趙涌泉，于汀，韓巍，蒲天驕，黃仁樂(lè)，穆云飛

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市300072；3.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都市 610065；4.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京市100031)

交直流主動(dòng)配電網(wǎng)多無(wú)功源協(xié)調(diào)的電壓控制策略

趙涌泉1,2，于汀1,3，韓巍1，蒲天驕1，黃仁樂(lè)4，穆云飛2

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市300072；3.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都市 610065；4.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京市100031)

為解決分布式電源高滲透率的交直流主動(dòng)配電網(wǎng)因分布式電源出力波動(dòng)及負(fù)荷變化等造成的電壓越限問(wèn)題，提出了利用柔性直流裝置、分布式電源及離散無(wú)功設(shè)備等多無(wú)功源構(gòu)建的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制策略。將配電網(wǎng)電壓運(yùn)行狀態(tài)劃分為3種：(1)正常狀態(tài)下進(jìn)行全局優(yōu)化，通過(guò)離散無(wú)功設(shè)備的靜態(tài)無(wú)功功率置換出柔性直流裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率，提高配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量；(2)預(yù)警狀態(tài)下通過(guò)多無(wú)功源就地控制與集中控制相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)輕度電壓越限節(jié)點(diǎn)的校正控制；(3)緊急狀態(tài)下利用柔性直流裝置對(duì)電壓越限節(jié)點(diǎn)快速緊急支援，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)過(guò)渡到預(yù)警狀態(tài)或恢復(fù)到正常狀態(tài)。利用IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該策略提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)電壓的有效控制。

主動(dòng)配電網(wǎng)；交直流電網(wǎng)；柔性直流互聯(lián)；電壓控制；多無(wú)功源；協(xié)調(diào)控制策略

0 引 言

環(huán)境污染和能源危機(jī)已經(jīng)成為世界各國(guó)所關(guān)注的問(wèn)題，新能源產(chǎn)業(yè)以此為契機(jī)而得到快速發(fā)展[1-3]。隨著市場(chǎng)的開放，分布式電源(distributed generation，DG)在配電網(wǎng)中滲透率逐漸提高，給配電網(wǎng)帶來(lái)巨大技術(shù)與環(huán)境效益的同時(shí)，也對(duì)配電網(wǎng)的電壓和電能質(zhì)量造成了影響[4-5]。分布式電源出力受氣象條件的制約，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性[5-6]，分布式電源的出力波動(dòng)以及配電網(wǎng)負(fù)荷變化會(huì)造成配電網(wǎng)內(nèi)某些節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)甚至越限，影響供電電能質(zhì)量。

基于電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)[7]能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，動(dòng)態(tài)支撐能力強(qiáng)。通過(guò)背靠背VSC，將多個(gè)交流系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)成交直流主動(dòng)配電網(wǎng)，是提升高滲透率分布式電源在配電網(wǎng)中消納水平的有效途徑[8-10]。VSC換流站在交直流主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)容量大，具備良好的動(dòng)態(tài)電壓無(wú)功支撐能力[11-12]。柔性直流研究方面，文獻(xiàn)[13]驗(yàn)證了多端柔性直流連接多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)及無(wú)源負(fù)荷的可行性和優(yōu)越性，文獻(xiàn)[14]對(duì)特高壓交直流混合電網(wǎng)協(xié)調(diào)自動(dòng)電壓控制(automatic voltage control，AVC)策略進(jìn)行了分析，并在4種典型調(diào)壓場(chǎng)景下驗(yàn)證了策略有效性，文獻(xiàn)[15]提出了直流輸電系統(tǒng)無(wú)功控制的目的、功能和控制模式。上述文獻(xiàn)從不同角度研究了柔性直流的控制方式，但基本圍繞特高壓交直流電網(wǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。配電網(wǎng)電壓控制方面，文獻(xiàn)[16-17]分別提出參與AVC調(diào)節(jié)的靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)電壓控制策略及光伏作為分布式電源參與配電網(wǎng)電壓控制的方法，文獻(xiàn)[18]提出一種基于電壓控制設(shè)備響應(yīng)速度的分層、分階段電壓協(xié)調(diào)控制框架，提出了DG與STATCOM協(xié)調(diào)配合的兩階段分區(qū)配合電壓控制策略。目前針對(duì)配電網(wǎng)電壓控制策略的研究中，挖掘柔性直流裝置的無(wú)功能力并利用其作為電壓無(wú)功控制手段參與配電網(wǎng)多無(wú)功源協(xié)調(diào)控制的研究較為少見。

