基于SNOP的配電網合環倒負荷控制策略研究

張宏俊，胡慧，郝麗萍，瞿楊全，彭仕倫

(貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州 六盤水553000)

目前，國內配電網主要采用“閉環設計，開環運行”的供電模式，當某一饋線或設備需停電檢修時，可采用合環倒閘操作的方式實現負荷的不停電轉供，從而提高供電的可靠性和連續性[1]。然而，在電網的實際規劃建設中，出于供電可靠性和供電風險管控等考慮，往往將一個配電變電站的電源點分配至不同的110kV變電站甚至220kV變電站。以35kV變電站為例，正常運行方式主要有明備用和暗備用兩種，在進行合環倒負荷時，會形成110kV-35kV或220kV-35kV甚至500kV-35kV的電磁環網，若產生的合環電流過大，很可能會使某些設備過載而嚴重威脅設備的安全運行[2]。對此，通常需在合環前對合環電流進行計算評估以判斷是否宜進行合環操作，如采用P-Q分解法、概率潮流法、全電流數學模型等[3-5]，但上述方法只能對合環電流進行預評估，無法從根本上解決某些情況下合環電流過大的問題。此外，對于某些合環路徑較復雜的倒負荷情形，有的做法是采用“停電倒閘”的方式將負荷進行轉供，以損失用戶供電的連續性來換取電網的安全性[6]。然而，當停電線路或設備在復電時，為恢復電網的原運行方式，仍采用“停電倒閘”方式將負荷倒回至原系統供電，進而造成用戶的二次停電。交直流混合配電網可采用合環運行方式，通過對換流器進行適當的控制，比較容易實現用戶的不停電轉供，但交直流配電網目前仍處于研究或示范性工程階段，尚未大規模推廣建設[7-14]，且其中直流配電網的固態斷路器等設備仍面臨一定的技術難題[15-16]。

SNOP(soft normally open point)是一種基于電力電子裝置的電網聯絡開關，若將SNOP代替或接入變電站的傳統聯絡開關TS，則可實現電網開口點兩側電力系統的解耦閉環運行，進一步可實現優化潮流和改善電壓水平等功能[17-20]。

本文提出了一種基于SNOP的配電網變電站接線方式及倒負荷控制策略。首先，介紹了SNOP的基本原理和接入方式，以PQ控制為例，說明了換流器與電網之間的時域數學模型及其控制方式。然后，根據倒閘操作特點詳細說明了電網合環倒負荷過程中的SNOP控制方式。最后，建立了基于SNOP的220kV-35kV電網電磁暫態仿真模型及相關控制模型，并將其與基于常規開關的電網模型進行了仿真對比分析，從合環潮流(電流)可控能力和連續轉供電能力等方面驗證了所提方法的可行性和有效性。

1 SNOP的基本原理和接入方式

SNOP裝置主要有統一潮流控制器型(UPFC)、背靠背電壓源型換流器型(B2B VSC)和串聯補償器型(SSSC)三種。其中，B2B VCS型在風力發電等應用最為廣泛，文中也主要采用B2B VCS型，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 基于B2B VSC型的 SNOP拓撲結構Fig.1 Circuit topology of SNOP based on B2B VSC

(1)

由式(1)可知，若能適當地控制SNOP的輸出電壓，就能夠對兩系統之間的合環電流進行有效控制。當控制SNOP輸出電壓與電網電壓相同時，合環電流可控制為零。

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，若能采用適當的控制策略對VSC2輸出的電壓大小和相位進行控制，則可實現兩個交流系統之間的潮流四象限交互運行，從而達到電網閉環解耦運行的目的。

SNOP接入變電站可有完全替代常規開關和與常規開關并聯接入兩種方式。第二種接入方式中常規開關可在SNOP停電檢修維護時起到備用開關的作用。以35kV變電站為例，設其分段開關為正常運行方式下的開口點，則與傳統開關并聯接入的接線圖如圖2所示。

圖2 SNOP在35kV變電站的接入方式Fig.2 Access mode of SNOP in 35kV substation

SNOP接入變電站后有閉環運行與開環運行兩種方式。閉環運行時，SNOP主要起到潮流調控作用，且在進線故障跳閘時能迅速切換運行方式以保障對負荷的繼續供電，但具有一定的開關損耗；開環運行時，SNOP處于停用狀態，可減少損耗，在需要合環倒負荷時再啟動投運，但在進線故障跳閘時備用開關或SNOP投入運行具有一定的時間間隔。此外，SNOP接入電力系統后需對相關設備進行保護配置和整定，具體可以借鑒交直流配電網或主動配電網等相關研究[23-24]。

2 各種運行狀態中的SNOP控制策略

SNOP接入電網后，其輸出交流電壓是以直流側電壓為基準的開關函數，若采用PWM或SVPW等調制方式，并經濾波后可得到三相正弦電壓。

2.1 換流器數學模型及其控制

SNOP中換流器的控制策略以控制目標進行分類主要有直流電壓無功控制(Udc-Q控制)、有功無功控制(PQ控制)、交流電壓頻率控制(V/f控制)和下垂控制等[25-28]。下面以換流器與電網的時域數學模型為例對PQ控制進行說明。

