配電網(wǎng)柔性開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢

楊　歡, 蔡云旖, 屈子森, 鄧　焰, 陸　翌, 趙榮祥

(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 浙江省杭州市 310027; 2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 浙江省杭州市 310014)

0　引言

為了轉(zhuǎn)變以化石能源為主的全球能源格局[1-2],以風(fēng)能、太陽能為代表的可再生能源日益獲得重視與應(yīng)用推廣[3-5]。隨著分布式可再生能源正急劇涌現(xiàn)與快速增長,伴隨電動汽車為代表的新型負(fù)荷的大規(guī)模接入[6],電源結(jié)構(gòu)不斷變化、電源種類持續(xù)增加、負(fù)荷特性日益多樣,已對配電網(wǎng)造成廣泛而深遠(yuǎn)的影響。主要表現(xiàn)為：功率流向日趨復(fù)雜,負(fù)載波動加劇;短路電流增大,設(shè)備選型困難且壽命縮短;電壓越限等電能質(zhì)量問題日益突出、供電可靠性降低;配電網(wǎng)繼電保護(hù)靈敏度變化,造成保護(hù)的誤動和拒動等[7-10],已嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及運(yùn)行的安全性。為保證電能質(zhì)量以及供電可靠性,配電系統(tǒng)的架構(gòu)及模式正在發(fā)生重大變化[11]。為進(jìn)一步解決這些問題,確保配電網(wǎng)的電能質(zhì)量及供電可靠性,主動配電網(wǎng)技術(shù)以及各種面向配網(wǎng)的電力電子設(shè)備得到了各國學(xué)者的重視[12-14],而其中柔性開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)逐漸成為配電網(wǎng)領(lǐng)域一個新的研究熱點(diǎn)。

近些年,國內(nèi)外學(xué)者開始高度關(guān)注柔性開關(guān)設(shè)備對于配電網(wǎng)的影響及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)[15]。2007年日本電力工業(yè)中央研究院提出環(huán)網(wǎng)平衡控制器(loop balance controller,LBC)[16]的概念,借助IGBT串聯(lián)技術(shù)與背靠背電壓源型變流器拓?fù)?完成了6.6 kV/1 MVA的裝置投運(yùn)與示范應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了兩條互聯(lián)饋線之間的負(fù)載均衡,提高了饋線末端電壓調(diào)節(jié)能力。同年,荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)提出了IN(intelligent node)[17]的概念。2010年英國帝國理工學(xué)院提出了SNOP(soft normally open point)概念,被認(rèn)為有望部分替代配電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)、分段開關(guān)等開關(guān)設(shè)備[18-19],因此可視為柔性開關(guān)設(shè)備的雛形。

柔性開關(guān)設(shè)備是一種可在配電網(wǎng)若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上替代傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的新型柔性一次設(shè)備。與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)相比,不僅具備通和斷兩種狀態(tài),而且沒有傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)動作次數(shù)的限制,增加了功率連續(xù)可控狀態(tài),兼具運(yùn)行模式柔性切換、控制方式靈活多樣等特點(diǎn)。目前,國內(nèi)外有關(guān)柔性開關(guān)設(shè)備的研究剛剛起步,關(guān)于柔性開關(guān)設(shè)備的裝置研發(fā)、調(diào)控技術(shù)、系統(tǒng)接入等方面的難題亟待解決。

本文圍繞柔性開關(guān)設(shè)備基本原理與特點(diǎn),針對中壓配電網(wǎng)應(yīng)用場合總結(jié)得到柔性開關(guān)設(shè)備的六種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),重點(diǎn)圍繞背靠背柔性開關(guān)設(shè)備探討了柔性開關(guān)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、控制保護(hù)以及系統(tǒng)接入的關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)合當(dāng)前在建的示范工程,對柔性開關(guān)設(shè)備發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1　柔性開關(guān)設(shè)備基本原理與特點(diǎn)

基于全控型電力電子器件的柔性開關(guān)設(shè)備,能夠快速響應(yīng)控制指令[20-21],不受傳統(tǒng)機(jī)械式聯(lián)絡(luò)開關(guān)動作次數(shù)的限制,運(yùn)行壽命更長[22-23]。柔性開關(guān)設(shè)備能夠在其自身容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)時連續(xù)地調(diào)節(jié)流經(jīng)的功率,促進(jìn)饋線負(fù)載分配的均衡化,滿足分布式電源消納、高供電可靠性等定制電力需求,避免了傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒閘操作引起的供電中斷、合環(huán)沖擊等問題,提高了配電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、靈活性。背靠背電壓源型變流器(back to back voltage source converter,B2B VSC)是最為常見且通用的變流器結(jié)構(gòu)。本文以B2B VSC為例對柔性開關(guān)設(shè)備的基本原理與特點(diǎn)進(jìn)行說明。

1.1　柔性開關(guān)設(shè)備的基本原理

柔性開關(guān)設(shè)備通過實(shí)時監(jiān)測兩端/多端饋線狀態(tài),通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷向低負(fù)荷率饋線的轉(zhuǎn)移,使得低負(fù)荷饋線能夠分擔(dān)重負(fù)荷饋線的壓力,從而優(yōu)化系統(tǒng)潮流。為實(shí)現(xiàn)柔性開關(guān)設(shè)備各端饋線的負(fù)荷均衡化,必須要根據(jù)控制目標(biāo)對各端變流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,通過B2B VSC實(shí)現(xiàn)有功功率的雙向流動,以及無功功率的受控補(bǔ)償[24]。