柔性直流互聯(lián)以及分布式電源的高滲透率接入為主動(dòng)配電網(wǎng)引入了新的電壓?jiǎn)栴}并且提供了新特性的可控?zé)o功源，如何利用VSC換流站、分布式電源以及離散無(wú)功設(shè)備的各自無(wú)功能力和相互協(xié)調(diào)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的快速、可靠電壓控制，成為本文關(guān)注的焦點(diǎn)以及核心研究問(wèn)題。本文以分布式電源高滲透率的交直流主動(dòng)配電網(wǎng)為背景，綜合考慮VSC換流站、DG及原配電網(wǎng)中離散無(wú)功設(shè)備的電壓無(wú)功調(diào)節(jié)能力，研究綜合協(xié)調(diào)的電壓優(yōu)化控制策略。將交直流主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓水平劃分為正常、預(yù)警和緊急三種運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)控制策略，分別實(shí)現(xiàn)正常狀態(tài)下動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量?jī)?yōu)化、預(yù)警狀態(tài)下電壓水平校正控制以及緊急狀態(tài)下電壓快速支撐控制，并通過(guò)算例仿真驗(yàn)證控制策略的正確性。

1 交直流主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制模式

本文根據(jù)配電網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓所處范圍，將配電網(wǎng)電壓水平劃分為3種狀態(tài)：(1)各節(jié)點(diǎn)電壓滿足0.95 pu≤Ui≤1.05 pu，配電網(wǎng)電壓處于正常狀態(tài)；(2)節(jié)點(diǎn)電壓處于0.9 pu≤Ui≤0.95 pu或1.05 pu≤Ui≤1.1 pu，則進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)；(3)配電網(wǎng)內(nèi)電壓偏離最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)滿足Ui≤0.9 pu或Ui≥1.1 pu，則進(jìn)入緊急狀態(tài)[16]。

交直流主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓控制是根據(jù)當(dāng)前電壓水平所處的狀態(tài)，采取相應(yīng)的控制策略調(diào)節(jié)各無(wú)功源的出力，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)電壓控制策略Fig.1 Voltage control strategy of distribution network

當(dāng)配電網(wǎng)電壓處于正常狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行全局優(yōu)化控制，通過(guò)投入離散無(wú)功源，置換出VSC換流站的無(wú)功功率，從而提高配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量，保障配電網(wǎng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的電壓?jiǎn)栴}的快速響應(yīng)能力。

當(dāng)DG出力波動(dòng)或負(fù)荷變化導(dǎo)致配電網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)電壓輕度越限時(shí)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)。當(dāng)越限節(jié)點(diǎn)為DG接入點(diǎn)時(shí)，DG就地控制策略由恒功率因數(shù)控制迅速轉(zhuǎn)為恒電壓控制，調(diào)節(jié)自身無(wú)功出力校正接入點(diǎn)電壓。若就地控制下的DG無(wú)功輸出達(dá)到上限仍未使接入點(diǎn)電壓回到正常狀態(tài)，或電壓越限發(fā)生在缺乏無(wú)功源支撐的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，配電網(wǎng)實(shí)施集中控制策略，調(diào)動(dòng)全網(wǎng)無(wú)功設(shè)備，對(duì)仍處于預(yù)警狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

