配电网柔性开关设备关键技术及其发展趋势

杨　欢, 蔡云旖, 屈子森, 邓　焰, 陆　翌, 赵荣祥

(1. 浙江大学电气工程学院, 浙江省杭州市 310027; 2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院, 浙江省杭州市 310014)

0　引言

为了转变以化石能源为主的全球能源格局[1-2],以风能、太阳能为代表的可再生能源日益获得重视与应用推广[3-5]。随着分布式可再生能源正急剧涌现与快速增长,伴随电动汽车为代表的新型负荷的大规模接入[6],电源结构不断变化、电源种类持续增加、负荷特性日益多样,已对配电网造成广泛而深远的影响。主要表现为：功率流向日趋复杂,负载波动加剧;短路电流增大,设备选型困难且寿命缩短;电压越限等电能质量问题日益突出、供电可靠性降低;配电网继电保护灵敏度变化,造成保护的误动和拒动等[7-10],已严重影响系统的稳定性以及运行的安全性。为保证电能质量以及供电可靠性,配电系统的架构及模式正在发生重大变化[11]。为进一步解决这些问题,确保配电网的电能质量及供电可靠性,主动配电网技术以及各种面向配网的电力电子设备得到了各国学者的重视[12-14],而其中柔性开关设备关键技术逐渐成为配电网领域一个新的研究热点。

近些年,国内外学者开始高度关注柔性开关设备对于配电网的影响及其应用关键技术[15]。2007年日本电力工业中央研究院提出环网平衡控制器(loop balance controller,LBC)[16]的概念,借助IGBT串联技术与背靠背电压源型变流器拓扑,完成了6.6 kV/1 MVA的装置投运与示范应用,实现了两条互联馈线之间的负载均衡,提高了馈线末端电压调节能力。同年,荷兰埃因霍温理工大学提出了IN(intelligent node)[17]的概念。2010年英国帝国理工学院提出了SNOP(soft normally open point)概念,被认为有望部分替代配电网中的联络开关、分段开关等开关设备[18-19],因此可视为柔性开关设备的雏形。

柔性开关设备是一种可在配电网若干关键节点上替代传统联络开关的新型柔性一次设备。与传统联络开关相比,不仅具备通和断两种状态,而且没有传统机械式开关动作次数的限制,增加了功率连续可控状态,兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点。目前,国内外有关柔性开关设备的研究刚刚起步,关于柔性开关设备的装置研发、调控技术、系统接入等方面的难题亟待解决。

本文围绕柔性开关设备基本原理与特点,针对中压配电网应用场合总结得到柔性开关设备的六种典型拓扑结构,重点围绕背靠背柔性开关设备探讨了柔性开关设备运行优化、控制保护以及系统接入的关键技术,并结合当前在建的示范工程,对柔性开关设备发展趋势进行了展望。

1　柔性开关设备基本原理与特点

基于全控型电力电子器件的柔性开关设备,能够快速响应控制指令[20-21],不受传统机械式联络开关动作次数的限制,运行寿命更长[22-23]。柔性开关设备能够在其自身容量调节范围内实时连续地调节流经的功率,促进馈线负载分配的均衡化,满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求,避免了传统联络开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题,提高了配电网的安全性、稳定性、灵活性。背靠背电压源型变流器(back to back voltage source converter,B2B VSC)是最为常见且通用的变流器结构。本文以B2B VSC为例对柔性开关设备的基本原理与特点进行说明。

1.1　柔性开关设备的基本原理

柔性开关设备通过实时监测两端/多端馈线状态,通过优化算法实现负荷向低负荷率馈线的转移,使得低负荷馈线能够分担重负荷馈线的压力,从而优化系统潮流。为实现柔性开关设备各端馈线的负荷均衡化,必须要根据控制目标对各端变流器进行协调控制,通过B2B VSC实现有功功率的双向流动,以及无功功率的受控补偿[24]。

图1(a)为双端柔性开关设备,可实现端对端的馈线互联。然而随着配电网的升级以及负荷的快速、不均衡发展,双端柔性开关设备不能满足复杂环境下多配电区域互联的要求。另外,双端柔性开关设备如果一端出现故障时,将无法调节馈线间的有功。因此,在双端柔性开关设备基础上发展出如图1(b)所示的多端柔性开关设备。多端柔性开关设备是指连接多端(3个及以上)馈线的柔性开关设备,相比于双端柔性开关设备,多端柔性开关设备能实现多条馈线连接,降低了建设成本,经济性显著提高。并且,当多端柔性开关设备某一端由于故障而退出运行时,其余变流器通过柔性切换工作模式,可继续支撑电网的正常运行,更为灵活和可靠。