圖1(a)為雙端柔性開關(guān)設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)端對端的饋線互聯(lián)。然而隨著配電網(wǎng)的升級以及負(fù)荷的快速、不均衡發(fā)展,雙端柔性開關(guān)設(shè)備不能滿足復(fù)雜環(huán)境下多配電區(qū)域互聯(lián)的要求。另外,雙端柔性開關(guān)設(shè)備如果一端出現(xiàn)故障時,將無法調(diào)節(jié)饋線間的有功。因此,在雙端柔性開關(guān)設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展出如圖1(b)所示的多端柔性開關(guān)設(shè)備。多端柔性開關(guān)設(shè)備是指連接多端(3個及以上)饋線的柔性開關(guān)設(shè)備,相比于雙端柔性開關(guān)設(shè)備,多端柔性開關(guān)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多條饋線連接,降低了建設(shè)成本,經(jīng)濟(jì)性顯著提高。并且,當(dāng)多端柔性開關(guān)設(shè)備某一端由于故障而退出運(yùn)行時,其余變流器通過柔性切換工作模式,可繼續(xù)支撐電網(wǎng)的正常運(yùn)行,更為靈活和可靠。

多端柔性開關(guān)設(shè)備的配電網(wǎng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合方式增多,并且隨著端口數(shù)與應(yīng)用電壓等級的增加,電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型就愈加復(fù)雜?；诙喽巳嵝蚤_關(guān)設(shè)備的配電網(wǎng)在仿真建模、運(yùn)行優(yōu)化、控制保護(hù)、系統(tǒng)接入等關(guān)鍵技術(shù)方面頗具難度[25],因此,對于變流器的功率控制與分配、環(huán)流抑制、運(yùn)行模式切換、電能質(zhì)量控制等方面的內(nèi)容需要進(jìn)行更深一步的分析,以滿足運(yùn)行控制策略的穩(wěn)定性與有效性。

圖1　柔性開關(guān)設(shè)備Fig.1　Soft open point (SOP)

1.2　柔性開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)

柔性開關(guān)設(shè)備可視為定制化電力電子設(shè)備的一類。與傳統(tǒng)的定制化配電網(wǎng)靈活交流輸電(distribution flexible AC transmission system,DFACTS)設(shè)備相比,其功能更為全面,特點(diǎn)更為鮮明。表1從有功、無功的控制與運(yùn)行范圍、故障恢復(fù)等方面,將以B2B VSC為例的柔性開關(guān)設(shè)備與傳統(tǒng)的DFACTS設(shè)備進(jìn)行了比較。

從表1可以看出,多端柔性開關(guān)設(shè)備與雙端柔性開關(guān)設(shè)備不僅都能實(shí)現(xiàn)異步互聯(lián),且能通過控制全控型電力電子器件來控制配電網(wǎng)中的有功與無功,但其無功功率上限受饋線電壓約束。

表1　柔性開關(guān)設(shè)備與DFACTS設(shè)備的比較[20]Table 1　Comparison of SOP and DFACTS

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)通過一組變流器連接到某一饋線的末端,可以提供無功功率支撐,但不能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)中有功功率的控制。因此,對于STATCOM而言,饋線間負(fù)載的平衡以及故障恢復(fù)都無法實(shí)現(xiàn)。統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)串聯(lián)側(cè)部分相當(dāng)于一個交流電壓源,向配電網(wǎng)中注入相角與幅值都可變的交流電壓。由于其并聯(lián)側(cè)的存在,配電網(wǎng)中的UPFC可以控制其兩端饋線流過的有功功率與無功功率。靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator,SSSC)可以看作UPFC的串聯(lián)側(cè)部分,通過耦合變壓器串聯(lián)接入系統(tǒng)中,控制電力電子器件的通斷發(fā)出或吸收所需要的無功功率,改變了注入配電網(wǎng)的電壓幅值與相角來改變配電網(wǎng)的潮流[26-27]。UPFC與SSSC的有功、無功運(yùn)行范圍是不對稱曲線,這是由于其有功、無功的控制范圍不僅受到器件容量的限制,還與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、運(yùn)行條件以及設(shè)備安裝位置有關(guān)。

因此,與傳統(tǒng)的定制化電力DFACTS設(shè)備相比,柔性開關(guān)設(shè)備不僅能實(shí)現(xiàn)異步互聯(lián),進(jìn)行實(shí)時連續(xù)的功率調(diào)節(jié),促進(jìn)負(fù)載分配的均衡化,還能實(shí)現(xiàn)饋線之間的解耦控制,在故障的情況下,能快速隔離故障,確保關(guān)鍵負(fù)荷不間斷供電以及迅速恢復(fù)供電。

2　柔性開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

2.1　柔性開關(guān)設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在滿足特定場合的應(yīng)用需求情況下,采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時,柔性開關(guān)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)的電壓等級、容量范圍以及運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)效益都不相同。以中壓配電網(wǎng)為例,傳統(tǒng)兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足如表2所示的中壓配網(wǎng)應(yīng)用場合的容量和電壓要求,需要通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來突破現(xiàn)有主流開關(guān)器件在容量和耐壓方面的限制,適應(yīng)多條/多電壓等級饋線互聯(lián)的需求。本文以柔性開關(guān)設(shè)備在中壓配電網(wǎng)場合的應(yīng)用為背景,總結(jié)了多種代表性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

表2　10 kV饋線傳輸容量與供電區(qū)域[28]Table 2　Transmission capacity and supply area of 10 kV distribution network

1)六邊形交—交型模塊化多電平變流器

德國漢諾威大學(xué)于2011年提出了一種新型的三相六邊形交—交型模塊化多電平變流器[29]，稱為Hexverter,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。Hexverter分為兩個系統(tǒng),由六個完全相同的橋臂構(gòu)成,通過相間與橋臂間的連接,每一個三相系統(tǒng)中的任意相都將通過兩個橋臂實(shí)現(xiàn)與另一三相系統(tǒng)的兩相連接。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中,已有學(xué)者給出了Hexveter相應(yīng)的控制策略[30],總體上還處于研究起步階段。清華大學(xué)李永東團(tuán)隊(duì)提出了一種基于最優(yōu)環(huán)流與中性點(diǎn)電壓注入的橋臂能量控制方法,能夠有效地平衡六邊形變流器各橋臂能量,并降低電容電壓波動[31]。在連接兩個獨(dú)立三相交流系統(tǒng)時,相比于MMC,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在器件數(shù)量方面大幅度降低,有效減少了設(shè)備體積以及生產(chǎn)成本,且更適合在低頻大容量傳動領(lǐng)域的應(yīng)用[32]。然而這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個橋臂必須能夠承受足夠高的電壓,而且為交—交直接控制模式,變流器在正常運(yùn)行時需要滿足嚴(yán)苛的無功約束條件,影響了兩端頻率的受控自由度[33]。

