智能电网分布式控制策略

杨绪义，袁路路，郭素娜，王欣

(1.南阳鸭河口发电有限责任公司，河南 南阳 473000；2.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000；3.国家电网南阳供电公司，河南 南阳 473000)

1 前言

智能电网分布式控制是通过使用分布式网络达到资源充分利用的效果，例如增加传输设备利用率，减少能源成本，提高可靠性等。分布式控制是迎合了新兴的挑战[1]，这些新挑战包括负荷增长和可再生能源发电任务。

公共电网是一个庞大的系统，里面有成千上万的发电机、数不胜数的高压输电线路和斥资千万的变压器等部件。为要求这些设备全部进行高精度工作，为数以万计的用户提供可靠的电能，在过去的电网设计中，机电控制和发电机励磁控制是保持系统运行唯一可用的控制方法。但是这些控制方法无法引导电力流动和存储便宜的电能，迫使人们采纳了转变市场运作的规则，造成资产利用率的低下。就美国而言，行业监管阻止产业朝着有效和有竞争力的方向发展，技术的局限性和政策体制也是导致电力市场运作不利的主要原因。就重置价值而言，美国电力行业资产价值评估为2.2万亿美元，全球和美国电力需求在未来的20～25年间的预计将分别增长80%和24%。在美国，如果广泛采用新能源车辆(GEV)，2035年总的电力需求可能比2008年高45%。可再生能源预计每年需要增加一倍的输电投资[2]，同时还将降低输电系统的利用率。

无处不在的智能电网功能的推出，将提供更好的输电和配电系统，减少投资需要，满足可再生资源的要求并提高可靠性。要实现这样一个具有深远意义的转变，需要经济支持。智能电网最突出的优势是其能实现电网选定部分的升级，并最终实现最大收益。选择性引入可以控制电网动态电压和潮流的新技术，能更有效的利用分布式电网资源。最大限度的减少建立新的输电线路，以适应分布式发电资源，例如风能和太阳能资源。这样的控制能力将改变电力市场，同时引起电源侧和需求侧[3]之间交易，以及具有处理更多配电资源的能力。这将直接缓和输电线和成本分摊问题。同时减少接纳更多的风能和太阳能的资本，利用节能车辆改善能源安全，减少碳排放。这种控制取代了传统的励磁控制[4]，在电网上的不同点上运行，本质上提高了输电资产的利用率。电网控制应用非常广泛，具有广阔的前景。

分布式控制是满足新兴电力行业挑战的关键推动者，本文首先对新兴挑战展开论述。然后讨论的分布式控制的两种类型，无功控制和潮流控制，包括当前可用的技术及新兴的技术和方法。

2 智能电网分布式控制面临的挑战

2.1 负荷的增长

2006年～2030年，全球电力能源总需求预计将每年增长2.5%。从15665亿 kWh，上升至28141亿kWh；全球每年发电总容量预计将增长2.3%。从4.4334GW上升到7.484GW。美国能源部下属能源情报署预计，到2035年美国用电负荷为每年增长1%，相对于2010年的需求，每年需求增长24%，负荷增长需要在发电以及输配电系统中增加投资。鉴于燃料和材料高成本的挑战，正面临如何降低负荷增长成本以满足消费者的需求的压力。

2.2 允许城市发电和输电的挑战

分布式控制可以安装在负荷中心，或将新输电与遥远的发电负荷中心相连，用电需求可得到缓解。新建输电系统对负荷中心的供应也面临困难，建造高压输电线路需要很多年，而且还有成本问题。新线的建设增加了服务于既定负载的MW－mile线路[5]，从而减少了现有系统的利用，导致成本增加效率下降。

2.3 可再生能源发电的政策推动

世界各国都通过了推动可再生能源发电的策略，中国旨在增加可再生能源总电能，从2005年的7.1%增加到2020年的20%。从2005年的1260MW的风电装机容量升高的2020年的30000MW。可再生能源发电任务的重点是输电系统，而且需要额外的投资。在过去的15年里，全球风能和太阳能发电都呈指数级增长，如果输电网络可以容纳产生的能量，这些高质量的资源能使电能用户的投资回报率达到最大。

