基于SNOP的配电网合环倒负荷控制策略研究

张宏俊，胡慧，郝丽萍，瞿杨全，彭仕伦

(贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水553000)

目前，国内配电网主要采用“闭环设计，开环运行”的供电模式，当某一馈线或设备需停电检修时，可采用合环倒闸操作的方式实现负荷的不停电转供，从而提高供电的可靠性和连续性[1]。然而，在电网的实际规划建设中，出于供电可靠性和供电风险管控等考虑，往往将一个配电变电站的电源点分配至不同的110kV变电站甚至220kV变电站。以35kV变电站为例，正常运行方式主要有明备用和暗备用两种，在进行合环倒负荷时，会形成110kV-35kV或220kV-35kV甚至500kV-35kV的电磁环网，若产生的合环电流过大，很可能会使某些设备过载而严重威胁设备的安全运行[2]。对此，通常需在合环前对合环电流进行计算评估以判断是否宜进行合环操作，如采用P-Q分解法、概率潮流法、全电流数学模型等[3-5]，但上述方法只能对合环电流进行预评估，无法从根本上解决某些情况下合环电流过大的问题。此外，对于某些合环路径较复杂的倒负荷情形，有的做法是采用“停电倒闸”的方式将负荷进行转供，以损失用户供电的连续性来换取电网的安全性[6]。然而，当停电线路或设备在复电时，为恢复电网的原运行方式，仍采用“停电倒闸”方式将负荷倒回至原系统供电，进而造成用户的二次停电。交直流混合配电网可采用合环运行方式，通过对换流器进行适当的控制，比较容易实现用户的不停电转供，但交直流配电网目前仍处于研究或示范性工程阶段，尚未大规模推广建设[7-14]，且其中直流配电网的固态断路器等设备仍面临一定的技术难题[15-16]。

SNOP(soft normally open point)是一种基于电力电子装置的电网联络开关，若将SNOP代替或接入变电站的传统联络开关TS，则可实现电网开口点两侧电力系统的解耦闭环运行，进一步可实现优化潮流和改善电压水平等功能[17-20]。

本文提出了一种基于SNOP的配电网变电站接线方式及倒负荷控制策略。首先，介绍了SNOP的基本原理和接入方式，以PQ控制为例，说明了换流器与电网之间的时域数学模型及其控制方式。然后，根据倒闸操作特点详细说明了电网合环倒负荷过程中的SNOP控制方式。最后，建立了基于SNOP的220kV-35kV电网电磁暂态仿真模型及相关控制模型，并将其与基于常规开关的电网模型进行了仿真对比分析，从合环潮流(电流)可控能力和连续转供电能力等方面验证了所提方法的可行性和有效性。

1 SNOP的基本原理和接入方式

SNOP装置主要有统一潮流控制器型(UPFC)、背靠背电压源型换流器型(B2B VSC)和串联补偿器型(SSSC)三种。其中，B2B VCS型在风力发电等应用最为广泛，文中也主要采用B2B VCS型，其拓扑结构如图1所示。

图1 基于B2B VSC型的 SNOP拓扑结构Fig.1 Circuit topology of SNOP based on B2B VSC

(1)

由式(1)可知，若能适当地控制SNOP的输出电压，就能够对两系统之间的合环电流进行有效控制。当控制SNOP输出电压与电网电压相同时，合环电流可控制为零。

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，若能采用适当的控制策略对VSC2输出的电压大小和相位进行控制，则可实现两个交流系统之间的潮流四象限交互运行，从而达到电网闭环解耦运行的目的。

SNOP接入变电站可有完全替代常规开关和与常规开关并联接入两种方式。第二种接入方式中常规开关可在SNOP停电检修维护时起到备用开关的作用。以35kV变电站为例，设其分段开关为正常运行方式下的开口点，则与传统开关并联接入的接线图如图2所示。

图2 SNOP在35kV变电站的接入方式Fig.2 Access mode of SNOP in 35kV substation

SNOP接入变电站后有闭环运行与开环运行两种方式。闭环运行时，SNOP主要起到潮流调控作用，且在进线故障跳闸时能迅速切换运行方式以保障对负荷的继续供电，但具有一定的开关损耗；开环运行时，SNOP处于停用状态，可减少损耗，在需要合环倒负荷时再启动投运，但在进线故障跳闸时备用开关或SNOP投入运行具有一定的时间间隔。此外，SNOP接入电力系统后需对相关设备进行保护配置和整定，具体可以借鉴交直流配电网或主动配电网等相关研究[23-24]。

2 各种运行状态中的SNOP控制策略

SNOP接入电网后，其输出交流电压是以直流侧电压为基准的开关函数，若采用PWM或SVPW等调制方式，并经滤波后可得到三相正弦电压。

2.1 换流器数学模型及其控制

SNOP中换流器的控制策略以控制目标进行分类主要有直流电压无功控制(Udc-Q控制)、有功无功控制(PQ控制)、交流电压频率控制(V/f控制)和下垂控制等[25-28]。下面以换流器与电网的时域数学模型为例对PQ控制进行说明。

