智能電網分布式控制策略

楊緒義，袁路路，郭素娜，王欣

(1.南陽鴨河口發電有限責任公司，河南 南陽 473000；2.河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000；3.國家電網南陽供電公司，河南 南陽 473000)

1 前言

智能電網分布式控制是通過使用分布式網絡達到資源充分利用的效果，例如增加傳輸設備利用率，減少能源成本，提高可靠性等。分布式控制是迎合了新興的挑戰[1]，這些新挑戰包括負荷增長和可再生能源發電任務。

公共電網是一個龐大的系統，里面有成千上萬的發電機、數不勝數的高壓輸電線路和斥資千萬的變壓器等部件。為要求這些設備全部進行高精度工作，為數以萬計的用戶提供可靠的電能，在過去的電網設計中，機電控制和發電機勵磁控制是保持系統運行唯一可用的控制方法。但是這些控制方法無法引導電力流動和存儲便宜的電能，迫使人們采納了轉變市場運作的規則，造成資產利用率的低下。就美國而言，行業監管阻止產業朝著有效和有競爭力的方向發展，技術的局限性和政策體制也是導致電力市場運作不利的主要原因。就重置價值而言，美國電力行業資產價值評估為2.2萬億美元，全球和美國電力需求在未來的20～25年間的預計將分別增長80%和24%。在美國，如果廣泛采用新能源車輛(GEV)，2035年總的電力需求可能比2008年高45%。可再生能源預計每年需要增加一倍的輸電投資[2]，同時還將降低輸電系統的利用率。

無處不在的智能電網功能的推出，將提供更好的輸電和配電系統，減少投資需要，滿足可再生資源的要求并提高可靠性。要實現這樣一個具有深遠意義的轉變，需要經濟支持。智能電網最突出的優勢是其能實現電網選定部分的升級，并最終實現最大收益。選擇性引入可以控制電網動態電壓和潮流的新技術，能更有效的利用分布式電網資源。最大限度的減少建立新的輸電線路，以適應分布式發電資源，例如風能和太陽能資源。這樣的控制能力將改變電力市場，同時引起電源側和需求側[3]之間交易，以及具有處理更多配電資源的能力。這將直接緩和輸電線和成本分攤問題。同時減少接納更多的風能和太陽能的資本，利用節能車輛改善能源安全，減少碳排放。這種控制取代了傳統的勵磁控制[4]，在電網上的不同點上運行，本質上提高了輸電資產的利用率。電網控制應用非常廣泛，具有廣闊的前景。

分布式控制是滿足新興電力行業挑戰的關鍵推動者，本文首先對新興挑戰展開論述。然后討論的分布式控制的兩種類型，無功控制和潮流控制，包括當前可用的技術及新興的技術和方法。

2 智能電網分布式控制面臨的挑戰

2.1 負荷的增長

2006年～2030年，全球電力能源總需求預計將每年增長2.5%。從15665億 kWh，上升至28141億kWh；全球每年發電總容量預計將增長2.3%。從4.4334GW上升到7.484GW。美國能源部下屬能源情報署預計，到2035年美國用電負荷為每年增長1%，相對于2010年的需求，每年需求增長24%，負荷增長需要在發電以及輸配電系統中增加投資。鑒于燃料和材料高成本的挑戰，正面臨如何降低負荷增長成本以滿足消費者的需求的壓力。

2.2 允許城市發電和輸電的挑戰

分布式控制可以安裝在負荷中心，或將新輸電與遙遠的發電負荷中心相連，用電需求可得到緩解。新建輸電系統對負荷中心的供應也面臨困難，建造高壓輸電線路需要很多年，而且還有成本問題。新線的建設增加了服務于既定負載的MW－mile線路[5]，從而減少了現有系統的利用，導致成本增加效率下降。

2.3 可再生能源發電的政策推動

世界各國都通過了推動可再生能源發電的策略，中國旨在增加可再生能源總電能，從2005年的7.1%增加到2020年的20%。從2005年的1260MW的風電裝機容量升高的2020年的30000MW。可再生能源發電任務的重點是輸電系統，而且需要額外的投資。在過去的15年里，全球風能和太陽能發電都呈指數級增長，如果輸電網絡可以容納產生的能量，這些高質量的資源能使電能用戶的投資回報率達到最大。

