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

2024-01-31张瑞颖杨志芳

电气技术与经济 2024年1期

张瑞颖杨志芳马杰陈涛段喻

（云南电网有限责任公司昆明供电局）

0 引言

常规的低压交流配电网络是一种辐射式的电力单向流动，由于受到电磁环网络的限制，馈线之间无法相互连接，并且馈线的电力都是从变压器的母线到负载的。辐射式配电网络的构造非常简单，容易进行防护，且建造费用低廉。太阳能／风力发电可以以分布式的方式进行并网发电，但是分布式的电力系统受到天气条件的严重影响，其输出的随机波动性很大，并且在地域上非常的分散。由于使用辐射式的集中式网络，并且根据单边的潮流特征来进行控制与保护，所以，大规模的分布式电源的接入会给低压配电网络的运营带来很大的负面效应，主要有电网的负载不平衡、线路终端的电压品质较低、供电可靠性较低、新能源的消纳能力较弱等。为了应对上述问题，目前配电网可以通过几种方式来解决：分别是带载调压器（OLTC）电压控制、无功补偿设备配置、开关负载、降功率运行和线路扩容［1］。

1 基于BTB-VSC的柔性互联型配电网

OLTC采用变换配变方式，调整线路两端的电压，进而对馈线负载进行直接调控，这种方式操作简便，造价低廉，但是其调控效果不佳，调整幅度窄，不能持续调控；采用无功补偿方式，可以在线路两端布置无功补偿装置，改善终端的电压品质，但是这种方式对无功补偿装置的要求非常高，会使装置费用增加；采用减载方式，以损失一部分客户的电力供应或减少新能源的出力，不能替代传统的调压方式；采用扩展方式，对电缆、变压器等装置投入大量资金，经济效益不高。针对目前我国配电网中多按最大负荷进行规划，而配电网在运行过程中，由于电网负荷强度偏低，导致配电网在实际运行过程中存在着严重的负荷波动、随机性，导致其在电网运行中存在问题。本项目针对目前配电网馈线对DG的消纳问题，提出了一种以BTB-VSC为基础的灵活互连的低压配电网及其终端电压品质控制方法。在现有研究基础上，针对配电网中存在的问题，拟采用智能软切换（SNOP）技术，研究一种适用于不同类型配电网的柔性互连的新型变频器（BTB-VSC），并结合现有电力系统的实际需求，提出一种新型的BTB变结构变频器，用于解决配电网终端电压品质问题。根据各个馈线容量，使联网配电网中的负荷自动均衡分配成为可能。在一条配电网发生故障的情况下，由于VSC可以继续提供终端负荷，而且终端负荷可以被其它配电网分担，所以不存在过载问题。

BTB-VSC位于馈线的终端，利用其直流输电方式，实现了低压配电馈线之间的灵活互连。（1）BTB-VSC通过DC互连，可以实现各个配电馈线和各个地区配电网之间的软连通，并且可以很好地控制配电馈线和电网之间的负载不均衡，防止线路阻塞，降低网络损耗，提升供电网络的整体运营水平。（2）采用BTBVSC的方法，在配电网终端出现低压越级现象时，利用BTB-VSC的直流侧的有功来实现低压越级；在配电网终端出现过高电压的情况下，采用变频器，将有功功率转移到中压DC端，消除过高电压，改善配电网终端的电压品质。（3）当配电网中有断开保护时，利用BTB-VSC对终端客户进行断开保护，从而增加了配电网的可靠度。（4）通过多条连接线分担新能源接入带来的波动性和冗余电力，实现多条连接线的协调消纳，显著提升配电网的新能源接入容量。（5）为了防止快速充电站对电力系统的供电造成的冲击，将其设置在DC端，使其对电力系统的供电品质产生不利的作用。（6）BTB-VSC能够承载STATCOM／有源滤波（APF）的部分作用，对无功和谐波进行通过补偿，改善整个配电网的供电品质。基于BTB-VSC的互联型低压配电网架构如图1所示。

