配电网负载侧互联装置SNOP控制策略研究

陈 晨， 丁书音

(国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司，江苏 宿迁 223800)

0 引 言

配电系统[1]作为电网与用户之间的桥梁，肩负着为用户供给和分配电能的职能。然而由于新能源发展迅速，大量分布式电源[2]的接入对电网的冲击尤为严重。与其他发达国家相比，我国的配电侧网络发展起步较晚，多样性的负荷变化对原有较为落后的配电网产生的冲击更为严重，同时电力设备的投入数量增多但性能不够优越，使得电能质量较低，停电事故频发，对经济发展和居民生活产生严重影响。

SNOP(Soft Normally Open Points，智能软开关)[3-7]是一种用于设置在传统联络开关处的全控型装置，其可以对联接的两侧系统进行双向功率传输，使得两侧有功与无功联系起来，互相补给保证系统的可靠性，同时可以通过控制策略提高输电质量。文献[8]提出了一种把储能系统添加到风力发电系统中来弥补风力出力不均衡的输电方式，其控制策略以风电场作为输送端对有无功进行单独控制，接收端利用储能系统补充或者吸收风电场传输的功率，其差值作为逆变器的直流电压控制器进行控制，可对风电场的发电不均、接收端故障进行较好地调控。文献[9]提出了一种以交流侧电压相位和幅值为控制对象，有功、无功功率为被控对象的稳态模型[8-10]，利用基波幅值和相位的控制从而间接控制网侧电流的间接控制法，但是其控制缺点较为突出，网侧电流动态响应较慢，对系统参数要求较高。文献[10]将变换系统分为主从两个子系统，利用逆变侧的动态数据，反馈到整流侧，控制其功率传输的匹配，使其直流侧功率流动不变，主从控制可有效保证功率传输的准确性，减小误差，同时可快速完成响应需求。文献中SNOP均以背靠背VSC(Voltage Source Converter，电压源换流器)，其结构简单，控制易于实现，可进行满容量有无功传递。但文献中缺少对带储能系统[11-12]的双侧交流电网互联的SNOP控制策略研究。

以储能型SNOP装置为研究对象，在背靠背VSC的直流侧加入储能环节，构建基于dq坐标系的数学模型，通过对VSC内环电流解耦控制、外环功率恒定控制及储能系统[13]出口电压恒定控制策略研究配合。同时储能系统要兼顾维持直流侧电压恒定和新能源的消纳，利用控制策略配合两侧VSC进行不同控制目标协调控制。最后通过仿真验证SNOP的优越性。

1 SNOP的数学模型

图1所示电路为SNOP拓扑结构，由两个相互对称的VSC和储能系统构成，在正常的工作状态下，两个VSC一个处于整流状态，另一个则工作在逆变状态[14]，通过AC-DC-AC变换，达到两侧系统电气联接的效果，并且对两侧进行能量交互。直流环节中的电容处联接储能系统，可以稳定直流母线电压，保证双向能量传输的一致，提高抗暂态扰动能力。同时可以利用储能系统作为新能源存储消纳环节，使得SNOP具备对电能进行时空调节的能力。

图1 储能型SNOP拓扑结构Fig.1 Topology of the energy storage SNOP

为了更好地设计SNOP的控制策略，需要对其被控对象进行研究分析，根据其动态特性设计相应的控制。因此，先对SNOP的拓扑结构进行数学建模。

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其中，ω1、ω2分别为变换器两边交流侧电压角频率；id1、iq1、id2、iq2分别为VSC1和VSC2交流侧输出电流d、q分量；e1d、e1q、e2d、e2q分别为变换器交流侧电压d、q分量；md1、mq1、md2、mq2分别为变换器的开关函数d、q分量；udc、ub分别为直流母线电压和蓄电池电压。R1、R2为线路等效电阻。式(4)、式(5)分别为储能系统在BUCK、BOOST模式下的状态方程。

