基于SOP有功-无功协同的低压配电网末端电压越限治理_周剑桥.pdf

Vol.47 No.6 Mar.25,2023第 47卷 第 6期 2023年 3月 25日基于 SOP有功-无功协同的低压配电网末端电压越限治理周剑桥1，张建文1，席东民3，张傲哲3，张伟鹏2，蔡旭1（1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海市 200240；2.内蒙古能源发电投资集团有限公司，内蒙古自治区呼和浩特市 010090；3.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古自治区呼和浩特市 010051）摘要：分布式电源具有出力波动性，且接入位置分布不均，其高比例、规模化接入低压配电网将引发线路末端电压越限问题，如何充分利用配电一次设备对配电网的调节能力实现快速灵活调压是提升配电网对分布式电源消纳能力的关键。文中基于智能软开关(SOP)构建了柔性互联配电网，并提出一种基于 SOP 有功-无功协同的调压方案，相比于现有的储能系统有功调压和设备无功调压方案，在同等装置容量下具备最佳的电压调节性能，可大幅提升配电网对分布式电源的消纳能力。由于 SOP的有功功率传递会同时影响互联线路电压，依据各馈线末端固有电压水平划分配电网运行模态，有机结合 SOP内部储能装置，提出基于 SOP多模态协同的调压控制策略，可同时实现互联配电线路的末端电压越限治理，且该方案可灵活推广应用到多端柔性互联场景。通过所搭建的柔性互联配电网仿真模型，验证了所提控制策略的可行性和有效性。关键词：低压配电网；智能软开关；柔性互联；分布式电源消纳；电压越限；多端协同调压0 引言低压配电网的安全可靠运行关系到整个电网效益及用户供电质量1。当前，光伏等可再生分布式电源（distributed generator，DG）大量接入低压配电网，由于 DG 的出力波动性且接入位置分布不均，其高比例并网会引发电压越限、谐波污染、电压波动与闪变、线路过载、短路电流增大等问题，危害到配电网的安全稳定运行2-3。文献 4-6 表明，电压越限是目前限制配电网对 DG 消纳能力的最普遍因素。其中，线路末端节点电压对功率波动最为敏感，极易出现电压越限，并影响到区域用户的供电质量7-8。因此，研究低压配电网末端电压越限治理技术，可有效提升配电网对 DG的消纳能力，具有重要意义。近年来，已有诸多文献研究低压配电网中的调压手段，有以下 3种典型方案：1）有载调压方案9-10：通过调整有载调压变压器的抽头位置改善配电网电压水平。该方案成本低、控制简单，但其调节量不连续且无法频繁切换，难以解决 DG接入引起的末端电压越限问题。2）无功调压方案：通过无功补偿实现电压调节。其中，文献 11-13 充分利用光伏逆变器剩余容量进行无功调节以改善馈线电压，但光伏逆变器调压能力受到光伏有功出力的限制。因此，文献 14-15 通过就地配置无功补偿装置，如静止无功发生器（static var generator，SVG）等，调节馈线节点电压，这也是当前被广泛研究并采用的低压配电网电压越限治理方案之一。3）有功调压方案16-17。低压配电网线路阻感比R/X 较大，馈线电压对有功功率的变化也较为敏感4，因此可控制有功功率实现电压调节。一种思路是降低 DG有功出力，但该方法会直接影响 DG的经济收益；另一种思路是配置储能系统，通过控制其充放电来调节线路电压，但储能系统成本较高，仅采用储能进行单一线路的电压越限治理缺乏经济性。智能软开关（soft open point，SOP）是一种新型电力电子装置，可取代线路末端的机械式联络开关实现不同馈线的柔性互联，能够快速对所联馈线的有功和无功功率进行灵活调节18。因此，SOP 可应用于配电馈线的电压调控。文献 19-22 针对 SOP在配电网中的工作原理开展了相关研究；文献 23提出一种考虑 SOP 和无功补偿装置并存的中压配电网电压控制方法；文献 24 利用 SOP、光伏逆变DOI：10.7500/AEPS20221030008收稿日期：2022-10-30；修回日期：2023-01-27。