配电系统智能软开关技术及应用

王俊

摘要：随着电气与信息技术的不断进步，在国家政策与日益完善的市场机制激励下，配电网进入快速发展阶段。分布式电源的接入比例不断提升，电能替代在社会生产、居民生活、电气化交通等领域被广泛推进，配电网所涵盖的技术要素、所面临的技术需求更为丰富，由此带来了诸多挑战。面向未来配电网发展需求，如何利用电气装备与运行调控等技术的创新，使系统能够有效承载清洁能源的接入与消纳、提供用户侧差异化电力服务、以及满足配电网与社会生产生活多领域的协调互动，成为当前面临的重要课题。

关键词：配电系统;智能软开关技术;应用要点

引言

电力电子装备的广泛应用是柔性配电网的重要特征之一，新型电力电子装置将以各种不同的形式存在于配电网中，并能够通过对电能的灵活变换与控制，使源、荷行为更加“柔性”和“主动”，从而释放各种源、荷新要素的运行调度潜力，共同支撑配电网运行目标的实现。例如，借助新型电力电子拓扑和控制策略，分布式光伏能够在并网发电的同时参与系统的无功电压控制;各种源、荷可组成微电网等形式，以整体可控形态参与配电网运行;在高级量测和信息通信技术的支撑下，分散负荷也能够利用虚拟电厂等组织形式，通过需求响应支撑电网运行;对电动汽车充电站、数据中心等新型负荷，还能够利用自身能量管理能力获得节能和支撑电网运行优化的双重收益。

1SOP多场景柔性互联应用形态

1.1双端馈线柔性互联

SOP的核心理念是代替传统联络开关以实现馈线间柔性电气互联，支撑馈线负载平衡和分布式电源高效消纳等。背靠背电压源型换流器拓扑是SOP的一种典型实现结构，其两侧换流器为对称形式，可实现有功功率传输、无功功率实时控制和四象限灵活运行。SOP通过不同控制模式切换，以满足正常状态下的功率控制、外部故障状态的电压支撑等多场景应用需求。

从运行控制来看，SOP控制目标的实现需两侧换流器共同完成，具体包括直流侧电压的控制、SOP传输有功功率控制，以及两侧换流器发出的无功功率控制等。SOP在正常和故障场景下的典型控制策略。近年来，围绕如何提升直流侧电压抗干扰能力、提高功率控制响应速度和鲁棒性、正常-故障多场景控制策略无缝切换等问题也取得了一些成果，为SOP运行功能的实现和应用形式的拓展奠定了基础。

1.2多端饋线柔性混联

随着配电网供电可靠性要求的不断提高，传统的放射形网络结构正发生变化，N供一备、多分段多联络等接线模式开始得到推广应用。为了以更为经济的方式满足多馈线柔性互联需求，在双端SOP结构之上进一步衍生出了端口数量可灵活配置的多端SOP装置。

1.3多电压等级柔性互联与柔性变电站

首先，多电压等级柔性互联可应用于馈线间联络，通过对不同电压等级的SOP换流器进行拓扑设计、在SOP内部直流环节增加电压变换模块以及在SOP交流端增加变压器，使其能够连接不同电压等级馈线并控制互联馈线间的功率流动，实现多电压等级馈线间功率的相互支撑。多电压等级柔性互联也可应用于独立供电场景，作为柔性变电站连接上下级配电网，发挥电压变换和电能灵活分配的作用。

相比较而言，多电压等级柔性互联装备的成本更高，故大多以柔性变电站形式出现，以期更充分地发挥其运行控制价值。从基本结构来看，柔性变电站的内部直流部分加设了以高频变压器为核心的电压变换模块，以实现可控的直流电压变换;外部交流端连接对应电压等级的馈线，形式较为紧凑。当配电网正常运行时，可提供电压变换、功率分配、无功补偿、谐波抑制等功能，以满足系统的潮流优化、电压控制、电能质量治理、定制化供电等需求;当配电系统故障时可限制短路电流、实现故障隔离、提供电压支撑等。此外，柔性变电站还可集成前文所述的交直流混合柔性互联功能，为配电侧源、荷提供更多元化的入网选择。

2含SOP的配电网运行优化

2.1基于SOP的多手段协同运行优化

配电网中既包含有载调压变压器、补偿电容器等传统控制手段，又包含分布式电源、储能装置、电动汽车等新型调度资源。通过SOP对多种差异化运行控制手段进行有效协调，成为充分发挥SOP运行价值的关键。例如，针对SOP与网络重构的协调问题，将SOP的主动精细潮流调节与基于传统开关的网络重构方法相结合，在保证系统安全运行前提下有效提高了分布式电源的消纳水平。

SOP的无功出力能够与传统电压和无功调节设备在快、慢时间尺度上相互配合，实现电压无功控制。例如，将SOP的运行优化问题拓展为与有载调压变压器、补偿电容器组等在多时间尺度下协调配合的电压无功时序优化问题;采用预动作表确定离散的无功调节设备动作时刻，并根据SOP的功率储备动态调整预动作表，调节无功出力。

2.2面向复杂场景的SOP多目标优化

将多目标线性加权求和转化为单目标优化问题，是SOP多目标运行优化中常用的方法，但存在权重系数设置主观性过强的问题。为减小主观性影响，用权重分析法确定权重系数，同时明确了不同优化目标的起效范围;提出一种网络损耗与电压优化权重自适应的SOP时序优化方法，结合电气距离及源荷出力相关性分析节点电压越限风险，根据节点电压越限的风险差异自适应调整电压优化目标的权重。另一种思路是基于帕累托前沿对多目标同时进行优化，尤其适用于解决清洁性、可靠性等目标函数存在冲突制约时的优化问题，具体计算多采用智能算法搜索可行空间中的非劣解。例如，采用强度帕累托进化算法计算网络重构和柔性多状态开关出力的帕累托最优解集，并通过隶属度函数选择最终的运行方案;将多目标粒子群算法和局部搜索算法相结合，提高了求解效率和准确性。

2.3基于SOP的配电网供电恢复策略

供电恢复策略制定需遵循上述基本流程，此外SOP可与多种设备协同运行，以提升故障隔离与供电恢复效果。例如，将SOP与基于传统开关设备的网络重构相结合，在最大化恢复失电负荷的同时，减小了开关动作次数，延长了设备寿命;提出一种考虑SOP、分布式电源和储能协同的孤岛运行优化策略，在孤岛运行中协调SOP、分布式电源和储能控制策略，以扩大供电恢复范围，并确保供电恢复的持续性与鲁棒性;对新能源出力及负荷需求不确定性，进一步面向不对称配电网提出一种多端SOP与传统开关协同的数据驱动供电恢复方法，提高了对不确定性的应对水平。

结论

为进一步促进SOP的发展和应用，需要重点开展以下3个方面的工作：

①发展新的SOP运行控制架构与方法，特别是面向未来配电网就地源荷平衡、柔性分区互联等新形态的协调运行方法，使容量有限的SOP发挥更大的优化调控作用;②进一步降低SOP的投资成本，这不仅依赖于电力电子技术和SOP装置设计技术的发展，同时还应紧密结合SOP的应用场景需求，避免SOP配置盲目求全、求大，导致资源浪费;③继续发掘SOP的技术潜力，将SOP与端对端交易、共享经济等新技术相结合，从而创造更多的附加效益。

参考文献

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