2.4 新能源汽车的政策推动

在意识到了新能源汽车GEV在改善能源安全方面的能力，国家实施了一项计划，即在13个大中城市建立充电基础设施，同时还提供了汽车和公共汽车分别每车8000美元和70000美元的税收激励政策。GEV对电力系统的影响取决于它的利用程度、收费模式、充电时间与电力系统状态的协调水平。如果到2035年美国轻型电车行驶里程达80%，相对于2008年每年的电力需求预计增长45%，相对而言，没有GEV的预计只能增加24%。不协调的充电会导致超载和加速资产分配老化。相比电力传输系统，资产分配监控系统不发达，很难积极提升应变分布的资产。车辆的充电不协调需要新的输电和配电投资[6]。

2.5 电网和其他商品传输网络的区别

由于业主无力控制输电线的电流，电网被认为是一种自然垄断，因为缺乏控制手段，业主不能竞标使用线路，天然气管道也是这样。这也造成了搭便车效应，使他人的投资利益受到损害。总的来说，不利于传输的业主提升自己的经济效益。

3 分布式控制技术

分布式控制自出现以来一直用于操作电气系统。下面首先描述最优潮流(OPF)，其历史可以追溯到早期的电力系统。今天的电力系统主要依赖最优潮流[7]完成控制。电力系统投资和运行面临着众多挑战。容纳可再生能源和GVE需要响应时间，而传统的控制技术如OPF就不需要响应时间。本节将介绍无功控制和潮流控制。通过适当的技术，无功控制和潮流控制可以提供快速的响应控制，称为动态粒度控制DGC，以满足新兴挑战。

本节中所述的技术可应用于输电和配电系统。配电系统的可控性落后于输电系统。与输电系统不同，配电系统一直被作为一个径向网络而不是网状网络，这简化了控制，但降低了可靠性。智能电网迄今为止已经在很大程度上改善了配电系统的控制来提高效率，增加容量，无需新的投资，用来适应分布式发电。

3.1 最优潮流

最优潮流是当今电网的主要控制技术，主要的控制方式和控制功能是调整发电机的有功、无功功率的注入。最优潮流还包括其他的控制处理，如移相变压器PST的设置，虽然控制决策通常由中央控制器发出，但是控制执行器如发电机和PST是分布在整个系统中的，通常认为，最优潮流是分布式控制。最优潮流设定点通常不会每隔五分钟改变频率。最优潮流的设置能提供足够的安全系数以适应突发事件，如负荷预测误差、可再生能源发电预测误差和突发事件。当电力线路或变压器突然脱机时也能进行应急处理。

在不同的纵向整合和市场环境中实现最优潮流，通过直接改变发电机的输出功率改变潮流。在缺乏其他潮流控制技术的情况下，最优潮流不允许潮流中存在单条线路的控制。在垂直整合的环境中，实时程序负责发电、输电和配电给固定的地区。

最优潮流输入如下:

发电机参数——用于每个发电机的最大输出功率和最小输出功率，母线连接发电机，最优潮流能提供成本曲线。每个成本曲线描述了在最大功率和最小功率之间每个潜在的操作点上的操作单位的可变成本。可变成本包括燃料和可变的运行和维修。

输电线路参数——每条输电线路、线路阻抗值、额定电压、额定电流和终端位置。

负荷数据——每条母线上的预期需求在OPF的每次运行中预测出来。

应急列表——OPF运行一组潜在的突发事件，而不是所有可能的突发事件，以减少处理时间。

稳定性极限——OPF通常不计算内源网络的稳定性。相反，以列线图或查找表的形式提供规划，以确保避免不稳定的解决方案。

存储容量——剩余发电容量必须满足负荷和可再生能源预测以及发电机停机等不确定性。

在市场方面，输电网络通常拥有自己的配电网络。发电机是独立于业主的输配电网络。发电业主提交投标曲线而不是成本曲线给独立系统运营商或区域输电操作者。投标曲线制定最低价格，电网业主愿意接受，产生的能量超过整个范围内发电机的输出。在最简单的方案中，分销网络的所有者指定其客户需要电流的大小，消费者是价格的接受者。使用发电机的报价和预测需求，独立系统运营商或区域输电从操作者利用最优潮流计算最小成本调度运行发电机负载，满足安全需求。

如图1所示，最优潮流仅局限于调整发电机的输出，不能够解决许多问题。下面将介绍潮流控制能力超过发电机组功率输出控制的当前状态。目前大多数电力控制都是通过最优潮流控制发电机组设置点，效率低下。