2.4 新能源汽車的政策推動

在意識到了新能源汽車GEV在改善能源安全方面的能力，國家實施了一項計劃，即在13個大中城市建立充電基礎設施，同時還提供了汽車和公共汽車分別每車8000美元和70000美元的稅收激勵政策。GEV對電力系統的影響取決于它的利用程度、收費模式、充電時間與電力系統狀態的協調水平。如果到2035年美國輕型電車行駛里程達80%，相對于2008年每年的電力需求預計增長45%，相對而言，沒有GEV的預計只能增加24%。不協調的充電會導致超載和加速資產分配老化。相比電力傳輸系統，資產分配監控系統不發達，很難積極提升應變分布的資產。車輛的充電不協調需要新的輸電和配電投資[6]。

2.5 電網和其他商品傳輸網絡的區別

由于業主無力控制輸電線的電流，電網被認為是一種自然壟斷，因為缺乏控制手段，業主不能競標使用線路，天然氣管道也是這樣。這也造成了搭便車效應，使他人的投資利益受到損害。總的來說，不利于傳輸的業主提升自己的經濟效益。

3 分布式控制技術

分布式控制自出現以來一直用于操作電氣系統。下面首先描述最優潮流(OPF)，其歷史可以追溯到早期的電力系統。今天的電力系統主要依賴最優潮流[7]完成控制。電力系統投資和運行面臨著眾多挑戰。容納可再生能源和GVE需要響應時間，而傳統的控制技術如OPF就不需要響應時間。本節將介紹無功控制和潮流控制。通過適當的技術，無功控制和潮流控制可以提供快速的響應控制，稱為動態粒度控制DGC，以滿足新興挑戰。

本節中所述的技術可應用于輸電和配電系統。配電系統的可控性落后于輸電系統。與輸電系統不同，配電系統一直被作為一個徑向網絡而不是網狀網絡，這簡化了控制，但降低了可靠性。智能電網迄今為止已經在很大程度上改善了配電系統的控制來提高效率，增加容量，無需新的投資，用來適應分布式發電。

3.1 最優潮流

最優潮流是當今電網的主要控制技術，主要的控制方式和控制功能是調整發電機的有功、無功功率的注入。最優潮流還包括其他的控制處理，如移相變壓器PST的設置，雖然控制決策通常由中央控制器發出，但是控制執行器如發電機和PST是分布在整個系統中的，通常認為，最優潮流是分布式控制。最優潮流設定點通常不會每隔五分鐘改變頻率。最優潮流的設置能提供足夠的安全系數以適應突發事件，如負荷預測誤差、可再生能源發電預測誤差和突發事件。當電力線路或變壓器突然脫機時也能進行應急處理。

在不同的縱向整合和市場環境中實現最優潮流，通過直接改變發電機的輸出功率改變潮流。在缺乏其他潮流控制技術的情況下，最優潮流不允許潮流中存在單條線路的控制。在垂直整合的環境中，實時程序負責發電、輸電和配電給固定的地區。

最優潮流輸入如下:

發電機參數——用于每個發電機的最大輸出功率和最小輸出功率，母線連接發電機，最優潮流能提供成本曲線。每個成本曲線描述了在最大功率和最小功率之間每個潛在的操作點上的操作單位的可變成本。可變成本包括燃料和可變的運行和維修。

輸電線路參數——每條輸電線路、線路阻抗值、額定電壓、額定電流和終端位置。

負荷數據——每條母線上的預期需求在OPF的每次運行中預測出來。

應急列表——OPF運行一組潛在的突發事件，而不是所有可能的突發事件，以減少處理時間。

穩定性極限——OPF通常不計算內源網絡的穩定性。相反，以列線圖或查找表的形式提供規劃，以確保避免不穩定的解決方案。

存儲容量——剩余發電容量必須滿足負荷和可再生能源預測以及發電機停機等不確定性。

在市場方面，輸電網絡通常擁有自己的配電網絡。發電機是獨立于業主的輸配電網絡。發電業主提交投標曲線而不是成本曲線給獨立系統運營商或區域輸電操作者。投標曲線制定最低價格，電網業主愿意接受，產生的能量超過整個范圍內發電機的輸出。在最簡單的方案中，分銷網絡的所有者指定其客戶需要電流的大小，消費者是價格的接受者。使用發電機的報價和預測需求，獨立系統運營商或區域輸電從操作者利用最優潮流計算最小成本調度運行發電機負載，滿足安全需求。

如圖1所示，最優潮流僅局限于調整發電機的輸出，不能夠解決許多問題。下面將介紹潮流控制能力超過發電機組功率輸出控制的當前狀態。目前大多數電力控制都是通過最優潮流控制發電機組設置點，效率低下。