圖2　Hexverter拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2　Hexverter topology

2)模塊化多電平矩陣變流器(MMMC)

如圖3所示,MMMC拓?fù)溆擅绹屏_拉多大學(xué)的R. W. Erickson和O. A. Al-Naseem于2001年提出[34]。

圖3　MMMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3　MMMC topology

MMMC與Hexverter有相似之處,均可視為用于中壓配電場合交—交直接變換的MMC衍生拓?fù)?。MMMC通過九個橋臂連接兩個頻率、幅值都不同的三相交流系統(tǒng)。每一個交流系統(tǒng)中的一相都會通過三個橋臂與另一交流系統(tǒng)的每一相進(jìn)行連接。MMMC結(jié)合了傳統(tǒng)矩陣變流器和模塊化多電平技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[35],因具有開關(guān)損耗低、諧波抑制效果好的特點(diǎn),以及在低頻大容量傳動領(lǐng)域所具有的優(yōu)勢而受到關(guān)注[36-37]。但是MMMC的一些特性也限制其發(fā)展,如拓?fù)浔菻exverter復(fù)雜,子模塊數(shù)量大,成本依然居高不下。并且由于MMMC的環(huán)流通道多,使得環(huán)流抑制變得愈加復(fù)雜[38],控制策略仍有待解決。

3)Y型大功率模塊化多電平變流器(Y-MMC)

Y-MMC拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4　Y-MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4　Y-MMC topology

Y-MMC含九個橋臂,采用Y形方式連接兩個頻率、幅值都不同的三相交流系統(tǒng)。其主橋臂所需子模塊數(shù)量為輔助橋臂的兩倍,且主橋臂不含電感元件,根據(jù)每相的功率傳輸途徑,每個Y形三橋臂分支結(jié)構(gòu)可等效為傳統(tǒng)意義上的兩個橋臂。故九橋臂Y-MMC可等效為六橋臂實(shí)現(xiàn)交—交直接變換。

由圖4可見,Y-MMC不僅結(jié)構(gòu)簡單,由于沒有內(nèi)部環(huán)流通道,因此不存在環(huán)流問題,輸出電壓波形質(zhì)量和功率特性均表現(xiàn)良好,適用于海底輸配電系統(tǒng)這樣的低頻輸配電應(yīng)用場合[39]。與MMC和Hexverter相比,Y-MMC所需的子模塊總數(shù)及橋臂數(shù)量為MMC的一半,與Hexverter相同,但Y-MMC不存在嚴(yán)苛的無功約束條件以及環(huán)流問題。

4)二極管鉗位型五電平變流器

中國中壓配電網(wǎng)的典型電壓等級多為6 kV,10 kV和35 kV(少數(shù)為20 kV),三電平變流器由于開關(guān)器件承受電壓有限,級聯(lián)H橋多電平變流器需要多路獨(dú)立的直流電源[40],飛跨電容型多電平變流器存在多個電容的均衡與預(yù)充電難題[41-42],這些拓?fù)涠己茈y適應(yīng)于中壓配電網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境。而二極管鉗位型五電平變流器能承受較高的電壓,可通過公共直流側(cè)電容實(shí)現(xiàn)中壓配電網(wǎng)多端柔性互聯(lián)。二極管鉗位型五電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,每相橋臂由八個開關(guān)器件、四個分壓電容、六個鉗位二極管以及八個續(xù)流二極管組成。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓波形質(zhì)量高,失真度小;單個功率開關(guān)管承受的電壓小,不存在開關(guān)的靜態(tài)均壓問題;無需變壓器,系統(tǒng)體積減小,提高土地利用率[43-44]。但依然存在以下缺點(diǎn)：需要鉗位二極管的數(shù)目龐大;直流側(cè)電容存在電壓不平衡問題,控制算法復(fù)雜程度大大增加。

圖5　二極管鉗位型五電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5　Topology of five-level neutral point clamped converter

5)模塊化多電平變流器(MMC)

最為常見的MMC如圖6所示。

圖6　MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.6　MMC Topology

MMC由德國學(xué)者R. Marquardt和A. Lesnicar于2002年提出[45-46],適用于中壓配電甚至高壓直流輸電等應(yīng)用場合。MMC能通過公共直流側(cè)實(shí)現(xiàn)中壓配電網(wǎng)多區(qū)域的連接,增加了配電網(wǎng)架構(gòu)由輻射型轉(zhuǎn)向環(huán)網(wǎng)型的可行性。每組MMC由電抗器與多個子模塊串聯(lián)的六個橋臂組成,避免了開關(guān)器件的直接串聯(lián),降低了對開關(guān)器件的要求[47-50],除此之外,子模塊的直流電容對于MMC的控制至關(guān)重要[51-52]。MMC拓?fù)涞闹匾獌?yōu)勢在于可靠性高、開關(guān)損耗小以及輸出電壓波形質(zhì)量高。然而,由于MMC所需器件數(shù)量龐大,相應(yīng)地增加了控制難度與裝置成本。

6)饋線互聯(lián)變流器

針對中壓配電網(wǎng)的應(yīng)用場景,考慮到建設(shè)成本的經(jīng)濟(jì)性,可采用兩電平變流器通過隔離型升壓變壓器接入中壓配電網(wǎng)饋線的方式實(shí)現(xiàn)饋線互聯(lián)。中國科學(xué)院電工研究所提出了一種如圖7所示的饋線互聯(lián)變流器[53],以抑制分布式發(fā)電的出力波動對配網(wǎng)饋線帶來的影響。

圖7　饋線互聯(lián)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.7　Topology of Feeder-interconnect Converter

