基于柔性多狀態(tài)開關的分布式電源消納技術評述

劉玉潔，袁旭峰，鄒曉松，熊煒，談竹奎，徐玉韜

(1.貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025; 2.貴州電網(wǎng)有限公司電力科學研究院，貴陽 550002)

0 引 言

截止至2019年6月底，我國可再生能源發(fā)電的裝機容量達到7.5億kW[1]。隨著裝機容量的不斷上升[2-3]，對配電網(wǎng)的消納能力帶來了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中使用常規(guī)聯(lián)絡開關，這極大的限制了配電網(wǎng)的自身的靈活可靠性。且其“閉環(huán)設計，開環(huán)運行”的結構不靈活，導致調控手段有限，進而配電網(wǎng)的潮流難以通過傳統(tǒng)手段進行調控。由于光伏發(fā)電、風電等新能源出力具有不確定性和波動性，將會引起配電網(wǎng)的潮流分布不均、電壓偏差[4]、電壓波動、閃變[5]、頻率偏差等問題[6-7]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)不能較好的對以上所述問題進行抑制，進而會大幅度限制可再生能源的接入[8]。文獻[9]提出一種限制光伏電源輸出容量來解決配電網(wǎng)過電壓的方案，但是這種方案降低了可再生電源的利用率。

柔性多狀態(tài)開關(Soft Open Point, SOP)是一種替代常規(guī)聯(lián)絡開關的智能軟開關，SOP在配電網(wǎng)中的應用可改變傳統(tǒng)閉環(huán)設計、開環(huán)運行的運行方式。它具有四象限功率快速響應和精確調節(jié)能力[10-12]?？赏ㄟ^控制SOP對其所連接饋線的有功功率與無功功率加以精確的控制，使配電網(wǎng)中的潮流分布達到均衡，從而改善饋線電壓分布、提高配電網(wǎng)供電可靠性[13]。同時可改變原有的點消納、線消納模式為面消納模式，從而提升交流配電網(wǎng)接納分布式電源的能力[14]。文獻[15]研究了利用SOP改善并網(wǎng)點電壓水平進而提高DG在電網(wǎng)滲透率的作用。文獻[16]介紹了儲能元件與SOP聯(lián)合接入對降低光伏出力波動造成電網(wǎng)沖擊的模型。因此如何在配電網(wǎng)中發(fā)揮柔性多狀態(tài)開關的優(yōu)勢，對于促進分布式電源的消納能力頗具研究意義。

文章首先對比分析了傳統(tǒng)配電網(wǎng)與含柔性多狀態(tài)開關配電網(wǎng)，如表1所示，接著概括了目前已有的消納方法及其優(yōu)缺點，介紹了SOP實現(xiàn)設備的數(shù)學模型和功能，綜述其控制策略；總結了當前研究所面臨的挑戰(zhàn)并展望基于SOP消納方法的新趨勢；最后提出了含SOP的配電網(wǎng)提升DG消納能力展望。

表1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)與柔性配電網(wǎng)對比分析Tab.1 Comparative analysis of traditional distribution network and flexible distribution network

表1中B2B VSC為背靠背電壓源型變流器；UPFC為統(tǒng)一潮流控制器；SSSC為串聯(lián)同步補償器。

1 可再生能源消納策略

目前已有的消納方法依據(jù)分類可從發(fā)電、輸電、配電等方面進行分析，使參與電力市場的各方配合有序，從而促進可再生能源的消納。文獻[17]從建立與完善新能源相關激勵機制、優(yōu)化調整電價、建立新能源消納義務制度及消納交易機制等方面進行了綜合分析。文獻[18-19]講述可通過儲能系統(tǒng)充放電的功能促進分布式電源的消納。文獻[20]研究了利用發(fā)電權交易機制及補償機制進行跨區(qū)、跨省的可再生能源消納。跨區(qū)跨省這種方式能夠促進更大范圍、更大容量的能源消納，但是存在成本分析、補償額度等問題。因此不同的消納方法存在不同的優(yōu)缺點。文中對其進行了總結分析，如表2所示[21-25]。