圖1 最優潮流

3.2 無功控制實現最優潮流

無功控制系統具有很多優點，它可以用來控制沿輸電線路的電壓分布，提高功率達到線路輸電的最大量。它也可以用來降低無功功率，此時必須把它包在線的末端。從而降低線路損耗。如果電力線的末端電力不足，無功功率也可以用來提高電壓穩定性。如果足夠得快，無功控制可以提高系統的暫態穩定性。暫態穩定性的改善也可以增加輸電線路上的功率。無功控制可用于阻尼電力系統振蕩，避免發電機旋轉損傷，增加功率傳輸能力，并有可能提高穩定性。

3.2.1 分流機械投切電容器(分流MSC)

母線并聯時MSC可以通過提供電容無功實現無功控制，經常切換會導致機械開關的性能裂化，因此MSN不經常驅動。

3.2.2 分流機械投切電容器(分流MSR)

當并聯母線時，MSR可以通過提供電感無功實現無功控制。由于是感性負載，斷路器通常用于連接和斷開MSR，頻繁啟動會損壞機械開關，MSR被廣泛應用。

3.2.3 晶閘管控制串聯電容器(TSC)

TLC是使用一對晶閘管進行切換開關的分流電容器。晶閘管組取代了分流機械投切電容器(MSC)上的機械開關，延長了使用壽命。TSC的響應速度比MSC更快，允許對系統瞬態注入無功流。

3.2.4 靜止無功補償器(SVC)

靜止無功補償器[8]由分流 WSC、TSC、TCR組成，通過改變無功電抗SVC來控制網絡參數。典型的SVC配置如圖2所示。無功電流的最大電平與母線電壓成線性變化，最大無功電壓的輸出隨著母線電壓二次方的不同而不同。SVC不能在瞬態增加無功控制的流量。通常是以單向線路接地方式實現的，可以在出現不平衡故障時提供支持。如果需要持續電容式注入，分流機械投切電容器(MSC)被限制在2000～5000轉換周期來限制其使用，除非所需的補償水平變化緩慢。

圖2 典型SVC配置

3.2.5 靜態同步補償器(STATCOM)

STATCOM[9]使用固態門極關斷器件模擬同步電容器的操作，發電機的配置只為產生無功功率。如圖3所示使用單一的三相電壓源變換器。STATCOM最大無功輸出電流在寬電壓范圍內幾乎是恒定的，所以無功功率輸出在母線寬電壓范圍內接近線性。在故障和部分瞬態期間，母線電壓通常很低，和同等級的SVC相比，STATCOM在母線低電壓期間需要提供額外的無功控制。STATCOM的響應是數量級的，速度比SVC快，輸出量是SVC的30%～40%。

圖3 STATCOM使用三相電壓源變換器

STATCOM在瞬變期間也可以臨時增加無功電流。使用STATCOM的三相故障和瞬態緩解允許使用比SVC等級低的STATCOM。但是三相變換器的實施在不平衡故障期間限制了STATCOM提供無功控制的能力，除非相對于穩定運行直流電容器被顯著高估。和SVC相比，這是一個很大的劣勢，因為SVC通常支持不平衡故障。然而，通過在每相使用單獨的變換器，AREVA能夠使STATCOM支持不平衡故障。

表1 對上面討論的幾種無功控制器進行比較

3.3 潮流控制實現最優潮流

做個簡單的假設:假設電網中兩條母線間的潮流是由式(1)決定的，功率可以通過修改任何參數的方程決定:

V1和V2是輸電線路端點的電壓大小；

X是輸電線路的電抗；

P是輸電線路的功率輸出。

電壓變化不能大范圍影響潮流，電壓通常保持在標稱值的5%，以避免損壞發電機、輸電網絡、配電網絡、用戶設備。

以下是改變潮流的詳細方法:

交流母線之間的潮流:

潮流阻抗控制的目的是直接改變阻抗，該值用X來表示，如式1所示。技術能夠改變阻抗包括串聯機械投切電抗器 MSR、串聯機械投切電容器MSC、晶閘管控制串聯電容器TCSC、靜止同步串聯補償器SSSC、統一潮流控制器UPFC等，下面一一介紹。

3.3.1 串聯MSR

MSR可以修改線路阻抗，如圖4所示。經過適當的設計，可以把串聯的MSR安裝在網狀系統內重載，低阻抗的線上，這樣可以推動潮流流入使用較少的路徑，以防止瞬態和應急線路頻繁跳閘，并限制故障電流。阻抗投切速度緩慢，主要由于系統或者線路阻抗有計劃的變化。減輕瞬變的反應不夠快速。

