柔性交直流混合配电网互联换流站控制措施分析

段振梁，赵明伟

（国网武威供电公司，甘肃 武威 733000）

0 引 言

相对于传统的交流配电网而言，直流配电网具有提高输送容量、提高供电质量和供电稳定性以及接入分布式电源等多方面的明显优势，在国内的实际工程中也初步得到了应用，如贵州铜仁大龙开发区已建成直流配电网工程并投入运行，浙江杭州和苏州部分地区柔性直流配电网也在建设之中，有关部门也在陆续制定符合该系统的标准[1]。根据电压负载特点，灵活采取交直流混配电网的方式，不仅可以在提高供电质量的同时有效降低成本，更能减小施工难度。

1 互联换流站简介

互联换流站（Interlinking Converter，ILC）是结合交流系统和直流系统的重要节点[2]。除了能提高配电网可靠性之外，它也能帮助控制交流电压及其频率。以往控制交流电压的方法往往是将电压幅度的大小作为参考标准，ILC最大的问题在于当交流电成为无源电时，难以支持无源交流电的频率。

目前，对于ILC的探索方向主要有以下两种。一是对模式进行转换，ILC在直流电稳定状态时参与控制，由于交流电的频率或电压不在规定范围内，必须依靠实时的通信和丰富的经验判断，因此很难定出模式切换的标准值。二是为了参与交直流功率平衡，协调直流与交流之间控制的整定[3]。有学者提出了另一种控制方法，即以直流电压有效值与交流电压有效值的差值作为参考值，帮助交流系统维持稳定。随着研究工作的推进，上述方法已得到改进，将具有不同值的直流电压和交流电压有功功率标定在同一坐标系下，保证了功率的平衡。虽然都是从同一角度来考虑其稳定性，但是却很难从根本上维持无缘交流电压的稳定性。

为此提出了一种ILC的控制措施，借鉴传统的交流侧无源电网控制措施，改进了内环电流控制器，控制交流侧电压波动幅度和波动频率，并且采用外环控制器设置下垂直控制系统。在稳定状态下，ILC主要控制直流电压，当非直流侧发生波动时，对交流电压进行控制，其余换流站负责维持直流侧的稳定，确保供电的稳定性和灵活性。

2 交直流混合配电网系统组成及运行模式

2.1 系统组成

多年以来，由于成本和技术受限的问题，我国多以闭环设计、开环运行的原则设计配电网结构，但随着大力推进智慧电网工程，特别是城市大规模的用电需求，开环运行的缺点和弊端开始越发明显[4]。由于电缆线容量的限制，分布式发电的大规模接入难以被接纳，限制了电力行业发展的进一步提高。为了提高配电网的供电可靠性，必须实现配电网的闭环运行。

因此提出了一种可以实现两种电流混合的配电网，具体结构如图1所示。来自不同输电系统的两个变电站分别连接整个体系。交流和直流两个系统通过单个或多个电源置换器连接。直流电网将原交流电网分为两个不同的子系统，实现交流系统的结构互联。

图1 交直流混合配电网系统基本结构

直流配电网中存在两个不同电压等级，具有双向潮流的直流变压器（DC Transformer，DCT）连接着两个电网[5]。中压对应其中的10 kV配电网，负责向高压直流负荷供电，低压对应其中的220/380 V配电网，又称直流微电网。由于它直接与用户和微电源对接，不仅可以减少换向环节，而且可以降低设备损耗。

2.2 运行模式

为了更方便地分析图1中系统的运行方式，将每个单元的节点大致分为功率节点（恒功率）和平衡节点（保持系统的稳定性）两类。第一类包括交直流微电源和负载，一般因素不会对其造成影响，后者包括交流输电网络、电流转换装置以及电能储存装置，系统稳定需要通过功率调节来实现[6]。为了保证系统的正常运行，每个子系统至少应包含一个平衡节点。根据上图中断路器和ILC的工作模式，操作方式如表1所示