多端柔性开关设备的配电网电路拓扑结构的组合方式增多,并且随着端口数与应用电压等级的增加,电路的拓扑结构类型就愈加复杂。基于多端柔性开关设备的配电网在仿真建模、运行优化、控制保护、系统接入等关键技术方面颇具难度[25],因此,对于变流器的功率控制与分配、环流抑制、运行模式切换、电能质量控制等方面的内容需要进行更深一步的分析,以满足运行控制策略的稳定性与有效性。

图1　柔性开关设备Fig.1　Soft open point (SOP)

1.2　柔性开关设备的特点

柔性开关设备可视为定制化电力电子设备的一类。与传统的定制化配电网灵活交流输电(distribution flexible AC transmission system,DFACTS)设备相比,其功能更为全面,特点更为鲜明。表1从有功、无功的控制与运行范围、故障恢复等方面,将以B2B VSC为例的柔性开关设备与传统的DFACTS设备进行了比较。

从表1可以看出,多端柔性开关设备与双端柔性开关设备不仅都能实现异步互联,且能通过控制全控型电力电子器件来控制配电网中的有功与无功,但其无功功率上限受馈线电压约束。

表1　柔性开关设备与DFACTS设备的比较[20]Table 1　Comparison of SOP and DFACTS

静止同步补偿器(STATCOM)通过一组变流器连接到某一馈线的末端,可以提供无功功率支撑,但不能够实现配电网中有功功率的控制。因此,对于STATCOM而言,馈线间负载的平衡以及故障恢复都无法实现。统一潮流控制器(UPFC)串联侧部分相当于一个交流电压源,向配电网中注入相角与幅值都可变的交流电压。由于其并联侧的存在,配电网中的UPFC可以控制其两端馈线流过的有功功率与无功功率。静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator,SSSC)可以看作UPFC的串联侧部分,通过耦合变压器串联接入系统中,控制电力电子器件的通断发出或吸收所需要的无功功率,改变了注入配电网的电压幅值与相角来改变配电网的潮流[26-27]。UPFC与SSSC的有功、无功运行范围是不对称曲线,这是由于其有功、无功的控制范围不仅受到器件容量的限制,还与网络拓扑、运行条件以及设备安装位置有关。

因此,与传统的定制化电力DFACTS设备相比,柔性开关设备不仅能实现异步互联,进行实时连续的功率调节,促进负载分配的均衡化,还能实现馈线之间的解耦控制,在故障的情况下,能快速隔离故障,确保关键负荷不间断供电以及迅速恢复供电。

2　柔性开关设备的关键技术

2.1　柔性开关设备的拓扑结构

在满足特定场合的应用需求情况下,采用不同拓扑结构时,柔性开关设备能实现的电压等级、容量范围以及运行效率、经济效益都不相同。以中压配电网为例,传统两电平拓扑结构已经无法满足如表2所示的中压配网应用场合的容量和电压要求,需要通过拓扑结构来突破现有主流开关器件在容量和耐压方面的限制,适应多条/多电压等级馈线互联的需求。本文以柔性开关设备在中压配电网场合的应用为背景,总结了多种代表性拓扑结构。

表2　10 kV馈线传输容量与供电区域[28]Table 2　Transmission capacity and supply area of 10 kV distribution network

1)六边形交—交型模块化多电平变流器

德国汉诺威大学于2011年提出了一种新型的三相六边形交—交型模块化多电平变流器[29]，称为Hexverter,其结构如图2所示。Hexverter分为两个系统,由六个完全相同的桥臂构成,通过相间与桥臂间的连接,每一个三相系统中的任意相都将通过两个桥臂实现与另一三相系统的两相连接。在现有的文献资料中,已有学者给出了Hexveter相应的控制策略[30],总体上还处于研究起步阶段。清华大学李永东团队提出了一种基于最优环流与中性点电压注入的桥臂能量控制方法,能够有效地平衡六边形变流器各桥臂能量,并降低电容电压波动[31]。在连接两个独立三相交流系统时,相比于MMC,这种拓扑结构在器件数量方面大幅度降低,有效减少了设备体积以及生产成本,且更适合在低频大容量传动领域的应用[32]。然而这种拓扑结构每个桥臂必须能够承受足够高的电压,而且为交—交直接控制模式,变流器在正常运行时需要满足严苛的无功约束条件,影响了两端频率的受控自由度[33]。

