一种新的配电网柔性多状态开关研究

doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2008014

一种新的配电网柔性多状态开关研究

李明

强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北　武汉　430074

Research on a New Flexible Multi-States Switch for Distribution Network

LI Ming

State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China

收稿日期: 2020-08-31

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2017YFB0903100
国家电网公司科技项目. 521104170043

Received: 2020-08-31

Fund supported:

National Key R&D Program of China. 2017YFB0903100
State Grid Corporation of China Research Program. 521104170043

作者简介 About authors

李　明(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用，2016908246@qq.com 。

摘要

基于电力电子技术的柔性多状态开关(flexible multi-states switch, FMSS)装置可以实现配电网馈线间的柔性互联，灵活地控制馈线间的潮流，能够有效解决配电网内馈线有功功率失衡问题。在传统的柔性多状态开关基础上，提出了一种新的基于磁通控制型可调电抗器的配电网FMSS拓扑。首先，对磁通控制型可调电抗器的原理进行介绍；其次，对可控电抗在配电网馈线间潮流控制的原理进行了分析；再次，提出了柔性多状态开关装置不同接入方式下的控制策略；然后，搭建Matlab仿真模型，根据不同工况下的仿真结果验证了所提控制策略的有效性；最后，搭建了原理样机实验平台。实验结果显示，基于磁通控制型可调电抗器的配电网FMSS装置可以实现配电网馈线间的柔性互联，能够实现馈线间负载均衡。

关键词： 配电网 ; 柔性多状态开关(FMSS) ; 可调电抗器 ; 有功潮流 ; 柔性互联

Abstract

Flexible multi-states switch(FMSS) based on power electronics technology can realize the flexible interconnection between feeders, elastically control feeder power flow and solve the serious unbalance of feeder power flow in the distribution network. Based on the traditional flexible multi-state switch, this paper proposed that using flux-controlled variable reactor as the topology of flexible multi-states switch in distribution network. Firstly, flux-controlled variable reactor's principle was introduced; Then, we analyzed the principle of feeder power flow's control using variable reactor; After that, the control strategy for the flexible multi-states switch with different access methods was proposed; At last, a Matlab simulation model and the prototype experiment platform were built. The results verified the power flow control function of flexible multi-states switch and effectiveness of proposed controlled strategy.

Keywords： distribution network ; flexible multi-states switch(FMSS) ; variable reactor ; active power flow ; flexible interconnection

PDF (1188KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

李明. 一种新的配电网柔性多状态开关研究. 分布式能源[J], 2020, 5(5): 30-36 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2008014

LI Ming. Research on a New Flexible Multi-States Switch for Distribution Network. Distributed Energy[J], 2020, 5(5): 30-36 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2008014

0　引言

传统配电网“闭环设计、开环运行”的特点以及分布式新能源的不断渗透、用户负荷的多样化等现实问题，使得配电网双向潮流、馈线负荷不均衡、电压越限等问题日益突出。基于电力电子技术的配电网柔性多状态开关(flexible multi-states switch, FMSS)作为可在配电网中部分代替传统联络开关的新型柔性一次设备，已逐渐成为主动配电网研究领域的热点^[1]。

FMSS可以定义为配电网馈线间的电力电子变换器。国内外学者提出了多种柔性互联概念：2007年日本电力工业中央研究院提出环网平衡控制器，可以实现所联馈线间的负载均衡以及改善线路的电压分布^[2]；2007年荷兰埃因霍温理工大学提出智能节点(intelligent node, IN)概念，利用背靠背电压源型变换器连接多条馈线，实现系统潮流的优化^[3]；2010年英国帝国理工学院提出软开关(soft normally open point，SNOP)概念以部分替代配电网中的联络开关，使得配电网在不增加短路电流的基础上实现馈线间的潮流共济^[4]，后续还分析了各种SNOP拓扑对提高新能源渗透率的作用；2011年台湾国立中山大学提出的环网功率控制器概念，实质是通过多条馈线互联，将配电网辐射状结构变为环网结构，以提高配电网的综合性能；北京交通大学研究了SNOP在配电网中的优化配置和运行优化，双闭环控制及其在配电网中的应用^[5]；中科院电工所提出基于两电平背靠背电压源型变换器的多功能复合控制策略，实现配电网两条馈线潮流控制和无功补偿功能^[6]。