表1 运行模式分类

3 低压直流配电网的并网控制措施

3.1 直流微电源的恒功率控制

在经过boost变换器后，直流微电源可直接并入低压直流电。由于其容量非常小，所以通过采用恒功率控制方式，可以确保提高能源的利用效率。以光伏列阵为例，为了实现可控功率输出，往往使用最大功率进行跟踪控制，采用单环控制的方式。

3.2 坚持以强补弱原则

为了稳定直流微电源的功率波动，实现组合系统的功率输出控制，有必要设计一种采用以强补弱控制的微存储组合系统[7]。

在双环控制储能装置措施中，其中控制功率的一环为外环，控制电流的一环为内环。设直流微电源功率实际值为Pmic，利用公式可以算出其功率值为P*mic，储能装置真实输出功率为Pbat，则外环偏差值为直流微电源功率值减去直流微电源功率值和储能装置实际功率后得出来的数值。

4 直流变压器控制策略

该装置作为连接低压和中压直流配电网的重要设施，不仅可以实现大容量与高压的功率转换，而且可以实现双向送电。以使用量最多的变压器为例，经过两次全桥变换后，单元斩波将变成高频方波，需要使用高频变压器来达到电压变换和电气隔离，最后通过相关设备转换为直流电压[8]。

5 互联互联换流站控制策略

对于图1，如果交流电网的一侧失电成为无源网络，未失电的一侧电源将通过直流配电网间接为失电的无源电网供给电力支持。因此，为了控制无源电网的电压和频率，和它连接的换流站是关键因素。当有多个ILC接入无源电网时，最起码有一个ILC具有交流平滑控制功能。本文提出了ILC的控制策略，ILC在稳定状态时调节直流侧的功率，控制其电压，当ILC电压变化幅度过大或变为ILC交流侧的无源网络时，可以保证交流侧的电压稳定，协调控制直流电压的控制依赖于换流站的其余部分来实现。

5.1 直流电压协调控制策略

在d轴外环控制器中，其中P-Ude下垂属性可描述为：

式中，Udcref代表直流电压及其额定值，P、Pref代表传输功率及其最大限额。当Udcref和Pref确定后，再对K进行计算[9]。

5.2 交流电压平稳控制策略

基于坐标下的ILC数学模型在稳态时公式为：

以电网侧交流电压矢量Us的相位参考相量，如果想要平稳地控制交流电压和频率，理想情况下可以将其简化为：

该控制器采用双闭环原则，下垂控制设计出d轴的外环，保持直流电压稳定，q轴外环控制器实现无功控制，获得内环电流参考值[10]。同时，两环协同工作，想要实现电压和频率的双重控制，就要基于以上公式添加电压控制器。新型ILC的控制措施如图2所示。

图2 新型ILC控制措施

在该控制策略中，要实现电网电压d-q的变换，就需要电网电压U由锁相环环节提供。同时在控制频率时的重要一步是锁相环环节为Ucd和Ucq在d-q反向变换中提供的频率标准，因此应保证锁相环输出的信号精准。

当交流电压变化幅度较小时，电源置换器交流一侧电压usd和usq基本等同于Us和0，此时PI1和PI2有较小的跟踪误差，那么由外环控制器主要决定ucd和ucq的输出。当交流电源电网由于产生强烈波动导致其变成无源网络时，其电压和频率都会发生巨大变化，usd和usq与Us和0之间差异较大，由PII和PI2跟踪产生的误差值也会随之增大，同时由于外环控制器产生的isdref和isqref没有发生明显变化，那么控制交流电压的目的主要是决定ucd和ueq的输出。为了保证其电压，需要调整交直流电网功率，此时VSC就可以起到支撑交流侧电压幅值和频率平稳的作用。

6 结 论

本文提出了一种新的互联换流站控制措施，该措施通过对原有控制方法进行改进，在保证换流站能够控制直流电电压之外，也可以对交流电压进行控制。改进后的控制措施不仅可以提高交流和直流之间的协调质量，还可以高效支持无源电网，希可以对电力工程起到帮助。