集中控制策略采用電壓無(wú)功靈敏度算法，以區(qū)域內(nèi)各無(wú)功電源出力調(diào)節(jié)量之和最小為目標(biāo)，以配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓回到正常狀態(tài)為約束，制定各無(wú)功源的調(diào)節(jié)量。預(yù)警狀態(tài)下的集中就地協(xié)調(diào)控制策略，能夠快速、全面對(duì)電壓輕度越限節(jié)點(diǎn)實(shí)施控制，使配電網(wǎng)電壓水平回到正常狀態(tài)。

當(dāng)DG出力或負(fù)荷水平突然變化，或配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)電壓偏離嚴(yán)重進(jìn)入緊急狀態(tài)。緊急狀態(tài)下，VSC換流站根據(jù)越限節(jié)點(diǎn)電壓偏離程度，由節(jié)點(diǎn)間電壓靈敏度關(guān)系確定換流站交流側(cè)目標(biāo)電壓，進(jìn)而通過(guò)快速調(diào)整VSC換流站的無(wú)功功率，調(diào)節(jié)換流站交流側(cè)電壓從而對(duì)越限節(jié)點(diǎn)起到快速支撐控制的作用，使越限節(jié)點(diǎn)電壓水平過(guò)渡到預(yù)警狀態(tài)或直接恢復(fù)到正常狀態(tài)。緊急狀態(tài)的控制策略充分利用VSC換流站無(wú)功容量大、調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電壓越限節(jié)點(diǎn)的快速緊急控制，保證配電網(wǎng)連續(xù)供電。

值得注意的是，主動(dòng)配電網(wǎng)通過(guò)柔性直流互聯(lián)與其他配電網(wǎng)建立聯(lián)系，在規(guī)劃運(yùn)行一體化的建設(shè)思路下，柔性直流連接點(diǎn)的位置選取應(yīng)充分考慮主動(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓分布特性、VSC換流站無(wú)功容量及有效電壓支撐范圍。VSC換流站的有效電壓支撐范圍應(yīng)完全覆蓋易出現(xiàn)電壓越限的節(jié)點(diǎn)，如果主動(dòng)配電網(wǎng)范圍廣、饋線長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)多，VSC換流站電壓支撐范圍有限，不能覆蓋所有上述節(jié)點(diǎn)，需要在這些節(jié)點(diǎn)加裝額外的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，否則會(huì)造成某個(gè)節(jié)點(diǎn)因與VSC換流站之間靈敏度關(guān)系較小而電壓控制失效的問(wèn)題。

2 正常狀態(tài)下的控制策略

正常狀態(tài)下配電網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓合格，此時(shí)周期地進(jìn)行全局優(yōu)化控制，通過(guò)適量投入離散無(wú)功設(shè)備，置換柔性直流裝置等連續(xù)無(wú)功源的無(wú)功功率，提高配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備裕度。

在正常狀態(tài)下，需綜合節(jié)點(diǎn)電壓水平、分布式電源無(wú)功出力、電容器投退狀態(tài)以及VSC換流站的無(wú)功出力，以提高柔性直流裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備裕度為目標(biāo)，優(yōu)化配電網(wǎng)各無(wú)功源的出力水平，調(diào)整過(guò)程中需保證各節(jié)點(diǎn)電壓在安全范圍內(nèi)，無(wú)功源出力不超出上下限。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

正常狀態(tài)下全局優(yōu)化控制策略以提高柔性直流裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備裕度為目標(biāo)函數(shù)，即

(1)

式中：QVSC是VSC換流站調(diào)整后的無(wú)功功率；QVSC,set是VSC換流站的無(wú)功出力設(shè)定值；QVSC,max是VSC換流站的無(wú)功容量。

2.2 等式約束

等式約束為配電網(wǎng)的潮流約束，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

(3)

