基于SNOP的配電網(wǎng)合環(huán)倒負(fù)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(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州 六盤水553000)

目前，國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)主要采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”的供電模式，當(dāng)某一饋線或設(shè)備需停電檢修時(shí)，可采用合環(huán)倒閘操作的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)供，從而提高供電的可靠性和連續(xù)性[1]。然而，在電網(wǎng)的實(shí)際規(guī)劃建設(shè)中，出于供電可靠性和供電風(fēng)險(xiǎn)管控等考慮，往往將一個(gè)配電變電站的電源點(diǎn)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(yùn)行方式主要有明備用和暗備用兩種，在進(jìn)行合環(huán)倒負(fù)荷時(shí)，會(huì)形成110kV-35kV或220kV-35kV甚至500kV-35kV的電磁環(huán)網(wǎng)，若產(chǎn)生的合環(huán)電流過大，很可能會(huì)使某些設(shè)備過載而嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行[2]。對(duì)此，通常需在合環(huán)前對(duì)合環(huán)電流進(jìn)行計(jì)算評(píng)估以判斷是否宜進(jìn)行合環(huán)操作，如采用P-Q分解法、概率潮流法、全電流數(shù)學(xué)模型等[3-5]，但上述方法只能對(duì)合環(huán)電流進(jìn)行預(yù)評(píng)估，無法從根本上解決某些情況下合環(huán)電流過大的問題。此外，對(duì)于某些合環(huán)路徑較復(fù)雜的倒負(fù)荷情形，有的做法是采用“停電倒閘”的方式將負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)供，以損失用戶供電的連續(xù)性來?yè)Q取電網(wǎng)的安全性[6]。然而，當(dāng)停電線路或設(shè)備在復(fù)電時(shí)，為恢復(fù)電網(wǎng)的原運(yùn)行方式，仍采用“停電倒閘”方式將負(fù)荷倒回至原系統(tǒng)供電，進(jìn)而造成用戶的二次停電。交直流混合配電網(wǎng)可采用合環(huán)運(yùn)行方式，通過對(duì)換流器進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，比較容易實(shí)現(xiàn)用戶的不停電轉(zhuǎn)供，但交直流配電網(wǎng)目前仍處于研究或示范性工程階段，尚未大規(guī)模推廣建設(shè)[7-14]，且其中直流配電網(wǎng)的固態(tài)斷路器等設(shè)備仍面臨一定的技術(shù)難題[15-16]。

SNOP(soft normally open point)是一種基于電力電子裝置的電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，若將SNOP代替或接入變電站的傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)TS，則可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)開口點(diǎn)兩側(cè)電力系統(tǒng)的解耦閉環(huán)運(yùn)行，進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)優(yōu)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(wǎng)變電站接線方式及倒負(fù)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(wǎng)之間的時(shí)域數(shù)學(xué)模型及其控制方式。然后，根據(jù)倒閘操作特點(diǎn)詳細(xì)說明了電網(wǎng)合環(huán)倒負(fù)荷過程中的SNOP控制方式。最后，建立了基于SNOP的220kV-35kV電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型及相關(guān)控制模型，并將其與基于常規(guī)開關(guān)的電網(wǎng)模型進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，從合環(huán)潮流(電流)可控能力和連續(xù)轉(zhuǎn)供電能力等方面驗(yàn)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(tǒng)一潮流控制器型(UPFC)、背靠背電壓源型換流器型(B2B VSC)和串聯(lián)補(bǔ)償器型(SSSC)三種。其中，B2B VCS型在風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用最為廣泛，文中也主要采用B2B VCS型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于B2B VSC型的 SNOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit topology of SNOP based on B2B VSC

(1)

由式(1)可知，若能適當(dāng)?shù)乜刂芐NOP的輸出電壓，就能夠?qū)上到y(tǒng)之間的合環(huán)電流進(jìn)行有效控制。當(dāng)控制SNOP輸出電壓與電網(wǎng)電壓相同時(shí)，合環(huán)電流可控制為零。

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，若能采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?duì)VSC2輸出的電壓大小和相位進(jìn)行控制，則可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流系統(tǒng)之間的潮流四象限交互運(yùn)行，從而達(dá)到電網(wǎng)閉環(huán)解耦運(yùn)行的目的。