图2　Hexverter拓扑结构图Fig.2　Hexverter topology

2)模块化多电平矩阵变流器(MMMC)

如图3所示,MMMC拓扑由美国科罗拉多大学的R. W. Erickson和O. A. Al-Naseem于2001年提出[34]。

图3　MMMC拓扑结构图Fig.3　MMMC topology

MMMC与Hexverter有相似之处,均可视为用于中压配电场合交—交直接变换的MMC衍生拓扑。MMMC通过九个桥臂连接两个频率、幅值都不同的三相交流系统。每一个交流系统中的一相都会通过三个桥臂与另一交流系统的每一相进行连接。MMMC结合了传统矩阵变流器和模块化多电平技术的优点[35],因具有开关损耗低、谐波抑制效果好的特点,以及在低频大容量传动领域所具有的优势而受到关注[36-37]。但是MMMC的一些特性也限制其发展,如拓扑比Hexverter复杂,子模块数量大,成本依然居高不下。并且由于MMMC的环流通道多,使得环流抑制变得愈加复杂[38],控制策略仍有待解决。

3)Y型大功率模块化多电平变流器(Y-MMC)

Y-MMC拓扑如图4所示。

图4　Y-MMC拓扑结构图Fig.4　Y-MMC topology

Y-MMC含九个桥臂,采用Y形方式连接两个频率、幅值都不同的三相交流系统。其主桥臂所需子模块数量为辅助桥臂的两倍,且主桥臂不含电感元件,根据每相的功率传输途径,每个Y形三桥臂分支结构可等效为传统意义上的两个桥臂。故九桥臂Y-MMC可等效为六桥臂实现交—交直接变换。

由图4可见,Y-MMC不仅结构简单,由于没有内部环流通道,因此不存在环流问题,输出电压波形质量和功率特性均表现良好,适用于海底输配电系统这样的低频输配电应用场合[39]。与MMC和Hexverter相比,Y-MMC所需的子模块总数及桥臂数量为MMC的一半,与Hexverter相同,但Y-MMC不存在严苛的无功约束条件以及环流问题。

4)二极管钳位型五电平变流器

中国中压配电网的典型电压等级多为6 kV,10 kV和35 kV(少数为20 kV),三电平变流器由于开关器件承受电压有限,级联H桥多电平变流器需要多路独立的直流电源[40],飞跨电容型多电平变流器存在多个电容的均衡与预充电难题[41-42],这些拓扑都很难适应于中压配电网应用环境。而二极管钳位型五电平变流器能承受较高的电压,可通过公共直流侧电容实现中压配电网多端柔性互联。二极管钳位型五电平变流器拓扑结构如图5所示,每相桥臂由八个开关器件、四个分压电容、六个钳位二极管以及八个续流二极管组成。此类拓扑结构的输出电压波形质量高,失真度小;单个功率开关管承受的电压小,不存在开关的静态均压问题;无需变压器,系统体积减小,提高土地利用率[43-44]。但依然存在以下缺点：需要钳位二极管的数目庞大;直流侧电容存在电压不平衡问题,控制算法复杂程度大大增加。

图5　二极管钳位型五电平变流器拓扑结构图Fig.5　Topology of five-level neutral point clamped converter

5)模块化多电平变流器(MMC)

最为常见的MMC如图6所示。

图6　MMC拓扑结构图Fig.6　MMC Topology

MMC由德国学者R. Marquardt和A. Lesnicar于2002年提出[45-46],适用于中压配电甚至高压直流输电等应用场合。MMC能通过公共直流侧实现中压配电网多区域的连接,增加了配电网架构由辐射型转向环网型的可行性。每组MMC由电抗器与多个子模块串联的六个桥臂组成,避免了开关器件的直接串联,降低了对开关器件的要求[47-50],除此之外,子模块的直流电容对于MMC的控制至关重要[51-52]。MMC拓扑的重要优势在于可靠性高、开关损耗小以及输出电压波形质量高。然而,由于MMC所需器件数量庞大,相应地增加了控制难度与装置成本。