图1 最优潮流

3.2 无功控制实现最优潮流

无功控制系统具有很多优点，它可以用来控制沿输电线路的电压分布，提高功率达到线路输电的最大量。它也可以用来降低无功功率，此时必须把它包在线的末端。从而降低线路损耗。如果电力线的末端电力不足，无功功率也可以用来提高电压稳定性。如果足够得快，无功控制可以提高系统的暂态稳定性。暂态稳定性的改善也可以增加输电线路上的功率。无功控制可用于阻尼电力系统振荡，避免发电机旋转损伤，增加功率传输能力，并有可能提高稳定性。

3.2.1 分流机械投切电容器(分流MSC)

母线并联时MSC可以通过提供电容无功实现无功控制，经常切换会导致机械开关的性能裂化，因此MSN不经常驱动。

3.2.2 分流机械投切电容器(分流MSR)

当并联母线时，MSR可以通过提供电感无功实现无功控制。由于是感性负载，断路器通常用于连接和断开MSR，频繁启动会损坏机械开关，MSR被广泛应用。

3.2.3 晶闸管控制串联电容器(TSC)

TLC是使用一对晶闸管进行切换开关的分流电容器。晶闸管组取代了分流机械投切电容器(MSC)上的机械开关，延长了使用寿命。TSC的响应速度比MSC更快，允许对系统瞬态注入无功流。

3.2.4 静止无功补偿器(SVC)

静止无功补偿器[8]由分流 WSC、TSC、TCR组成，通过改变无功电抗SVC来控制网络参数。典型的SVC配置如图2所示。无功电流的最大电平与母线电压成线性变化，最大无功电压的输出随着母线电压二次方的不同而不同。SVC不能在瞬态增加无功控制的流量。通常是以单向线路接地方式实现的，可以在出现不平衡故障时提供支持。如果需要持续电容式注入，分流机械投切电容器(MSC)被限制在2000～5000转换周期来限制其使用，除非所需的补偿水平变化缓慢。

图2 典型SVC配置

3.2.5 静态同步补偿器(STATCOM)

STATCOM[9]使用固态门极关断器件模拟同步电容器的操作，发电机的配置只为产生无功功率。如图3所示使用单一的三相电压源变换器。STATCOM最大无功输出电流在宽电压范围内几乎是恒定的，所以无功功率输出在母线宽电压范围内接近线性。在故障和部分瞬态期间，母线电压通常很低，和同等级的SVC相比，STATCOM在母线低电压期间需要提供额外的无功控制。STATCOM的响应是数量级的，速度比SVC快，输出量是SVC的30%～40%。

图3 STATCOM使用三相电压源变换器

STATCOM在瞬变期间也可以临时增加无功电流。使用STATCOM的三相故障和瞬态缓解允许使用比SVC等级低的STATCOM。但是三相变换器的实施在不平衡故障期间限制了STATCOM提供无功控制的能力，除非相对于稳定运行直流电容器被显著高估。和SVC相比，这是一个很大的劣势，因为SVC通常支持不平衡故障。然而，通过在每相使用单独的变换器，AREVA能够使STATCOM支持不平衡故障。

表1 对上面讨论的几种无功控制器进行比较

3.3 潮流控制实现最优潮流

做个简单的假设:假设电网中两条母线间的潮流是由式(1)决定的，功率可以通过修改任何参数的方程决定:

V1和V2是输电线路端点的电压大小；

X是输电线路的电抗；

P是输电线路的功率输出。

电压变化不能大范围影响潮流，电压通常保持在标称值的5%，以避免损坏发电机、输电网络、配电网络、用户设备。

以下是改变潮流的详细方法:

交流母线之间的潮流:

潮流阻抗控制的目的是直接改变阻抗，该值用X来表示，如式1所示。技术能够改变阻抗包括串联机械投切电抗器 MSR、串联机械投切电容器MSC、晶闸管控制串联电容器TCSC、静止同步串联补偿器SSSC、统一潮流控制器UPFC等，下面一一介绍。

3.3.1 串联MSR

MSR可以修改线路阻抗，如图4所示。经过适当的设计，可以把串联的MSR安装在网状系统内重载，低阻抗的线上，这样可以推动潮流流入使用较少的路径，以防止瞬态和应急线路频繁跳闸，并限制故障电流。阻抗投切速度缓慢，主要由于系统或者线路阻抗有计划的变化。减轻瞬变的反应不够快速。