式中：PGi是節(jié)點(diǎn)i處有功電源注入有功功率；PLi是節(jié)點(diǎn)i處有功負(fù)荷；Gij和Bij分別是支路i-j的電導(dǎo)和電納；QGi是節(jié)點(diǎn)i處無(wú)功電源注入無(wú)功功率；QLi是節(jié)點(diǎn)i處無(wú)功負(fù)荷。

2.3 不等式約束

不等式約束包括各無(wú)功源的無(wú)功出力上下限以及各節(jié)點(diǎn)電壓的安全范圍，即：

QGimin≤QGi≤QGimax

(4)

Uimin≤Ui≤Uimax

(5)

式中：QGimin為節(jié)點(diǎn)i處無(wú)功源注入無(wú)功功率最小值；QGimax是節(jié)點(diǎn)i處無(wú)功源注入無(wú)功功率最大值；Ui為節(jié)點(diǎn)i處的電壓值；Uimin為節(jié)點(diǎn)i處的電壓最小值，此處取0.95 pu；Uimax是節(jié)點(diǎn)i處的電壓最大值，此處取1.05 pu。

正常狀態(tài)下的控制策略的數(shù)學(xué)模型屬于非線性規(guī)劃問(wèn)題，采用內(nèi)點(diǎn)法可以實(shí)現(xiàn)模型的快速準(zhǔn)確求解[13]。

3 預(yù)警狀態(tài)下的控制策略

分布式電源高滲透率的交直流主動(dòng)配電網(wǎng)電壓水平受分布式電源波動(dòng)影響較大，且10 kV配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)末端，負(fù)荷的變化對(duì)電壓的影響也非常明顯。當(dāng)配電網(wǎng)中某節(jié)點(diǎn)電壓輕度越限，即0.9 pu≤Ui≤0.95 pu或1.05 pu≤Ui≤1.1 pu時(shí)，配電網(wǎng)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，采用預(yù)警狀態(tài)下的電壓水平校正控制策略。

含分布式電源的交直流配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，電壓輕度越限會(huì)發(fā)生在以下3類節(jié)點(diǎn)：VSC連接點(diǎn)、DG接入點(diǎn)及純負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。當(dāng)VSC接入點(diǎn)發(fā)生電壓輕度越限時(shí)，VSC通過(guò)調(diào)整換流站交流側(cè)無(wú)功功率，校正接入點(diǎn)電壓。當(dāng)DG接入點(diǎn)發(fā)生電壓輕度越限時(shí)，DG就地控制策略由正常狀態(tài)下的恒功率因數(shù)控制迅速轉(zhuǎn)為恒電壓控制，利用DG的無(wú)功能力調(diào)節(jié)接入點(diǎn)電壓。當(dāng)純負(fù)荷節(jié)點(diǎn)發(fā)生電壓輕度越限時(shí)，節(jié)點(diǎn)因缺乏就地控制設(shè)備而不能對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓偏離做出調(diào)整。

為解決就地控制下DG接入點(diǎn)電壓控制能力弱(分散接入DG無(wú)功容量較小)或純負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無(wú)電壓控制能力的問(wèn)題，就地控制之后，集中控制將集中配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)各無(wú)功源的電壓調(diào)節(jié)能力，采用電壓無(wú)功靈敏度算法[19]，對(duì)仍處于輕度越限的節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)施校正控制。

預(yù)警狀態(tài)下集中控制策略的目標(biāo)函數(shù)為配電網(wǎng)內(nèi)各無(wú)功源輸出調(diào)整量最小，即

(6)

式中ΔQi是集中控制前后節(jié)點(diǎn)i處的無(wú)功源輸出調(diào)整量。

預(yù)警狀態(tài)下集中控制策略的等式約束和不等式約束與正常狀態(tài)相同，為系統(tǒng)潮流約束、無(wú)功源出力限制以及各節(jié)點(diǎn)電壓安全范圍約束。優(yōu)化模型為非線性規(guī)劃，同樣采用內(nèi)點(diǎn)法求解。