圖4 串聯MSR電路圖

3.3.2 串聯MSC

當串聯插入輸電線路，MSC可通過降低阻抗低負載線路控制潮流，從而減輕低負載線上的阻抗。典型安裝如圖5所示，如串連MSC，它并沒有設計成向內或向外迅速進行投切，因此不用減輕瞬變。因為MSC通常不耐受高壓電流故障，保護方法即在故障期間繞過MSC重新接合以增加系統的穩定性。早期串聯電容器使用維修密集的火花間隙使其避免故障電流，最新的設計是采用電涌防護器[10](MOV)或晶閘管的保護。類似于串聯MSR、MSC對沿線覆蓋區強制封包要求。與串聯MSR相比，MSR很重，無法用線支撐，需要一個高架平臺。另外MSR可以導致次同步諧振，造成發電機轉子部件故障和電力系統不穩定。

圖5 串聯MSC電路圖

3.3.3 TCSC

TCSC是一個使用額外并聯(分流)增強的串聯電容器，由電感器、晶閘管構成。TCSC注入的電容比電容器標示牌的容量高，然而像該串聯MSC，其溶液需要隔離平臺，增加了成本，需要在變電站增加額外空間。與串聯MSC不同，TCSC可以避免次同步的共振挑戰和足夠快的速度來提高暫態穩定性。

3.3.4 PST

PST也叫相位角調節器(PAR)，通過改變式1的δ相位角項控制兩條母線之間的潮流。存在無數的PST拓撲，這種最簡單的形式擁有修正過的相位。這樣做會放大故障電流的影響，并且增加成本。相對昂貴的PST可以通過采用分流轉換器來彌補一些單核PST的缺點。同時采用了串聯變壓器和三角形連接勵磁變壓器。

3.3.5 高壓直流輸電(HVDC)和背靠背變換器(B2B)

HVDC輸電系統[11]和B2B變換器能夠將電流進行AC－DC－AC轉換，并且都可以應用于同步和異步網絡中。HVDC輸電能以直流的形式實現電能上千千米距離的傳輸，可以提供線上電能的完全控制。將一HVDC輸電應用于負載和一臺遠距離發電機之間，那么這臺發電機所能實現的效益是和放在負載旁邊一樣的。優良的可控性和容量已經大大促進了HVDC在美國商業輸電工程上的應用，HVDC輸電也可以用于限制系統中最大故障電流等級，介于新的直流線路會提升故障電流等級，這也成了HVDC輸電的一大優勢。每個HVDC輸電終端包含一個變換器、一個諧波濾波器和一套功率因素校正因系統。功率因素校正系統根據變換器的功率需求運行，諧波濾波器則用于消除變換器所產生的諧波。如果兩極中的一端突然掉線，系統可以以少量額定電流繼續工作；當另一端掉線時，地線可以傳回反饋電流。雙極性書店采用兩片導體，并且在正常工作中不需要接地線。兩集中，一端突然掉線，系統可以以少量額定功率繼續工作，當另外一段掉線時，地線可以傳回反饋電流。

B2B變換器[12]，是兩端直接相連的HVDC直流輸電系統。除了直流輸電線路，B2B變換器的組成和HVDC直流輸電系統相同。和PST一樣，B2B變換器可以控制潮流，不同的是，它不受PST的移相和故障電流限制的控制。同時B2B變換器可以用來連網異步系統，PST則不行。

HVDC直流輸電系統和B2B變換器的功能都是通過晶閘管和門電極關斷器件完成的。門極關斷器件適用于較低的電壓等級，同時容量有所增加。晶閘管系統主宰HVDC直流輸電系統和B2B變換器市場。

3.3.6 變頻變壓器(VFT)

VFT在不使用直流變換器的情況下，實現了對B2B變換器的函數性模擬。通過改變轉子的轉矩可以改變從轉子到定子的潮流，轉矩的改變是通過變速驅動的驅動電動機完成的。VFT可以在將近0.5S的時間里將一個方向的全功率輸出潮流轉換180°并保持全功率。每個VFT的額定狀態都被設置成了100MV，但在短期的過載功率卻會超過150MW。

3.3.7 靜止同步串聯補償器(SSSC)