6)馈线互联变流器

针对中压配电网的应用场景,考虑到建设成本的经济性,可采用两电平变流器通过隔离型升压变压器接入中压配电网馈线的方式实现馈线互联。中国科学院电工研究所提出了一种如图7所示的馈线互联变流器[53],以抑制分布式发电的出力波动对配网馈线带来的影响。

图7　馈线互联变流器拓扑结构图Fig.7　Topology of Feeder-interconnect Converter

该拓扑特点在于：变流器通过隔离型升压变压器接入馈线,分布式发电单元的输出端与直流母线相连,两端变流器具备有源滤波器或者静止无功补偿器的运行功能,可对所接入馈线的谐波和无功进行补偿。隔离型升压变压器降低了对开关器件的要求,使得单个开关器件承受的电压应力大大降低,同时可通过开关器件并联方式实现装置容量的提升。然而由于隔离变压器的存在,增大了设备体积的同时,也提高了建设与维护成本。

综合考虑经济性、可靠性、可控性、结构复杂度、电压和容量等级的可扩展性等因素,针对中压配电网两端馈线互联应用场合,比较上述六种柔性开关设备拓扑结构[54-59],具体指标和分析结果见表2。

表2　六种拓扑结构的比较Table 2　Comparison of six topologies

实际上,不同的应用场合可能会有不同的拓扑选型结果。例如,相比MMMC和MMC,当Hexverter应用于低频率、大型工业驱动系统中时,其容量需求会比较高,这主要是由于MMMC和MMC具有良好的环流抑制策略,降低了桥臂能量损耗[54]。相比MMMC、Y-MMC和Hexveter等衍生拓扑,MMC对于功率器件要求较低,开关损耗低[55]。从数量上来说,Hexveter与Y-MMC的桥臂总数最少,故其所需子模块最少,硬件成本也相应最低。频率的控制范围也是一个比较重要的指标,代表了装置的可控性,MMMC、Y-MMC和Hexveter均属于交—交变换,频率变化范围受限,而二极管钳位型五电平变流器、馈线互联变流器以及MMC等背靠背拓扑结构的频率控制范围较宽。其中二极管钳位型五电平变流器虽然输出波形质量高、谐波含量少,但其存在电容均压问题导致控制策略复杂,且不具备模块化特点,不利于规模化生产与组装。针对中压配电网场合,馈线互联变流器中两电平变流器的结构简单、易于控制,但由于升压变压器的存在,不仅提高了馈线互联变流器的损耗,还增加了系统的体积和成本。在相同开关频率下,与二极管钳位型五电平变流器相比,馈线互联变流器的输电电压波形质量较差,需增加滤波器装置,并且在扩大功率容量时还需要解决开关器件均流问题。MMC拓扑由于在多端柔性直流输电领域已得到了广泛应用,其成功经验有望在配电领域得到推广,虽然存在子模块数量较多的问题,但是凭借良好的控制效果,以及在模块化程度、可靠性等方面的综合优势,仍然被视为适用于配电网背靠背柔性开关设备的代表性拓扑。

2.2　柔性开关设备运行优化技术

当传统配电网中分布式电源渗透率较高,接入容量占馈线总容量比例较大时,传统配电网原有的消纳能力已经远远不足,而以电动汽车为代表的新型负荷的大规模接入,也对配电网的运行调控形成了挑战。基于柔性开关设备的配电网具有高度自我优化的能力[60-62]。柔性开关设备可以随着系统状态的改变进行实时调节,故与传统运行优化手段相比,其运行优化问题在建模分析与优化手段方面与传统方法存在很大的不同。

在建模分析方面,传统联络开关只能单纯地进行“0”或者“1”操作,但由于动作寿命、调整方式与开关动作次数的限制,很难做到实时调节配电网的潮流,传统联络开关模型的建立只需基于单一的时间断面。考虑到柔性开关设备能连续且精确地控制互联馈线的功率,实时优化配电网的潮流分布,其运行优化问题具有明显的时序特性,建模时不再局限于单一的时间断面,而是需在时间尺度上进行扩展,故其时序运行优化模型的建立是基于连续的时间序列进行的。

