柔性多狀態(tài)開關(guān)新型復(fù)合控制策略

霍群海, 粟夢(mèng)涵， 吳理心， 韋統(tǒng)振， 王　鵬

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京市 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京市 101408；3. 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院， 河南省鄭州市 454000)

0　引言

近年來在配電網(wǎng)層面一次設(shè)備調(diào)節(jié)控制能力的欠缺已成為制約當(dāng)前配電系統(tǒng)運(yùn)行水平進(jìn)一步提升的主要瓶頸。柔性多狀態(tài)開關(guān)具有實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)靈活調(diào)控的能力，越來越受到廣大學(xué)者和科研人員的廣泛關(guān)注[1]。

柔性多狀態(tài)開關(guān)定義為連接到配電網(wǎng)中兩條或多條饋線間的電力電子變流器。國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已關(guān)注到柔性多狀態(tài)開關(guān)在配電網(wǎng)中的積極作用[2-5]。2007年日本電力工業(yè)中央研究院提出了環(huán)網(wǎng)平衡控制器(loop balance controller，LBC)[3]的概念，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)饋線之間的負(fù)荷均衡，同時(shí)也能夠?qū)€路末端電壓水平起到一定的改善作用，研制了兩臺(tái)可以柱上安裝的示范裝置，進(jìn)行了示范運(yùn)行。2007年荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)提出智能節(jié)點(diǎn)(intelligent node,IN)[4]概念，通過背靠背的電壓源型變流器拓?fù)渎?lián)絡(luò)配電網(wǎng)中多條饋線，可以實(shí)現(xiàn)潮流分布自主優(yōu)化。2011年中國臺(tái)灣學(xué)者提出環(huán)網(wǎng)功率控制器(loop power controller，LPC)[5]概念，將系統(tǒng)內(nèi)多條饋線互聯(lián)形成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)各個(gè)分區(qū)之間潮流的互補(bǔ)，提高分布式電源在配電系統(tǒng)的滲透率。英國帝國理工學(xué)院在2010年提出了軟開關(guān)(soft normally-open point，SNOP)[2]的概念，取代配電網(wǎng)中的分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可以使配電網(wǎng)具有輻射型結(jié)構(gòu)與環(huán)狀型結(jié)構(gòu)兩種特點(diǎn)，后續(xù)研究論文分析了多種配電網(wǎng)模型中的不同SNOP拓?fù)鋵?duì)提高分布式電源消納水平的影響[6-7]。英國卡迪夫大學(xué)分析了SNOP運(yùn)行原理[8],對(duì)比分析了采用SNOP與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的配電網(wǎng)重構(gòu)方案[9]。天津大學(xué)從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)潮流優(yōu)化等方面討論了柔性多狀態(tài)開關(guān)的優(yōu)勢(shì),提出了含柔性多狀態(tài)開關(guān)的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型[10]，并研究了柔性多狀態(tài)開關(guān)優(yōu)化配置問題,提出了一種聯(lián)絡(luò)開關(guān)和智能軟開關(guān)并存的配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)序優(yōu)化方法[11]，并研究了有源配電網(wǎng)中SNOP電壓無功時(shí)序的控制方法[12]。北京交通大學(xué)研究了SNOP在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置和運(yùn)行優(yōu)化[13],雙閉環(huán)控制及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用[14]。武漢大學(xué)研究了基于潮流介數(shù)的SNOP配置及系統(tǒng)優(yōu)化[15]。本文把LBC，IN，LPC，SNOP等連接配電網(wǎng)饋線的電力電子裝置都?xì)w結(jié)為柔性多狀態(tài)開關(guān)設(shè)備。

目前，雖然國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些柔性多狀態(tài)開關(guān)在配電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)性分析工作[15-18]，但對(duì)于柔性多狀態(tài)開關(guān)的建模分析、裝備研制、控制策略功能實(shí)現(xiàn)等方面還有待開展深入研究。本文研究了用于配電網(wǎng)饋線互聯(lián)的柔性多狀態(tài)開關(guān)裝置接入模式、不同場(chǎng)合的適用拓?fù)?，分析了多狀態(tài)開關(guān)進(jìn)行有功功率傳輸?shù)脑?，提出一種多功能復(fù)合控制策略，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　系統(tǒng)建模分析