設交流電網相電壓為uga，ugb,ugc；換流器輸出電壓為ua，ub，uc；換流器輸出電流為ia，ib，ic；換流器與電網之間的連接電感和電阻分別為L和R。可得電網與換流器在三相靜止坐標系下的電壓方程為[28]

(4)

對式(4)做Park變換，并以網側電壓ug為定向，可得在同步旋轉坐標系下的電壓方程為

(5)

式中：id和ia分別為換流器的d軸和q軸電流；ω為電網電角頻率；ugd為電網電壓ug的d軸分量，且ugd=ug；ud和ua分別換流器輸出電壓的d軸和q軸分量。

進而可得同步旋轉坐標系下的功率方程為

(6)

式(6)表明，若分別對換流器輸出電流的d、q分量進行控制，就能夠實現其輸出有功功率、無功功率的獨立控制。但由式(5)可知，換流器輸出電流的d、q分量除受ud、qa的控制外，還受電流耦合項的影響，即控制其中一項分量同時會改變另一項分量。為實現PQ的解耦控制，可采用前饋補償作解耦處理。

(7)

2.2 合環倒負荷的SNOP控制方式

當電網正常運行時，系統即可開環運行，也可通過SNOP實現閉環運行。若為閉環運行方式，SNOP中一個換流器采用Udc-Q控制，主要控制直流側電壓穩定，另一個換流器則采用PQ控制，主要控制換流器輸出或吸收的有功、無功功率，以實現兩系統之間潮流的實時、連續控制。

為實現電網的經濟性運行，如圖2所示，假設進線1的線路電阻為R1，進線2的線路電阻為R2，兩條進線所供負荷的總電流為I，設I1為經過SNOP潮流調節后進線1的電流，此時，兩條進線的線損可表示為

(8)

根據式(8)，可求解線損P取最小值時進線1輸出電流的最優解為

(9)

若兩條進線的型號和長度相同，由式(9)可知，當通過SNOP進行潮流控制使得進線1和進線2的輸出電流相等時，即通過均衡饋線出力，可以使兩條進線的線路損耗達到最小。

此外，當進線2所饋母線上有光伏等分布式電源接入時，對于傳統電網，若分布式電源發電較多，多余的電能會通過饋線2倒送至電網。對于接入SNOP的電網，可通過SNOP的潮流調節功能可將分布式電源多發的電能直接送至饋線1所饋母線，使分布式電源盡可能就地消納，減少電能“彎道”傳輸造成的線損，此時SNOP起到“電力閥門”的作用。

當進線需檢修停運或因故障停運時，若直接在進線開關(301開關)處解環，由于PQ控制無法滿足電壓頻率要求，當輸出的功率與負荷不匹配時，可能會導致35kVⅠ母線失穩，因此需將VSC1的控制及時切換為V/f控制，以實現從聯網運行到孤島運行的平滑過渡。SNOP正常側換流器則采用Udc-Q控制，為逆變側提供直流電壓穩定和平衡功率流動，停電側換流器則采用V/f控制，主要控制換流器輸出電壓和頻率大小，可為停電側母線提供電壓和頻率支撐，從而實現負荷的不間斷轉供電。

當進線由停電恢復供電時，SNOP孤島側換流器可采用并網控制，即通過采集線路電壓和母線電壓，以線路電壓為控制目標，控制母線電壓的大小、相位及頻率與線路電壓相同，再通過閉合進線開關以實現電網從孤島運行到聯網運行的平滑過渡。

圖3 SNOP的主要幾種控制策略框圖Fig.3 Block diagram of the main control strategies for SNOP

這里結合圖2和圖3對基于SNOP的配網合環倒負荷控制策略作進一步說明：

當進線由運行轉檢修時，設系統經過SNOP處于閉環運行狀態，其中，VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用PQ控制，此時SNOP可參與系統的潮流調控。為避免非同期合閘，斷開進線301開關后，立即將VSC1由PQ控制切換為V/f控制，其中的電壓及頻率取為標準電壓和頻率，使SNOP所供系統運行在孤島模式，與傳統孤島模式不同，此時SNOP的電能來源于另一側電網，當負荷增加時會反映到SNOP的直流側電壓降低，但由于VSC2采用的是Udc-Q控制，會通過從另一交流側吸收更多功率來維持直流電壓穩定，因此其輸出功率的穩定性較好，對負荷的自適應性和供電可靠性較高。而傳統孤島模式一般僅由部分電廠提供電能，特別對于一些分布式清潔能源，其輸出功率受自然條件影響較大，因此其輸出功率的穩定性較差，可能需要限制負荷等措施來保證供需平衡或減少波動。