該拓?fù)涮攸c(diǎn)在于：變流器通過隔離型升壓變壓器接入饋線,分布式發(fā)電單元的輸出端與直流母線相連,兩端變流器具備有源濾波器或者靜止無功補(bǔ)償器的運(yùn)行功能,可對所接入饋線的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償。隔離型升壓變壓器降低了對開關(guān)器件的要求,使得單個開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力大大降低,同時可通過開關(guān)器件并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)裝置容量的提升。然而由于隔離變壓器的存在,增大了設(shè)備體積的同時,也提高了建設(shè)與維護(hù)成本。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可控性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、電壓和容量等級的可擴(kuò)展性等因素,針對中壓配電網(wǎng)兩端饋線互聯(lián)應(yīng)用場合,比較上述六種柔性開關(guān)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[54-59],具體指標(biāo)和分析結(jié)果見表2。

表2　六種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較Table 2　Comparison of six topologies

實(shí)際上,不同的應(yīng)用場合可能會有不同的拓?fù)溥x型結(jié)果。例如,相比MMMC和MMC,當(dāng)Hexverter應(yīng)用于低頻率、大型工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)中時,其容量需求會比較高,這主要是由于MMMC和MMC具有良好的環(huán)流抑制策略,降低了橋臂能量損耗[54]。相比MMMC、Y-MMC和Hexveter等衍生拓?fù)?MMC對于功率器件要求較低,開關(guān)損耗低[55]。從數(shù)量上來說,Hexveter與Y-MMC的橋臂總數(shù)最少,故其所需子模塊最少,硬件成本也相應(yīng)最低。頻率的控制范圍也是一個比較重要的指標(biāo),代表了裝置的可控性,MMMC、Y-MMC和Hexveter均屬于交—交變換,頻率變化范圍受限,而二極管鉗位型五電平變流器、饋線互聯(lián)變流器以及MMC等背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻率控制范圍較寬。其中二極管鉗位型五電平變流器雖然輸出波形質(zhì)量高、諧波含量少,但其存在電容均壓問題導(dǎo)致控制策略復(fù)雜,且不具備模塊化特點(diǎn),不利于規(guī)模化生產(chǎn)與組裝。針對中壓配電網(wǎng)場合,饋線互聯(lián)變流器中兩電平變流器的結(jié)構(gòu)簡單、易于控制,但由于升壓變壓器的存在,不僅提高了饋線互聯(lián)變流器的損耗,還增加了系統(tǒng)的體積和成本。在相同開關(guān)頻率下,與二極管鉗位型五電平變流器相比,饋線互聯(lián)變流器的輸電電壓波形質(zhì)量較差,需增加濾波器裝置,并且在擴(kuò)大功率容量時還需要解決開關(guān)器件均流問題。MMC拓?fù)溆捎谠诙喽巳嵝灾绷鬏旊婎I(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用,其成功經(jīng)驗(yàn)有望在配電領(lǐng)域得到推廣,雖然存在子模塊數(shù)量較多的問題,但是憑借良好的控制效果,以及在模塊化程度、可靠性等方面的綜合優(yōu)勢,仍然被視為適用于配電網(wǎng)背靠背柔性開關(guān)設(shè)備的代表性拓?fù)洹?/p>

2.2　柔性開關(guān)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)

當(dāng)傳統(tǒng)配電網(wǎng)中分布式電源滲透率較高,接入容量占饋線總?cè)萘勘壤^大時,傳統(tǒng)配電網(wǎng)原有的消納能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,而以電動汽車為代表的新型負(fù)荷的大規(guī)模接入,也對配電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)控形成了挑戰(zhàn)?；谌嵝蚤_關(guān)設(shè)備的配電網(wǎng)具有高度自我優(yōu)化的能力[60-62]。柔性開關(guān)設(shè)備可以隨著系統(tǒng)狀態(tài)的改變進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié),故與傳統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化手段相比,其運(yùn)行優(yōu)化問題在建模分析與優(yōu)化手段方面與傳統(tǒng)方法存在很大的不同。

在建模分析方面,傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)只能單純地進(jìn)行“0”或者“1”操作,但由于動作壽命、調(diào)整方式與開關(guān)動作次數(shù)的限制,很難做到實(shí)時調(diào)節(jié)配電網(wǎng)的潮流,傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)模型的建立只需基于單一的時間斷面?？紤]到柔性開關(guān)設(shè)備能連續(xù)且精確地控制互聯(lián)饋線的功率,實(shí)時優(yōu)化配電網(wǎng)的潮流分布,其運(yùn)行優(yōu)化問題具有明顯的時序特性,建模時不再局限于單一的時間斷面,而是需在時間尺度上進(jìn)行擴(kuò)展,故其時序運(yùn)行優(yōu)化模型的建立是基于連續(xù)的時間序列進(jìn)行的。

從單一的時間斷面擴(kuò)展到連續(xù)時間序列的特征擴(kuò)展了求解維度,為計(jì)算帶來很大的負(fù)擔(dān)。同時,在求解計(jì)算中包含的動態(tài)過程,如電源結(jié)構(gòu)的變化性、負(fù)荷特性的多樣性亦加大了求解計(jì)算的難度,使問題的復(fù)雜度加深,這就要求在配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)中考慮魯棒性約束[63]。綜合以上方面,時序運(yùn)行優(yōu)化模型被認(rèn)為是研究基于柔性開關(guān)設(shè)備的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行問題的基石。在優(yōu)化手段方面,基于柔性開關(guān)設(shè)備的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化是大規(guī)模非線性的優(yōu)化問題。首先需要確定配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化目標(biāo)一般為提高分布式電源出力、改善線路電壓水平、減小配電網(wǎng)損耗、平衡系統(tǒng)負(fù)荷等。文獻(xiàn)[64]以配電網(wǎng)損耗最小化為目標(biāo),仿真結(jié)果證明柔性開關(guān)設(shè)備在最小化網(wǎng)絡(luò)損耗的同時,還能平衡兩端饋線負(fù)荷。在實(shí)際運(yùn)行情況下,優(yōu)化目標(biāo)還可以為多個優(yōu)化目標(biāo)的組合,目標(biāo)函數(shù)的不同會改變運(yùn)行時的約束條件,對運(yùn)行方案的適用性、合理性會有很大的影響。文獻(xiàn)[65-66]都以配電網(wǎng)總損耗和電壓越限加權(quán)和最小為優(yōu)化目標(biāo),算例證明了基于柔性開關(guān)設(shè)備的配電網(wǎng)能夠消除電壓越限,保證配電網(wǎng)電壓運(yùn)行在期望水平的同時,降低了系統(tǒng)損耗。文獻(xiàn)[67]以年綜合費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo),建立雙層規(guī)劃模型,保證經(jīng)濟(jì)效益的同時,提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可控性。文獻(xiàn)[68-69]通過在配電系統(tǒng)接入柔性開關(guān)設(shè)備并進(jìn)行相關(guān)仿真,結(jié)果表明分布式電源的消納能力有所提升,避免了由于饋線局部過電壓、功率超限、波動率過大等因素對可再生能源消納的限制,證明了柔性開關(guān)設(shè)備實(shí)時調(diào)節(jié)可以使分布式電源的隨機(jī)性、間歇性對配電網(wǎng)的沖擊減小,促進(jìn)了可再生能源的有效接入與充分利用。