1.1　接入方式及主電路拓?fù)浞治?/h3>

基于每端有功潮流轉(zhuǎn)移和電能質(zhì)量控制的需求[19]，柔性多狀態(tài)開關(guān)每端可能與饋線串聯(lián)連接，也可能與饋線并聯(lián)連接。與饋線的連接方式考慮兩端均為并聯(lián)、一端串聯(lián)一端并聯(lián)、兩端均為串聯(lián)等類型，例如靜止串聯(lián)補(bǔ)償?shù)母鞣N拓?fù)?靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)、可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器(TCSC)等)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等類型，如附錄A圖A1所示。在中國380 V配電網(wǎng)電壓等級(jí)，負(fù)載功率一般在兆瓦級(jí)以下，常見的兩電平或者三電平背靠背變流器結(jié)構(gòu)即可滿足一般饋線的潮流有功轉(zhuǎn)移需求。在10 kV及以上電壓等級(jí)，裝置拓?fù)淇晒┻x型方案較多，目前市場(chǎng)已有單機(jī)2 MVA變流器產(chǎn)品，饋線間需要轉(zhuǎn)移功率在2 MVA以下時(shí)，可以選擇兩電平結(jié)構(gòu)通過升壓變壓器升壓連接饋線方案。饋線需要轉(zhuǎn)移的有功功率較大時(shí)可以進(jìn)一步考慮采用三電平或多重化或鏈?zhǔn)紿橋結(jié)構(gòu)或模塊化多電平換流器(MMC)結(jié)構(gòu)[20-21]。從技術(shù)成熟度、體積和性價(jià)比方面對(duì)不同拓?fù)浞桨高M(jìn)行對(duì)比可以得出，在10 kV/2 MVA及以下電壓和容量等級(jí)兩電平方案具有一定優(yōu)勢(shì)。

1.2　有功功率傳輸原理分析

圖1為柔性多狀態(tài)開關(guān)的主電路，采用背靠背電壓源型變流器(voltage source converter,VSC)方式連接。假定直流側(cè)總的電容為C。變流器與兩端電網(wǎng)連接的線路損耗用等效電阻r1與r2表示，假定r1=r2=R，假定濾波電抗器L1=L2=L。

圖1　柔性多狀態(tài)開關(guān)主電路Fig.1　Main circuit of flexible multi-state switch

參考圖1所示電流方向，根據(jù)基爾霍夫定律可以寫出柔性多狀態(tài)開關(guān)在饋線交流側(cè)配電系統(tǒng)三相靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)微分方程[13-14]如下：

(1)

式中：k=a,b,c;ik1和ik2為交流系統(tǒng)兩側(cè)的三相電流：Ek1和Ek2為交流系統(tǒng)兩側(cè)的三相電壓；Vk1和Vk2分別為變流器輸出的三相電壓。

對(duì)其中一側(cè)變流器進(jìn)行分析，定義VSC1的三相橋臂開關(guān)函數(shù)[22]為：

(2)

式中：sa,sb,sc表示三相橋臂開關(guān)器件的狀態(tài)，為0-1變量。

VSC2側(cè)三相橋臂開關(guān)函數(shù)也可同理列出。

將式(2)代入式(1)，可得：

(3)

直流側(cè)動(dòng)態(tài)電壓方程為：

(ma2ia2+mb2ib2+mc2ic2)

(4)

式中：udc為直流側(cè)電壓；idc1和idc2分別為VSC1和VSC2的直流側(cè)流入或流出電流。

忽略變流器開關(guān)損耗，則有

(5)

式中：P1和P2分別為變流器VSC1和VSC2交流側(cè)流入或流出的有功功率。

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，直流母線電壓udc恒定，此時(shí)idc1=idc2，由式(5)可知，P1=P2，即流入其中一個(gè)變流器的有功功率等于流出另外一個(gè)變流器的有功功率。所以柔性多狀態(tài)開關(guān)通過維持直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)兩側(cè)饋線之間的有功功率平穩(wěn)傳輸。