从单一的时间断面扩展到连续时间序列的特征扩展了求解维度,为计算带来很大的负担。同时,在求解计算中包含的动态过程,如电源结构的变化性、负荷特性的多样性亦加大了求解计算的难度,使问题的复杂度加深,这就要求在配电网运行优化技术中考虑鲁棒性约束[63]。综合以上方面,时序运行优化模型被认为是研究基于柔性开关设备的配电网优化运行问题的基石。在优化手段方面,基于柔性开关设备的配电网运行优化是大规模非线性的优化问题。首先需要确定配电网运行优化的目标函数,优化目标一般为提高分布式电源出力、改善线路电压水平、减小配电网损耗、平衡系统负荷等。文献[64]以配电网损耗最小化为目标,仿真结果证明柔性开关设备在最小化网络损耗的同时,还能平衡两端馈线负荷。在实际运行情况下,优化目标还可以为多个优化目标的组合,目标函数的不同会改变运行时的约束条件,对运行方案的适用性、合理性会有很大的影响。文献[65-66]都以配电网总损耗和电压越限加权和最小为优化目标,算例证明了基于柔性开关设备的配电网能够消除电压越限,保证配电网电压运行在期望水平的同时,降低了系统损耗。文献[67]以年综合费用与运行费用最小为目标,建立双层规划模型,保证经济效益的同时,提高配电系统运行的经济性、灵活性和可控性。文献[68-69]通过在配电系统接入柔性开关设备并进行相关仿真,结果表明分布式电源的消纳能力有所提升,避免了由于馈线局部过电压、功率超限、波动率过大等因素对可再生能源消纳的限制,证明了柔性开关设备实时调节可以使分布式电源的随机性、间歇性对配电网的冲击减小,促进了可再生能源的有效接入与充分利用。

虽然柔性开关设备的接入让配电网具有了高度的自我优化能力,但目前柔性开关设备造价高昂、容量有限等多方面的劣势使得其无法大量应用在配电网中。另外,文献[70]指出,配电网损耗的改善速率随着柔性开关设备数量的增多而减小。故在优化手段方面,通常采用协调优化的方法,即将柔性开关设备与传统网络重构等多种常规控制手段相结合,实现接入少量柔性开关设备达到最佳优化效果。文献[71]中提出了基于柔性开关设备与传统网络重构的联合优化方法,经过分析对比联合优化效果及动态调整特性,验证了联合优化策略的可行性和有效性。文献[72]从经济性的角度考虑,建立了联络开关和柔性开关设备并存的时序优化模型,验证了优化方案对改善电压水平、降低网损等方面的促进作用,实现了配电网投资和运行效益的最大化。

综上所述,目前在柔性开关设备运行优化技术方面,国内外研究均侧重于分析柔性开关设备接入系统后所带来的综合效益,较少涉及如何与配网现有优化运行手段相结合,以及在设备的模型、通信以及管理等方面的具体实现手段。

2.3　柔性开关设备控制保护技术

传统的确定型安全性分析将系统设想为正常状态、紧急状态和恢复状态三种状态[73-75]。系统处于紧急状态时,短路电流急剧上升,还可能产生过电压,损坏用电设备,严重时,甚至可能使系统稳定性遭到破坏,最终造成系统瓦解,形成地区性大停电[76-77]。因此,及时找出故障并进行故障切除,减小故障的影响范围十分重要。

在传统配电网处于紧急状态时,通过控制联络开关进行网络重构从而隔离故障、恢复供电。然而,由于传统联络开关受到机械动作时间以及开关动作次数的限制,可能会造成短时停电的现象。但是柔性开关设备能够快速闭锁,并实现相连馈线间的电气隔离,阻截短路电流通道,限制了短路电流,实现不间断供电,提高配电网供电可靠性。除此以外,柔性开关设备也能作为检测故障的一种手段。文献[78]中定义一种基于SNOP的新型故障指数作为判断交流侧故障的依据。这就要求柔性开关设备要随时了解接入点的就地潮流信息,才能实时监测系统运行状态,从而保证其控制保护技术的“快速性”。也就是说,柔性开关设备在控制上具有较高的优先级,没有主从之分。文献[79]指出传统的集中控制将不再适用,分散控制将成为未来柔性开关设备的主要控制方式。其次,当配电网发生故障时,柔性开关设备需要与配电网中的继电保护装置相配合,形成联动,快速切除故障,阻断短路电流,保证电网运行的稳定性;当柔性开关设备装置自身发生故障时,需要快速进行自我隔离,避免影响到配电网的正常运行。