SNOP接入變電站可有完全替代常規(guī)開關(guān)和與常規(guī)開關(guān)并聯(lián)接入兩種方式。第二種接入方式中常規(guī)開關(guān)可在SNOP停電檢修維護(hù)時(shí)起到備用開關(guān)的作用。以35kV變電站為例，設(shè)其分段開關(guān)為正常運(yùn)行方式下的開口點(diǎn)，則與傳統(tǒng)開關(guān)并聯(lián)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(huán)運(yùn)行與開環(huán)運(yùn)行兩種方式。閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，SNOP主要起到潮流調(diào)控作用，且在進(jìn)線故障跳閘時(shí)能迅速切換運(yùn)行方式以保障對(duì)負(fù)荷的繼續(xù)供電，但具有一定的開關(guān)損耗；開環(huán)運(yùn)行時(shí)，SNOP處于停用狀態(tài)，可減少損耗，在需要合環(huán)倒負(fù)荷時(shí)再啟動(dòng)投運(yùn)，但在進(jìn)線故障跳閘時(shí)備用開關(guān)或SNOP投入運(yùn)行具有一定的時(shí)間間隔。此外，SNOP接入電力系統(tǒng)后需對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)配置和整定，具體可以借鑒交直流配電網(wǎng)或主動(dòng)配電網(wǎng)等相關(guān)研究[23-24]。

2 各種運(yùn)行狀態(tài)中的SNOP控制策略

SNOP接入電網(wǎng)后，其輸出交流電壓是以直流側(cè)電壓為基準(zhǔn)的開關(guān)函數(shù)，若采用PWM或SVPW等調(diào)制方式，并經(jīng)濾波后可得到三相正弦電壓。

2.1 換流器數(shù)學(xué)模型及其控制

SNOP中換流器的控制策略以控制目標(biāo)進(jìn)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(wǎng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型為例對(duì)PQ控制進(jìn)行說明。

設(shè)交流電網(wǎng)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(wǎng)之間的連接電感和電阻分別為L(zhǎng)和R?？傻秒娋W(wǎng)與換流器在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為[28]

(4)

對(duì)式(4)做Park變換，并以網(wǎng)側(cè)電壓ug為定向，可得在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(wǎng)電角頻率；ugd為電網(wǎng)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(jìn)而可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率方程為

(6)

式(6)表明，若分別對(duì)換流器輸出電流的d、q分量進(jìn)行控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)其輸出有功功率、無功功率的獨(dú)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(xiàng)的影響，即控制其中一項(xiàng)分量同時(shí)會(huì)改變另一項(xiàng)分量。為實(shí)現(xiàn)PQ的解耦控制，可采用前饋補(bǔ)償作解耦處理。

(7)

2.2 合環(huán)倒負(fù)荷的SNOP控制方式

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)即可開環(huán)運(yùn)行，也可通過SNOP實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。若為閉環(huán)運(yùn)行方式，SNOP中一個(gè)換流器采用Udc-Q控制，主要控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定，另一個(gè)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(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)之間潮流的實(shí)時(shí)、連續(xù)控制。

為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，如圖2所示，假設(shè)進(jìn)線1的線路電阻為R1，進(jìn)線2的線路電阻為R2，兩條進(jìn)線所供負(fù)荷的總電流為I，設(shè)I1為經(jīng)過SNOP潮流調(diào)節(jié)后進(jìn)線1的電流，此時(shí)，兩條進(jìn)線的線損可表示為

(8)

根據(jù)式(8)，可求解線損P取最小值時(shí)進(jìn)線1輸出電流的最優(yōu)解為

(9)

若兩條進(jìn)線的型號(hào)和長(zhǎng)度相同，由式(9)可知，當(dāng)通過SNOP進(jìn)行潮流控制使得進(jìn)線1和進(jìn)線2的輸出電流相等時(shí)，即通過均衡饋線出力，可以使兩條進(jìn)線的線路損耗達(dá)到最小。