當進線由檢修轉運行時，VSC1交流側為孤島運行，即VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用V/f控制，為恢復電網的原運行方式，需將VSC1交流側系統由孤島運行切換為聯網運行，即在閉合進線301開關前，先將V/f控制中的給定電壓和頻率切換為跟蹤電網的電壓V1和頻率f1，使換流器VSC1輸出電壓大小和頻率與電網電壓大小和頻率相同。此時，電壓及頻率滿足并網要求，但可能存在相位差，因此需引入頻率擾動控制環節，通過將VSC1輸出電壓相位控制至與電網電壓相位相同，再合上進線301開關完成并網操作。聯網運行后再將VSC1的V1/f1控制切換為PQ控制來參與系統的潮流調節，或直接閉鎖SNOP使其停運。

上述各運行狀況下的控制策略如表1所示。

表1 各運行狀況下的控制策略Tab.1 Control strategies under different operating conditions

3 算例仿真分析

圖4 仿真算例電網結構圖Fig.4 Grid structure diagram of simulation example

(1)常規電網的倒負荷情形

當進線或進線開關需停電檢修時，為實現負荷的不停電轉供，可采用合環倒閘方式將變電丙站35kVⅠ母線所帶負荷倒由B系統供電，如在1s時，通過閉合丙站35kV分段310開關進行合環，其仿真結果如圖5所示。

圖5 常規電網合環電流仿真結果Fig.5 Simulation results of loop closing current in conventional power network

圖中，I0為A相合環電流。I1為甲丙線A相電流，I2為乙丙線A相電流。由仿真結果可知，由于分段310開關兩側系統存在電壓相量差，當直接閉合310開關時，產生了較大的合環電流，其有效值約為547A，而甲丙線路的電流有效值達到約577A，乙丙線路電流有效值約為502A，對于LGJ185或LGJ240等導線，已造成線路過載，很可能會嚴重威脅設備安全運行。因此，其倒負荷一般采用“停電倒”的方式，即先斷開進線301開關，再閉合分段310開關，這樣雖然能避免合環電流造成的線路過載，但對用戶造成了短時停電。

(2)基于SNOP的合環倒負荷情形

設正常運行時，SONP為閉鎖狀態，設1s時，啟動SNOP，其中VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用PQ控制，控制輸出潮流使得兩35kV饋線出力相同。2s時，斷開進線301開關，同時將VSC1控制切換為V/f，其中電壓參考值取為35kV，頻率取為50Hz。此后可將線路停電進行檢修工作。上述過程的仿真結果如圖6所示。

(a)SNOP傳輸功率及甲丙線、乙丙線功率(a)Transmission power of SNOP and the power of Jia-Bin line and Yi-Bin line

圖中，P0為SNOP傳輸功率，P1為甲丙線傳輸功率，P2乙丙線傳輸功率。由仿真結果可知，投入SNOP運行且采用PQ控制時，可控制兩進線出力均在2MW左右，此時，合環電流峰值不到80A，合環運行時的電流得到了有效控制，避免了傳統交流合環造成的線路過載現象。若有需要，合環電流大小也可根據調控后臺給定PQ參考值進行控制。當需要將線路轉檢修時，如在仿真中2s時刻，在斷開進線開關的同時將PQ控制切換為V/f控制，SNOP傳輸功率由1MW提高到3WM，從而實現了用戶的不停電轉供，保障了倒閘操作過程中對用戶供電的可靠性和連續性。

(3)基于SNOP的恢復原方式倒閘情形

設甲丙線檢修工作已結束，且已送電至丙站301開關處開口熱備用，在合上丙站301開關前，啟動SNOP的并網控制，當檢測滿足并網條件后自動合上301開關，以完成并網操作。上述過程的仿真結果如圖7所示。

圖7 基于SNOP的并網仿真結果Fig.7 Simulation results of grid-connection based on SNOP

由仿真結果可知，SNOP在并網前，其輸出電壓與電網電壓存在較大的相位差，，采用并網控制后，使得相位差在短時間內逐漸縮小，當滿足并網條件后即可自動并網，完成孤網到聯網運行的平滑過渡，無須像傳統電網那樣可能采取“停電倒閘”的方式恢復系統的正常運行方式，提高了供電的可靠性和連續性。

4 結論

配電網合環倒閘操作是實現用戶不停電轉供的重要手段，但傳統交流電網合環由于合環電流不可控，可能產生較大的合環電流，在安全性和可靠性等方面存在不足。本文通過用SNOP替代傳統聯絡開關，對SNOP的原理和接入變電站方式進行了研究和探討，詳細說明了SNOP的數學模型及在各種工況下的控制方式，并根據倒閘操作的特點，在倒閘操作和恢復原方式過程中綜合運用PQ控制、Udc-Q控制、V/f控制及并網控制等控制策略對SNOP進行控制，通過仿真算例驗證了所提方案能夠有效控制合環倒閘操作過程中的合環電流大小，實現了配電網的安全不停電倒閘操作，保障了電網合環運行的安全性和對用戶供電的可靠性及連續性。