柔性开关设备在故障发生后还需采用适当的恢复策略使系统进入恢复状态。文献[80]验证了在配电网故障的情况下,柔性开关设备能够快速恢复供电,实现不间断连续供电。考虑到柔性开关设备自身容量的限制,在严重情况下,柔性开关设备可能无法满足全部的负荷用电需求,因此,柔性开关设备的恢复控制策略应以负荷的重要程度与故障发生的位置为依据。考虑重构网络的可靠性、稳定性与经济性,柔性开关设备在进行故障恢复时,需要与传统的开关装置进行协调配合,在最小停运时间的约束下逐步恢复所连馈线的稳定运行,对关键负荷实现不间断供电。

2.4　柔性开关设备系统接入技术

对于整个配电网而言,柔性开关设备的选址、容量选择以及接入方式至关重要。当前柔性开关设备的制造安装成本较高,考虑到经济效益的问题,无法在配电网中大范围安装使用,故如何确定柔性开关设备在配电网的最佳安装位置是亟待解决的问题。

柔性开关设备的选址规划要考虑负荷的重要程度、用地规划、环境保护等因素,从数学角度分析,柔性开关设备的选址规划属于复杂的多目标、多约束且非连续的非线性问题。国内外专家学者提出了一些方法与模型：传统的选址规划方法是由相关专家制定若干方案,经过比较方案的技术经济性进行最终决策。其局限性在于最终方案是由规划人员以经验得出,无法避免加入主观因素。近些年,专家学者致力于采用先进的计算机技术建立选址模型解决此类选址问题。其中最为经典的就是单源、多源连续选址模型,此类模型一般以运行费用、建设成本最小为目标函数,但尚未考虑柔性开关设备接入配电网后,分布式发电单元的波动性、负荷的多样性、用户用电特征的变化等因素,这些多样化的因素将大大增加柔性开关设备的选址规划复杂程度。而基于随机化技术的智能优化算法比传统的优化算法在解决此类问题上更具全局优化的优势。文献[66]提出的配电潮流介数,考虑了分布式发电单元与负荷的波动性,进而提出了基于配电潮流介数的柔性开关设备定址原则,并通过仿真结果验证其可行性与有效性,但其未考虑联络开关状态等离散变量。综合以上分析可知,柔性开关设备实际的选址规划,需在研究比较各种规划方法后,结合配电网的特点,充分考虑分布式发电波动性等连续变量与联络开关等离散变量因素,将选址问题与优化问题相结合[81],构成了两阶段大规模非线性混合优化模型,这对相关算法的求解形成了挑战。

3　柔性开关设备工程实践与发展趋势分析

3.1　现有示范应用研究

在国际上,学术界与产业界研究人员试图通过在关键节点引入柔性开关设备实现配电网的动态网络重构,打破现有闭环设计、开环运行的配电网局部运行瓶颈点。英国配电网运营商UK Power Networks向城市柔性低压电网项目投资了653万英镑[82],并于2016年上半年完成该项目,建成了三端0.4 kV/400 kW柔性开关设备示范工程。该项目通过三端柔性开关设备实现了低压变电站间的柔性互联,在不同配电网拓扑结构下进行了设备的测试和演示。研究表明,柔性开关设备不仅能实现相邻变电站的容量共享,达到了低压配电网容量分配最优化以及平衡负载的目的,还能在故障情况下,实现限制故障电流、提供电压支撑等功能,提高了配电网的可靠性,初步验证了柔性开关设备在解决城市环境下低压配电网问题上的先进性。

除了英国的城市柔性低压电网项目以外,日本较早进行了柔性开关设备装置的投运与示范应用。为解决馈线之间的负荷不均衡问题,达到灵活、高效地利用配电网的目的,日本电力工业中央研究院提出LBC的概念[16],并借助IGBT串联技术与背靠背电压源型变换器拓扑,于2007年研制LBC,完成了6.6 kV/1 MVA的装置示范应用。LBC顶部宽4.1 m,底部宽3.6 m,长1.7 m,高2.85 m,可安装在H形杆塔的户外式面板上,节省了占地空间,提高了土地利用效率。LBC实现了配电网馈线间的柔性互联、有功调节与无功补偿,提高了馈线末端的电压调节能力。

