基于SNOP的不停電轉(zhuǎn)供技術(shù)研究

徐騰 袁旭峰 班國邦 談竹奎 徐玉韜 陳明洋

摘 ?要： 傳統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在不停電轉(zhuǎn)供方面采用的技術(shù)方案存在不足，對供電可靠性帶來一定影響。針對此問題，提出一種基于柔性軟開關(guān)（SNOP）的不停電轉(zhuǎn)供技術(shù)方案，利用背靠背電壓源型換流器組成的SNOP將兩回饋線柔性互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)饋線傳輸功率的可控性。SNOP裝置在饋線發(fā)生故障時，通過控制方式的轉(zhuǎn)換可以有效保障故障饋線上所帶負(fù)荷的正常運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對饋線間的負(fù)載不停電轉(zhuǎn)供。利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建基于SNOP的兩端交直流互聯(lián)系統(tǒng)對所提技術(shù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果證明，通過引入SNOP裝置能夠?qū)崿F(xiàn)不停電轉(zhuǎn)供需求，所提技術(shù)方案能夠有效提高供電可靠性。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng); 不停電轉(zhuǎn)供; 系統(tǒng)搭建; 饋線柔性互聯(lián); 控制方式切換; 仿真驗(yàn)證

中圖分類號： TN876?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

現(xiàn)有負(fù)荷對供電可靠性的要求越來越高，傳統(tǒng)配電網(wǎng)單輻射供電模式難以滿足當(dāng)前負(fù)荷對供電可靠性的需求。低壓配電網(wǎng)中，常采用UPS作為備用電源，但UPS需要機(jī)械開關(guān)操作，存在明顯的短時斷電弊端。雙電源自動切換開關(guān)（ATS）的出現(xiàn)有效改善了UPS對供電可靠性提升的效果，但ATS缺乏靈活調(diào)控性，不能改變雙電源自身存在的電壓幅值、相位差異等問題，合環(huán)運(yùn)行后不可避免地會出現(xiàn)電磁環(huán)流、逆功率等問題，對供電可靠性是一種挑戰(zhàn)。

解決這一難題的重要手段是采用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方式，國內(nèi)許多專家學(xué)者針對此問題做了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[1?4]對提高網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的尋優(yōu)能力和計算速度展開了研究;文獻(xiàn)[5]以粒子群算法為基礎(chǔ)研究故障重構(gòu)的最優(yōu)開關(guān)組合;文獻(xiàn)[6]通過加入節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量的方式，制定孤島與重構(gòu)配合的故障恢復(fù)控制策略，但都難以從根本上解決故障重構(gòu)帶來的諸多難題。

鑒于SNOP（Soft Normally?Open Point）的突出優(yōu)勢，國內(nèi)對以SNOP解決配電網(wǎng)現(xiàn)有難題進(jìn)行了大量的研究和報道。文獻(xiàn)[7]分析了SNOP在平衡中壓配電網(wǎng)饋線負(fù)荷方面的作用;文獻(xiàn)[8]研究了帶儲能的SNOP對緩解光伏出力波動的作用;文獻(xiàn)[1，9?12]研究了基于SNOP的配電網(wǎng)優(yōu)化模型。但以上文獻(xiàn)都沒有對SNOP在不停電轉(zhuǎn)供技術(shù)方面進(jìn)行研究。

本文針對目前的研究現(xiàn)狀，基于文獻(xiàn)[13]所提的SNOP概念，提出了一種基于SNOP的不停電轉(zhuǎn)供方案，并進(jìn)行了控制策略的設(shè)計。最后，通過PSCAD進(jìn)行模型仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明了所述方案的技術(shù)可行性。

1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

SNOP具體包括三種裝置：B2B?VSC（Back to Back Voltage Source Convert）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）[13]。B2B?VSC是最為常見且通用的SNOP結(jié)構(gòu)。

連接SNOP的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。包括：兩回380 V交流饋線、SNOP裝置和交流負(fù)荷。其中，兩回380 V交流饋線通過SNOP裝置互聯(lián)在一起。不難看出，引入SNOP裝置后，配電網(wǎng)的運(yùn)行模式發(fā)生了變化，由單輻射供電模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)運(yùn)行模式，其前提依托于SNOP裝置的靈活可控性。

