混合型背靠背智能軟開關技術

許濤， 葛雪峰， 竇竟銘， 史明明， 張宸宇， 繆惠宇

(1. 山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061;2. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；3. 中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

分布式電源的接入為配電網電壓管理帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[1—3]。傳統(tǒng)電壓調控技術(包括變壓器有載調壓以及基于聯(lián)絡開關的網絡重構技術)很難滿足有源配電網節(jié)點電壓的實時調控[4—5]。而電力電子補償設備，如動態(tài)電壓補償器、統(tǒng)一電能質量控制器以及統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)可實現(xiàn)配網潮流和電壓柔性控制[6—9]，是優(yōu)化有源配電網運行與控制的重要調控設備。

近年來，研究者提出一種可代替饋線間聯(lián)絡開關的智能軟開關(soft open point,SOP)設備[10—12]。SOP可有效實現(xiàn)饋線間的功率柔性互濟，靈活控制配網潮流，實現(xiàn)節(jié)點電壓和配網損耗等目標的綜合優(yōu)化管理[13—16]。SOP的主要結構有背靠背電力變換器和UPFC。相比UPFC，背靠背電力變換器較易實現(xiàn)故障隔離和供電恢復功能。故障隔離和供電恢復是配電網提高供電可靠性的重要技術需求[17—18]，因而SOP多采用背靠背電力變換器綜合提高有源配電網供電質量[12]。

對于常見的10 kV/10 MV·A等級的配網而言，數(shù)兆瓦級的SOP的柔性功率互濟效果已較為顯著，SOP設計容量一般小于線路額定容量。由此可見，SOP的供電恢復范圍受限于其自身容量大小，很難滿足全部停電用戶的供電恢復需求。文獻[19]提出借助于網絡重構技術以最大化恢復供電，但是該供電恢復技術仍無法保證全線路供電恢復且操作復雜，管理成本較高。

為此，文中提出一種低成本混合型背靠背SOP，由小功率AC/DC/AC背靠背電力變換器與負荷開關并聯(lián)組成。混合型背靠背SOP具備傳統(tǒng)SOP的多目標統(tǒng)一優(yōu)化調控、故障隔離和供電恢復等功能。線路正常供電時，由小功率背靠背電力變換器優(yōu)化調控潮流及電壓分布；線路故障后，混合型SOP通過閉合并聯(lián)負荷開關可恢復全線路供電，顯著增加了配網供電可靠性；故障清除后，背靠背電力變換器靈活調控流經負荷開關的潮流，可實現(xiàn)并聯(lián)負荷開關零電流開斷控制，有效降低開關成本，增加使用壽命。文中詳述了混合型SOP運行和控制技術，重點介紹了負荷開關零電流開斷的運行機理和控制原理。最后，結合Matlab/Simulink仿真測試了混合型背靠背SOP的故障隔離和供電恢復能力，同時驗證了負荷開關零電流開斷的有效性和可行性。

1 混合型背靠背SOP結構及工作模式

1.1 混合型背靠背SOP結構

如圖1所示，混合型背靠背SOP系統(tǒng)包括背靠背電力變換器以及并聯(lián)負荷開關；其中與饋線1、饋線2并聯(lián)的變換器分別為VSC1、VSC2。混合型SOP的主要工作模式包括：軟連接工作模式(文中將正常情形下，基于SOP的電壓、網損等多目標優(yōu)化調控的運行模式定義為軟連接工作模式)、故障隔離與供電恢復工作模式和零電流開斷負荷開關工作模式。

圖1 混合型背靠背SOP接入有源配電網示意Fig.1 Schematic diagram of hybrid back-to-back SOP connected in the active distribution network

1.2 軟連接工作模式

軟連接工作模式時，負荷開關保持開斷狀態(tài)，由背靠背電力變換器調控配網潮流及電壓分布。背靠背電力變換器主要實現(xiàn)下述功能:(1) 規(guī)范節(jié)點電壓偏差在標準范圍內，同時平抑因分布式電源出力和負荷變化引起的電壓波動；(2) 最小化線路損耗，實現(xiàn)配網經濟運行[20]：

(1)

1.3 故障隔離與供電恢復工作模式

若饋線2發(fā)生短路故障，背靠背電力變換器阻斷短路電流流向饋線1，避免故障范圍擴大化。故障隔離期間，為維持變換器VSC2不脫網，同時減少線路短路電流，VSC2輸出功率降為0。由于饋線間交換功率發(fā)生突變，饋線1各節(jié)點電壓會出現(xiàn)不同程度波動。若VSC1輸出功率滿足下述關系，饋線1電壓損耗將保持不變(由于線路首末端電壓相位差較小，文中近似認為電壓降落的縱分量等于電壓損耗)：

(2)

式中：VN為額定電壓；PVSC1_r，QVSC1_r分別為軟連接工作期間VSC1輸出有功、無功功率；QVSC1_g為故障隔離期間VSC1輸出無功功率；R0，X0分別為單位長度線路等值電阻、電抗。則故障隔離期間VSC1輸出無功功率為：

