定性增强。

1.1 电能路由器拓扑结构

本文研究的应用场景设定为中低压交直流混合配电网，为实现稳态潮流计算，探究新型交直流混合配电网架构对整体配电网潮流优化的作用，将新型架构所采用的电能路由器拓扑结构简化为四端口电能路由器拓扑结构，如图2所示。该拓扑结构主要包含3部分。第一部分是电压源型换流器（Voltage Source Converter， VSC）;第二部分为隔离单元，隔离单元为双有源桥变换器（Dual Active Bridge， DAB），其主要由整流器，逆变器和高频变压器组成;第三部分为负载变换器，针对交流电网负载，为逆变器，针对直流电网负载，为DAB变换器。该结构的中心部分为内部直流母线（Inner DC bus），所有端口流入的能量都将汇集到该母线上，然后重分配给各个端口，所以该母线是多端口电能路由器的能量中心。同时因为中压直流电网电压与该内部直流母线电压相同，因此中压直流端口可以直接视作内部直流母线的一部分。其他3个端口的组成分别为：中压交流端口由VSC引出;低压交流端口由DAB和VSC引出;低压直流端口由DAB引出。

1.2 电能路由器端口稳态模型

输入输出端口变换器是电能路由器的重要组成部分，其可将电能路由器与外部交直流配电网互联起来，各端口通过DC/DC变换器统一连接到内部直流母线上，实现多端口电能路由器功率的平衡调节以及能量交换。

针对连接交流配电网的AC/DC类型端口变换器。其稳态等效模型如图3所示。根据基尔霍夫电流定律，多端口电能路由器交流端口注入的有功功率Ps和无功功率Qs可以表示为：

针对该AC/DC端口进行潮流计算时，采用了扩展节点法（modified Augmented Nodal Analysis，MANA），即将该模型最左侧节点并入对应的交流电网，当作交流电网的一个节点，同时将模型中的bl，bcl，gl等元件当作一段输电线路，同时并入交流电网，这样交流电网中虽然相当于增加了一个节点和一段线路，但AC/DC端口却省去了复杂的电压，相角转换过程，端口模型获得了极大简化。

针对DC/DC类型的端口，可以用电阻Rk模拟DC/DC换流器损耗。根据基尔霍夫电流定律，可以列如下方程：

式中：n为變换器变比;Uk为直流端口节点电压幅值;Udc为内部直流电压母线电压幅值。

1.3 电能路由器损耗分析

多端口电能路由器的损耗主要为各阶变换器损耗，包含VSC损耗和DAB损耗。因为本文主要研究多端口电能路由器在配电网中的作用，因此必须考虑多端口电能路由器的变换器损耗。如图4所示。首先定义如下变量：Pport1表示电能路由器经中压交流端口流出的有功功率;Pport2表示电能路由器经低压交流端口流出的有功功率;Pport3表示电能路由器中压直流端口流出的有功功率;Pport4表示电能路由器经低压直流端口流出的有功功率。I1，I2，I3，I4分别表示流经电能路由器中压交流端口、低压交流端口、中压直流端口和低压直流端口的电流幅值。

针对VSC损耗，由电力电子变压器的综合损耗模型[6]，得到VSC的损耗模型：

上式中Ploss，vsc，i指编号为i的VSC器件损耗。系数a0，ia1，ia2，i为编号为i的VSC器件的损耗系数，且满足a0，ia1，ia2，i≥0。其中a0，i为固定损耗，主要为高频变压器的铁芯损耗，与流经其的电流无关。a1，i为线性损耗，主要为多端口电能路由器中的开关器件（例如IGBT）的开关损耗。a2，i表示平方损耗，主要为高频变压器的线圈损耗和多端口电能路由器的开关器件（IGBT）的导通损耗。不同型号的VSC损耗系数不同，但大多可以用此公式表示。通过此公式，只需要知道流经VSC的电流幅值就可以得到VSC的功率损耗。

针对DAB损耗，由于软开关技术的应用，DAB损耗也随之降低，本文近似取流经其功率的2%作为DAB损耗。令Ploss，DAB，i代表编号为i的DAB损耗，Pport，i代表流经编号为i的DAB的功率值，因此流经编号为i的DAB损耗的可用如下公式表示：

通过公式（4）、（5），可以计算得到多端口电能路由器每个端口的损耗情况。首先是中压交流端口，因为其只包含VSC，不包含DAB，所以a0，i=0，且a2，i中不包含高频变压器的铜耗，其损耗Ploss，1=Ploss，vsc，1;其次是低压交流端口，因为其包含VSC和DAB模块，因此其损耗为Ploss.1=Ploss，vsc，2+Ploss，DAB.1。最后是低压直流端口，低压直流端口仅包含DAB模块，所以其损耗为Ploss，4=Ploss，DAB，2。因为多端口电能路由器的中压直流端口不包含任何器件，没有经历任何变换环节，所以可近似认为没有损耗。