根據(jù)附錄B公式推導(dǎo)可以得出柔性多狀態(tài)開關(guān)有功和無功控制解耦，可以單獨(dú)進(jìn)行控制。當(dāng)一側(cè)負(fù)載瞬時(shí)大范圍變化時(shí)，柔性多狀態(tài)開關(guān)直流環(huán)節(jié)可以提供瞬時(shí)功率差，需要柔性多狀態(tài)開關(guān)調(diào)整的電流可以通過附錄C公式推導(dǎo)求出。柔性多狀態(tài)開關(guān)穩(wěn)態(tài)有功潮流轉(zhuǎn)移指令由配電管理系統(tǒng)(DMS)或者柔性多狀態(tài)開關(guān)中央控制單元根據(jù)兩側(cè)饋線負(fù)載均衡度優(yōu)化計(jì)算獲得。

2　控制策略

圖2　柔性多狀態(tài)開關(guān)雙閉環(huán)控制策略Fig.2　Dual closed-loop control strategy for flexible multi-state switch

其中，外環(huán)控制目標(biāo)為控制柔性多狀態(tài)開關(guān)直流側(cè)電壓恒定。將直流母線控制量與檢測(cè)出來的有功電流的直流分量進(jìn)行疊加，兩變流器的指令電流信號(hào)中均含有有功電流分量，進(jìn)而補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償電流中也含有一定的有功電流分量。通過柔性多狀態(tài)開關(guān)裝置的直流側(cè)與交流側(cè)的能量交換，將直流母線電壓維持在給定值。在該控制策略中，柔性多狀態(tài)開關(guān)的每側(cè)變流器共同維持直流母線電壓穩(wěn)定。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)理論分析參見附錄D。

3　仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文在MATLAB仿真軟件中搭建了柔性多狀態(tài)開關(guān)的仿真模型，模擬潮流控制暫態(tài)過程。定義圖1中左側(cè)饋線為電網(wǎng)A，右側(cè)饋線為電網(wǎng)B，系統(tǒng)起始時(shí)刻電網(wǎng)A空載，電網(wǎng)B帶載20 kW運(yùn)行，在100 ms時(shí)刻，啟動(dòng)潮流控制，圖3中P1為電網(wǎng)B發(fā)出的有功功率，下方P2是電網(wǎng)A饋線側(cè)發(fā)出的有功功率。仿真波形可以看出，經(jīng)過柔性多狀態(tài)開關(guān)很短時(shí)間的潮流調(diào)節(jié)后，電網(wǎng)A和電網(wǎng)B饋線電流很快達(dá)到均衡。

圖3　潮流控制仿真波形Fig.3　Simulation waveforms of power flow control

為了驗(yàn)證所研究的柔性多狀態(tài)開關(guān)數(shù)學(xué)模型的合理性和所提出控制策略的有效性，搭建了100 kVA柔性多狀態(tài)開關(guān)原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。柔性多狀態(tài)開關(guān)主電路背靠背變流器對(duì)稱設(shè)計(jì)，采用同樣的LC濾波器，同時(shí)通過兩個(gè)變比為1∶2的隔離變壓器分別與配電網(wǎng)兩條饋線互聯(lián)。為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，降低兩端饋線電壓波動(dòng)或中斷可能對(duì)柔性多狀態(tài)開關(guān)運(yùn)行的影響，柔性多狀態(tài)開關(guān)的二次電路供電來源采用直流母線供能方式。

根據(jù)潮流轉(zhuǎn)移容量需求分析，單端變流器額定容量設(shè)計(jì)為50 kVA，采用第2節(jié)提出的控制方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。變流器開關(guān)頻率為10 kHz，其中升壓變壓器采用Ynd11結(jié)構(gòu)，本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，初級(jí)輸入線電壓有效值A(chǔ)C 190 V/50 Hz；次級(jí)輸出線電壓有效值A(chǔ)C 380 V/50 Hz。實(shí)驗(yàn)過程中變流器直流母線電壓控制目標(biāo)為360 V，直流側(cè)支撐電容為4 700 μF/450 V，變流器輸出線電壓有效值為190 V，交流側(cè)濾波電感為1.6 mH，交流側(cè)濾波電容為25 μF，變流器輸出電壓通過變比為1∶2的升壓變壓器并入線電壓有效值為380 V的配電柜饋線。實(shí)驗(yàn)時(shí)電網(wǎng)A饋線負(fù)荷空載，電網(wǎng)B饋線負(fù)荷為11.2 Ω的電阻負(fù)載和10.33 mH的電感負(fù)載串聯(lián)，用于驗(yàn)證柔性多狀態(tài)開關(guān)的潮流控制和無功補(bǔ)償性能。