在国内,随着北京延庆地区分布式能源的开发和建设,大量的分布式电源接入配电网,为改变延庆地区分布式发电装机容量大于最大用电负荷的现状,提高分布式发电的消纳能力,实现能源高效利用的目的,国网北京市电力公司正在开展“北京延庆地区智能电网创新示范区”的建设[83]。该项目拟建设一座10 kV交直流混联开闭站,通过三端柔性开关设备实现3条10 kV母线的柔性互联,从而满足高渗透率分布式电源的消纳要求,支持负荷连续转移,实现三路馈线的负荷平衡,提高供电配送能力与灵活性。

由南京南瑞继保电气有限公司主要承担的国家863项目“柔性直流输电在城市供电中的研究与应用”深入研究了城市多端柔性直流与交流电网的相互影响,并于2016年成功构建了柔性开关设备仿真模型,研制完成了20 MW/20 kV紧凑型电压源型换流阀样机。这表明由该项目形成的模块化多电平换流器的紧凑化关键技术,为高可靠性柔性开关设备的实现提供了良好的研究基础。

目前,由国网浙江省电力有限公司牵头的国家重点研发计划项目“智能配电柔性多状态开关技术、装备及示范应用”已正式启动,计划在浙江省大江东新城配置三端柔性开关站,通过柔性开关设备将三条存在电压差和相位差的供电区域连接起来,提高20 kV供区向高负荷率10 kV供区的转供能力,通过与现有配网调控措施的有机结合,进一步实现潮流的主动精准控制以及周边分布式光伏的最优利用,满足大江东新城高新科技企业对供电可靠性、电能质量的定制化电力需求。

3.2　柔性开关设备发展趋势

柔性开关设备可有效满足智能配电网分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求,因此被视为提升供电灵活性及可靠性的关键柔性一次设备。目前,柔性开关设备的研究尚处于起步阶段,国内外研究大多集中于理论或仿真分析柔性开关设备接入配电网后所带来的综合效益,对柔性开关设备自身的研究依然不够深入,尚未实现拓扑选型由孤立生成向有序推演的提升,以及参数配置由粗放式向精细化的过渡。也未针对复杂配电网环境下的装置安全运行裕度、故障耐受能力等展开探讨。另外,与传统联络开关单一、离散的控制相比,柔性开关设备所具有的功率连续可控特性使得配电网动态特性发生改变,如何在分布式电源出力、负荷波动等多重不确定性因素下,利用柔性开关设备满足配电网分布式电源最大化消纳、电能质量改善和运行优化要求,相关的设备调控以及与配电网区域保护控制系统的协同调控技术尚未得到关注。故柔性开关设备的装置开发、调控技术、接入模式等问题需要更加深入的研究。

装置研发方面,分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求对柔性开关设备的设计提出了新的挑战,尤其体现在多电压等级互联、交直流配网混联的复杂接入环境下。首先需要明确柔性开关设备在智能配电网中的电能转换需求,如容量范围、电压等级以及能流形式等,从换流阀这样的基本变流单元出发,推演得出柔性开关设备拓扑构造规律,以最少规格满足最大应用需求为准则,提高柔性开关设备对于配电网的适配性。其次是综合可靠性、成本、技术等因素梳理得出柔性开关设备的评价指标,并据此完成柔性开关设备的参数优化设计。

考虑到接入点的土地稀缺性,实现装置的模块化、紧凑化设计具有很强的技术挑战性,需要解决一次设备、二次控制保护和冷却系统的强弱电紧凑化布局,以及电磁兼容等一系列问题。此外,柔性开关设备不仅要在配电网系统正常运行状态下参与功率输送和电压调节,还要在交流系统发生短路故障时实现故障点隔离并确保关键负荷供电,因此,柔性开关设备作为典型的大容量电力电子装备,其自身的可靠性以及对于故障的耐受能力是亟待研究的重要问题。可以通过大容量器件非侵入式结温监测、功率模块热循环与功率循环耦合规律、换流电路杂散参数影响、装置热流密度分析等途径,自下而上地探明装置的电-磁-热动态容量极限,完成柔性开关设备的运行安全裕度评估。

