基于SNOP的不停电转供技术研究

徐腾 袁旭峰 班国邦 谈竹奎 徐玉韬 陈明洋

摘  要： 传统配电网网络架构在不停电转供方面采用的技术方案存在不足，对供电可靠性带来一定影响。针对此问题，提出一种基于柔性软开关（SNOP）的不停电转供技术方案，利用背靠背电压源型换流器组成的SNOP将两回馈线柔性互联，实现馈线传输功率的可控性。SNOP装置在馈线发生故障时，通过控制方式的转换可以有效保障故障馈线上所带负荷的正常运行，以实现对馈线间的负载不停电转供。利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建基于SNOP的两端交直流互联系統对所提技术方案进行验证。结果证明，通过引入SNOP装置能够实现不停电转供需求，所提技术方案能够有效提高供电可靠性。

关键词： 配电网; 不停电转供; 系统搭建; 馈线柔性互联; 控制方式切换; 仿真验证

中图分类号： TN876?34; TM46                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）23?0112?04

Abstract： The technical solutions adopted by the traditional distribution network architecture have certain deficiencies in terms of non?stop power supply transfer， which has a certain impact on power supply reliability. Therefore， an uninterruptible power transfer technology solution based on SNOP （soft normally?open point） is proposed in this paper， in which the SNOP composed of a back?to?back voltage source converter （B2B?VSC） is used to flexibly interconnect two feeder lines to achieve controllability of the transmission power of the feeder lines. When a feeder line is broken down， the SNOP device can effectively ensure the normal operation of the load on the faulty feeder line by the conversion of the control mode， so as to realize the uninterrupted power supply transfer of the load between the feeders. The SNOP?based AC/DC interconnect system was built with PSCAD/EMTDC simulation software to verify the proposed technical solution. The result proves that the introduction of SNOP device can realize the demand of uninterruptible power supply， and the proposed technical solution can effectively improve the reliability of power supply.

Keywords： distribution network; uninterruptible power transfer; system construction; feeder line flexible interconnection; control mode switching; simulation verification

0  引  言

现有负荷对供电可靠性的要求越来越高，传统配电网单辐射供电模式难以满足当前负荷对供电可靠性的需求。低压配电网中，常采用UPS作为备用电源，但UPS需要机械开关操作，存在明显的短时断电弊端。双电源自动切换开关（ATS）的出现有效改善了UPS对供电可靠性提升的效果，但ATS缺乏灵活调控性，不能改变双电源自身存在的电压幅值、相位差异等问题，合环运行后不可避免地会出现电磁环流、逆功率等问题，对供电可靠性是一种挑战。

解决这一难题的重要手段是采用优化的网络重构方式，国内许多专家学者针对此问题做了相关的研究。文献[1?4]对提高网络重构的寻优能力和计算速度展开了研究;文献[5]以粒子群算法为基础研究故障重构的最优开关组合;文献[6]通过加入节点状态变量的方式，制定孤岛与重构配合的故障恢复控制策略，但都难以从根本上解决故障重构带来的诸多难题。

鉴于SNOP（Soft Normally?Open Point）的突出优势，国内对以SNOP解决配电网现有难题进行了大量的研究和报道。文献[7]分析了SNOP在平衡中压配电网馈线负荷方面的作用;文献[8]研究了带储能的SNOP对缓解光伏出力波动的作用;文献[1，9?12]研究了基于SNOP的配电网优化模型。但以上文献都没有对SNOP在不停电转供技术方面进行研究。

本文针对目前的研究现状，基于文献[13]所提的SNOP概念，提出了一种基于SNOP的不停电转供方案，并进行了控制策略的设计。最后，通过PSCAD进行模型仿真验证，结果证明了所述方案的技术可行性。

1  系统架构

SNOP具体包括三种装置：B2B?VSC（Back to Back Voltage Source Convert）、统一潮流控制器（UPFC）、静止同步串联补偿器（SSSC）[13]。B2B?VSC是最为常见且通用的SNOP结构。

连接SNOP的系统拓扑结构如图1所示。包括：两回380 V交流馈线、SNOP装置和交流负荷。其中，两回380 V交流馈线通过SNOP装置互联在一起。不难看出，引入SNOP装置后，配电网的运行模式发生了变化，由单辐射供电模式转变为闭环运行模式，其前提依托于SNOP装置的灵活可控性。