在忽略VSC1、VSC2开关损耗情况下，有：

Pk=udc(makiak+mbkibk+mbkibk)=udcidckk=1,2

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其中，Pk为变换器输入或输出的有功功率，在保持直流母线电压恒定时，两个系统输出的直流相等，即可保持功率输送平衡。

2 SNOP的运行控制策略研究

在利用SNOP互联交流系统时，其总体控制目标是对系统两侧的功率传递进行独立控制，而系统具体控制又分为三大部分：整流侧VSC、逆变侧VSC和储能侧。三部分均采用双闭环的控制策略[16]。3个变换器的控制，都根据其具体实现的功能目标来控制外环，为电流内环提供电流目标值。内环控制则进行输出调制，保证电流的无静差跟踪。SNOP的另一个特性就在于可进行双向能量交换，这也就使得其控制更加灵活，两侧VSC的控制策略可进行相互调换。

2.1 VSC控制策略

整流侧VSC和逆变侧VSC内环控制策略一致，都是用来控制变换器的调制电压，使变换器的输出电流可以快速跟踪外环的给定值。两个VSC的外环控制目标各有不同所以需要根据其具体目标设定相应的外环控制策略。

内环控制结构图如图2所示。为了消除耦合相，需要利用PI控制器，通过交叉相消方式引入电流反馈消除了d、q轴之间的电流耦合，而对于交流电源的干扰，则采取前馈补偿，利用电源补偿其产生的干扰。

图2 内环控制Fig.2 Internal loop control

VSC1作为整流器，为保证能量传输的稳定，其基本的控制目标为直流电压稳定和无功调节。同时因为储能系统的存在，在VSC1侧电能足够充足的时候，还要肩负为储能系统供电的职能，可对储能系统进行电能供给，确保储能系统的SOC为安全可靠状态。所以对其运用U-Q控制策略。其中d轴的参考量为

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无功分量则根据需要的功率因数而设定，可独立调节。图3为外环的直流电压控制原理图。其中Udcref、Qref为被控对象的参考值，其既可以实现对直流母线电压的恒定，又实现对交流侧的无功的调节。

图3 VSC1外环控制结构Fig.3 The structure of outer loop control of VSC1

VSC2工作逆变状态，其承担着为其交流侧提供能量的职责，其控制目标为所需求的有功和无功传递，此外考虑到储能VSC1交流侧若能量不足以使VSC1交流侧工作在经济状态，需要储能系统协助完成，所以VSC2还需要进行对储能系统能量的接收，完成储能并网任务。所以对其进行P-Q控制，通过控制有功功率来保证传从交流1侧和储能系统输送过来的有功功率满足交流2侧的需求，可以为变压器2缓解压力使其工作在经济状态，保证了其供电侧的电能质量和供电的可靠性，如图4所示。根据实际的测量计算可以得到Pref值，在输入给定量控制在其附近时，可以保证传输过来的功率满足变压器2侧的缺额，使得其可以工作在经济状态，保障用户侧供电质量，并且通过无功补偿，保证负载侧电压水平。

图4 VSC2外环控制结构Fig.4 The structure of outer loop control of VSC2

有功电流和无功电流的预测值是根据给定的有功无功功率通过稳态逆模型得到的，逆系统模型可以被控量传递函数逆作为控制器加入到控制系统，可以避免系统因反馈和扰动而使系统产生不稳定，同时与其他控制解耦改善系统稳定性。把其与PI控制输出的电流修正量相加作为电流分量的给定输入到内环系统，可以提高控制器的响应，消除静态误差。

2.2 储能系统控制

储能系统利用双向半桥BUCK/BOOST变换器进行模块化处理，DC/DC变换电路作为电池的升降压电路。对于储能系统的控制策略关键要使其与VSC进行配合协同工作，储能系统作用不仅是维持直流母线电压恒定和新能源发电过剩的存储，还需要可以进行并网操作[17-18]。

