混合型背靠背智能软开关技术

许涛， 葛雪峰， 窦竟铭， 史明明， 张宸宇， 缪惠宇

(1. 山东大学电气工程学院，山东 济南 250061;2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；3. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

分布式电源的接入为配电网电压管理带来了严峻的挑战[1—3]。传统电压调控技术(包括变压器有载调压以及基于联络开关的网络重构技术)很难满足有源配电网节点电压的实时调控[4—5]。而电力电子补偿设备，如动态电压补偿器、统一电能质量控制器以及统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)可实现配网潮流和电压柔性控制[6—9]，是优化有源配电网运行与控制的重要调控设备。

近年来，研究者提出一种可代替馈线间联络开关的智能软开关(soft open point,SOP)设备[10—12]。SOP可有效实现馈线间的功率柔性互济，灵活控制配网潮流，实现节点电压和配网损耗等目标的综合优化管理[13—16]。SOP的主要结构有背靠背电力变换器和UPFC。相比UPFC，背靠背电力变换器较易实现故障隔离和供电恢复功能。故障隔离和供电恢复是配电网提高供电可靠性的重要技术需求[17—18]，因而SOP多采用背靠背电力变换器综合提高有源配电网供电质量[12]。

对于常见的10 kV/10 MV·A等级的配网而言，数兆瓦级的SOP的柔性功率互济效果已较为显著，SOP设计容量一般小于线路额定容量。由此可见，SOP的供电恢复范围受限于其自身容量大小，很难满足全部停电用户的供电恢复需求。文献[19]提出借助于网络重构技术以最大化恢复供电，但是该供电恢复技术仍无法保证全线路供电恢复且操作复杂，管理成本较高。

为此，文中提出一种低成本混合型背靠背SOP，由小功率AC/DC/AC背靠背电力变换器与负荷开关并联组成。混合型背靠背SOP具备传统SOP的多目标统一优化调控、故障隔离和供电恢复等功能。线路正常供电时，由小功率背靠背电力变换器优化调控潮流及电压分布；线路故障后，混合型SOP通过闭合并联负荷开关可恢复全线路供电，显著增加了配网供电可靠性；故障清除后，背靠背电力变换器灵活调控流经负荷开关的潮流，可实现并联负荷开关零电流开断控制，有效降低开关成本，增加使用寿命。文中详述了混合型SOP运行和控制技术，重点介绍了负荷开关零电流开断的运行机理和控制原理。最后，结合Matlab/Simulink仿真测试了混合型背靠背SOP的故障隔离和供电恢复能力，同时验证了负荷开关零电流开断的有效性和可行性。

1 混合型背靠背SOP结构及工作模式

1.1 混合型背靠背SOP结构

如图1所示，混合型背靠背SOP系统包括背靠背电力变换器以及并联负荷开关；其中与馈线1、馈线2并联的变换器分别为VSC1、VSC2。混合型SOP的主要工作模式包括：软连接工作模式(文中将正常情形下，基于SOP的电压、网损等多目标优化调控的运行模式定义为软连接工作模式)、故障隔离与供电恢复工作模式和零电流开断负荷开关工作模式。

图1 混合型背靠背SOP接入有源配电网示意Fig.1 Schematic diagram of hybrid back-to-back SOP connected in the active distribution network

1.2 软连接工作模式

软连接工作模式时，负荷开关保持开断状态，由背靠背电力变换器调控配网潮流及电压分布。背靠背电力变换器主要实现下述功能:(1) 规范节点电压偏差在标准范围内，同时平抑因分布式电源出力和负荷变化引起的电压波动；(2) 最小化线路损耗，实现配网经济运行[20]：

(1)

1.3 故障隔离与供电恢复工作模式

若馈线2发生短路故障，背靠背电力变换器阻断短路电流流向馈线1，避免故障范围扩大化。故障隔离期间，为维持变换器VSC2不脱网，同时减少线路短路电流，VSC2输出功率降为0。由于馈线间交换功率发生突变，馈线1各节点电压会出现不同程度波动。若VSC1输出功率满足下述关系，馈线1电压损耗将保持不变(由于线路首末端电压相位差较小，文中近似认为电压降落的纵分量等于电压损耗)：

(2)

式中：VN为额定电压；PVSC1_r，QVSC1_r分别为软连接工作期间VSC1输出有功、无功功率；QVSC1_g为故障隔离期间VSC1输出无功功率；R0，X0分别为单位长度线路等值电阻、电抗。则故障隔离期间VSC1输出无功功率为：