表2 不同消納方法優(yōu)缺點的比較Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different dissipation methods

2 SOP拓撲結構及數(shù)學模型

2.1 SOP實現(xiàn)原理及數(shù)學模型

基于現(xiàn)代電力電子技術構成的SOP裝置，可以通過一些控制策略優(yōu)化線路潮流，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高供電可靠性。針對電壓源換流器元件的SOP實現(xiàn)裝置主要有：B2B-VSC[26]、SSSC、UPFC[27]和靜止同步補償器(STATCOM)[28]。文章對這四種實現(xiàn)裝置在電網(wǎng)中的功能分析如表3所示。

其中B2B-VSC能夠四象限功率運行，實現(xiàn)功率快速精確控制、以及饋線柔性互聯(lián)等諸多優(yōu)點，在柔性輸電和可再生能源發(fā)電中獲得廣泛的應用。因此文章主要分析基于B2B-VSC以及多端VSC拓撲結構的消納能力。文獻[29]分析了三端口SOP的工作原理、數(shù)學模型及控制策略。文獻[30-31]基于背靠背電壓源型換流器數(shù)學模型、控制策略研究多端配電網(wǎng)系統(tǒng)消納問題。文章以多端SOP柔性配電網(wǎng)為例分析其左側換流器數(shù)學模型，如圖1、圖2所示。

表3 SOP實現(xiàn)裝置及應用功能Tab.3 SOP devices and their application functions

圖1 多端 VSC 拓撲結構Fig.1 Multi-terminal VSC topological structure

圖2 VSC1側主電路拓撲Fig.2 VSC1 side main circuit topology

圖2中，等效阻抗R表示換流器與相應線路的損耗，電抗器L用于濾除換流器輸出的電流諧波，電容器C提供直流側電壓支撐?；赿-q同步旋轉坐標系下的動態(tài)微分方程為：

(1)

(2)

式中j=1、2、3；id1、iq1分別為VSC1的d-q軸分量；Ed1和Eq1分別為VSC1交流側并聯(lián)系統(tǒng)電壓矢量的d-q軸分量；Udc為直流側電壓。

根據(jù)瞬時無功功率理論，忽略變流器和開關損耗，三端口輸入(輸出)功率為：

(3)

2.2 可再生能源柔性接入配電網(wǎng)拓撲

分布式電源主要以交流和直流的方式輸出電能，需要通過電力變換之后才能并網(wǎng)，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC三個環(huán)節(jié)。文獻[32]分析了光伏發(fā)電和風力發(fā)電兩者的典型并網(wǎng)拓撲方式以及拓撲結構上的區(qū)別。柔性配互聯(lián)配電網(wǎng)結構可實現(xiàn)大量分布式電源接入配電網(wǎng)，是未來提升可再生能源消納能力發(fā)展的新趨勢。

文章以貴州大學“直流配電中心(DC Distribution Center, DDC)”為例[33]，介紹光伏發(fā)電以及風力發(fā)電接入配電網(wǎng)方式，如圖3所示。

圖3 中壓直流配電中心拓撲結構Fig.3 Topological structure of medium voltage DC distribution center

在該系統(tǒng)中，3個模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)通過變壓器與10 kV交流配電網(wǎng)相連[34]，直流側直接并聯(lián)在10 kV母線上，其中MMC#1、MMC#2、MMC#3可實現(xiàn)多回10 kV交流饋線的柔性互聯(lián)；低壓交流微電網(wǎng)和低壓直流微電網(wǎng)分別通過MMC#4、DAB(Dual Active Bridge, DAB)以及變壓器接入直流母線[35]，實現(xiàn)中壓直流和微網(wǎng)之間柔性互聯(lián)。其中通過對MMC#4、DAB的控制可以實現(xiàn)交直流微網(wǎng)子系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互聯(lián)功率控制并相互支撐。微網(wǎng)中DC/DC、DC/AC設備實現(xiàn)儲能裝置、DG集中接入。對其進行控制可以準確調控所連接雙端饋線的有功功率和無功功率[11]，通過對傳輸功率加以精確控制，改變原有的線消納模式為面消納模式；并能夠有效削弱交流饋線中分布式電源接入帶來的電壓升高越限等問題，提升交流配電網(wǎng)接納DG的能力。