在众多的FMSS拓扑中，基于串联阻抗型FACTS的拓扑^[7]，如可控硅投切型串联电容器(thyristor switched series capacitor，TSSC)^[8]，可控硅控制型串联电容器(thyristor controlled series capacitor，TCSC)^[9]以及可关断晶闸管控制型串联电容器(GTO controlled series capacitor，GCSC)^[10]，由于其成本及损耗较低的特点，适用于小容量有功功率调节场合，但也存在调控范围较小，产生谐波污染等问题^[11]。

目前，国内外在FMSS应用于配电网方面已经开展了一系列研究工作^{[12,13,14,15]}，但对于装置的拓扑、原理分析、相应控制方法以及实际工程应用都还需要进一步研究。本文在传统的阻抗型FACTS的基础上，基于磁通控制型可调电抗器，提出一种新型配电网FMSS装置拓扑，分析其工作原理，提出对应的控制策略，并进行软件仿真和实验验证。

1　系统建模分析

1.1　磁通控制型可调电抗器原理分析

图1为磁通控制型可调电抗器(flux controlled adjustable reactor，FMFC)的结构图，其由铁心带气隙的双绕组特制电抗器、逆变器及控制系统组成，电抗器的工作绕组AX串接在系统中。图2为可调电抗器的T型等效电路。其中，工作绕组的漏阻抗为Z₁；控制绕组折算到工作绕组侧的漏阻抗为Z′₂；电抗器的励磁阻抗为Z_m。为了后续分析方便，我们令特制电抗器工作绕组与控制绕组匝数比k为1。由T型等效电路可以得到：

(1) ${\begin{array}{l} u_{1} = Z_{1} i_{1} + Z_{m} i_{0} = Z_{1} i_{1} + Z_{m} (i_{1} + {i^{'}}_{2}) \\ {u^{'}}_{2} = {Z^{'}}_{2} {i^{'}}_{2} + Z_{m} i_{0} = {Z^{'}}_{2} {i^{'}}_{2} + Z_{m} (i_{1} + {i^{'}}_{2}) \end{array}$

通过控制逆变器的输出，令i′₂＝αi₁，代入上式可得特制电抗器工作绕组等效阻抗值为

(2) $Z_{AX} = u_{1} / i_{1} = Z_{1} + (1 + α) Z_{m}$

由于电抗器的励磁阻抗通常远大于工作绕组的漏阻抗，因此在忽略电抗器工作绕组漏阻抗条件下，电抗器工作绕组AX对外呈现的等效阻抗值与控制系数α线性相关，通过改变系数的大小，就可以实现对电抗器阻抗值的动态、连续调节，这就是磁通控制型可调电抗器的基本原理。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 磁通控制型可调电抗器结构图

Fig.1 Structure of variable reactor with FMFC

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 电抗器T型等效电路

Fig.2 T-type equivalent circuit of variable reactor

1.2　接入方式分析

将FMSS装置部署在馈线的不同位置，可以起到不同的作用，同时也对应不同的控制方式。其中，部署在馈线首端通过并联方式互联，主要是用于变电站互联和紧急功率支援；部署在馈线末端直接连接2条馈线，则主要用于均衡馈线间负荷、提高分布式新能源渗透以及重要负荷供电；串联在1条馈线首端并且馈线末端合环连接，主要用于负荷馈线间负荷均衡和解决电能质量问题；部署在分布式新能源接入点与另一馈线末端互联，则主要用于分布式新能源的消纳。附录图A1—A4为FMSS装置4类不同接入方式的示意图。

1.3　FMSS装置的功率潮流控制原理

在配电网功率潮流控制中，我们主要关注有功功率潮流的控制，无功功率通常采用就地补偿的方式控制，因此本文的分析将基于配电网馈线间的有功潮流控制，并分别利用含FMSS装置的馈线等效电路、矢量图及功率方程展开分析。

图3为含并联FMSS装置的馈线等效电路及矢量图。两馈线电压源矢量分别为E₁∠δ″₁和E₂∠δ″₂；线路阻抗分别为Z′₁∠δ′₁和Z′₂∠δ′₂；馈线等效负载分别为Z₁∠θ₁和Z₂∠θ₂；装置与馈线连接处电压分别为U₁∠δ₁和U₂∠δ₂；可调电抗器的等效阻抗为Z_AX＝Z∠δ；上方馈线线路电流为I′₁，负载流过电流为I₁；下方馈线线路电流为I′₂，负载流过电流为I₂；FMSS装置流过电流为I₀。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 含并联FMSS装置的馈线等效电路