(3)

式中：SN为VSC1、VSC2额定容量。依据式(3)调整VSC1输出无功功率大小，可最小化馈线1各节点电压波动幅度。并且，由于故障隔离工况持续时间较短，不计及分布式电源和负荷的大范围波动，VSC1输出无功功率一般仅调整1次。

如图2所示，故障隔离后，系统立即闭合并联负荷开关，恢复故障线路供电。电能由非故障线路经负荷开关传输到故障线路，而背靠背电力变换器不充当电能传输媒介。供电恢复期间，线路压降较大，节点电压偏差较为严重。因而，背靠背电力变换器向线路提供无功功率以补偿负荷节点电压偏差，后续将详述供电恢复期间背靠背电力变换器的无功补偿策略。

图2 基于混合型SOP的供电恢复运行示意Fig.2 Schematic diagram of power recovery operation by assuming the hybrid SOP

如图3所示，供电恢复运行状态下，混合型SOP两输出端可看作同一节点，且混合型SOP位于节点1m。

图3 故障恢复期间配网电压分布示意Fig.3 Schematic diagram of voltage distribution during the power recovery operation

线路各节点电压幅值为：

(4)

式中：l1k，l1m为节点1k，1m至线路首端长度；QSOP为背靠背电力变换器输出无功功率；V′1k，V′2j表示背靠背电力变换器输出无功功率为Q′SOP时，节点1k，2j的电压幅值。目标函数λ最小值可表示为[20]：

(5)

背靠背电力变换器通过实时控制输出无功功率QSOP大小以优化节点电压水平。此外，若馈线1发生故障，故障隔离和供电恢复的运行与控制策略与上述类似。

1.4 零电流开断负荷开关工作模式

故障排除后，混合型SOP应开断负荷开关，切换至软连接工作模式，恢复SOP的潮流和电压调节能力。由于负荷和分布式电源分布不一致，馈线间将产生一定的循环功率，开断并联负荷开关须承担一定的投切成本。为此，文中提出了负荷开关零电流开断技术。

闭环运行状态下，混合型SOP两输出端可看作同一节点，且背靠背电力变换器VSC1、VSC2输出功率分别为SVSC1，SVSC2。若忽略SOP系统损耗，背靠背系统输出功率满足：

(6)

式中：PVSCi，QVSCi分别为VSCi输出有功、无功功率(i=1,2)；QSOP_K为背靠背电力变换器的输出无功功率。如图4所示，SOP背靠背电力变换器可等效为输出功率为QSOP_K的无功补偿器。

图4 有源配电网闭环运行潮流示意Fig.4 Schematic diagram of power flow of active distribution network under loop closing operation

为论述方便，文中将闭环运行状态下，馈线间潮流方向设定为由馈线1流向馈线2。则节点1m注入SOP的功率为[9]：

(7)

lT=l1m+l2n

(8)

(9)

图5 混合型SOP与馈线功率交换示意Fig.5 Schematic diagram of power exchange between SOP and feeders

(10)

依据式(7)和式(10)可知，背靠背电力变换器输出功率参考值满足下述方程时，流经并联负荷开关电流为0：

(11)

式中：PVSCi_ref，QVSCi_ref分别为变换器VSCi(i=1,2)的输出有功、无功功率参考值。通过控制馈线间交换功率全部流经背靠背电力变换器，使流过并联负荷开关潮流为0，从而实现负荷开关零电流开断控制。

2 混合型背靠背SOP控制方法

如图6所示，混合型SOP控制系统由功率控制回路与电流控制回路组成[12]。并且，混合型SOP的一个电力变换器采用PQ控制模式，另一电力变换器为Vdc/Q控制模式；同时电流控制回路采用传统的dq解耦控制[21]。混合型SOP克服了传统SOP基于不同工作模式，切换控制方式的缺陷[12]，且控制系统较为简单。混合型SOP控制系统的关键在于不同工作模式下功率参考值的实时优化求解。

图6 混合型SOP控制Fig.6 The control block of hybrid SOP

软连接工作模式下，式(1)所示的目标函数存在3个变量(PSOP_ref，QVSC1_ref，QVSC2_ref)，通过粒子群优化算法可实时快速求解功率参考值PSOP_ref，QVSC1_ref，QVSC2_ref的大小。故障隔离期间(以馈线2发生故障为例)，有功功率参考值PSOP_ref以及VSC2输出无功参考值QVSC2_ref均为0；VSC1输出无功功率参考值如式(3)所示。故障隔离期间电力变换器主要控制目标为：保持VSC2不脱网，具备故障穿越能力；平抑馈线1各节点电压波动。类似地，若馈线1发生故障，则有：