(3)

式中：SN為VSC1、VSC2額定容量。依據式(3)調整VSC1輸出無功功率大小，可最小化饋線1各節(jié)點電壓波動幅度。并且，由于故障隔離工況持續(xù)時間較短，不計及分布式電源和負荷的大范圍波動，VSC1輸出無功功率一般僅調整1次。

如圖2所示，故障隔離后，系統(tǒng)立即閉合并聯(lián)負荷開關，恢復故障線路供電。電能由非故障線路經負荷開關傳輸?shù)焦收暇€路，而背靠背電力變換器不充當電能傳輸媒介。供電恢復期間，線路壓降較大，節(jié)點電壓偏差較為嚴重。因而，背靠背電力變換器向線路提供無功功率以補償負荷節(jié)點電壓偏差，后續(xù)將詳述供電恢復期間背靠背電力變換器的無功補償策略。

圖2 基于混合型SOP的供電恢復運行示意Fig.2 Schematic diagram of power recovery operation by assuming the hybrid SOP

如圖3所示，供電恢復運行狀態(tài)下，混合型SOP兩輸出端可看作同一節(jié)點，且混合型SOP位于節(jié)點1m。

圖3 故障恢復期間配網電壓分布示意Fig.3 Schematic diagram of voltage distribution during the power recovery operation

線路各節(jié)點電壓幅值為：

(4)

式中：l1k，l1m為節(jié)點1k，1m至線路首端長度；QSOP為背靠背電力變換器輸出無功功率；V′1k，V′2j表示背靠背電力變換器輸出無功功率為Q′SOP時，節(jié)點1k，2j的電壓幅值。目標函數(shù)λ最小值可表示為[20]：

(5)

背靠背電力變換器通過實時控制輸出無功功率QSOP大小以優(yōu)化節(jié)點電壓水平。此外，若饋線1發(fā)生故障，故障隔離和供電恢復的運行與控制策略與上述類似。

1.4 零電流開斷負荷開關工作模式

故障排除后，混合型SOP應開斷負荷開關，切換至軟連接工作模式，恢復SOP的潮流和電壓調節(jié)能力。由于負荷和分布式電源分布不一致，饋線間將產生一定的循環(huán)功率，開斷并聯(lián)負荷開關須承擔一定的投切成本。為此，文中提出了負荷開關零電流開斷技術。

閉環(huán)運行狀態(tài)下，混合型SOP兩輸出端可看作同一節(jié)點，且背靠背電力變換器VSC1、VSC2輸出功率分別為SVSC1，SVSC2。若忽略SOP系統(tǒng)損耗，背靠背系統(tǒng)輸出功率滿足：

(6)

式中：PVSCi，QVSCi分別為VSCi輸出有功、無功功率(i=1,2)；QSOP_K為背靠背電力變換器的輸出無功功率。如圖4所示，SOP背靠背電力變換器可等效為輸出功率為QSOP_K的無功補償器。

圖4 有源配電網閉環(huán)運行潮流示意Fig.4 Schematic diagram of power flow of active distribution network under loop closing operation

為論述方便，文中將閉環(huán)運行狀態(tài)下，饋線間潮流方向設定為由饋線1流向饋線2。則節(jié)點1m注入SOP的功率為[9]：

(7)

lT=l1m+l2n

(8)

(9)

圖5 混合型SOP與饋線功率交換示意Fig.5 Schematic diagram of power exchange between SOP and feeders

(10)

依據式(7)和式(10)可知，背靠背電力變換器輸出功率參考值滿足下述方程時，流經并聯(lián)負荷開關電流為0：

(11)

式中：PVSCi_ref，QVSCi_ref分別為變換器VSCi(i=1,2)的輸出有功、無功功率參考值。通過控制饋線間交換功率全部流經背靠背電力變換器，使流過并聯(lián)負荷開關潮流為0，從而實現(xiàn)負荷開關零電流開斷控制。

2 混合型背靠背SOP控制方法

如圖6所示，混合型SOP控制系統(tǒng)由功率控制回路與電流控制回路組成[12]。并且，混合型SOP的一個電力變換器采用PQ控制模式，另一電力變換器為Vdc/Q控制模式；同時電流控制回路采用傳統(tǒng)的dq解耦控制[21]。混合型SOP克服了傳統(tǒng)SOP基于不同工作模式，切換控制方式的缺陷[12]，且控制系統(tǒng)較為簡單。混合型SOP控制系統(tǒng)的關鍵在于不同工作模式下功率參考值的實時優(yōu)化求解。

圖6 混合型SOP控制Fig.6 The control block of hybrid SOP

軟連接工作模式下，式(1)所示的目標函數(shù)存在3個變量(PSOP_ref，QVSC1_ref，QVSC2_ref)，通過粒子群優(yōu)化算法可實時快速求解功率參考值PSOP_ref，QVSC1_ref，QVSC2_ref的大小。故障隔離期間(以饋線2發(fā)生故障為例)，有功功率參考值PSOP_ref以及VSC2輸出無功參考值QVSC2_ref均為0；VSC1輸出無功功率參考值如式(3)所示。故障隔離期間電力變換器主要控制目標為：保持VSC2不脫網，具備故障穿越能力；平抑饋線1各節(jié)點電壓波動。類似地，若饋線1發(fā)生故障，則有：