3 基于SOP可再生能源消納技術

3.1 SOP控制策略

文獻[36]基于B2B-VSC提出SOP與無功補償裝置聯(lián)合接入互補的方法，通過電壓控制可實現(xiàn)配電網(wǎng)能量傳輸能力的提高以及配網(wǎng)穩(wěn)定運行。由此可見控制系統(tǒng)是DG接入配電網(wǎng)不可或缺的一部分，通過對源側和網(wǎng)側的合理控制才能實現(xiàn)DG并網(wǎng)。文章以B2B-VSC的控制模式為例分析其控制策略。

柔性多狀態(tài)開關控制功率原理為：通過控制其兩側變流器與交流電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率達到其控制目的，通常有幅相控制和矢量控制[37]。其中目前常用的控制方式為矢量控制，采用電流內環(huán)控制和功率外環(huán)控制的雙閉環(huán)結構。根據(jù)雙閉環(huán)控制策略中外環(huán)控制功能的不同，SOP有不同的基本控制模式[38]。正常運行狀況下的控制方式如表4所示[29,39]。

表4 B2B VSC的控制模式Tab.4 Control mode of B2B VSC

3.2 控制策略優(yōu)化

SOP柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的特征之一為強大的優(yōu)化能力[40]。在優(yōu)化策略方面，可以通過改善電壓水平等電能質量問題提升DG接入配電網(wǎng)比例，進而提升配電網(wǎng)在網(wǎng)級整體層面上DG消納能力。

文獻[26]提出了一種基于擾動觀察法的SOP優(yōu)化運行控制策略，使配電網(wǎng)電壓處于標準水平。文獻[27,30]提出通過電壓控制策略研究限制電壓越限從而提升可再生電源接入容量。文獻[12]介紹了一種三端口柔性多狀態(tài)開關分區(qū)配電網(wǎng)電壓分布的優(yōu)化方法，用三端口柔性多狀態(tài)開關替換配電網(wǎng)中特定位置的聯(lián)絡開關實現(xiàn)電壓優(yōu)化分布。文獻[41]建立了儲能與SOP聯(lián)合模型，通過對SOP制定優(yōu)化運行策略,在保證電壓質量的同時促進可再生能源的消納。文獻[42]提出一種有源配電網(wǎng)分布式電源與SOP三層協(xié)調規(guī)劃模型。

控制策略的優(yōu)化可以通過SOP的潮流快速調控以及無功電壓支撐能力，優(yōu)化饋線之間的潮流分布以及饋線的電壓水平進而提升DG消納能力。

3.3 控制策略優(yōu)化層次結構

文章以圖3中壓直流配電中心拓撲結構為例[43]，在此基礎上提出一種控制優(yōu)化的層次結構，分析柔性配電網(wǎng)接入可再生電源提升消納能力控制策略的層次架構[44]。在圖3的拓撲結構中MMC#1～MMC#3共同控制中壓直流母線電壓，維持系統(tǒng)內功率平衡。根據(jù)微電網(wǎng)的運行調度控制目標，向MMC#4下發(fā)功率指令，控制微網(wǎng)與中壓直流配電中心的互聯(lián)功率。在并網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)中的控制器向DC-DC、DC-AC設備下發(fā)功率分配命令，控制微網(wǎng)與交流電網(wǎng)之間的功率傳輸[45]。其促進DG消納能力的控制策略層次結構如圖4所示。