上网日期：2023-02-16。国家自然科学基金资助项目（52107200）；内蒙古自治区科学技术厅项目（2020GG0299）；中国南方电网有限责任公司科技项目（GDKJXM20210204）。110周剑桥，等 基于 SOP有功-无功协同的低压配电网末端电压越限治理http：/www.aeps-器、无功装置等多设备联调的方式，解决 DG 导致的中压配电网电压越限问题。上述方法中的 SOP 应用场景多为中压配电网，通过 SOP 和多种调压设备的无功联合调压实现多节点电压质量提升。然而，相比于中压配电网，低压配 电 网 规 模 庞 大、通 信 网 络 不 健 全 且 可 靠 性 较低25，基于多区域设备间联调的方案难以推广。当SOP应用于低压配电网时，需充分挖掘 SOP自身的调压潜力，重点解决线路末端节点电压越限问题。因此，本文提出一种基于 SOP 的低压配电网末端电压越限治理方案。该方案具有如下优势：1）提出的基于 SOP 有功-无功协同的调压方案相比于现有的 SVG 无功调压和储能有功调压方案，在同等装置容量下，因 SOP 具备更佳的电压调节性能，可进一步提升配电网对 DG的消纳能力。2）SOP 的有功传递会同时影响互联线路电压。本文依据各馈线末端固有电压水平划分配电网运行模态，并结合 SOP 的内部储能系统（energy storage system，ESS），提出多模态协同调压控制策略，可同时实现两条配电线路的末端电压越限治理。3）本文所提出的多模态协同调压控制策略同样可推广应用到多端 SOP 互联的低压配电网中，方案具有普适性。首先，分析了 DG 接入对线路末端电压的影响，并提出了基于 SOP 有功-无功协同的调压方案；其次，设计了 SOP 多模态协同调压控制策略，并论证了其面向多端互联场景的适用性；最后，以 SOP 所构建的低压柔性互联配电网为例，仿真验证了本文所提调压策略的可行性和有效性。1 基于 SOP 有功-无功协同的配电线路末端电压调节方案1.1DG 接入对配电网馈线末端电压的影响分析图 1 所示为含 DG 的配电网等效电路。在常规工况下，功率流动方向为从馈线首端流向末端用户侧的公共连接点（point of common coupling，PCC）。当 DG 无法实现就地消纳时，会导致功率从 PCC 回流至馈线首端，引起 PCC 处电压抬升，甚至超过上限。为分析 DG 发电功率对配电线路末端电压的影响机理，设馈线 n首端电压为V?Gn，末端 PCC 电压为VPn0，网侧流入 PCC 处的有功和无功功率分别为 PPn和 QPn，线路阻抗为 Rn+jXn（配电网中线路阻抗的阻性成分不可忽略），负载的有功和无功功率分别为 PLn和 QLn。假定 DG 为单位功率因数运行时输出的有功功率为 PDGn，可得馈线电压表达式为：V?Gn=VPn+PPnRn+QPnXnVPn+jPPnXn-QPnRnVPn（1）对于 110 kV 及以下电压等级的电力网，可以忽略电压降落的横分量26。若忽略式（1）中的虚部，则 PCC处电压为：VPn=VGn2+()VGn22-(PPnRn+QPnXn)=VGn2+()VGn22+PDGnRn-PLnRn-QLnXn（2）假设馈线负载未发生变化，由式（2）可知，DG出力的增加会导致 PCC处电压上升。设 PCC 处电压上限为 VPn，max，为避免电网电压越限，DG的最大接入量 PDGn，为：PDGn，=VPn，max(VPn，max-VGn)+PLnRn+QLnXnRn（3）附录 A 图 A1 描述了 DG 出力与配电网馈线PCC 处电压的关系。结合式（2）和图 A1 可知，当DG 高比例接入造成 PCC 处高电压越限时，可通过对配电网有功潮流 PPn和无功潮流 QPn协同调节实现电压越限治理。然而，传统的辐射型配电网缺乏有功潮流调节通道。