2 交直流混合配电网潮流计算与优化算法

2.1 交直流混合潮流计算方法

2.1.1 节点分类

首先需要对配电网包含的节点进行分类。在含多端口电能路由器的交直流混合配电网中，中压交流电网被视为主网，其主要负责平衡其他子网的功率波动。在直流配电网的潮流计算中，负载按照以下情况进行分类，定P节点主要负责连接直接接入直流配电网的负载;定V节点主要负责连接需要电力电子装置维持电压恒定的节点;定I节点主要负责连接需要通过逆变器接入直流配电网的交流负载。DC/DC变换器的节点类型取决于其控制方式，如果采用定电压控制，出口侧节点即为定V节点;若采用不调压控制，可以视为定P节点。在交流配电网中，通常与大功率交流电源相连的节点为平衡节点，平衡交流电网的功率波动。在直流配电网中，定V节点充当平衡节点，平衡直流配电网的功率波动。因此，针对图4构建的以电能路由器为核心的交直流配电网，与大功率交流电源相连的节点取为平衡节点，与多端口电能路由器中压交流端口相连的节点定为PQ节点。在低压交流配电网中，与新能源相连的节点根据连接的新能源的类型不同，分为PQ节点和PV节点，与多端口电能路由器低压交流端口相连的节点定为平衡节点。在低压直流配电网中，与新能源相连的节点根据连接的新能源的类型不同，分为定P节点和定V节点，与多端口电能路由器低压直流端口相连的节点定为平衡节点。在中压直流配电网中，取内部直流电压母线为平衡节点，进行潮流计算。

2.1.2 VSC控制模式

VSC换流器可以分别控制注入交流网络的有功功率和无功功率，表1展示了VSC换流器的控制模式。

进行交流网络潮流计算时，当其与直流网络相连的换流器控制方式为定有功功率控制时，即采用控制模式（1）、（2），其对应的交流节点当做负荷节点来计算;当控制方式为定直流电压时，即采用控制模式（3）、（4），其对应的交流节点同样当做负荷节点来计算;当控制方式为定交流电压幅值和相角时，即采用控制模式（5），相应的交流节点应当做此交流网络的平衡节点来计算。需要注意的是，在中压交流电网，一般选大功率交流电源连接的节点作为平衡节点;在低压电网，根据电网连接的新能源电源类型，选择新能源电源连接的节点或者换流器连接的节点作为平衡节点，且平衡节点只能选取一个。与有源交流网络相连接时，主要采用前四种模式，但是当有源交流网络的电源输出电能为恒定时，该电源相当于功率消耗为负数的负载，此时应采用控制模式（5），即将VSC换流器端口连接的交流母线节点看做平衡节点，其输入的有功功率和无功功率将由交流电网潮流计算得到。

DAB控制模式可以分为定直流电压控制和定功率控制。在含多端口电能路由器的交直流配电网模型中，DAB分别应用在低压直流端口和低压交流端口。应用于低压交流端口的DAB与VSC换流器相连，所以其应采用定直流电压控制。应用于低压直流端口的DAB与低压直流网络节点相连，且相连节点在低压直流网络中为定U节点，负责维持低压直流配电网电压水平，所以该DAB采用定直流电压控制。

2.1.3 潮流计算流程

因为本文研究的应用场景为包含电能路由器的交直流混合配电网模型，交直流混合配电网相对于传统的单独交流配电网和单独的直流配电网而言能量流动更加复杂，且电能路由器内包含VSC和DAB等控制模式多样的换流器件。

已有的混合潮流计算方法可以分为两类：统一迭代法和交替迭代法[7-16]。交替迭代法由于其灵活性和对现有交流潮流算法的良好继承性，受到了较多的重视。為了保证算法的收敛性、灵活性以及运行效率，本文决定采用交替迭代、可靠性更高的基于牛顿拉夫逊法的交直流混合配电网潮流计算方法。

该方法的核心思想是在求解交流配电网潮流时，将直流配电网等效成交流配电网的一个固定负荷节点，固定有功功率和无功功率。在求解直流配电网时，将交流网络等效为无穷大电源节点，维持直流配电网电压。潮流算法流程图如图5所示。

2.2 优化算法：粒子群算法

由于本文采用的新型交直流混合配电网架构在不同区域之间构建了一层直流能量互联网络，每个区域节点注入或提取的功率流可以随意设置，为使得整个庞大的配电系统达到实时最优化运行，需要一个快速准确的最优化算法进行实时潮流最优化计算，依据计算结果，对每个区域节点注入或提取的功率进行实时调整。由于粒子群算法具有收敛速度较快、收敛性较好且参数调整少等优点，因此本文采用粒子群最优化算法来求解使得整个配电系统最优化运行的直流能量互联网络每个节点的功率流。

粒子群算法实现流程如下：

1）初始化。设置权重系数ω、学习因子c1和c2、种群规模N、粒子最大速度Vmax 以及迭代次数等参数。然后采用取随机值函数，在搜索空间范围内初始化粒子的位置Xi和速度Vi。同时，设置每个粒子的初始化适应值为个体最优Pi，然后通过比较每个粒子的个体最优值，得到整个粒子群体里的全局最优值Pg。

