配電系統智能軟開關技術及應用

王俊

摘要：隨著電氣與信息技術的不斷進步，在國家政策與日益完善的市場機制激勵下，配電網進入快速發展階段。分布式電源的接入比例不斷提升，電能替代在社會生產、居民生活、電氣化交通等領域被廣泛推進，配電網所涵蓋的技術要素、所面臨的技術需求更為豐富，由此帶來了諸多挑戰。面向未來配電網發展需求，如何利用電氣裝備與運行調控等技術的創新，使系統能夠有效承載清潔能源的接入與消納、提供用戶側差異化電力服務、以及滿足配電網與社會生產生活多領域的協調互動，成為當前面臨的重要課題。

關鍵詞：配電系統;智能軟開關技術;應用要點

引言

電力電子裝備的廣泛應用是柔性配電網的重要特征之一，新型電力電子裝置將以各種不同的形式存在于配電網中，并能夠通過對電能的靈活變換與控制，使源、荷行為更加“柔性”和“主動”，從而釋放各種源、荷新要素的運行調度潛力，共同支撐配電網運行目標的實現。例如，借助新型電力電子拓撲和控制策略，分布式光伏能夠在并網發電的同時參與系統的無功電壓控制;各種源、荷可組成微電網等形式，以整體可控形態參與配電網運行;在高級量測和信息通信技術的支撐下，分散負荷也能夠利用虛擬電廠等組織形式，通過需求響應支撐電網運行;對電動汽車充電站、數據中心等新型負荷，還能夠利用自身能量管理能力獲得節能和支撐電網運行優化的雙重收益。

1SOP多場景柔性互聯應用形態

1.1雙端饋線柔性互聯

SOP的核心理念是代替傳統聯絡開關以實現饋線間柔性電氣互聯，支撐饋線負載平衡和分布式電源高效消納等。背靠背電壓源型換流器拓撲是SOP的一種典型實現結構，其兩側換流器為對稱形式，可實現有功功率傳輸、無功功率實時控制和四象限靈活運行。SOP通過不同控制模式切換，以滿足正常狀態下的功率控制、外部故障狀態的電壓支撐等多場景應用需求。

從運行控制來看，SOP控制目標的實現需兩側換流器共同完成，具體包括直流側電壓的控制、SOP傳輸有功功率控制，以及兩側換流器發出的無功功率控制等。SOP在正常和故障場景下的典型控制策略。近年來，圍繞如何提升直流側電壓抗干擾能力、提高功率控制響應速度和魯棒性、正常-故障多場景控制策略無縫切換等問題也取得了一些成果，為SOP運行功能的實現和應用形式的拓展奠定了基礎。

1.2多端饋線柔性混聯

隨著配電網供電可靠性要求的不斷提高，傳統的放射形網絡結構正發生變化，N供一備、多分段多聯絡等接線模式開始得到推廣應用。為了以更為經濟的方式滿足多饋線柔性互聯需求，在雙端SOP結構之上進一步衍生出了端口數量可靈活配置的多端SOP裝置。

1.3多電壓等級柔性互聯與柔性變電站

首先，多電壓等級柔性互聯可應用于饋線間聯絡，通過對不同電壓等級的SOP換流器進行拓撲設計、在SOP內部直流環節增加電壓變換模塊以及在SOP交流端增加變壓器，使其能夠連接不同電壓等級饋線并控制互聯饋線間的功率流動，實現多電壓等級饋線間功率的相互支撐。多電壓等級柔性互聯也可應用于獨立供電場景，作為柔性變電站連接上下級配電網，發揮電壓變換和電能靈活分配的作用。