图4 串联MSR电路图

3.3.2 串联MSC

当串联插入输电线路，MSC可通过降低阻抗低负载线路控制潮流，从而减轻低负载线上的阻抗。典型安装如图5所示，如串连MSC，它并没有设计成向内或向外迅速进行投切，因此不用减轻瞬变。因为MSC通常不耐受高压电流故障，保护方法即在故障期间绕过MSC重新接合以增加系统的稳定性。早期串联电容器使用维修密集的火花间隙使其避免故障电流，最新的设计是采用电涌防护器[10](MOV)或晶闸管的保护。类似于串联MSR、MSC对沿线覆盖区强制封包要求。与串联MSR相比，MSR很重，无法用线支撑，需要一个高架平台。另外MSR可以导致次同步谐振，造成发电机转子部件故障和电力系统不稳定。

图5 串联MSC电路图

3.3.3 TCSC

TCSC是一个使用额外并联(分流)增强的串联电容器，由电感器、晶闸管构成。TCSC注入的电容比电容器标示牌的容量高，然而像该串联MSC，其溶液需要隔离平台，增加了成本，需要在变电站增加额外空间。与串联MSC不同，TCSC可以避免次同步的共振挑战和足够快的速度来提高暂态稳定性。

3.3.4 PST

PST也叫相位角调节器(PAR)，通过改变式1的δ相位角项控制两条母线之间的潮流。存在无数的PST拓扑，这种最简单的形式拥有修正过的相位。这样做会放大故障电流的影响，并且增加成本。相对昂贵的PST可以通过采用分流转换器来弥补一些单核PST的缺点。同时采用了串联变压器和三角形连接励磁变压器。

3.3.5 高压直流输电(HVDC)和背靠背变换器(B2B)

HVDC输电系统[11]和B2B变换器能够将电流进行AC－DC－AC转换，并且都可以应用于同步和异步网络中。HVDC输电能以直流的形式实现电能上千千米距离的传输，可以提供线上电能的完全控制。将一HVDC输电应用于负载和一台远距离发电机之间，那么这台发电机所能实现的效益是和放在负载旁边一样的。优良的可控性和容量已经大大促进了HVDC在美国商业输电工程上的应用，HVDC输电也可以用于限制系统中最大故障电流等级，介于新的直流线路会提升故障电流等级，这也成了HVDC输电的一大优势。每个HVDC输电终端包含一个变换器、一个谐波滤波器和一套功率因素校正因系统。功率因素校正系统根据变换器的功率需求运行，谐波滤波器则用于消除变换器所产生的谐波。如果两极中的一端突然掉线，系统可以以少量额定电流继续工作；当另一端掉线时，地线可以传回反馈电流。双极性书店采用两片导体，并且在正常工作中不需要接地线。两集中，一端突然掉线，系统可以以少量额定功率继续工作，当另外一段掉线时，地线可以传回反馈电流。

B2B变换器[12]，是两端直接相连的HVDC直流输电系统。除了直流输电线路，B2B变换器的组成和HVDC直流输电系统相同。和PST一样，B2B变换器可以控制潮流，不同的是，它不受PST的移相和故障电流限制的控制。同时B2B变换器可以用来连网异步系统，PST则不行。

HVDC直流输电系统和B2B变换器的功能都是通过晶闸管和门电极关断器件完成的。门极关断器件适用于较低的电压等级，同时容量有所增加。晶闸管系统主宰HVDC直流输电系统和B2B变换器市场。

3.3.6 变频变压器(VFT)

VFT在不使用直流变换器的情况下，实现了对B2B变换器的函数性模拟。通过改变转子的转矩可以改变从转子到定子的潮流，转矩的改变是通过变速驱动的驱动电动机完成的。VFT可以在将近0.5S的时间里将一个方向的全功率输出潮流转换180°并保持全功率。每个VFT的额定状态都被设置成了100MV，但在短期的过载功率却会超过150MW。

3.3.7 静止同步串联补偿器(SSSC)