2）求得每个粒子的适应值。若此代搜寻粒子的适应值优于个体的最优值，则更新个体的最优值Pi设为此适应值，若该适应值优于群体的最优值，则更新群体的最优值Pg。

3）更新速度和位置。根据之前设定的参数以及个体最优值和群体最优值，利用公式（6）和公式（7）更新每个粒子的速度和位置。如果粒子的某一维速度超过最大速度Vmax，则设置该维速度为最大速度Vmax。如果粒子的位置超过搜索边界值，则取设定该粒子位置为边界值。

4）检测是否终止计算。设定两个终止条件：达到最大迭代次数和结果小于最小收敛精度。如果完成任何一项，则终止计算，并输出群体最优适应值Pg以及最优值所在的位置。如果没有达到终止条件，则返回步骤2），继续迭代。

3 算例仿真验证

为探究新型互联网架构中电能路由器互联形成的能量流动网络对配电网的潮流优化作用，本文设置了两种场景。第一种是电能路由器的互联作用于正常状况运行下配电网;第二种是电能路由器的互联作用于含重载线路的配电网。配电网运行状况评估采用模糊评价理论[17-19]，选取配电网网损和配电网节点电压状况两个变量作为优化目标，且权重相同。

3.1 仿真模型构建

以采用的新型交直流混合配电网架构为基础，基于Matlab软件编写构建了如图6所示的29节点交直流混合配电系统的算法。其中设定了两个配电区域，每个配电区域包含4种类型的配电网，分别为400V低压交流配电网、750V低压直流配电网、10kV中压直流配电网和10kV中压交流配电网。4种类型的配电网通过电能路由器实现互联。其中设定了2个区域配电网之间通过中压直流配电网实现量互通。通过对比开通与关断中压直流互联线路2种配电网架构，探究中压直流互联对配电网的运行优化作用。

3.2 模型参数设置

参数设置主要分为2个部分，分别是发电装置及节点参数设置、电能路由器参数设置。

1）发电装置及节点参数设置。

发电装置在本模型中为大功率交流电源、风机和光伏发电装置。连接在节点17和节点8的大功率交流电源的容量设为1.5MW。连接在节点20和节点23的风机出力设为400kW，且其运行在单位功率因数。连接在节点27和28的光伏发电设置为出力350kW，为固定值。节点的电压幅值上限为1.1pu，下限为0.85pu。系统的总有功负荷为3080kW，系统的总无功负荷为520kVar。

2）电能路由器参数设置。

电能路由器的参数设置包含端口容量设置和端口损耗参数设置[20]。设置分别如表2、表3所示。

3.3 仿真结果

1）正常运行工况。

电能路由器互联与失去互联状态下，交直流混合配电网运行状态结果如表4所示。

由上表数据得出，当电能路由器实现互联情况下，互联功率流达到最优功率流时，整个配电网的系统网损只有127kW，小于失去互联模式下的配电网系统网损值174kW。同时，在互联模式下，节点电压的方差只有0.007，同样小于失去互联模式下的0.0136的节点电压方差，说明在电能路由器互联模式下，节点电压更接近标准值，电压状况更加稳定。所以，综合评价最优值在互联模式下也更小，说明电能路由器的互联有助于提升整个配电网的运行水平。

2）重载运行工况。

含有重载线路的配电网电流较大，导致线路产生较大压降，造成线路末端低电压，进而引发一系列低電压问题，因此转移重载线路负荷成为配电网优化的一个重要方法。为探究电能路由器的互联对含有重载线路的配电网的调节优化作用，本文进行一组对比试验，即检验电能路由器互联与不互联对相同重载配电网的影响。配电网运行状况评价指标依旧为配电网网络损耗和节点电压状况。为模拟重载情况，将位于中压交流网络的节点13有功负荷提升置至600kW，将位于中压交流网络节点14有功负荷提升至600kW，使两个节点母线达到重载状态。在重载情况下，电能路由器互联与失去互联状态下，交直流混合配电网运行状态结果如表5所示。同时，为更清晰地展示电能路由器的互联对重载线路节点电压的影响，将含有重载线路的中压交流网络内的所有节点电压整理在图6中。

由节点电压折线图7可知，在互联情况下，节点电压普遍更接近标准值，因此交流网络电流更小，造成的网损也更少，同时解决了由重载线路导致配电网末端低电压可能引起的一系列问题。

4 结 论

针对大规模可再生能源并网的发展趋势，构建了一种新型交直流混合配电网架构，并以该架构为基础建立了一个多区域交直流混合配电网模型。在该模型基础上，基于所设计的交直流混合潮流计算方法，结合粒子群最优化算法，探究了该互联配电网在正常工况和重载工况下的运行优化能力。

经过仿真验证可知，以电能路由器中压端口实现互联的交直流混合配电网新型架构通过控制不同配电区域间的功率流动，可以极大地提升配电网运行水平，如降低系统网损以及提升节点电压。同时，该互联架构还可以有效实现可再生能源消纳，线路负荷转供，减轻重载线路的配电压力，提升配电网的可靠性和安全性。随着未来配电系统向智能化发展，基于电能路由器的交直流混合配电架构将发挥越来越重要的作用。

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（編辑：温泽宇）