SNOP的功能主要表現(xiàn)為：SNOP可以動態(tài)調(diào)節(jié)兩回饋線上的潮流分布，平衡饋線負(fù)載率，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平;SNOP可以進(jìn)行無功電壓控制，減少電磁合環(huán)電流;單一饋線發(fā)生故障時，SNOP可以為故障端提供功率支撐，維持負(fù)荷的電壓和頻率水平，保證負(fù)荷的正常運(yùn)行，提高可靠性。

文中重點(diǎn)研究不停電轉(zhuǎn)供技術(shù)。當(dāng)單一饋線發(fā)生故障時，故障側(cè)VSC通過切換控制策略，為故障側(cè)饋線上的負(fù)荷提供電壓和頻率支撐。

2 ?控制策略

對于SNOP裝置而言，每個VSC可以控制兩個狀態(tài)變量，包括有功類變量和無功類變量。其中，有功類變量包括有功功率和直流電壓;無功類變量包括無功功率和交流電壓。按照上述規(guī)則，典型的控制策略可以根據(jù)適用場景分為兩大類：正常運(yùn)行和故障運(yùn)行。具體地，正常運(yùn)行時，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必須采用直流電壓控制，另外一端可根據(jù)不同的場景選擇一種常規(guī)控制策略;故障運(yùn)行時，采用V/f控制或VSG控制。

2.1 ?V/f控制策略

V/f控制的作用是當(dāng)外部功率發(fā)生變化時，交流側(cè)母線電壓幅值頻率不受影響。其中，頻率控制通過頻率參考值和初始相位角產(chǎn)生電網(wǎng)參考電壓，再通過鎖相環(huán)參與坐標(biāo)變換過程產(chǎn)生三相電壓調(diào)制波，再與載波比較產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號。

V/f控制框圖如圖2所示，正常運(yùn)行時，主站VSC1采用定直流電壓控制，VSC2采用P/Q控制，即控制選擇開關(guān)位于位置1;當(dāng)VSC2交流側(cè)饋線發(fā)生故障時，PCC斷開，控制由P/Q控制（正常運(yùn)行模式）切換為V/f控制（故障運(yùn)行模式），即控制選擇開關(guān)位于位置2，再加上頻率控制，以實(shí)現(xiàn)V/f控制。

2.2 ?VSG控制策略

借鑒同步發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)原理，可在VSC換流器的控制策略中附加同步發(fā)電機(jī)控制模型，模擬同步發(fā)電機(jī)的阻尼特性和一次調(diào)頻、調(diào)壓特性[14?15]。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性可知，當(dāng)極對數(shù)為1時，根據(jù)牛頓第二定律，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程可表示為：

[Tm-Te-TD=Jω] ?（1）

式中：[Tm]，[Te]，[TD]分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩;[J]為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;[ω]為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度。

當(dāng)系統(tǒng)頻率變化與參考頻率有偏差時，調(diào)速器快速做出響應(yīng)，改變其輸出機(jī)械功率，進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)[16]。用VSG的有功控制環(huán)模擬調(diào)速器的一次調(diào)頻特性，則有如下關(guān)系：

[Pm=Pset+Kω（ωn-ω）] （2）

式中：[Pm]和[Pset]分別為原動機(jī)輸出機(jī)械功率和機(jī)械功率給定值;[Kω]為有功?頻率下垂系數(shù)。

在同步發(fā)電機(jī)中，為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無功電壓調(diào)節(jié)功能，其機(jī)端電壓參考幅值會隨輸出的無功功率的變化而變化。利用VSG的無功控制環(huán)模擬勵磁調(diào)節(jié)器的一次調(diào)壓特性則有如下關(guān)系：

[E=Qset+Ku（Ug-U0）-QeKp+Kis+E0] （3）

式中：[Qset]和[Qe]分別表示VSG的無功功率給定值和實(shí)際測量值;[Ku]表示無功?電壓下垂系數(shù);[E0]為VSG空載電勢。

根據(jù)以上分析，得出系統(tǒng)完整的控制過程如圖3所示。正常運(yùn)行時，主站VSC1采用定直流電壓控制，VSC2采用P/Q控制，當(dāng)VSC2交流側(cè)饋線發(fā)生故障時，PCC斷開，控制由P/Q控制（正常運(yùn)行模式）切換為VSG控制（故障運(yùn)行模式）。