相比較而言，多電壓等級柔性互聯裝備的成本更高，故大多以柔性變電站形式出現，以期更充分地發揮其運行控制價值。從基本結構來看，柔性變電站的內部直流部分加設了以高頻變壓器為核心的電壓變換模塊，以實現可控的直流電壓變換;外部交流端連接對應電壓等級的饋線，形式較為緊湊。當配電網正常運行時，可提供電壓變換、功率分配、無功補償、諧波抑制等功能，以滿足系統的潮流優化、電壓控制、電能質量治理、定制化供電等需求;當配電系統故障時可限制短路電流、實現故障隔離、提供電壓支撐等。此外，柔性變電站還可集成前文所述的交直流混合柔性互聯功能，為配電側源、荷提供更多元化的入網選擇。

2含SOP的配電網運行優化

2.1基于SOP的多手段協同運行優化

配電網中既包含有載調壓變壓器、補償電容器等傳統控制手段，又包含分布式電源、儲能裝置、電動汽車等新型調度資源。通過SOP對多種差異化運行控制手段進行有效協調，成為充分發揮SOP運行價值的關鍵。例如，針對SOP與網絡重構的協調問題，將SOP的主動精細潮流調節與基于傳統開關的網絡重構方法相結合，在保證系統安全運行前提下有效提高了分布式電源的消納水平。

SOP的無功出力能夠與傳統電壓和無功調節設備在快、慢時間尺度上相互配合，實現電壓無功控制。例如，將SOP的運行優化問題拓展為與有載調壓變壓器、補償電容器組等在多時間尺度下協調配合的電壓無功時序優化問題;采用預動作表確定離散的無功調節設備動作時刻，并根據SOP的功率儲備動態調整預動作表，調節無功出力。

2.2面向復雜場景的SOP多目標優化

將多目標線性加權求和轉化為單目標優化問題，是SOP多目標運行優化中常用的方法，但存在權重系數設置主觀性過強的問題。為減小主觀性影響，用權重分析法確定權重系數，同時明確了不同優化目標的起效范圍;提出一種網絡損耗與電壓優化權重自適應的SOP時序優化方法，結合電氣距離及源荷出力相關性分析節點電壓越限風險，根據節點電壓越限的風險差異自適應調整電壓優化目標的權重。另一種思路是基于帕累托前沿對多目標同時進行優化，尤其適用于解決清潔性、可靠性等目標函數存在沖突制約時的優化問題，具體計算多采用智能算法搜索可行空間中的非劣解。例如，采用強度帕累托進化算法計算網絡重構和柔性多狀態開關出力的帕累托最優解集，并通過隸屬度函數選擇最終的運行方案;將多目標粒子群算法和局部搜索算法相結合，提高了求解效率和準確性。

2.3基于SOP的配電網供電恢復策略

供電恢復策略制定需遵循上述基本流程，此外SOP可與多種設備協同運行，以提升故障隔離與供電恢復效果。例如，將SOP與基于傳統開關設備的網絡重構相結合，在最大化恢復失電負荷的同時，減小了開關動作次數，延長了設備壽命;提出一種考慮SOP、分布式電源和儲能協同的孤島運行優化策略，在孤島運行中協調SOP、分布式電源和儲能控制策略，以擴大供電恢復范圍，并確保供電恢復的持續性與魯棒性;對新能源出力及負荷需求不確定性，進一步面向不對稱配電網提出一種多端SOP與傳統開關協同的數據驅動供電恢復方法，提高了對不確定性的應對水平。

結論

為進一步促進SOP的發展和應用，需要重點開展以下3個方面的工作：

①發展新的SOP運行控制架構與方法，特別是面向未來配電網就地源荷平衡、柔性分區互聯等新形態的協調運行方法，使容量有限的SOP發揮更大的優化調控作用;②進一步降低SOP的投資成本，這不僅依賴于電力電子技術和SOP裝置設計技術的發展，同時還應緊密結合SOP的應用場景需求，避免SOP配置盲目求全、求大，導致資源浪費;③繼續發掘SOP的技術潛力，將SOP與端對端交易、共享經濟等新技術相結合，從而創造更多的附加效益。

參考文獻

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