雖然柔性開關(guān)設(shè)備的接入讓配電網(wǎng)具有了高度的自我優(yōu)化能力,但目前柔性開關(guān)設(shè)備造價高昂、容量有限等多方面的劣勢使得其無法大量應(yīng)用在配電網(wǎng)中。另外,文獻(xiàn)[70]指出,配電網(wǎng)損耗的改善速率隨著柔性開關(guān)設(shè)備數(shù)量的增多而減小。故在優(yōu)化手段方面,通常采用協(xié)調(diào)優(yōu)化的方法,即將柔性開關(guān)設(shè)備與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等多種常規(guī)控制手段相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)接入少量柔性開關(guān)設(shè)備達(dá)到最佳優(yōu)化效果。文獻(xiàn)[71]中提出了基于柔性開關(guān)設(shè)備與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的聯(lián)合優(yōu)化方法,經(jīng)過分析對比聯(lián)合優(yōu)化效果及動態(tài)調(diào)整特性,驗(yàn)證了聯(lián)合優(yōu)化策略的可行性和有效性。文獻(xiàn)[72]從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,建立了聯(lián)絡(luò)開關(guān)和柔性開關(guān)設(shè)備并存的時序優(yōu)化模型,驗(yàn)證了優(yōu)化方案對改善電壓水平、降低網(wǎng)損等方面的促進(jìn)作用,實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)投資和運(yùn)行效益的最大化。

綜上所述,目前在柔性開關(guān)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)方面,國內(nèi)外研究均側(cè)重于分析柔性開關(guān)設(shè)備接入系統(tǒng)后所帶來的綜合效益,較少涉及如何與配網(wǎng)現(xiàn)有優(yōu)化運(yùn)行手段相結(jié)合,以及在設(shè)備的模型、通信以及管理等方面的具體實(shí)現(xiàn)手段。

2.3　柔性開關(guān)設(shè)備控制保護(hù)技術(shù)

傳統(tǒng)的確定型安全性分析將系統(tǒng)設(shè)想為正常狀態(tài)、緊急狀態(tài)和恢復(fù)狀態(tài)三種狀態(tài)[73-75]。系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)時,短路電流急劇上升,還可能產(chǎn)生過電壓,損壞用電設(shè)備,嚴(yán)重時,甚至可能使系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞,最終造成系統(tǒng)瓦解,形成地區(qū)性大停電[76-77]。因此,及時找出故障并進(jìn)行故障切除,減小故障的影響范圍十分重要。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)處于緊急狀態(tài)時,通過控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)從而隔離故障、恢復(fù)供電。然而,由于傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)受到機(jī)械動作時間以及開關(guān)動作次數(shù)的限制,可能會造成短時停電的現(xiàn)象。但是柔性開關(guān)設(shè)備能夠快速閉鎖,并實(shí)現(xiàn)相連饋線間的電氣隔離,阻截短路電流通道,限制了短路電流,實(shí)現(xiàn)不間斷供電,提高配電網(wǎng)供電可靠性。除此以外,柔性開關(guān)設(shè)備也能作為檢測故障的一種手段。文獻(xiàn)[78]中定義一種基于SNOP的新型故障指數(shù)作為判斷交流側(cè)故障的依據(jù)。這就要求柔性開關(guān)設(shè)備要隨時了解接入點(diǎn)的就地潮流信息,才能實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),從而保證其控制保護(hù)技術(shù)的“快速性”。也就是說,柔性開關(guān)設(shè)備在控制上具有較高的優(yōu)先級,沒有主從之分。文獻(xiàn)[79]指出傳統(tǒng)的集中控制將不再適用,分散控制將成為未來柔性開關(guān)設(shè)備的主要控制方式。其次,當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時,柔性開關(guān)設(shè)備需要與配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置相配合,形成聯(lián)動,快速切除故障,阻斷短路電流,保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;當(dāng)柔性開關(guān)設(shè)備裝置自身發(fā)生故障時,需要快速進(jìn)行自我隔離,避免影響到配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

柔性開關(guān)設(shè)備在故障發(fā)生后還需采用適當(dāng)?shù)幕謴?fù)策略使系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)狀態(tài)。文獻(xiàn)[80]驗(yàn)證了在配電網(wǎng)故障的情況下,柔性開關(guān)設(shè)備能夠快速恢復(fù)供電,實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)供電。考慮到柔性開關(guān)設(shè)備自身容量的限制,在嚴(yán)重情況下,柔性開關(guān)設(shè)備可能無法滿足全部的負(fù)荷用電需求,因此,柔性開關(guān)設(shè)備的恢復(fù)控制策略應(yīng)以負(fù)荷的重要程度與故障發(fā)生的位置為依據(jù)。考慮重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性,柔性開關(guān)設(shè)備在進(jìn)行故障恢復(fù)時,需要與傳統(tǒng)的開關(guān)裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)配合,在最小停運(yùn)時間的約束下逐步恢復(fù)所連饋線的穩(wěn)定運(yùn)行,對關(guān)鍵負(fù)荷實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