设交流电网相电压为uga，ugb,ugc；换流器输出电压为ua，ub，uc；换流器输出电流为ia，ib，ic；换流器与电网之间的连接电感和电阻分别为L和R。可得电网与换流器在三相静止坐标系下的电压方程为[28]

(4)

对式(4)做Park变换，并以网侧电压ug为定向，可得在同步旋转坐标系下的电压方程为

(5)

式中：id和ia分别为换流器的d轴和q轴电流；ω为电网电角频率；ugd为电网电压ug的d轴分量，且ugd=ug；ud和ua分别换流器输出电压的d轴和q轴分量。

进而可得同步旋转坐标系下的功率方程为

(6)

式(6)表明，若分别对换流器输出电流的d、q分量进行控制，就能够实现其输出有功功率、无功功率的独立控制。但由式(5)可知，换流器输出电流的d、q分量除受ud、qa的控制外，还受电流耦合项的影响，即控制其中一项分量同时会改变另一项分量。为实现PQ的解耦控制，可采用前馈补偿作解耦处理。

(7)

2.2 合环倒负荷的SNOP控制方式

当电网正常运行时，系统即可开环运行，也可通过SNOP实现闭环运行。若为闭环运行方式，SNOP中一个换流器采用Udc-Q控制，主要控制直流侧电压稳定，另一个换流器则采用PQ控制，主要控制换流器输出或吸收的有功、无功功率，以实现两系统之间潮流的实时、连续控制。

为实现电网的经济性运行，如图2所示，假设进线1的线路电阻为R1，进线2的线路电阻为R2，两条进线所供负荷的总电流为I，设I1为经过SNOP潮流调节后进线1的电流，此时，两条进线的线损可表示为

(8)

根据式(8)，可求解线损P取最小值时进线1输出电流的最优解为

(9)

若两条进线的型号和长度相同，由式(9)可知，当通过SNOP进行潮流控制使得进线1和进线2的输出电流相等时，即通过均衡馈线出力，可以使两条进线的线路损耗达到最小。

此外，当进线2所馈母线上有光伏等分布式电源接入时，对于传统电网，若分布式电源发电较多，多余的电能会通过馈线2倒送至电网。对于接入SNOP的电网，可通过SNOP的潮流调节功能可将分布式电源多发的电能直接送至馈线1所馈母线，使分布式电源尽可能就地消纳，减少电能“弯道”传输造成的线损，此时SNOP起到“电力阀门”的作用。

当进线需检修停运或因故障停运时，若直接在进线开关(301开关)处解环，由于PQ控制无法满足电压频率要求，当输出的功率与负荷不匹配时，可能会导致35kVⅠ母线失稳，因此需将VSC1的控制及时切换为V/f控制，以实现从联网运行到孤岛运行的平滑过渡。SNOP正常侧换流器则采用Udc-Q控制，为逆变侧提供直流电压稳定和平衡功率流动，停电侧换流器则采用V/f控制，主要控制换流器输出电压和频率大小，可为停电侧母线提供电压和频率支撑，从而实现负荷的不间断转供电。

当进线由停电恢复供电时，SNOP孤岛侧换流器可采用并网控制，即通过采集线路电压和母线电压，以线路电压为控制目标，控制母线电压的大小、相位及频率与线路电压相同，再通过闭合进线开关以实现电网从孤岛运行到联网运行的平滑过渡。

图3 SNOP的主要几种控制策略框图Fig.3 Block diagram of the main control strategies for SNOP

这里结合图2和图3对基于SNOP的配网合环倒负荷控制策略作进一步说明：

当进线由运行转检修时，设系统经过SNOP处于闭环运行状态，其中，VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用PQ控制，此时SNOP可参与系统的潮流调控。为避免非同期合闸，断开进线301开关后，立即将VSC1由PQ控制切换为V/f控制，其中的电压及频率取为标准电压和频率，使SNOP所供系统运行在孤岛模式，与传统孤岛模式不同，此时SNOP的电能来源于另一侧电网，当负荷增加时会反映到SNOP的直流侧电压降低，但由于VSC2采用的是Udc-Q控制，会通过从另一交流侧吸收更多功率来维持直流电压稳定，因此其输出功率的稳定性较好，对负荷的自适应性和供电可靠性较高。而传统孤岛模式一般仅由部分电厂提供电能，特别对于一些分布式清洁能源，其输出功率受自然条件影响较大，因此其输出功率的稳定性较差，可能需要限制负荷等措施来保证供需平衡或减少波动。