此外，當(dāng)進(jìn)線2所饋母線上有光伏等分布式電源接入時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)，若分布式電源發(fā)電較多，多余的電能會(huì)通過饋線2倒送至電網(wǎng)。對(duì)于接入SNOP的電網(wǎng)，可通過SNOP的潮流調(diào)節(jié)功能可將分布式電源多發(fā)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(shí)SNOP起到“電力閥門”的作用。

當(dāng)進(jìn)線需檢修停運(yùn)或因故障停運(yùn)時(shí)，若直接在進(jìn)線開關(guān)(301開關(guān))處解環(huán)，由于PQ控制無法滿足電壓頻率要求，當(dāng)輸出的功率與負(fù)荷不匹配時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致35kVⅠ母線失穩(wěn)，因此需將VSC1的控制及時(shí)切換為V/f控制，以實(shí)現(xiàn)從聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行到孤島運(yùn)行的平滑過渡。SNOP正常側(cè)換流器則采用Udc-Q控制，為逆變側(cè)提供直流電壓穩(wěn)定和平衡功率流動(dòng)，停電側(cè)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(cè)母線提供電壓和頻率支撐，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的不間斷轉(zhuǎn)供電。

當(dāng)進(jìn)線由停電恢復(fù)供電時(shí)，SNOP孤島側(cè)換流器可采用并網(wǎng)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(biāo)，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(jìn)線開關(guān)以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)從孤島運(yùn)行到聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(jié)合圖2和圖3對(duì)基于SNOP的配網(wǎng)合環(huán)倒負(fù)荷控制策略作進(jìn)一步說明：

當(dāng)進(jìn)線由運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修時(shí)，設(shè)系統(tǒng)經(jīng)過SNOP處于閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，其中，VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用PQ控制，此時(shí)SNOP可參與系統(tǒng)的潮流調(diào)控。為避免非同期合閘，斷開進(jìn)線301開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)電壓和頻率，使SNOP所供系統(tǒng)運(yùn)行在孤島模式，與傳統(tǒng)孤島模式不同，此時(shí)SNOP的電能來源于另一側(cè)電網(wǎng)，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)會(huì)反映到SNOP的直流側(cè)電壓降低，但由于VSC2采用的是Udc-Q控制，會(huì)通過從另一交流側(cè)吸收更多功率來維持直流電壓穩(wěn)定，因此其輸出功率的穩(wěn)定性較好，對(duì)負(fù)荷的自適應(yīng)性和供電可靠性較高。而傳統(tǒng)孤島模式一般僅由部分電廠提供電能，特別對(duì)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(wěn)定性較差，可能需要限制負(fù)荷等措施來保證供需平衡或減少波動(dòng)。

當(dāng)進(jìn)線由檢修轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，VSC1交流側(cè)為孤島運(yùn)行，即VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用V/f控制，為恢復(fù)電網(wǎng)的原運(yùn)行方式，需將VSC1交流側(cè)系統(tǒng)由孤島運(yùn)行切換為聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，即在閉合進(jìn)線301開關(guān)前，先將V/f控制中的給定電壓和頻率切換為跟蹤電網(wǎng)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(wǎng)電壓大小和頻率相同。此時(shí)，電壓及頻率滿足并網(wǎng)要求，但可能存在相位差，因此需引入頻率擾動(dòng)控制環(huán)節(jié)，通過將VSC1輸出電壓相位控制至與電網(wǎng)電壓相位相同，再合上進(jìn)線301開關(guān)完成并網(wǎng)操作。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后再將VSC1的V1/f1控制切換為PQ控制來參與系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)，或直接閉鎖SNOP使其停運(yùn)。

上述各運(yùn)行狀況下的控制策略如表1所示。

表1 各運(yùn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Grid structure diagram of simulation example

(1)常規(guī)電網(wǎng)的倒負(fù)荷情形

當(dāng)進(jìn)線或進(jìn)線開關(guān)需停電檢修時(shí)，為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)供，可采用合環(huán)倒閘方式將變電丙站35kVⅠ母線所帶負(fù)荷倒由B系統(tǒng)供電，如在1s時(shí)，通過閉合丙站35kV分段310開關(guān)進(jìn)行合環(huán)，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 常規(guī)電網(wǎng)合環(huán)電流仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of loop closing current in conventional power network