4 緊急狀態(tài)下的控制策略

當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)分布式電源或負(fù)荷突然增減，或故障情況發(fā)生時(shí)，配電網(wǎng)電壓將發(fā)生劇烈變化，進(jìn)入緊急狀態(tài)。VSC換流站無(wú)功儲(chǔ)備容量大，調(diào)節(jié)速度快，在優(yōu)先保證VSC換流站交流母線電壓合格的原則下，由越限節(jié)點(diǎn)電壓偏離程度及越限節(jié)點(diǎn)與換流站交流母線的電壓變化靈敏度確定換流站交流母線電壓調(diào)整量，再由交流母線電壓變化量與VSC無(wú)功調(diào)節(jié)量關(guān)系確定VSC換流站的無(wú)功調(diào)節(jié)量，通過(guò)對(duì)VSC換流站的無(wú)功功率進(jìn)行控制，使得越限節(jié)點(diǎn)的電壓得到快速恢復(fù)。VSC換流站無(wú)功功率調(diào)節(jié)量計(jì)算過(guò)程如下。

(1)由文獻(xiàn)[20]所提節(jié)點(diǎn)間電壓變化靈敏度計(jì)算方法，計(jì)算緊急狀態(tài)下電壓越限節(jié)點(diǎn)i對(duì)VSC連接點(diǎn)電壓變化靈敏度λiVSC。

(2)根據(jù)式(7)確定VSC連接點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)量

(7)

式中：ΔUVSC為緊急控制前后VSC連接點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)量；UiX為越限節(jié)點(diǎn)i的當(dāng)前電壓；UiN為越限節(jié)點(diǎn)i緊急控制后的電壓目標(biāo)值，且有

(8)

(3)根據(jù)式(9)得到VSC換流站的無(wú)功功率調(diào)節(jié)量

ΔQVSC≈ΔUVSCSc

(9)

式中：ΔQVSC為VSC換流站無(wú)功功率調(diào)節(jié)量；Sc為換流站短路容量。

緊急狀態(tài)下的電壓快速支撐控制，可以有效提高區(qū)域內(nèi)緊急狀態(tài)下的配電網(wǎng)電壓水平，減小因故障或分布式電源、負(fù)荷突然變化引起的電壓越限問(wèn)題。

5 算例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性，基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)[21]，在節(jié)點(diǎn)28處通過(guò)VSC直流互聯(lián)裝置與外部配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行，并在節(jié)點(diǎn)8、14、16、17、32接入DG，在節(jié)點(diǎn)33裝設(shè)電容器組，構(gòu)成交直流主動(dòng)配電網(wǎng)，如圖2所示。

電容器組補(bǔ)償容量為80 kvar。各分布式電源的容量均為200 kW。分布式電源并網(wǎng)逆變器滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。

5.1 正常狀態(tài)控制策略仿真驗(yàn)證

配電網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓均處于正常范圍內(nèi)時(shí)，采取正常狀態(tài)的全局優(yōu)化控制策略。

設(shè)當(dāng)前各分布式電源出力正常且保持恒功率因數(shù)(Pf=1.0)運(yùn)行，VSC供出50 kvar的無(wú)功功率，電容器處于退出狀態(tài)。為提高柔性直流裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功備用容量，根據(jù)正常狀態(tài)控制策略，計(jì)算得到各無(wú)功源的控制指令：投入電容器組C1，置換出柔性直流裝置的無(wú)功功率，調(diào)整結(jié)果如表1、2所示。

圖2 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)Fig.2 IEEE 33-bus power distribution system

表2 正常狀態(tài)下控制前、后的設(shè)備無(wú)功出力Table 2 Reactive power of device before and after control in normal state

kvar

由于正?？刂魄昂蠖鄶?shù)節(jié)點(diǎn)電壓沒(méi)有發(fā)生變化，表1僅列出了調(diào)整前后變化相對(duì)較大的5個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值?？梢钥闯?，正常狀態(tài)下的控制策略在保證配電網(wǎng)電壓基本保持穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量?jī)?yōu)化，配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)故障能力得到提升。