SNOP的功能主要表现为：SNOP可以动态调节两回馈线上的潮流分布，平衡馈线负载率，提高经济运行水平;SNOP可以进行无功电压控制，减少电磁合环电流;单一馈线发生故障时，SNOP可以为故障端提供功率支撑，维持负荷的电压和频率水平，保证负荷的正常运行，提高可靠性。

文中重点研究不停电转供技术。当单一馈线发生故障时，故障侧VSC通过切换控制策略，为故障侧馈线上的负荷提供电压和频率支撑。

2  控制策略

对于SNOP装置而言，每个VSC可以控制两个状态变量，包括有功类变量和无功类变量。其中，有功类变量包括有功功率和直流电压;无功类变量包括无功功率和交流电压。按照上述规则，典型的控制策略可以根据适用场景分为两大类：正常运行和故障运行。具体地，正常运行时，可采用PEdc/Vac控制、P/Q控制、EdcQ控制、EdcVac控制、P/Vac控制，其中有一端VSC必须采用直流电压控制，另外一端可根据不同的场景选择一种常规控制策略;故障运行时，采用V/f控制或VSG控制。

2.1  V/f控制策略

V/f控制的作用是当外部功率发生变化时，交流侧母线电压幅值频率不受影响。其中，频率控制通过频率参考值和初始相位角产生电网参考电压，再通过锁相环参与坐标变换过程产生三相电压调制波，再与载波比较产生脉冲触发信号。

V/f控制框图如图2所示，正常运行时，主站VSC1采用定直流电压控制，VSC2采用P/Q控制，即控制选择开关位于位置1;当VSC2交流侧馈线发生故障时，PCC断开，控制由P/Q控制（正常运行模式）切换为V/f控制（故障运行模式），即控制选择开关位于位置2，再加上频率控制，以实现V/f控制。

2.2  VSG控制策略

借鉴同步发电机的调节原理，可在VSC换流器的控制策略中附加同步发电机控制模型，模拟同步发电机的阻尼特性和一次调频、调压特性[14?15]。

根据同步发电机的机械特性可知，当极对数为1时，根据牛顿第二定律，发电机的转子运动方程可表示为：

[Tm-Te-TD=Jω]  （1）

式中：[Tm]，[Te]，[TD]分别为机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩;[J]为同步发电机转子转动惯量;[ω]为同步发电机的机械角速度。

当系统频率变化与参考频率有偏差时，调速器快速做出响应，改变其输出机械功率，进行频率调节[16]。用VSG的有功控制环模拟调速器的一次调频特性，则有如下关系：

[Pm=Pset+Kω（ωn-ω）] （2）

式中：[Pm]和[Pset]分别为原动机输出机械功率和机械功率给定值;[Kω]为有功?频率下垂系数。

在同步发电机中，为实现发电机无功电压调节功能，其机端电压参考幅值会随输出的无功功率的变化而变化。利用VSG的无功控制环模拟励磁调节器的一次调压特性则有如下关系：

[E=Qset+Ku（Ug-U0）-QeKp+Kis+E0] （3）

式中：[Qset]和[Qe]分别表示VSG的无功功率给定值和实际测量值;[Ku]表示无功?电压下垂系数;[E0]为VSG空载电势。

根据以上分析，得出系统完整的控制过程如图3所示。正常運行时，主站VSC1采用定直流电压控制，VSC2采用P/Q控制，当VSC2交流侧馈线发生故障时，PCC断开，控制由P/Q控制（正常运行模式）切换为VSG控制（故障运行模式）。

3  仿真验证

在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建如图1所示的基于SNOP的交直流混合系统。其中，VSC1采用定直流电压控制，VSC2采用P/Vac控制，其中各参数取值如表1所示。

3.1  算例1

P/Q与V/f控制策略切换如下：

设定换流器VSC2交流侧在2 s时离网，4 s时并网，系统运行特性如图4所示。

根据图4可以看出：直流母线电压在短时间的波动后稳定在800 V;在2～4 s时，交流负荷有功功率从50 kW缓慢增到70 kW，由VSC1侧完全为其提供功率支撑;在2 s处，明显地可以看出切换过程对负载电压、交流电流的冲击是比较大的。