当进线由检修转运行时，VSC1交流侧为孤岛运行，即VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用V/f控制，为恢复电网的原运行方式，需将VSC1交流侧系统由孤岛运行切换为联网运行，即在闭合进线301开关前，先将V/f控制中的给定电压和频率切换为跟踪电网的电压V1和频率f1，使换流器VSC1输出电压大小和频率与电网电压大小和频率相同。此时，电压及频率满足并网要求，但可能存在相位差，因此需引入频率扰动控制环节，通过将VSC1输出电压相位控制至与电网电压相位相同，再合上进线301开关完成并网操作。联网运行后再将VSC1的V1/f1控制切换为PQ控制来参与系统的潮流调节，或直接闭锁SNOP使其停运。

上述各运行状况下的控制策略如表1所示。

表1 各运行状况下的控制策略Tab.1 Control strategies under different operating conditions

3 算例仿真分析

图4 仿真算例电网结构图Fig.4 Grid structure diagram of simulation example

(1)常规电网的倒负荷情形

当进线或进线开关需停电检修时，为实现负荷的不停电转供，可采用合环倒闸方式将变电丙站35kVⅠ母线所带负荷倒由B系统供电，如在1s时，通过闭合丙站35kV分段310开关进行合环，其仿真结果如图5所示。

图5 常规电网合环电流仿真结果Fig.5 Simulation results of loop closing current in conventional power network

图中，I0为A相合环电流。I1为甲丙线A相电流，I2为乙丙线A相电流。由仿真结果可知，由于分段310开关两侧系统存在电压相量差，当直接闭合310开关时，产生了较大的合环电流，其有效值约为547A，而甲丙线路的电流有效值达到约577A，乙丙线路电流有效值约为502A，对于LGJ185或LGJ240等导线，已造成线路过载，很可能会严重威胁设备安全运行。因此，其倒负荷一般采用“停电倒”的方式，即先断开进线301开关，再闭合分段310开关，这样虽然能避免合环电流造成的线路过载，但对用户造成了短时停电。

(2)基于SNOP的合环倒负荷情形

设正常运行时，SONP为闭锁状态，设1s时，启动SNOP，其中VSC2采用Udc-Q控制，VSC1采用PQ控制，控制输出潮流使得两35kV馈线出力相同。2s时，断开进线301开关，同时将VSC1控制切换为V/f，其中电压参考值取为35kV，频率取为50Hz。此后可将线路停电进行检修工作。上述过程的仿真结果如图6所示。

(a)SNOP传输功率及甲丙线、乙丙线功率(a)Transmission power of SNOP and the power of Jia-Bin line and Yi-Bin line

图中，P0为SNOP传输功率，P1为甲丙线传输功率，P2乙丙线传输功率。由仿真结果可知，投入SNOP运行且采用PQ控制时，可控制两进线出力均在2MW左右，此时，合环电流峰值不到80A，合环运行时的电流得到了有效控制，避免了传统交流合环造成的线路过载现象。若有需要，合环电流大小也可根据调控后台给定PQ参考值进行控制。当需要将线路转检修时，如在仿真中2s时刻，在断开进线开关的同时将PQ控制切换为V/f控制，SNOP传输功率由1MW提高到3WM，从而实现了用户的不停电转供，保障了倒闸操作过程中对用户供电的可靠性和连续性。

(3)基于SNOP的恢复原方式倒闸情形

设甲丙线检修工作已结束，且已送电至丙站301开关处开口热备用，在合上丙站301开关前，启动SNOP的并网控制，当检测满足并网条件后自动合上301开关，以完成并网操作。上述过程的仿真结果如图7所示。

图7 基于SNOP的并网仿真结果Fig.7 Simulation results of grid-connection based on SNOP

由仿真结果可知，SNOP在并网前，其输出电压与电网电压存在较大的相位差，，采用并网控制后，使得相位差在短时间内逐渐缩小，当满足并网条件后即可自动并网，完成孤网到联网运行的平滑过渡，无须像传统电网那样可能采取“停电倒闸”的方式恢复系统的正常运行方式，提高了供电的可靠性和连续性。

4 结论

配电网合环倒闸操作是实现用户不停电转供的重要手段，但传统交流电网合环由于合环电流不可控，可能产生较大的合环电流，在安全性和可靠性等方面存在不足。本文通过用SNOP替代传统联络开关，对SNOP的原理和接入变电站方式进行了研究和探讨，详细说明了SNOP的数学模型及在各种工况下的控制方式，并根据倒闸操作的特点，在倒闸操作和恢复原方式过程中综合运用PQ控制、Udc-Q控制、V/f控制及并网控制等控制策略对SNOP进行控制，通过仿真算例验证了所提方案能够有效控制合环倒闸操作过程中的合环电流大小，实现了配电网的安全不停电倒闸操作，保障了电网合环运行的安全性和对用户供电的可靠性及连续性。