柔性多状态开关新型复合控制策略

霍群海, 粟梦涵， 吴理心， 韦统振， 王　鹏

(1. 中国科学院电工研究所， 北京市 100190； 2. 中国科学院大学, 北京市 101408；3. 国网河南省电力公司电力科学研究院， 河南省郑州市 454000)

0　引言

近年来在配电网层面一次设备调节控制能力的欠缺已成为制约当前配电系统运行水平进一步提升的主要瓶颈。柔性多状态开关具有实现配电网灵活调控的能力，越来越受到广大学者和科研人员的广泛关注[1]。

柔性多状态开关定义为连接到配电网中两条或多条馈线间的电力电子变流器。国内外相关研究机构已关注到柔性多状态开关在配电网中的积极作用[2-5]。2007年日本电力工业中央研究院提出了环网平衡控制器(loop balance controller，LBC)[3]的概念，可以实现配电网馈线之间的负荷均衡，同时也能够对线路末端电压水平起到一定的改善作用，研制了两台可以柱上安装的示范装置，进行了示范运行。2007年荷兰埃因霍温理工大学提出智能节点(intelligent node,IN)[4]概念，通过背靠背的电压源型变流器拓扑联络配电网中多条馈线，可以实现潮流分布自主优化。2011年中国台湾学者提出环网功率控制器(loop power controller，LPC)[5]概念，将系统内多条馈线互联形成环网结构，可实现配电网各个分区之间潮流的互补，提高分布式电源在配电系统的渗透率。英国帝国理工学院在2010年提出了软开关(soft normally-open point，SNOP)[2]的概念，取代配电网中的分段开关和联络开关，可以使配电网具有辐射型结构与环状型结构两种特点，后续研究论文分析了多种配电网模型中的不同SNOP拓扑对提高分布式电源消纳水平的影响[6-7]。英国卡迪夫大学分析了SNOP运行原理[8],对比分析了采用SNOP与传统联络开关的配电网重构方案[9]。天津大学从静态和动态潮流优化等方面讨论了柔性多状态开关的优势,提出了含柔性多状态开关的配电网运行优化模型[10]，并研究了柔性多状态开关优化配置问题,提出了一种联络开关和智能软开关并存的配电网运行时序优化方法[11]，并研究了有源配电网中SNOP电压无功时序的控制方法[12]。北京交通大学研究了SNOP在配电网中的优化配置和运行优化[13],双闭环控制及其在配电网中的应用[14]。武汉大学研究了基于潮流介数的SNOP配置及系统优化[15]。本文把LBC，IN，LPC，SNOP等连接配电网馈线的电力电子装置都归结为柔性多状态开关设备。

目前，虽然国内外已经开展了一些柔性多状态开关在配电网中的经济性分析工作[15-18]，但对于柔性多状态开关的建模分析、装备研制、控制策略功能实现等方面还有待开展深入研究。本文研究了用于配电网馈线互联的柔性多状态开关装置接入模式、不同场合的适用拓扑，分析了多状态开关进行有功功率传输的原理，提出一种多功能复合控制策略，并进行了计算机仿真和实验验证。

1　系统建模分析

1.1　接入方式及主电路拓扑分析

基于每端有功潮流转移和电能质量控制的需求[19]，柔性多状态开关每端可能与馈线串联连接，也可能与馈线并联连接。与馈线的连接方式考虑两端均为并联、一端串联一端并联、两端均为串联等类型，例如静止串联补偿的各种拓扑(静止同步串联补偿器(SSSC)、可控串联补偿电容器(TCSC)等)、统一潮流控制器(UPFC)等类型，如附录A图A1所示。在中国380 V配电网电压等级，负载功率一般在兆瓦级以下，常见的两电平或者三电平背靠背变流器结构即可满足一般馈线的潮流有功转移需求。在10 kV及以上电压等级，装置拓扑可供选型方案较多，目前市场已有单机2 MVA变流器产品，馈线间需要转移功率在2 MVA以下时，可以选择两电平结构通过升压变压器升压连接馈线方案。馈线需要转移的有功功率较大时可以进一步考虑采用三电平或多重化或链式H桥结构或模块化多电平换流器(MMC)结构[20-21]。从技术成熟度、体积和性价比方面对不同拓扑方案进行对比可以得出，在10 kV/2 MVA及以下电压和容量等级两电平方案具有一定优势。