圖中，I0為A相合環(huán)電流。I1為甲丙線A相電流，I2為乙丙線A相電流。由仿真結(jié)果可知，由于分段310開關(guān)兩側(cè)系統(tǒng)存在電壓相量差，當(dāng)直接閉合310開關(guān)時(shí)，產(chǎn)生了較大的合環(huán)電流，其有效值約為547A，而甲丙線路的電流有效值達(dá)到約577A，乙丙線路電流有效值約為502A，對(duì)于LGJ185或LGJ240等導(dǎo)線，已造成線路過載，很可能會(huì)嚴(yán)重威脅設(shè)備安全運(yùn)行。因此，其倒負(fù)荷一般采用“停電倒”的方式，即先斷開進(jìn)線301開關(guān)，再閉合分段310開關(guān)，這樣雖然能避免合環(huán)電流造成的線路過載，但對(duì)用戶造成了短時(shí)停電。

(2)基于SNOP的合環(huán)倒負(fù)荷情形

設(shè)正常運(yùn)行時(shí)，SONP為閉鎖狀態(tài)，設(shè)1s時(shí)，啟動(dòng)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(shí)，斷開進(jìn)線301開關(guān)，同時(shí)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(jìn)行檢修工作。上述過程的仿真結(jié)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(jié)果可知，投入SNOP運(yùn)行且采用PQ控制時(shí)，可控制兩進(jìn)線出力均在2MW左右，此時(shí)，合環(huán)電流峰值不到80A，合環(huán)運(yùn)行時(shí)的電流得到了有效控制，避免了傳統(tǒng)交流合環(huán)造成的線路過載現(xiàn)象。若有需要，合環(huán)電流大小也可根據(jù)調(diào)控后臺(tái)給定PQ參考值進(jìn)行控制。當(dāng)需要將線路轉(zhuǎn)檢修時(shí)，如在仿真中2s時(shí)刻，在斷開進(jìn)線開關(guān)的同時(shí)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(shí)現(xiàn)了用戶的不停電轉(zhuǎn)供，保障了倒閘操作過程中對(duì)用戶供電的可靠性和連續(xù)性。

(3)基于SNOP的恢復(fù)原方式倒閘情形

設(shè)甲丙線檢修工作已結(jié)束，且已送電至丙站301開關(guān)處開口熱備用，在合上丙站301開關(guān)前，啟動(dòng)SNOP的并網(wǎng)控制，當(dāng)檢測(cè)滿足并網(wǎng)條件后自動(dòng)合上301開關(guān)，以完成并網(wǎng)操作。上述過程的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于SNOP的并網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of grid-connection based on SNOP

由仿真結(jié)果可知，SNOP在并網(wǎng)前，其輸出電壓與電網(wǎng)電壓存在較大的相位差，，采用并網(wǎng)控制后，使得相位差在短時(shí)間內(nèi)逐漸縮小，當(dāng)滿足并網(wǎng)條件后即可自動(dòng)并網(wǎng)，完成孤網(wǎng)到聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的平滑過渡，無須像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣可能采取“停電倒閘”的方式恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式，提高了供電的可靠性和連續(xù)性。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)合環(huán)倒閘操作是實(shí)現(xiàn)用戶不停電轉(zhuǎn)供的重要手段，但傳統(tǒng)交流電網(wǎng)合環(huán)由于合環(huán)電流不可控，可能產(chǎn)生較大的合環(huán)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(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，對(duì)SNOP的原理和接入變電站方式進(jìn)行了研究和探討，詳細(xì)說明了SNOP的數(shù)學(xué)模型及在各種工況下的控制方式，并根據(jù)倒閘操作的特點(diǎn)，在倒閘操作和恢復(fù)原方式過程中綜合運(yùn)用PQ控制、Udc-Q控制、V/f控制及并網(wǎng)控制等控制策略對(duì)SNOP進(jìn)行控制，通過仿真算例驗(yàn)證了所提方案能夠有效控制合環(huán)倒閘操作過程中的合環(huán)電流大小，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的安全不停電倒閘操作，保障了電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行的安全性和對(duì)用戶供電的可靠性及連續(xù)性。