5.2 預(yù)警狀態(tài)控制策略仿真驗(yàn)證

設(shè)某時(shí)刻，通過(guò)節(jié)點(diǎn)14、16、17并網(wǎng)的分布式電源DG2—DG4出力有較大波動(dòng)，配電網(wǎng)內(nèi)某些節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)輕度越限，進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)。電壓輕度越限節(jié)點(diǎn)的電壓值如表3“預(yù)警狀態(tài)”所示。

表3 預(yù)警狀態(tài)下控制前、后的部分節(jié)點(diǎn)電壓
Table 3 Node voltage before and after control in early warning state

pu

由表3可看出，分布式電源有功出力跌落導(dǎo)致配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)16、17、18、31、32、33電壓值低于0.95 pu。

接入上述節(jié)點(diǎn)的分布式電源DG3、DG4和DG5就地控制策略由恒功率因數(shù)(Pf=1.0)控制轉(zhuǎn)為恒電壓控制，無(wú)功出力分別調(diào)整至15、37和62 kvar，其中DG5達(dá)到其無(wú)功輸出上限。就地控制下各無(wú)功源的無(wú)功輸出功率如表4“預(yù)警狀態(tài)”所示。

表4 預(yù)警狀態(tài)下控制前、后的部分無(wú)功源無(wú)功輸出功率
Table 4 Reactive power of parts of reactive power source before and after control in early warning state kvar

經(jīng)過(guò)就地控制后各節(jié)點(diǎn)的電壓值如表3“就地控制”所示，節(jié)點(diǎn)16、17和18電壓抬升至0.95 pu以上，回升到正常狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)31、32、33電壓值雖均有提升，但未達(dá)到0.95 pu。

當(dāng)就地控制未能完成電壓校正時(shí)，實(shí)施預(yù)警狀態(tài)下的集中控制策略。以總的無(wú)功調(diào)整量最小為目標(biāo)，協(xié)調(diào)各無(wú)功源實(shí)現(xiàn)越限節(jié)點(diǎn)的電壓校正。調(diào)整后各無(wú)功源的無(wú)功水平如表4“集中控制”所示。調(diào)整后，各節(jié)點(diǎn)的電壓值如表3“集中控制”所示，可以看到各節(jié)點(diǎn)電壓均上升到0.95 pu以上，預(yù)警狀態(tài)下的集中就地協(xié)調(diào)控制策略能夠校正越限節(jié)點(diǎn)電壓，起到良好的控制效果。

5.3 緊急狀態(tài)下控制策略仿真驗(yàn)證

某時(shí)刻配電網(wǎng)內(nèi)分布式電源出力較低，設(shè)節(jié)點(diǎn)31和節(jié)點(diǎn)32負(fù)荷突增1倍，分別增至300+j140 kVA和420+j200 kVA，大量節(jié)點(diǎn)電壓跌落嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)31～33電壓下降至0.9 pu以下，如表5“緊急狀態(tài)”所示，配電網(wǎng)進(jìn)入緊急狀態(tài)。VSC換流站根據(jù)節(jié)點(diǎn)間電壓靈敏度關(guān)系以及接入點(diǎn)電壓升幅與無(wú)功調(diào)整量及短路容量的關(guān)系，迅速調(diào)整無(wú)功出力，增加330 kvar無(wú)功功率。緊急控制后的節(jié)點(diǎn)電壓值如表5“緊急控制”所示，節(jié)點(diǎn)31～33電壓均迅速回升至0.9 pu以上。

表5 緊急狀態(tài)下控制前、后的設(shè)備無(wú)功出力及部分節(jié)點(diǎn)電壓
Table 5 Reactive power of device and node voltage before and after control in emergency state pu