(12)

式中：PVSC2_r，QVSC2_r分别为软连接工作期间VSC2输出有功、无功功率。

供电恢复期间，背靠背电力变换器有功功率参考值为0，并且背靠背系统输出无功功率QSOP可由式(5)所示的目标函数优化求解，则VSC1、VSC2输出功率参考值为：

QVSC1_ref=QVSC2_ref=QSOP/2

(13)

零电流开断负荷开关工作模式下，背靠背电力变换器输出功率参考值如式(11)所示，则求解功率参考值的关键在于计算自然交换功率。执行开断负荷开关操作的初始时刻，背靠背电力变换器工作在供电恢复模式，且输出无功功率为QSOP。通过式(7)可推导出自然交换功率为：

(14)

式中：PK，QK分别为初始时刻流经负荷开关有功、无功功率。背靠背电力变换器输出稳定时，待开断功率小于临界阈值ζ，系统立即执行零电流开断操作。若馈线间交换功率大于背靠背电力变换器额定容量SN，负荷开关无法实现零电流开断。此时，经背靠背电力变换器分流后，负荷开关的开断电流已大幅降低，系统此时执行开断操作对负荷开关的寿命折损影响不大。另一方面，调度系统也可以等待一定时间待馈线上电源和负荷变化后，馈线间交换功率小于背靠背电力变换器额定容量再发出开断指令，最终实现零电流开断操作。

3 仿真验证

在Matlab/Simulink中搭建了图7所示的10 kV有源配电网仿真模型，包含了线路阻抗参数及各节点功率值。110 kV变压器额定容量为10 MV·A；混合型SOP中背靠背电力变换器经隔离变压器接入馈线，电力变换器的额定容量和额定电流分别为400 kV·A，33 A。仿真主要验证了混合型SOP的供电恢复能力，和负荷开关零电流开断方法的有效性和可行性。

图7 基于混合型SOP的配网仿真模型Fig.7 The overall control block of hybrid SOP

如图8所示，软连接工作模式下(0～0.2 s时)，VSC1、VSC2输出功率分别为-315+j200 kV·A，315+j200 kV·A；SOP优化调控前后线路损耗分别为210 kW，175 kW，则基于小容量混合型SOP的节能降损效果较为明显。t=0.2 s时，馈线2发生三相短路故障，故障位置位于节点2，混合型SOP立即运行至故障隔离模式。VSC2的输出功率突降为0，同时VSC1输出无功调整为380 kvar。故障隔离期间，馈线1维持正常供电，且各节点电压波动幅度较小。t=0.4 s时，断路器QF12、QF21跳闸，故障被隔离，同时节点1恢复供电。t=0.6 s时，系统闭合SOP并联负荷开关，全线路恢复供电。系统稳定运行后，混合型SOP于t=0.8 s时注入约760 kvar的感性无功功率，有效改善了节点2、3、4电压偏差较为严重的情形。t=1.0 s时短路故障被清除，调度系统立即向混合型SOP发送开断负荷开关指令。

图8 混合型SOP波形Fig.8 Waveforms of hybrid SOP

t=1.1 s时，系统开始执行开断操作，VSC1、VSC2的输出功率参考值为-320+j10 kV·A， 320-j10 kV·A，负荷开关待开断电流被迅速调控至0，执行开断操作。

混合型SOP背靠背电力变换器响应速度快，可适应不同工作模式的快速切换。以零电流开断控制为例，如图9所示，t=0.9 s时，VSC2由闭环运行的无功补偿模式切换到零电流开断调控模式。VSC2输出电流在一个工频周期内达到稳定，暂态响应良好。

图9 零电流开断期间VSC2输出电压和电流波形Fig.9 Waveforms of VSC2 output voltage and current under the zero-current turning-off operation

4 结语

文中提出的低成本混合型SOP由背靠背电力变换器与负荷开关并联构成。该结构有效增强了配网故障恢复能力，弥补了传统SOP供电恢复能力差的技术短板。并且，基于文中提出的负荷开关零电流开断控制系统，能实现负荷开关零电流开断，有效降低负荷开关的投入和运行成本。最后，混合型SOP的供电恢复能力与零电流开断技术均在仿真试验中得到了有效验证。

本文得到国网江苏省电力有限公司科技项目(J2019126)资助，谨此致谢！