2.4　柔性開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)接入技術(shù)

對于整個配電網(wǎng)而言,柔性開關(guān)設(shè)備的選址、容量選擇以及接入方式至關(guān)重要。當(dāng)前柔性開關(guān)設(shè)備的制造安裝成本較高,考慮到經(jīng)濟(jì)效益的問題,無法在配電網(wǎng)中大范圍安裝使用,故如何確定柔性開關(guān)設(shè)備在配電網(wǎng)的最佳安裝位置是亟待解決的問題。

柔性開關(guān)設(shè)備的選址規(guī)劃要考慮負(fù)荷的重要程度、用地規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等因素,從數(shù)學(xué)角度分析,柔性開關(guān)設(shè)備的選址規(guī)劃屬于復(fù)雜的多目標(biāo)、多約束且非連續(xù)的非線性問題。國內(nèi)外專家學(xué)者提出了一些方法與模型：傳統(tǒng)的選址規(guī)劃方法是由相關(guān)專家制定若干方案,經(jīng)過比較方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行最終決策。其局限性在于最終方案是由規(guī)劃人員以經(jīng)驗(yàn)得出,無法避免加入主觀因素。近些年,專家學(xué)者致力于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)建立選址模型解決此類選址問題。其中最為經(jīng)典的就是單源、多源連續(xù)選址模型,此類模型一般以運(yùn)行費(fèi)用、建設(shè)成本最小為目標(biāo)函數(shù),但尚未考慮柔性開關(guān)設(shè)備接入配電網(wǎng)后,分布式發(fā)電單元的波動性、負(fù)荷的多樣性、用戶用電特征的變化等因素,這些多樣化的因素將大大增加柔性開關(guān)設(shè)備的選址規(guī)劃復(fù)雜程度。而基于隨機(jī)化技術(shù)的智能優(yōu)化算法比傳統(tǒng)的優(yōu)化算法在解決此類問題上更具全局優(yōu)化的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[66]提出的配電潮流介數(shù),考慮了分布式發(fā)電單元與負(fù)荷的波動性,進(jìn)而提出了基于配電潮流介數(shù)的柔性開關(guān)設(shè)備定址原則,并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證其可行性與有效性,但其未考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)等離散變量。綜合以上分析可知,柔性開關(guān)設(shè)備實(shí)際的選址規(guī)劃,需在研究比較各種規(guī)劃方法后,結(jié)合配電網(wǎng)的特點(diǎn),充分考慮分布式發(fā)電波動性等連續(xù)變量與聯(lián)絡(luò)開關(guān)等離散變量因素,將選址問題與優(yōu)化問題相結(jié)合[81],構(gòu)成了兩階段大規(guī)模非線性混合優(yōu)化模型,這對相關(guān)算法的求解形成了挑戰(zhàn)。

3　柔性開關(guān)設(shè)備工程實(shí)踐與發(fā)展趨勢分析

3.1　現(xiàn)有示范應(yīng)用研究

在國際上,學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界研究人員試圖通過在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)引入柔性開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),打破現(xiàn)有閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)局部運(yùn)行瓶頸點(diǎn)。英國配電網(wǎng)運(yùn)營商UK Power Networks向城市柔性低壓電網(wǎng)項(xiàng)目投資了653萬英鎊[82],并于2016年上半年完成該項(xiàng)目,建成了三端0.4 kV/400 kW柔性開關(guān)設(shè)備示范工程。該項(xiàng)目通過三端柔性開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了低壓變電站間的柔性互聯(lián),在不同配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下進(jìn)行了設(shè)備的測試和演示。研究表明,柔性開關(guān)設(shè)備不僅能實(shí)現(xiàn)相鄰變電站的容量共享,達(dá)到了低壓配電網(wǎng)容量分配最優(yōu)化以及平衡負(fù)載的目的,還能在故障情況下,實(shí)現(xiàn)限制故障電流、提供電壓支撐等功能,提高了配電網(wǎng)的可靠性,初步驗(yàn)證了柔性開關(guān)設(shè)備在解決城市環(huán)境下低壓配電網(wǎng)問題上的先進(jìn)性。

除了英國的城市柔性低壓電網(wǎng)項(xiàng)目以外,日本較早進(jìn)行了柔性開關(guān)設(shè)備裝置的投運(yùn)與示范應(yīng)用。為解決饋線之間的負(fù)荷不均衡問題,達(dá)到靈活、高效地利用配電網(wǎng)的目的,日本電力工業(yè)中央研究院提出LBC的概念[16],并借助IGBT串聯(lián)技術(shù)與背靠背電壓源型變換器拓?fù)?于2007年研制LBC,完成了6.6 kV/1 MVA的裝置示范應(yīng)用。LBC頂部寬4.1 m,底部寬3.6 m,長1.7 m,高2.85 m,可安裝在H形桿塔的戶外式面板上,節(jié)省了占地空間,提高了土地利用效率。LBC實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)饋線間的柔性互聯(lián)、有功調(diào)節(jié)與無功補(bǔ)償,提高了饋線末端的電壓調(diào)節(jié)能力。

在國內(nèi),隨著北京延慶地區(qū)分布式能源的開發(fā)和建設(shè),大量的分布式電源接入配電網(wǎng),為改變延慶地區(qū)分布式發(fā)電裝機(jī)容量大于最大用電負(fù)荷的現(xiàn)狀,提高分布式發(fā)電的消納能力,實(shí)現(xiàn)能源高效利用的目的,國網(wǎng)北京市電力公司正在開展“北京延慶地區(qū)智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)”的建設(shè)[83]。該項(xiàng)目擬建設(shè)一座10 kV交直流混聯(lián)開閉站,通過三端柔性開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)3條10 kV母線的柔性互聯(lián),從而滿足高滲透率分布式電源的消納要求,支持負(fù)荷連續(xù)轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)三路饋線的負(fù)荷平衡,提高供電配送能力與靈活性。