VSC換流站的快速無(wú)功支撐，使得配電網(wǎng)電壓水平過(guò)渡到預(yù)警狀態(tài)，抑制了配電網(wǎng)電壓的繼續(xù)下降，分布式電源能夠持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，消除了分布式電源脫網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的二次沖擊。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)分布式電源高滲透率下的交直流主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制問(wèn)題，提出以柔性直流裝置、分布式電源與離散無(wú)功補(bǔ)償裝置等多無(wú)功源相互協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)電壓控制策略。正常狀態(tài)下，通過(guò)投入離散無(wú)功設(shè)備，置換柔性直流裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率，提高配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備裕度；預(yù)警狀態(tài)下，通過(guò)就地控制與集中控制相協(xié)調(diào)，利用多無(wú)功源實(shí)現(xiàn)了輕度越限節(jié)點(diǎn)的快速有效校正控制；緊急狀態(tài)下，利用柔性直流裝置的大容量快速無(wú)功支援，實(shí)現(xiàn)了電壓越限節(jié)點(diǎn)的緊急控制。本文提出的多無(wú)功源協(xié)調(diào)的電壓控制策略，充分挖掘并利用了不同類型無(wú)功源的電壓支撐特性及無(wú)功源間的協(xié)調(diào)關(guān)系，對(duì)分布式電源高滲透率的交直流配電網(wǎng)電壓控制起到良好效果，保證了配電網(wǎng)供電穩(wěn)定性，提高了電能質(zhì)量。

致 謝

本文是在中國(guó)電力科學(xué)研究院創(chuàng)新基金項(xiàng)目“適應(yīng)新能源和負(fù)荷時(shí)變特性的交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓優(yōu)化調(diào)度控制技術(shù)研究”的大力支持下完成的，在此向該項(xiàng)目組成員表示衷心的感謝。

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趙涌泉 (1990)，男，碩士研究生，通訊作者，從事交直流配電網(wǎng)運(yùn)行控制研究工作；

于汀 (1984)，男，博士研究生，從事電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)研究工作；

韓巍 (1980)，男，工程師，從事智能電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化和優(yōu)化控制技術(shù)研究工作；

蒲天驕 (1970)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)模擬仿真；

黃仁樂(lè)(1963)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化和電網(wǎng)技術(shù)的研究管理工作；

穆云飛(1984)，男，博士、講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定性及新能源應(yīng)用。

(編輯 蔣毅恒)

Voltage Control Strategy Based on Coordinated Multiple Reactive Power Source in AC/DC Active Distribution Network

ZHAO Yongquan1,2, YU Ting1,3, HAN Wei1, PU Tianjiao1, HUANG Renle4, MU Yunfei2

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;4. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

To solve the voltage deviation caused by the fluctuation of generation and variety of load in AC/DC active distribution network (ADN) with distributed generation (DG) of high-permeability, this paper proposes an ADN voltage control strategy composed of multiple reactive power source such as flexible DC device, DGs and discrete reactive power compensation equipment, etc. We divide the voltage running state of distribution network into three states. (1) In normal state, global optimization is conducted by putting into the discrete reactive power source and using its static reactive power to replace the dynamic reactive power of flexible DC device to improve the dynamic reactive power reserve capacity of distribution network. (2) In early warning state, the coordinated strategy of centralized control and local control is implemented through multiple reactive power source to adjust the node voltage which is slightly deviated. (3) In emergency state, the flexible DC device is used to rapidly support the deviating node and transform the state of distribution network into early warning state or normal state. The simulation and experimental validation based on IEEE 33-bus network are performed and the result shows that the proposed strategy can improve the reserve margin of the dynamic reactive power and realize the effective control of the distribution network voltage.

active distribution network; AC/DC power grid; flexible DC interconnection; voltage control; multiple reactive power source; coordination control strategy

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050102)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52020115001F)

TM 761

A

1000-7229(2016)05-0034-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2013-01-28

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102)