图1 基于BTB-VSC的互联型低压配电网架构

2 电压控制策略

Z2是分配馈线1的线路阻抗值，Z1是分配馈线2的线路阻抗值；U1、U2分别表示馈线1与馈线2的端电压（p-p-volume）；其中，P1、P2是终端负荷功率；将I1、I2分别作为VSC1、VSC2的电网侧电流向量；L1是VSC1的电网边缘滤波器，L2是VSC1的电网边缘滤波器；其中，Vdc是DC母线上的电压；PC1、QC1是由VSC1所吸取的有、无功功率；PC2、QC2，它们是VSC2所吸收的有、无功功率。由于两条馈线之间的距离比较近，BTB-VSC可同时对两条馈线两端的交流电压幅值进行实时采集。以两端电压幅值相同为目标，可对其进行相应的电压控制策略。其中，Vac1、Vac2是馈线1的终端交流电压的幅度，Vac1、Vac2是馈线2的终端交流电压的幅度；id1、iq1是VSC1电网中的各电网侧电流的d、q轴成分；和是VSC1电网侧电流d、q轴分量的基准值；ud1、uq1是馈线1端部电压的d、q轴向成分；和是VSC1AC电压中d、q轴成分的基准值；是VSC1的三相AC电压基准；表示的是中压DC的基准电压；id2、iq2是VSC2电网中电压的d、q轴成分；和是VSC2电网中的d、q轴成分的基准值；ud2、uq2是馈线2端子电压中的d、q轴成分；和是VSC2AC电压中d和q轴成分的基准值；是VSC2的三相AC电压基准。

VSC1提出了一种AC电压偏差控制方法，其外环为AC电压幅度＋无功控制环，内环为d轴＋q轴控制环，AC电压幅度控制环以馈线两端AC电压幅度的差异作为输入量，并根据PI进行控制，使AC电压幅度变化为基准，从而在AC电压幅度变化时，VSC可利用馈线之间的有功相互作用，来调整AC电压幅度。无功功率控制环将无功功率与参考值之间的偏差作为输入，通过过PI进行控制，使其输出为q轴的无功电流参考值。VSC1的无功功率可以按照线路的要求，进行谐波补偿等作用，从而改善用户侧的电能品质。在VSC2中，其外环是“DC＋无功”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。基BTB-VSC的电压控制策略如图2所示。

图2 BTB-VSC的电压控制策略

在一定的阻抗下，配电网络端压振幅与端压振幅之间存在一定的线性相关，二者之间存在一种自发的下垂特征，当端压振幅增大时，端压振幅减小；当终端供电功率提高时，系统输出电压振幅增大。以BTB-VSC为基础的灵活互连式低压配电网电压调控方法，主要体现在：（1）通过过馈线的互连和主动补偿，使配电网各个终端的电压保持一致，从而提高配电网终端的电压品质。（2）根据各个供电线路的容量，使联网配电网的负荷能够自动地分配到各个线路的负荷；（3）在某一条配线发生故障时，由于VSC可以继续向其他配线提供电力，所以不存在过负荷问题［2］。

3 仿真验证

在进行调压之前，1号配电线路为负荷过大，2号配电系统为分散式供电，1号配电系统为负荷过重，2号配电站为负载过大，3号配电站为负荷过高，4号配电装置为负荷过小，3号配电线为负载过小而两端电压升高；在进行调压之后，将线路2上的有功电力经由BTB-VSC和BTB-VSC补偿至线路1上，使两个线路两端的电压达到约380V的均衡。调压之前，VSC1没有运行；研究发现，当BTB-VSC能够获得两条配电馈线两端的端压信息时，该VSC能够利用两条端压信息，利用该VSC的主动作用，使馈线两端的电压达到750V，从而提高馈线的电压品质和负载的平衡性；将BTB-VSC应用于馈线的连接，结合线路2的主动作用，使馈线对新能源的可持续利用能力得到极大的提高，在此基础上，将BTB-VSC应用于两条配电馈线之间，对新能源的可持续利用进行了研究。