(12)

式中：PVSC2_r，QVSC2_r分別為軟連接工作期間VSC2輸出有功、無功功率。

供電恢復期間，背靠背電力變換器有功功率參考值為0，并且背靠背系統(tǒng)輸出無功功率QSOP可由式(5)所示的目標函數(shù)優(yōu)化求解，則VSC1、VSC2輸出功率參考值為：

QVSC1_ref=QVSC2_ref=QSOP/2

(13)

零電流開斷負荷開關工作模式下，背靠背電力變換器輸出功率參考值如式(11)所示，則求解功率參考值的關鍵在于計算自然交換功率。執(zhí)行開斷負荷開關操作的初始時刻，背靠背電力變換器工作在供電恢復模式，且輸出無功功率為QSOP。通過式(7)可推導出自然交換功率為：

(14)

式中：PK，QK分別為初始時刻流經負荷開關有功、無功功率。背靠背電力變換器輸出穩(wěn)定時，待開斷功率小于臨界閾值ζ，系統(tǒng)立即執(zhí)行零電流開斷操作。若饋線間交換功率大于背靠背電力變換器額定容量SN，負荷開關無法實現(xiàn)零電流開斷。此時，經背靠背電力變換器分流后，負荷開關的開斷電流已大幅降低，系統(tǒng)此時執(zhí)行開斷操作對負荷開關的壽命折損影響不大。另一方面，調度系統(tǒng)也可以等待一定時間待饋線上電源和負荷變化后，饋線間交換功率小于背靠背電力變換器額定容量再發(fā)出開斷指令，最終實現(xiàn)零電流開斷操作。

3 仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建了圖7所示的10 kV有源配電網仿真模型，包含了線路阻抗參數(shù)及各節(jié)點功率值。110 kV變壓器額定容量為10 MV·A；混合型SOP中背靠背電力變換器經隔離變壓器接入饋線，電力變換器的額定容量和額定電流分別為400 kV·A，33 A。仿真主要驗證了混合型SOP的供電恢復能力，和負荷開關零電流開斷方法的有效性和可行性。

圖7 基于混合型SOP的配網仿真模型Fig.7 The overall control block of hybrid SOP

如圖8所示，軟連接工作模式下(0～0.2 s時)，VSC1、VSC2輸出功率分別為-315+j200 kV·A，315+j200 kV·A；SOP優(yōu)化調控前后線路損耗分別為210 kW，175 kW，則基于小容量混合型SOP的節(jié)能降損效果較為明顯。t=0.2 s時，饋線2發(fā)生三相短路故障，故障位置位于節(jié)點2，混合型SOP立即運行至故障隔離模式。VSC2的輸出功率突降為0，同時VSC1輸出無功調整為380 kvar。故障隔離期間，饋線1維持正常供電，且各節(jié)點電壓波動幅度較小。t=0.4 s時，斷路器QF12、QF21跳閘，故障被隔離，同時節(jié)點1恢復供電。t=0.6 s時，系統(tǒng)閉合SOP并聯(lián)負荷開關，全線路恢復供電。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，混合型SOP于t=0.8 s時注入約760 kvar的感性無功功率，有效改善了節(jié)點2、3、4電壓偏差較為嚴重的情形。t=1.0 s時短路故障被清除，調度系統(tǒng)立即向混合型SOP發(fā)送開斷負荷開關指令。

圖8 混合型SOP波形Fig.8 Waveforms of hybrid SOP

t=1.1 s時，系統(tǒng)開始執(zhí)行開斷操作，VSC1、VSC2的輸出功率參考值為-320+j10 kV·A， 320-j10 kV·A，負荷開關待開斷電流被迅速調控至0，執(zhí)行開斷操作。

混合型SOP背靠背電力變換器響應速度快，可適應不同工作模式的快速切換。以零電流開斷控制為例，如圖9所示，t=0.9 s時，VSC2由閉環(huán)運行的無功補償模式切換到零電流開斷調控模式。VSC2輸出電流在一個工頻周期內達到穩(wěn)定，暫態(tài)響應良好。

圖9 零電流開斷期間VSC2輸出電壓和電流波形Fig.9 Waveforms of VSC2 output voltage and current under the zero-current turning-off operation

4 結語

文中提出的低成本混合型SOP由背靠背電力變換器與負荷開關并聯(lián)構成。該結構有效增強了配網故障恢復能力，彌補了傳統(tǒng)SOP供電恢復能力差的技術短板。并且，基于文中提出的負荷開關零電流開斷控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)負荷開關零電流開斷，有效降低負荷開關的投入和運行成本。最后，混合型SOP的供電恢復能力與零電流開斷技術均在仿真試驗中得到了有效驗證。

本文得到國網江蘇省電力有限公司科技項目(J2019126)資助，謹此致謝！