通過聯合使用串聯MSR和串聯MSC，這兩個系統的電子設備都采用了安裝門電路斷開系統逆變器，提高了輸出功能。不同的是，MSR/MSC組合時，SSSC可以提供子循環響應時間并積極減緩瞬態。使用電壓源逆變器，電壓被注入線正交的線電壓，電壓超前或滯后取決于線電流注入的無功控制是感性還是容性。次同步諧振的風險得以減輕。可以設計成地面安裝，并連接到經串聯變壓器的電路。

3.3.8 統一潮流控制器(UPFC)

UPFC[13]是STATCOM和SSSC的組合。二者共享一個共同的直流母線，從而允許出入有功和無功電源進線。UPFC能使用無功控制分流調節線路電壓控制和利用串聯電壓注入有功和無功潮流控制，能夠滿足對電力的技術性能要求。

表2 對上面討論的幾種無功控制器進行比較

4 新興技術

弱電交流變換器[14](TACC)作為新興技術，能夠克服潮流和無功控制的局限性。

為了提高電力電子基礎的控制成本效益和可靠性，提出了變換器的概念。TACC增強無緣電網資產，如電力線、并聯電容器或分流額定電壓變換器。在這個過程中，該資產被轉化進入執行類似于傳統仍柔性交流輸電系統(FACTS)動態可控資產設備。可靠性相對于傳統的FACTS有所改善，因為如果TACC出現故障，可以繞過留下被動資產投入服務，這被稱為故障正常運行。下面介紹三種TACC:智能線(SW)，可控電網變壓器(CNT)以及動態電容器(D－CAP)。該技術已經得到實驗室證明，目前正在擴展到有效電壓和功率級。

4.1 智能線路(SW)

一系列阻抗控制技術已經應用于潮流控制。最簡單的應用中，采用了幾個輸電線路上的獨立導體模塊。每個模塊都監視著線路電流，如果線路電流超過了閥值，模塊會主動將感應阻抗導入到線路中。其他模塊在不同電流水平注入阻抗，如圖6所示，每個模塊的中心都是一個單匝變壓器，在二次開放時注入感性阻抗。SW[15]模塊是自供電使用線電流，不需要模塊之間或與中央控制中心通信，該模塊的線定位操作不連接在地上，所以沒有隔離和變電站占地面積費用。

圖6 單匝變壓器電路圖

4.2 可控電網變壓器(VNT)

通過擴大現有的多鍵變壓器，這些多鍵變壓器裝有額定分流變換器，能夠同時控制母線電壓的幅值和相角。由于潮流控制通常需要較小改變系數參數，鑒于變壓器和完成變壓器有功和無功功率的獨立控制，對變換器分流額定。在CNT的控制范圍內，任何有功和無功功率組合都是可能的。CNT同時具備PST和LTC變壓器的功能。LTC變壓器經常被用來調節輸出電壓或無功控制，但是它不能調整相位角。CNT的反應明顯快于LTC或PST，有助于減輕瞬變。

4.3 動態電容(D－CAP)

如圖7所示，D－CAP結合了傳統的并聯電容器和小型過濾元件，并聯電容器帶有一對交流開關。開關通過占空比有效地改變控制總容量，能動態的改變電容值。可以在更短的周期內做出反應。DCAP配置了一個“升壓”的裝置，可以保持無功控制在電網電壓發生故障時持續向電網供電。SVC完全無法提供這種級別的電壓電網支持。此外，D－CAP能夠消除連接到電力系統的負載所產生的諧波，與該裝置消除諧波能力形成鮮明對比的是SVC，它能產生諧波，必須使用昂貴的空間密集過濾器去除諧波。

圖7 D－CAP電路圖

5 結束語

潮流控制是能源市場推動力，在特定路徑及較低的成本控制潮流的能力會給制度和市場層面帶來顯著的好處。構建適應可再生能源標準的新的輸電線的要求顯著降低。減少線路所有者可用容量的循環流動是可以控制的，突發事件時改善區域間支持可以提高電網的可靠性和穩定性。相關電網制造和運行成本可以更公平的分配。發電資產的所有者能將電賣給感興趣的客戶，尋找降低電網擁堵的途徑。總而言之，智能可控電網是實現更加環保、更加經濟有效的能源市場的關鍵要素。

本文討論了給輸電系統帶來額外壓力的新挑戰，以及減輕這些壓力的潛在方法。目前已有許多方法提供無功控制和電源流量的控制。這些方法都存在一定的缺陷，這就限制了它們的應用。使用分流額定控制元件的新興技術，可以顯著地克服缺陷，允許廣泛采用無功控制和流量控制。這些功能可以改變變壓器的操作系統，實現低成本和可再生能源的交付，允許具有競爭力的能源市場有效運作。