1.2　有功功率传输原理分析

图1为柔性多状态开关的主电路，采用背靠背电压源型变流器(voltage source converter,VSC)方式连接。假定直流侧总的电容为C。变流器与两端电网连接的线路损耗用等效电阻r1与r2表示，假定r1=r2=R，假定滤波电抗器L1=L2=L。

图1　柔性多状态开关主电路Fig.1　Main circuit of flexible multi-state switch

参考图1所示电流方向，根据基尔霍夫定律可以写出柔性多状态开关在馈线交流侧配电系统三相静止坐标系下的动态微分方程[13-14]如下：

(1)

式中：k=a,b,c;ik1和ik2为交流系统两侧的三相电流：Ek1和Ek2为交流系统两侧的三相电压；Vk1和Vk2分别为变流器输出的三相电压。

对其中一侧变流器进行分析，定义VSC1的三相桥臂开关函数[22]为：

(2)

式中：sa,sb,sc表示三相桥臂开关器件的状态，为0-1变量。

VSC2侧三相桥臂开关函数也可同理列出。

将式(2)代入式(1)，可得：

(3)

直流侧动态电压方程为：

(ma2ia2+mb2ib2+mc2ic2)

(4)

式中：udc为直流侧电压；idc1和idc2分别为VSC1和VSC2的直流侧流入或流出电流。

忽略变流器开关损耗，则有

(5)

式中：P1和P2分别为变流器VSC1和VSC2交流侧流入或流出的有功功率。

在系统稳态运行情况下，直流母线电压udc恒定，此时idc1=idc2，由式(5)可知，P1=P2，即流入其中一个变流器的有功功率等于流出另外一个变流器的有功功率。所以柔性多状态开关通过维持直流侧母线电压稳定，可以实现配电网两侧馈线之间的有功功率平稳传输。

根据附录B公式推导可以得出柔性多状态开关有功和无功控制解耦，可以单独进行控制。当一侧负载瞬时大范围变化时，柔性多状态开关直流环节可以提供瞬时功率差，需要柔性多状态开关调整的电流可以通过附录C公式推导求出。柔性多状态开关稳态有功潮流转移指令由配电管理系统(DMS)或者柔性多状态开关中央控制单元根据两侧馈线负载均衡度优化计算获得。

2　控制策略

图2　柔性多状态开关双闭环控制策略Fig.2　Dual closed-loop control strategy for flexible multi-state switch

其中，外环控制目标为控制柔性多状态开关直流侧电压恒定。将直流母线控制量与检测出来的有功电流的直流分量进行叠加，两变流器的指令电流信号中均含有有功电流分量，进而补偿系统的补偿电流中也含有一定的有功电流分量。通过柔性多状态开关装置的直流侧与交流侧的能量交换，将直流母线电压维持在给定值。在该控制策略中，柔性多状态开关的每侧变流器共同维持直流母线电压稳定。电压外环和电流内环理论分析参见附录D。

3　仿真和实验验证

本文在MATLAB仿真软件中搭建了柔性多状态开关的仿真模型，模拟潮流控制暂态过程。定义图1中左侧馈线为电网A，右侧馈线为电网B，系统起始时刻电网A空载，电网B带载20 kW运行，在100 ms时刻，启动潮流控制，图3中P1为电网B发出的有功功率，下方P2是电网A馈线侧发出的有功功率。仿真波形可以看出，经过柔性多状态开关很短时间的潮流调节后，电网A和电网B馈线电流很快达到均衡。

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

为了验证所研究的柔性多状态开关数学模型的合理性和所提出控制策略的有效性，搭建了100 kVA柔性多状态开关原理样机实验平台。柔性多状态开关主电路背靠背变流器对称设计，采用同样的LC滤波器，同时通过两个变比为1∶2的隔离变压器分别与配电网两条馈线互联。为提高系统运行可靠性，降低两端馈线电压波动或中断可能对柔性多状态开关运行的影响，柔性多状态开关的二次电路供电来源采用直流母线供能方式。