因此，将具有调节馈线间有功潮流能力的 SOP 装置接入不同馈线之间，可以实现不同馈线的有功潮流在空间上的转移；同时，结合SOP的无功补偿能力，可以协同有功-无功潮流实现配电网电压治理，提升配电网对 DG的消纳能力。1.2基于 SOP的柔性互联低压配电网架SOP 利 用 多 个 电 压 源 换 流 器（voltage source PCC1PCC2PCC3DGPCCnRn+jXn负载VGnPDGnPPn+jQPnPLn+jQLnDG负载DG负载联络开关.VPn.图 1含 DG的传统配电网拓扑和等效电路Fig.1Topology and equivalent circuit of traditional distribution network with DGs1112023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 converter，VSC）通过内部直流母线形成单个多端口背靠背结构装置，不同端口与不同配电馈线相连，实现配电馈线间的柔性互联，如图 2 所示。图中，Vdc表示装置内部直流母线电压。得益于 SOP 端口之间功率调节的灵活性，该互联网架具有以下特点：1）配电网线路间可通过 SOP 实现有功功率的灵活交互，解决配电馈线间的负荷不平衡问题。2）配电线路故障时，SOP 可以实现故障线路快速负荷转供，提高了配电网的供电可靠性。3）可再生能源并网所引入的波动功率及过剩功率可由各互联线路共同承担、协同消纳，从而大幅提高配电网对可再生能源的就地消纳能力。4）SOP 内 部 直 流 可 接 入 储 能，形 成“柔 性 互联+储能”集成化设备，从而实现多馈线储能共享、削峰填谷、波动功率平滑等功能，进一步提升潮流在时间尺度上的灵活性。当配电网出现末端电压越限时，可通过第 2 章提出的 ESS 和 SOP 的协调控制，实现多工况馈线电压治理，大幅提升配电网对 DG的消纳能力。1.3SOP有功-无功协同调压方案针对图 2中的馈线 n，设流入 SOP 的 VSCn的有功和无功功率分别为 PCn和 QCn。由式（2）可进一步得到：VPn=VGn2+|(VGn2)2+(PDGn-PLn)Rn-QLnXn-(PCnRn+QCnXn)|12（4）式（4）表明，通过 SOP调节馈线 n和其他馈线交互的有功功率或补偿无功功率，可有效调节 PCC 处电压，降低 DG 发电功率对 PCC 处电压的影响，实现电压越限治理，从而在馈线电压约束范围内提升DG的接入容量。在式（4）中，当 PCn=0 时，表明 SOP 该端口的VSC 采用的是纯无功调压的方式；当 QCn=0 时，表明 SOP 该端口的 VSC 利用纯有功搬迁的方式进行PCC 电压调节；当 PCn和 QCn均不为 0 时，表明 SOP该端口 VSC处于有功-无功协同的电压调节方式。若 VSCn的容量为SCn(P2Cn+Q2Cn S2Cn)，由式（4）可得式（5）。VSCn在不同调压方式及不同调节容量下，在电压约束的范围内，DG 在馈线 n 中的最大接入容量 PDGn如式（5）所示。此时，PCC 处电压达到运行上限，即 VPn=VPn，max。PDGn=VPn，max(VPn，max-VGn)+PLnRn+QLnXnRn+PCnRn+QCnXnRn（5）如图 3 所示，将式（5）表示在坐标图中，表明了不同调压模式下 DG的最大消纳能力。图 3 中，将各工作点坐标表示为（PCn，QCn），则O(0，0)点表示 VSC 不进行功率补偿时，DG 在馈线n 中的最大消纳能力 PDGn；A（-SCn，0）点表示 VSC利用全部容量吸收有功功率的情况下，DG 在馈线 n中的最大消纳能力 PDGn；B（SCn，0）点表示装置利用全部容量输出有功功率时，DG 在馈线 n中的最大消纳能力 PDGn；线段 AB 表示 VSC 利用纯有功调节的方式来改变馈线 PCC 处电压，从而改变 DG 的消纳能力；同理，线段 CD 表示装置利用纯无功调节的方式来改变馈线 PCC 处电压，从而改变 DG 的消纳能力。然而，当装置在BOD 内的方向进行功率调节时（如线段 OE），可以更大限度地提升 DG 的