圖4 控制策略層次結構Fig.4 Control strategy hierarchy

控制策略的優(yōu)化相比較電網(wǎng)改造、跨區(qū)域消納等方法成本相對較低運行維護相對簡單，在常規(guī)控制基礎上對控制策略進行優(yōu)化可進一步提升DG接入配電網(wǎng)的比例。在多端配電網(wǎng)系統(tǒng)中可通過SOP對集中接入的可再生能源進行功率分配，構建多條饋線共同(面)消納分布式電源的拓撲結構。另一方面，通過對SOP的控制可以讓功率分配實時響應可再生能源出力波動和負荷動態(tài)變化，以保證配電網(wǎng)運行處于實時優(yōu)化的狀態(tài)提高供電可靠性。

3.4 SOP與儲能聯(lián)合接入

可再生能源出力具有波動性以及儲能元件的應用使供電無需保持實時平衡的特點[40,46-47]。儲能元件即可作為負荷儲存電能也可作為電源供電，從而可降低功率波動，減小對電網(wǎng)沖擊。利用SOP的實時功率調節(jié)功能實現(xiàn)兩者優(yōu)勢互補，使得SOP在原有功能基礎上增加電能存儲功能。進一步提升了可再生能源消納水平。SOP與儲能聯(lián)合接入該拓撲結構以背靠背變流器為基礎，接入該拓撲結構以背靠背變流器為基礎，儲能元件通過直流母線接入配電網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 SOP與儲能聯(lián)合接入Fig.5 Integration of SOP and energy storage

在此基礎上，文獻[13]提出了一種儲能元件與SNOP聯(lián)合緩解光伏出力波動的方法。文獻[34]提出一種風力、光伏、儲能系統(tǒng)主動功率協(xié)調控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)頻率的高低決定風力、光伏、儲能系統(tǒng)的有功出力。文獻[48]綜述了高比例可再生能源接入儲能系統(tǒng)的應用。

4 展望

4.1 綜合能源系統(tǒng)

高比例分布式電源消納在柔性配電網(wǎng)存在電力無法長期儲存的特點。利用天然氣、熱力等系統(tǒng)將電力轉換為其它形式的能源儲存形成綜合能源系統(tǒng)[49-53]，如圖6所示。

圖6 柔性配電網(wǎng)多能源系統(tǒng)Fig.6 Multi-energy system for flexible distribution network

綜合能源系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同能源形勢之間的轉換，如將過剩電能轉化為易于存儲的氫能等其他能源形勢，從而實現(xiàn)可再生能源的高效利用與大規(guī)模消納，從根本上對能源結構進行調整，促進可持續(xù)發(fā)展。

4.2 基于SOP的柔性互聯(lián)技術

針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)源荷不聯(lián)動無法消納大規(guī)模可再生能源[54-57]，基于SOP的柔性互聯(lián)技術能夠實現(xiàn)儲能裝置的面接入，進而獲取削峰填谷、間歇式能源消納的網(wǎng)級綜合最優(yōu)，如圖7所示。其饋線閉環(huán)、配網(wǎng)快速控制的特點可以實現(xiàn)可再生能源廣泛接入、全局協(xié)調、高效面消納。但是對于含儲能的SOP的柔性互聯(lián)技術也提出了新的要求，換流器之間的相互配合程度和運行控制的難度也成為需要解絕的問題之一。

圖7 基于SOP的柔性互聯(lián)技術Fig.7 Flexible interconnection technology based on SOP

5 結束語

在中國可再生能源消納問題突出的背景下，SOP在配電網(wǎng)中的應用給予了消納問題更大的優(yōu)化空間。同時可以改善分布式電源接入帶來的諸多問題，例如：SOP的四象限功率精確控制能力可實現(xiàn)有功、無功的快速調節(jié)，從而提高電網(wǎng)的電能質量；通過聯(lián)絡開關的連接形成多饋線互聯(lián)結構，可平衡各饋線負荷均衡等。文章從分布式電源接入配電網(wǎng)的拓撲結構、促進DG消納的控制策略等多方面進行分析，最后展望了未來SOP在分布式電源消納的研究方向。