根据潮流转移容量需求分析，单端变流器额定容量设计为50 kVA，采用第2节提出的控制方案进行实验验证。变流器开关频率为10 kHz，其中升压变压器采用Ynd11结构，本次实验验证时，初级输入线电压有效值AC 190 V/50 Hz；次级输出线电压有效值AC 380 V/50 Hz。实验过程中变流器直流母线电压控制目标为360 V，直流侧支撑电容为4 700 μF/450 V，变流器输出线电压有效值为190 V，交流侧滤波电感为1.6 mH，交流侧滤波电容为25 μF，变流器输出电压通过变比为1∶2的升压变压器并入线电压有效值为380 V的配电柜馈线。实验时电网A馈线负荷空载，电网B馈线负荷为11.2 Ω的电阻负载和10.33 mH的电感负载串联，用于验证柔性多状态开关的潮流控制和无功补偿性能。

图4为柔性多状态开关无功补偿投入时刻运行波形。无功补偿开始前，电网B的电压与电流相位相差较多；启动无功补偿后，电网B的电压和电流几乎同相位，动态调整过程约16 ms；完全补偿后，网侧功率因数接近1，较好地实现了无功补偿功能。

图5为有功潮流和无功补偿功能同时运行时的实验波形。装置启动时电网A端空载，电网B端带载运行，首先电网B实现无功补偿功能，从实验波形可以看出，补偿后电网B的电压与电流几乎处于同相位，执行潮流控制算法后，电网A电流和电网B电流很快达到均衡状态，实现了馈线的负荷均衡控制，同时电压和电流基本同相位，也同时实现了无功补偿功能。

图4　无功补偿功能投入时的实验波形Fig.4　Experimental waveforms with reactive power compensation

图5　有功潮流转移实验波形Fig.5　Experimental waveforms with active power flow transfer

4　结语

随着光伏扶贫项目户用光伏数量的增多和电动汽车的快速普及，通过柔性多状态开关在配电网馈线间互联解决馈线均衡和电能质量问题将具有较好的实用意义。论文研究结果表明，基于电力电子技术的柔性多状态开关装置作为配电网实施主动控制的关键设备，具备实现多条馈线无功补偿和有功潮流双向控制的功能。通过调节配电网中馈线负荷均衡，同时进行馈线无功补偿，可以减少配电网系统线损，减轻各条馈线上游变压器压力，提升分布式电源渗透率，满足电动汽车等冲击性负荷的快速增长而不需要短期内进行频繁的线路改造，提升配电网的综合经济性收益。

柔性多状态开关作为全控型电力电子装置，对提高配电网一次装备的控制能力与控制水平有着重要意义。下一步计划开展基于柔性多状态开关的分布式电源出力波动抑制研究、能量转供研究和故障区域快速恢复研究。本文研究内容期望能够推动柔性多状态开关的实用化进程，加快柔性多状态开关在中国配电网中的推广应用。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 王成山,宋关羽,李鹏,等.基于智能软开关的智能配电网柔性互联技术及展望[J].电力系统自动化,2016,40(22):168-175.DOI:10.7500/AEPS20160620009.

WANG Chengshan, SONG Guanyu, LI Peng, et al. Research and prospect for soft open point based flexible interconnection technology for smart distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(22): 168-175. DOI: 10.7500/AEPS20160620009.

[2] BLOEMINK J M, GREEN T C. Increasing distributed generation penetration using soft normally-open points[C]//IEEE Power and Energy Society General Meeting, July 25-29, 2010, Providence, USA: 8p.

[3] OKADA N, TAKASAKI M, SAKAI H, et al. Development of a 6.6 kV-1 MVA transformerless loop balance controller[C]// IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 17-21, 2007, Orlando, USA: 1087-1091.

[4] DE GRAAFF R A A, MYRZIK J M A, KLING W L, et al. Intelligent nodes in distribution systems—optimizing steady state settings[C]// IEEE Lausanne PowerTech, July 1-5, 2007, Lausanne, Switzerland: 391-395.

[5] CHEN C S, TSAI C T, LIN C H, et al. Loading balance of distribution feeders with loop power controllers considering photovoltaic generation[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(3): 1762-1768.

[6] BLOEMINK J M, GREEN T C. Benefits of distribution-level power electronics for supporting distributed generation growth[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(2): 911-919.

[7] BLOEMINK J M, GREEN T C. Increasing photovoltaic penetration with local energy storage and soft normally-open points[C]// IEEE Power and Energy Society General Meeting, July 24-29, 2011, Detroit, USA: 8p.

[8] CAO W Y, WU J Z, JENKINS N, et al. Operating principle of soft open points for electrical distribution network operation[J]. Applied Energy, 2016, 164: 245-257.