通过联合使用串联MSR和串联MSC，这两个系统的电子设备都采用了安装门电路断开系统逆变器，提高了输出功能。不同的是，MSR/MSC组合时，SSSC可以提供子循环响应时间并积极减缓瞬态。使用电压源逆变器，电压被注入线正交的线电压，电压超前或滞后取决于线电流注入的无功控制是感性还是容性。次同步谐振的风险得以减轻。可以设计成地面安装，并连接到经串联变压器的电路。

3.3.8 统一潮流控制器(UPFC)

UPFC[13]是STATCOM和SSSC的组合。二者共享一个共同的直流母线，从而允许出入有功和无功电源进线。UPFC能使用无功控制分流调节线路电压控制和利用串联电压注入有功和无功潮流控制，能够满足对电力的技术性能要求。

表2 对上面讨论的几种无功控制器进行比较

4 新兴技术

弱电交流变换器[14](TACC)作为新兴技术，能够克服潮流和无功控制的局限性。

为了提高电力电子基础的控制成本效益和可靠性，提出了变换器的概念。TACC增强无缘电网资产，如电力线、并联电容器或分流额定电压变换器。在这个过程中，该资产被转化进入执行类似于传统仍柔性交流输电系统(FACTS)动态可控资产设备。可靠性相对于传统的FACTS有所改善，因为如果TACC出现故障，可以绕过留下被动资产投入服务，这被称为故障正常运行。下面介绍三种TACC:智能线(SW)，可控电网变压器(CNT)以及动态电容器(D－CAP)。该技术已经得到实验室证明，目前正在扩展到有效电压和功率级。

4.1 智能线路(SW)

一系列阻抗控制技术已经应用于潮流控制。最简单的应用中，采用了几个输电线路上的独立导体模块。每个模块都监视着线路电流，如果线路电流超过了阀值，模块会主动将感应阻抗导入到线路中。其他模块在不同电流水平注入阻抗，如图6所示，每个模块的中心都是一个单匝变压器，在二次开放时注入感性阻抗。SW[15]模块是自供电使用线电流，不需要模块之间或与中央控制中心通信，该模块的线定位操作不连接在地上，所以没有隔离和变电站占地面积费用。

图6 单匝变压器电路图

4.2 可控电网变压器(VNT)

通过扩大现有的多键变压器，这些多键变压器装有额定分流变换器，能够同时控制母线电压的幅值和相角。由于潮流控制通常需要较小改变系数参数，鉴于变压器和完成变压器有功和无功功率的独立控制，对变换器分流额定。在CNT的控制范围内，任何有功和无功功率组合都是可能的。CNT同时具备PST和LTC变压器的功能。LTC变压器经常被用来调节输出电压或无功控制，但是它不能调整相位角。CNT的反应明显快于LTC或PST，有助于减轻瞬变。

4.3 动态电容(D－CAP)

如图7所示，D－CAP结合了传统的并联电容器和小型过滤元件，并联电容器带有一对交流开关。开关通过占空比有效地改变控制总容量，能动态的改变电容值。可以在更短的周期内做出反应。DCAP配置了一个“升压”的装置，可以保持无功控制在电网电压发生故障时持续向电网供电。SVC完全无法提供这种级别的电压电网支持。此外，D－CAP能够消除连接到电力系统的负载所产生的谐波，与该装置消除谐波能力形成鲜明对比的是SVC，它能产生谐波，必须使用昂贵的空间密集过滤器去除谐波。

图7 D－CAP电路图

5 结束语

潮流控制是能源市场推动力，在特定路径及较低的成本控制潮流的能力会给制度和市场层面带来显著的好处。构建适应可再生能源标准的新的输电线的要求显著降低。减少线路所有者可用容量的循环流动是可以控制的，突发事件时改善区域间支持可以提高电网的可靠性和稳定性。相关电网制造和运行成本可以更公平的分配。发电资产的所有者能将电卖给感兴趣的客户，寻找降低电网拥堵的途径。总而言之，智能可控电网是实现更加环保、更加经济有效的能源市场的关键要素。

本文讨论了给输电系统带来额外压力的新挑战，以及减轻这些压力的潜在方法。目前已有许多方法提供无功控制和电源流量的控制。这些方法都存在一定的缺陷，这就限制了它们的应用。使用分流额定控制元件的新兴技术，可以显著地克服缺陷，允许广泛采用无功控制和流量控制。这些功能可以改变变压器的操作系统，实现低成本和可再生能源的交付，允许具有竞争力的能源市场有效运作。