由南京南瑞繼保電氣有限公司主要承擔(dān)的國家863項(xiàng)目“柔性直流輸電在城市供電中的研究與應(yīng)用”深入研究了城市多端柔性直流與交流電網(wǎng)的相互影響,并于2016年成功構(gòu)建了柔性開關(guān)設(shè)備仿真模型,研制完成了20 MW/20 kV緊湊型電壓源型換流閥樣機(jī)。這表明由該項(xiàng)目形成的模塊化多電平換流器的緊湊化關(guān)鍵技術(shù),為高可靠性柔性開關(guān)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)提供了良好的研究基礎(chǔ)。

目前,由國網(wǎng)浙江省電力有限公司牽頭的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“智能配電柔性多狀態(tài)開關(guān)技術(shù)、裝備及示范應(yīng)用”已正式啟動,計(jì)劃在浙江省大江東新城配置三端柔性開關(guān)站,通過柔性開關(guān)設(shè)備將三條存在電壓差和相位差的供電區(qū)域連接起來,提高20 kV供區(qū)向高負(fù)荷率10 kV供區(qū)的轉(zhuǎn)供能力,通過與現(xiàn)有配網(wǎng)調(diào)控措施的有機(jī)結(jié)合,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)潮流的主動精準(zhǔn)控制以及周邊分布式光伏的最優(yōu)利用,滿足大江東新城高新科技企業(yè)對供電可靠性、電能質(zhì)量的定制化電力需求。

3.2　柔性開關(guān)設(shè)備發(fā)展趨勢

柔性開關(guān)設(shè)備可有效滿足智能配電網(wǎng)分布式電源消納、高供電可靠性等定制電力需求,因此被視為提升供電靈活性及可靠性的關(guān)鍵柔性一次設(shè)備。目前,柔性開關(guān)設(shè)備的研究尚處于起步階段,國內(nèi)外研究大多集中于理論或仿真分析柔性開關(guān)設(shè)備接入配電網(wǎng)后所帶來的綜合效益,對柔性開關(guān)設(shè)備自身的研究依然不夠深入,尚未實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥x型由孤立生成向有序推演的提升,以及參數(shù)配置由粗放式向精細(xì)化的過渡。也未針對復(fù)雜配電網(wǎng)環(huán)境下的裝置安全運(yùn)行裕度、故障耐受能力等展開探討。另外,與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)單一、離散的控制相比,柔性開關(guān)設(shè)備所具有的功率連續(xù)可控特性使得配電網(wǎng)動態(tài)特性發(fā)生改變,如何在分布式電源出力、負(fù)荷波動等多重不確定性因素下,利用柔性開關(guān)設(shè)備滿足配電網(wǎng)分布式電源最大化消納、電能質(zhì)量改善和運(yùn)行優(yōu)化要求,相關(guān)的設(shè)備調(diào)控以及與配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控技術(shù)尚未得到關(guān)注。故柔性開關(guān)設(shè)備的裝置開發(fā)、調(diào)控技術(shù)、接入模式等問題需要更加深入的研究。

裝置研發(fā)方面,分布式電源消納、高供電可靠性等定制電力需求對柔性開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn),尤其體現(xiàn)在多電壓等級互聯(lián)、交直流配網(wǎng)混聯(lián)的復(fù)雜接入環(huán)境下。首先需要明確柔性開關(guān)設(shè)備在智能配電網(wǎng)中的電能轉(zhuǎn)換需求,如容量范圍、電壓等級以及能流形式等,從換流閥這樣的基本變流單元出發(fā),推演得出柔性開關(guān)設(shè)備拓?fù)錁?gòu)造規(guī)律,以最少規(guī)格滿足最大應(yīng)用需求為準(zhǔn)則,提高柔性開關(guān)設(shè)備對于配電網(wǎng)的適配性。其次是綜合可靠性、成本、技術(shù)等因素梳理得出柔性開關(guān)設(shè)備的評價指標(biāo),并據(jù)此完成柔性開關(guān)設(shè)備的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

考慮到接入點(diǎn)的土地稀缺性,實(shí)現(xiàn)裝置的模塊化、緊湊化設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的技術(shù)挑戰(zhàn)性,需要解決一次設(shè)備、二次控制保護(hù)和冷卻系統(tǒng)的強(qiáng)弱電緊湊化布局,以及電磁兼容等一系列問題。此外,柔性開關(guān)設(shè)備不僅要在配電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下參與功率輸送和電壓調(diào)節(jié),還要在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)隔離并確保關(guān)鍵負(fù)荷供電,因此,柔性開關(guān)設(shè)備作為典型的大容量電力電子裝備,其自身的可靠性以及對于故障的耐受能力是亟待研究的重要問題。可以通過大容量器件非侵入式結(jié)溫監(jiān)測、功率模塊熱循環(huán)與功率循環(huán)耦合規(guī)律、換流電路雜散參數(shù)影響、裝置熱流密度分析等途徑,自下而上地探明裝置的電-磁-熱動態(tài)容量極限,完成柔性開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行安全裕度評估。

調(diào)控技術(shù)方面,現(xiàn)有配電網(wǎng)正面臨負(fù)荷多樣化、分布式電源高滲透率接入、潮流協(xié)調(diào)控制復(fù)雜化等多方面挑戰(zhàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)滿足智能配電網(wǎng)多目標(biāo)運(yùn)行要求的柔性開關(guān)設(shè)備控制策略,以及如何分析柔性開關(guān)設(shè)備接入配電網(wǎng)后的運(yùn)行特性,成為了亟待解決的問題。考慮到經(jīng)濟(jì)效益問題,基于柔性開關(guān)設(shè)備與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)協(xié)調(diào)的饋線負(fù)載功率優(yōu)化調(diào)控策略是一個重要的研究方向。需要基于配電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、潮流計(jì)算和狀態(tài)估計(jì),綜合考慮網(wǎng)損降低、電壓穩(wěn)定和饋線均衡等目標(biāo),以功率平衡和各節(jié)點(diǎn)電壓為約束,最終通過構(gòu)建柔性開關(guān)設(shè)備的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控模型來予以解決。另外,為保障配電網(wǎng)供電的可靠性,一方面需深入研究在高滲透率分布式電源的情況下,如何提升柔性開關(guān)設(shè)備裝置的主動防護(hù)與故障穿越運(yùn)行能力;另一方面,需在故障發(fā)生后,如何與現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置形成聯(lián)動,保證重要負(fù)荷的不間斷供電,進(jìn)一步解決兩端/多端交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)下的配電網(wǎng)自愈控制問題。