[9] CAO W Y, WU J Z, JENKINS N. Feeder load balancing in MV distribution networks using soft normally-open points[C]// 5th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe, October 12-15, 2014, Istanbul, Turkey: 6p.

[10] WANG Chengshan, SONG Guanyu, LI Peng, et al. Optimal configuration of soft open point for active distribution network based on mixed-integer second-order cone programming[J]. Energy Procedia, 2016, 103: 70-75.

[11] 王成山,宋关羽,李鹏,等.一种联络开关和智能软开关并存的配电网运行时序优化方法[J].中国电机工程学报,2016,36(9):2315-2321.

WANG Chengshan, SONG Guanyu, LI Peng, et al. A hybrid optimization method for distribution network operation with SNOP and tie switch[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(9): 2315-2321.

[12] 赵金利,李雨薇,李鹏,等.基于二阶锥规划的有源配电网柔性多状态开关电压无功时序控制方法[J].高电压技术,2016,42(7):2134-2141.

ZHAO Jinli, LI Yuwei, LI Peng, et al. Sequential voltage regulation of soft normally open point in active distribution network based on second-order cone programming[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(7): 2134-2141.

[13] 王岸.柔性多状态开关的研究及其在配电网中的应用[D].北京:北京交通大学,2015.

[14] 李智诚,吴建中,和敬涵,等.软常开点的双闭环控制及其在配电网中的应用[J].智能电网,2013,1(1):49-55.

LI Zhicheng, WU Jianzhong, HE Jinghan, et al. Dual closed-loop control of soft normally open points and its application in distribution networks[J]. Smart Grid, 2013, 1(1): 49-55.

[15] 晏阳,廖清芬,刘涤尘,等.基于潮流介数的柔性多状态开关配置及主动配电系统优化[J].南方电网技术,2015,9(11):92-98.

YAN Yang, LIAO Qingfen, LIU Dichen, et al. Power flow betweenness based SNOP allocation and active distribution network optimization[J]. Southern Power System Technology, 2015, 9(11): 92-98.

[16] 霍群海,韩立博,韦统振,等.D-FACTS装置交互影响分析及协调控制研究[J].电工技术学报,2015,30(增刊1):329-336.

HUO Qunhai, HAN Libo, WEI Tongzhen, et al. Study on the interaction and coordinated operation of D-FACTS[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(Supplement 1): 329-336.

[17] 李鹏,张培深,王成山,等.基于智能软开关与市场机制的有源配电网阻塞管理方法[J].电力系统自动化,2017,41(20):9-16.DOI:10.7500/AEPS20170111006.

LI Peng, ZHANG Peishen, WANG Chengshan, et al. Congestion management method for active distribution networks based on soft open point and market mechanism[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(20): 9-16. DOI: 10.7500/AEPS20170111006.

[18] 王成山,孙充勃,李鹏,等.基于SNOP的配电网运行优化及分析[J].电力系统自动化,2015,39(9):82-87.DOI:10.7500/AEPS20140828002.

WANG Chengshan, SUN Chongbo, LI Peng, et al. SNOP-based operation optimization and analysis of distribution networks[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(9): 82-87. DOI: 10.7500/AEPS20140828002.

[19] GAO Hongjun, LIU Junyong, WANG Lingfeng, et al. Decentralized energy management for networked microgrids in future distribution systems[J/OL]. IEEE Transactions on Power Systems [2017-06-15]. DOI: 10.1109/TPWRS.2017.2773070.

[20] 霍群海,吴理心,韦统振,等.一种馈线互联变流器:ZL201410058582.9[P].2014-02-20.

[21] 王鹏,冯光,霍群海,等.一种柔性多状态开关装置及其控制方法:201610759809.1[P].2016-05-25.

[22] 魏光.同相供电装置控制策略研究[D].成都:西南交通大学,2009.

霍群海(1981—),男,博士,副研究员,主要研究方向:电能质量分析与控制、直流电网装备技术。E-mail: huoqunhai@163.com

粟梦涵(1995—),女,硕士研究生,主要研究方向:配电网运行与控制。E-mail: 296449220@qq.com

吴理心(1984—),男,通信作者,助理研究员,主要研究方向:直流电网装备技术。E-mail: wulixin@mail.iee.ac.cn