在整流侧的电能裕量较大的情况下，满足需求侧的功率时还可以继续输送功率时，则利用整理器对储能系统同时供电，此时储能系统工作在充电状态。在此控制策略下，可保证储能系统和整流侧的配合利用系统电能充裕量对储能系统进行充电，同时直流母线电压的稳定，也可以保证在两个VSC进行能量交互式，保持平稳输送。

在对储能系统进行运作时，BMS对总体进行监控管理，监测蓄电池的荷电状态和直流电压电流水平，使储能系统正常工作，确保电池组处在安全状态，在对电池损耗较小的情况下，实现充放电模式之间转换，确保可以与VSC之间的控制相互配合，协调运行。

3 仿真研究

通过以上分析，使用MATLAB进行对SNOP系统进行搭建仿真以验证SNOP系统可以对两侧系统进行双向能量交互。假设交流两侧需要能量补偿，以VSC1作为整流器进行无功控制和直流电压跟踪，VSC2作为逆变器调节有功无功传输控制，均利用双环PI解耦控制，储能系统采用恒压充放电方式，保持直流母线电压恒定。

经计算，需VSC1侧传输25 kW功率使得T2工作在经济状态，所以在SNPOP开始工作时，传输功率在25 kW左右，假定在0.15 s时刻，逆变侧负载侧并联接入负载25 kW，由于逆变侧变压器已经饱和，而整流侧仍有裕量足够支撑此负载，所以整流侧需要增加输出，为逆变侧提供功率支撑。具体仿真输出波形如图5所示。

(a) 输出电流波形

(b) 输出电压波形

(c) 直流电压波形

(d) 有功波形

图5(a)为VSC2侧输出电流波形图，从图中可以看出，在前0.15 s时，系统输出稳定，在0.15 s时刻,负载增加，SNOP输出电流出现了轻微的波动，并且在之后输出电流增加，表明系统可以很好地响应逆变侧的负载变化，并及时提供能量补充。其波形畸变率在0～0.15 s时THD为1.25%，在0.15 s之后，THD为1.08%，远小于国家并网规定值，可以达到优质的并网效果，不会对原有电网产生影响。图5(b)为输出电压，可以看出电压基本稳定在380 V左右,即使在0.15 s秒时刻，出现负载突增的情况，电压波动也很小，可以保持基本不变，表明SNOP对维持系统稳定的性能较为优良，可以对突增负载和原有负载都保持电压不变供电，几乎对用户不会产生影响。图5(c)为直流侧电压，在0.15 s时出现了一个小幅度的电压跌落，但是又瞬间恢复到原有电压水平，表明了在储能系统和VSC1侧直流电压控制策略下的双重稳定，可以保证直流母线电压稳定，控制策略的配合效果明显，控制策略的动态稳定性较好。图5(d)为VSC2侧实际接收的功率，在0.15 s时系统负载突增，SNOP反应较为迅速，继续为负载增加提供了25 kW的有功功率，可以准确地进行功率追踪控制。在稳态情况下，基本上与设定值相吻合，表明其可以对参考值进行稳态无误差跟踪。通过上述仿真可以表明理论的可行性，利用SNOP装置在交流系统一侧有功充足的情况下，可以对交流两侧进行补充，同时可以保证电能传输的质量，对原系统稳定并无影响。

4 结 论

为了应对化石能源危机和人们日益变化的用电需求，提高新能源的利用和保障用户用电可靠是现在电力系统发展的至关重要一步。SNOP的运用对电网消纳新能源，缓解现有电网压力都有着重要的作用。通过对SNOP的控制运用，在储能系统的配合下，不仅表明了其具有稳定直流电压，还可以对功率进行无误差的跟踪，保障了功率的双向传输能力。仿真也进一步验证了控制策略的可靠性，可以在较低的畸变率下进行并网传输功率，在储能系统的配合下，可以进行新能源的就地消纳。在接下来的研究中，将着重于其对电能可靠性的研究，在负载侧发生故障情况下，如何保障非故障相可以持续供电将和多端口馈线互联[19]是以后研究的重点。