柔性開關(guān)設(shè)備所接入的中壓配電網(wǎng)接近用戶側(cè),運(yùn)行工況復(fù)雜多變,要求在設(shè)備運(yùn)行時,能快速檢測當(dāng)前饋線狀態(tài),實(shí)現(xiàn)不同的控制策略及其切換。因此，要求設(shè)備對于不同運(yùn)行狀態(tài)的識別具有高可靠性,避免因運(yùn)行狀態(tài)判斷錯誤致使設(shè)備誤動作,進(jìn)而帶來不良影響?？梢钥闯?實(shí)時獲取柔性開關(guān)設(shè)備各端口的當(dāng)?shù)仉娏啃畔?以及從設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取合理特征量,并進(jìn)一步通過特征量選擇工作模式是可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。除此之外,為實(shí)現(xiàn)柔性開關(guān)設(shè)備的功能復(fù)用,諧波抑制、無功補(bǔ)償、故障限流等均是設(shè)備的潛在功能,需要避免因不同功能之間的直接切換導(dǎo)致輸出功率的沖擊與振蕩,而如何實(shí)施多種工況之間的柔性切換則無疑成為關(guān)鍵所在。

接入模式方面,作為一種新型柔性一次設(shè)備,柔性開關(guān)設(shè)備并非用于取代傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān),其作用的發(fā)揮依賴于在配電網(wǎng)若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的合理配置。因此在實(shí)際應(yīng)用中,需要針對配電網(wǎng)傳統(tǒng)調(diào)控手段的局限性以及柔性開關(guān)設(shè)備的具體應(yīng)用場景,提出考慮配電網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性及供電能力等因素的柔性開關(guān)設(shè)備接入數(shù)量、位置、容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在考慮分布式電源運(yùn)行特性以及存在分布式儲能等其他智能配電設(shè)備的情況,該優(yōu)化設(shè)計(jì)過程則變得更為復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上,建立柔性開關(guān)設(shè)備接入方式集,并完成工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究,最終通過示范應(yīng)用來展示和評估實(shí)際的運(yùn)行效果。

4　結(jié)語

當(dāng)前中國配電網(wǎng)普遍存在“閉環(huán)設(shè)計(jì),開環(huán)運(yùn)行”的現(xiàn)象,以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠合理、調(diào)控手段相對有限等問題,嚴(yán)重制約了配電網(wǎng)的電能分配與調(diào)節(jié)能力,導(dǎo)致配電網(wǎng)內(nèi)局部饋線功率失衡、配電設(shè)備利用率低。此外,現(xiàn)有配電網(wǎng)接入了大量分布式能源以及諸多新型負(fù)荷,配電網(wǎng)正面臨用電需求定制化和多樣化、潮流協(xié)調(diào)控制復(fù)雜化等多方面挑戰(zhàn),供電質(zhì)量有待改善。中壓配電網(wǎng)作為配電網(wǎng)承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié),按照《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計(jì)劃(2015—2020)》中的要求,應(yīng)形成環(huán)網(wǎng)、多分段適度聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu),加強(qiáng)站間聯(lián)絡(luò),構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移通道,提升供電靈活性及可靠性,最大程度減小故障影響范圍。隨著柔性交流輸電技術(shù)向配電網(wǎng)應(yīng)用的延伸,柔性開關(guān)設(shè)備由于能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)與動態(tài)重構(gòu),運(yùn)行模式能夠柔性切換,控制方式靈活多樣,可進(jìn)一步拓展供電范圍,加強(qiáng)線路聯(lián)絡(luò),提高轉(zhuǎn)供能力,滿足分布式電源消納、高供電可靠性等定制電力需求,因此被視為重要的智能配電一次裝備,可為 “能源互聯(lián)”的發(fā)展愿景提供有力支撐,在中壓配電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文對柔性開關(guān)設(shè)備原理與特點(diǎn)作了簡要介紹,重點(diǎn)分析與討論了柔性開關(guān)設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并從控制與保護(hù)技術(shù)、系統(tǒng)接入技術(shù)以及現(xiàn)有示范應(yīng)用研究方面,梳理了柔性開關(guān)設(shè)備的研究現(xiàn)狀與主要問題;進(jìn)一步結(jié)合柔性開關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢,對其后續(xù)的研究方向與思路進(jìn)行了初步的探討。

考慮到國內(nèi)外關(guān)于柔性開關(guān)設(shè)備的研究尚處于起步階段,其在復(fù)雜配電網(wǎng)環(huán)境下的運(yùn)行機(jī)理與實(shí)現(xiàn)手段依然不夠明確,希望本文能夠?yàn)槿嵝蚤_關(guān)設(shè)備的發(fā)展提供思考,進(jìn)一步推進(jìn)其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

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楊歡(1981—),男,通信作者,副教授,主要研究方向：分布式發(fā)電與微電網(wǎng)、智能配用電。E-mail： yanghuan@zju.edu.cn

蔡云旖(1994—),女,碩士研究生,主要研究方向：分布式發(fā)電與微電網(wǎng)、智能軟開關(guān)。E-mail： yunyicai@zju.edu.cn

屈子森(1994—),男,博士研究生,主要研究方向：分布式發(fā)電與微電網(wǎng)、并網(wǎng)逆變器。E-mail： quzisen@zju.edu.cn