调控技术方面,现有配电网正面临负荷多样化、分布式电源高渗透率接入、潮流协调控制复杂化等多方面挑战。因此，如何实现满足智能配电网多目标运行要求的柔性开关设备控制策略,以及如何分析柔性开关设备接入配电网后的运行特性,成为了亟待解决的问题。考虑到经济效益问题,基于柔性开关设备与传统联络开关协调的馈线负载功率优化调控策略是一个重要的研究方向。需要基于配电网数据监测、潮流计算和状态估计,综合考虑网损降低、电压稳定和馈线均衡等目标,以功率平衡和各节点电压为约束,最终通过构建柔性开关设备的多目标优化调控模型来予以解决。另外,为保障配电网供电的可靠性,一方面需深入研究在高渗透率分布式电源的情况下,如何提升柔性开关设备装置的主动防护与故障穿越运行能力;另一方面,需在故障发生后,如何与现有继电保护装置形成联动,保证重要负荷的不间断供电,进一步解决两端/多端交直流混联结构下的配电网自愈控制问题。

柔性开关设备所接入的中压配电网接近用户侧,运行工况复杂多变,要求在设备运行时,能快速检测当前馈线状态,实现不同的控制策略及其切换。因此，要求设备对于不同运行状态的识别具有高可靠性,避免因运行状态判断错误致使设备误动作,进而带来不良影响。可以看出,实时获取柔性开关设备各端口的当地电量信息,以及从设备运行数据中提取合理特征量,并进一步通过特征量选择工作模式是可行的技术实现途径。除此之外,为实现柔性开关设备的功能复用,谐波抑制、无功补偿、故障限流等均是设备的潜在功能,需要避免因不同功能之间的直接切换导致输出功率的冲击与振荡,而如何实施多种工况之间的柔性切换则无疑成为关键所在。

接入模式方面,作为一种新型柔性一次设备,柔性开关设备并非用于取代传统联络开关,其作用的发挥依赖于在配电网若干关键节点上的合理配置。因此在实际应用中,需要针对配电网传统调控手段的局限性以及柔性开关设备的具体应用场景,提出考虑配电网可靠性、经济性及供电能力等因素的柔性开关设备接入数量、位置、容量的优化设计方法。在考虑分布式电源运行特性以及存在分布式储能等其他智能配电设备的情况,该优化设计过程则变得更为复杂。在此基础上,建立柔性开关设备接入方式集,并完成工程设计准则研究,最终通过示范应用来展示和评估实际的运行效果。

4　结语

当前中国配电网普遍存在“闭环设计,开环运行”的现象,以及网络结构不够合理、调控手段相对有限等问题,严重制约了配电网的电能分配与调节能力,导致配电网内局部馈线功率失衡、配电设备利用率低。此外,现有配电网接入了大量分布式能源以及诸多新型负荷,配电网正面临用电需求定制化和多样化、潮流协调控制复杂化等多方面挑战,供电质量有待改善。中压配电网作为配电网承上启下的关键环节,按照《配电网建设改造行动计划(2015—2020)》中的要求,应形成环网、多分段适度联络结构,加强站间联络,构建坚强的负荷转移通道,提升供电灵活性及可靠性,最大程度减小故障影响范围。随着柔性交流输电技术向配电网应用的延伸,柔性开关设备由于能实现配电网的柔性互联与动态重构,运行模式能够柔性切换,控制方式灵活多样,可进一步拓展供电范围,加强线路联络,提高转供能力,满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求,因此被视为重要的智能配电一次装备,可为 “能源互联”的发展愿景提供有力支撑,在中压配电网中具有广阔的应用前景。

本文对柔性开关设备原理与特点作了简要介绍,重点分析与讨论了柔性开关设备的拓扑结构,并从控制与保护技术、系统接入技术以及现有示范应用研究方面,梳理了柔性开关设备的研究现状与主要问题;进一步结合柔性开关设备的发展趋势,对其后续的研究方向与思路进行了初步的探讨。

考虑到国内外关于柔性开关设备的研究尚处于起步阶段,其在复杂配电网环境下的运行机理与实现手段依然不够明确,希望本文能够为柔性开关设备的发展提供思考,进一步推进其在配电网中的应用。

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杨欢(1981—),男,通信作者,副教授,主要研究方向：分布式发电与微电网、智能配用电。E-mail： yanghuan@zju.edu.cn

蔡云旖(1994—),女,硕士研究生,主要研究方向：分布式发电与微电网、智能软开关。E-mail： yunyicai@zju.edu.cn

屈子森(1994—),男,博士研究生,主要研究方向：分布式发电与微电网、并网逆变器。E-mail： quzisen@zju.edu.cn