3 ?仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建如圖1所示的基于SNOP的交直流混合系統(tǒng)。其中，VSC1采用定直流電壓控制，VSC2采用P/Vac控制，其中各參數(shù)取值如表1所示。

3.1 ?算例1

P/Q與V/f控制策略切換如下：

設(shè)定換流器VSC2交流側(cè)在2 s時離網(wǎng)，4 s時并網(wǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行特性如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出：直流母線電壓在短時間的波動后穩(wěn)定在800 V;在2～4 s時，交流負(fù)荷有功功率從50 kW緩慢增到70 kW，由VSC1側(cè)完全為其提供功率支撐;在2 s處，明顯地可以看出切換過程對負(fù)載電壓、交流電流的沖擊是比較大的。

3.2 ?算例2

P/Q與VSG控制策略切換過程如下：

在算例1相同的條件下，將V/f控制策略變?yōu)閂SG控制策略，得到系統(tǒng)運(yùn)行特性如圖5所示。

根據(jù)圖5不難看出：直流母線電壓在短時間的波動后迅速穩(wěn)定在800 V;在2～4 s時，交流負(fù)荷有功功率從50 kW激增到70 kW，由VSC1側(cè)完全為其提供功率支撐;在2 s處，明顯地可以看出切換過程對負(fù)載電壓、交流電流的沖擊比較小，[d]對負(fù)載電壓幾乎毫無影響。

在VSC2并網(wǎng)到離網(wǎng)、離網(wǎng)到并網(wǎng)的控制策略切換過程中，V/f控制策略和VSG控制策略都能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，但是通過圖4和圖5的對比明顯可以看出，VSG控制策略切換過程下的系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，波動更小。

4 ?結(jié) ?論

本文針對基于SNOP的不停電轉(zhuǎn)供系統(tǒng)，對比分析了兩種不同的控制策略切換，通過在PSCAD/EMTDC上搭建雙端SNOP配電系統(tǒng)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論： P/Q?V/f控制策略和P/Q?VSG控制策略都能實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)供，但P/Q?VSG控制策略優(yōu)于P/Q?V/f控制的控制效果。此外，本文僅考慮了VSC2交流側(cè)饋線故障，當(dāng)定直流控制的VSC1交流側(cè)饋線故障，又將如何設(shè)計控制策略，這將是本文后續(xù)的主要研究內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 張磐，唐萍，丁一，等.考慮分布式發(fā)電波動性的有源配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，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] 袁曉敏，袁旭峰，李婧.城市配電網(wǎng)柔性互聯(lián)系統(tǒng)故障重構(gòu)研究[J].電測與儀表，2018，55（20）：76?81.

[6] 馬晨霄，劉洋，許立雄，等.同時考慮孤島與重構(gòu)的配電網(wǎng)故障恢復(fù)運(yùn)行策略[J].電力建設(shè)，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] 王大為.基于序優(yōu)化和模糊蟻群算法的多目標(biāo)配電網(wǎng)重構(gòu)[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[10] 鐘建偉，劉佳芳，倪俊，等.基于粒子群蟻群混合算法的配電網(wǎng)故障后重構(gòu)研究[J].水電能源科學(xué)，2017，35（3）：195?198.

[11] 欒偉杰，程浩忠，楊國健，等.考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的配電網(wǎng)多目標(biāo)運(yùn)行方式優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2016，28（10）：1?7.

[12] 肖惜明，賈鐵軍，張福杰，等.基于改進(jìn)蟻群最優(yōu)算法配電網(wǎng)故障恢復(fù)重構(gòu)的研究[J].風(fēng)能，2016（9）：76?79.

[13] 王成山，孫充勃，李鵬，等.基于SNOP的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化及分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（9）：82?87.

[14] 顏湘武，賈焦心，王德勝，等.虛擬同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)功率控制及模式平滑切換[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（9）：91?99.

[15] 付強(qiáng)，杜文娟，黃登一，等.含虛擬同步發(fā)電機(jī)的多端柔性直流系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（9）：164?170.

[16] 劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵磁控制[M].北京：中國電力出版社，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.