3.2  算例2

P/Q与VSG控制策略切换过程如下：

在算例1相同的条件下，将V/f控制策略变为VSG控制策略，得到系统运行特性如图5所示。

根据图5不难看出：直流母线电压在短时间的波动后迅速稳定在800 V;在2～4 s时，交流负荷有功功率从50 kW激增到70 kW，由VSC1侧完全为其提供功率支撑;在2 s处，明显地可以看出切换过程对负载电压、交流电流的冲击比较小，[d]对负载电压几乎毫无影响。

在VSC2并网到离网、离网到并网的控制策略切换过程中，V/f控制策略和VSG控制策略都能满足系统运行要求，但是通过图4和图5的对比明显可以看出，VSG控制策略切换过程下的系统运行更加稳定，波动更小。

4  结  论

本文针对基于SNOP的不停电转供系统，对比分析了两种不同的控制策略切换，通过在PSCAD/EMTDC上搭建双端SNOP配电系统仿真进行验证，得出以下结论： P/Q?V/f控制策略和P/Q?VSG控制策略都能实现对负荷的不停电转供，但P/Q?VSG控制策略优于P/Q?V/f控制的控制效果。此外，本文仅考虑了VSC2交流侧馈线故障，当定直流控制的VSC1交流侧馈线故障，又将如何设计控制策略，这将是本文后续的主要研究内容。

参考文献

[1] 张磐，唐萍，丁一，等.考虑分布式发电波动性的有源配电网故障恢复策略[J].电力系统及其自动化学报，2018，30（1）：115?120.

[2] MALEKPOUR A R， NIKNAM T， PAHWA A， et al. Multi?objective stochastic distribution feeder. reconfiguration in systems with wind power generators and fuel cells using the point estimate method [J]. IEEE transactions on power systems， 2013， 28（2）： 1483?1492.

[3] JABR R A， SINGH R， PAL B C. Minimum loss network reconfiguration using mixed?integer convex programming [J]. IEEE transactions on power systems， 2012， 27（2）： 1106?1115.

[4] WU W C， TSAI M S. Application of enhanced integer coded particle swarm optimization for distribution system feeder reconfiguration [J]. IEEE transactions on power systems， 2011， 26（3）： 1591?1599.

[5] 袁晓敏，袁旭峰，李婧.城市配电网柔性互联系统故障重构研究[J].电测与仪表，2018，55（20）：76?81.

[6] 马晨霄，刘洋，许立雄，等.同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略[J].电力建设，2018，39（8）：128?136.

[7] CAO W Y， WU J Z， JENKINS N. Feeder load balancing in MV distribution networks using soft normally?open points [C]// 2014 5th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe （ISGT Europe）. Istanbul， Turkey： IEEE， 2014： 1?6.

[8] BLOEMINK J M， GREEN T C. Increasing photovoltaic penetration with local energy storage and soft normally?open points [C]// 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting. Detroit， MI， USA： IEEE， 2011： 1?8.

[9] 王大为.基于序优化和模糊蚁群算法的多目标配电网重构[D].沈阳：沈阳农业大学，2017.

[10] 钟建伟，刘佳芳，倪俊，等.基于粒子群蟻群混合算法的配电网故障后重构研究[J].水电能源科学，2017，35（3）：195?198.

[11] 栾伟杰，程浩忠，杨国健，等.考虑网络重构的配电网多目标运行方式优化[J].电力系统及其自动化学报，2016，28（10）：1?7.

[12] 肖惜明，贾铁军，张福杰，等.基于改进蚁群最优算法配电网故障恢复重构的研究[J].风能，2016（9）：76?79.

[13] 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.

[14] 颜湘武，贾焦心，王德胜，等.虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换[J].电力系统自动化，2018，42（9）：91?99.

[15] 付强，杜文娟，黄登一，等.含虚拟同步发电机的多端柔性直流系统稳定性分析[J].电力系统自动化，2018，42（9）：164?170.

[16] 刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].北京：中国电力出版社，2007.

[17] CAO W Y， WU J Z， NICK J， et al. Operating principle of soft open points for electrical distribution network operation [J]. Applied energy， 2016， 164： 245?257.