圖4為柔性多狀態(tài)開關(guān)無功補(bǔ)償投入時(shí)刻運(yùn)行波形。無功補(bǔ)償開始前，電網(wǎng)B的電壓與電流相位相差較多；啟動(dòng)無功補(bǔ)償后，電網(wǎng)B的電壓和電流幾乎同相位，動(dòng)態(tài)調(diào)整過程約16 ms；完全補(bǔ)償后，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，較好地實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償功能。

圖5為有功潮流和無功補(bǔ)償功能同時(shí)運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。裝置啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)A端空載，電網(wǎng)B端帶載運(yùn)行，首先電網(wǎng)B實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能，從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，補(bǔ)償后電網(wǎng)B的電壓與電流幾乎處于同相位，執(zhí)行潮流控制算法后，電網(wǎng)A電流和電網(wǎng)B電流很快達(dá)到均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了饋線的負(fù)荷均衡控制，同時(shí)電壓和電流基本同相位，也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償功能。

圖4　無功補(bǔ)償功能投入時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.4　Experimental waveforms with reactive power compensation

圖5　有功潮流轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)波形Fig.5　Experimental waveforms with active power flow transfer

4　結(jié)語

隨著光伏扶貧項(xiàng)目戶用光伏數(shù)量的增多和電動(dòng)汽車的快速普及，通過柔性多狀態(tài)開關(guān)在配電網(wǎng)饋線間互聯(lián)解決饋線均衡和電能質(zhì)量問題將具有較好的實(shí)用意義。論文研究結(jié)果表明，基于電力電子技術(shù)的柔性多狀態(tài)開關(guān)裝置作為配電網(wǎng)實(shí)施主動(dòng)控制的關(guān)鍵設(shè)備，具備實(shí)現(xiàn)多條饋線無功補(bǔ)償和有功潮流雙向控制的功能。通過調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中饋線負(fù)荷均衡，同時(shí)進(jìn)行饋線無功補(bǔ)償，可以減少配電網(wǎng)系統(tǒng)線損，減輕各條饋線上游變壓器壓力，提升分布式電源滲透率，滿足電動(dòng)汽車等沖擊性負(fù)荷的快速增長而不需要短期內(nèi)進(jìn)行頻繁的線路改造，提升配電網(wǎng)的綜合經(jīng)濟(jì)性收益。

柔性多狀態(tài)開關(guān)作為全控型電力電子裝置，對(duì)提高配電網(wǎng)一次裝備的控制能力與控制水平有著重要意義。下一步計(jì)劃開展基于柔性多狀態(tài)開關(guān)的分布式電源出力波動(dòng)抑制研究、能量轉(zhuǎn)供研究和故障區(qū)域快速恢復(fù)研究。本文研究內(nèi)容期望能夠推動(dòng)柔性多狀態(tài)開關(guān)的實(shí)用化進(jìn)程，加快柔性多狀態(tài)開關(guān)在中國配電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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[22] 魏光.同相供電裝置控制策略研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

霍群海(1981—),男,博士,副研究員,主要研究方向:電能質(zhì)量分析與控制、直流電網(wǎng)裝備技術(shù)。E-mail: huoqunhai@163.com

粟夢(mèng)涵(1995—),女,碩士研究生,主要研究方向:配電網(wǎng)運(yùn)行與控制。E-mail: 296449220@qq.com

吳理心(1984—),男,通信作者,助理研究員,主要研究方向:直流電網(wǎng)裝備技術(shù)。E-mail: wulixin@mail.iee.ac.cn