Fig.3 Equivalent circuit of feeder with parallel FMSS

由基尔霍夫电流定律可知：

(3) $\begin{array}{l} I_{0} = & \frac{U_{1} ∠ δ_{1} - U_{2} ∠ δ_{2}}{Z ∠ δ} = \\ \frac{U_{1}}{Z} ∠ (δ_{1} - δ) - \frac{U_{2}}{Z} ∠ (δ_{2} - δ) \end{array}$

(4) $I_{1} = \frac{U_{1} ∠ δ_{1}}{Z_{1} ∠ θ_{1}}$

(5) $I_{2} = \frac{U_{2} ∠ δ_{2}}{Z_{2} ∠ θ_{2}}$

(6) $\begin{array}{l} {I^{'}}_{1} = & I_{0} + I_{1} = \frac{U_{1}}{Z_{1}} ∠ (δ_{1} - θ_{1}) + \\ \frac{U_{1}}{Z} ∠ (δ_{1} - δ) - \frac{U_{1}}{Z} ∠ (δ_{2} - δ) \end{array}$

从而可以得到，上方馈线向连接点注入的有功功率为

(7) $\begin{array}{l} P_{U_{1}} = & Re (U_{1} ∠ δ_{1} \cdot {I^{'}}_{1}) = \frac{U_{1}^{2}}{Z_{1}} cos θ_{1} + \\ \frac{U_{1}^{2}}{Z} cos δ - \frac{U_{1} U_{2}}{Z} cos (δ_{1} + δ - δ_{2}) \end{array}$

而上方馈线负载消耗有功功率为

(8) $P_{Z_{1}} = Re (U_{1} ∠ δ_{1} \cdot I_{1}) = \frac{U_{1}^{2}}{Z_{1}} cos θ_{1}$

电抗器消耗有功功率为

(9) $\begin{array}{l} P_{Z_{AX}} = & Re [(U_{1} ∠ δ_{1} - U_{2} ∠ δ_{2}) \cdot I] = \\ \frac{U_{1}^{2}}{Z} cos δ - \frac{U_{1} U_{2}}{Z} cos (δ_{1} + δ - δ_{2}) - \\ \frac{U_{1} U_{2}}{Z} cos (δ_{1} - δ - δ_{2}) + \frac{U_{2}^{2}}{Z} cos δ \end{array}$

因此馈线间经FMSS装置传输的有功功率为

(10) $\begin{array}{l} P_{tr} = P_{U_{1}} - P_{Z_{1}} - P_{Z_{AX}} = \frac{U_{1} U_{2}}{Z} cos (δ_{1} - δ - δ_{2}) - \\ \frac{U_{2}^{2}}{Z} cos δ = \frac{U_{2}}{Z} [U_{1} cos (δ_{1} - δ - δ_{2}) - U_{2} cos δ] \end{array}$

若忽略可调电抗器等效阻抗中的阻性部分，将等效阻抗视作纯感抗，即δ为90°时，则经FMSS装置传输的有功功率为

(11) $P_{tr} = \frac{U_{1} U_{2} sin (δ_{1} - δ_{2})}{Z}$

图4为下方馈线首端串联FMSS装置，馈线末端之间直接互联时的馈线等效电路图及矢量图。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 含串联FMSS装置的馈线等效电路及矢量图

Fig.4 Equivalent circuit of feeder with serial FMSS and vector

同理可知，经FMSS装置传输的有功功率为

(12) $P_{tr} = \frac{E_{1} E_{2} sin (δ_{1} - δ_{2})}{Z}$

假设下方馈线负载的有功负荷为

(13) $P_{2} = \frac{E_{1}^{2}}{Z_{2}} cos θ_{2}$

则两馈线间的有功功率潮流为

(14) $P = P_{tr} - P_{2} = \frac{E_{1} E_{2} sin (δ_{1} - δ_{2})}{Z} - P_{2}$

综合上述分析可知，无论是将可调电抗器串联或是并联布置在配电网馈线间，通过实时改变可调电抗器工作绕组的等效阻抗值，都可以动态、连续地改变馈线间的有功潮流，从而实现馈线间的柔性互联。

2　控制策略

配电网馈线间潮流连续调控的目的在于缓解重载馈线供电变压器压力，充分挖掘轻载馈线供电变压器潜力，避免分布式新能源的波动性以及电动汽车等冲击性负荷对配电系统的影响，减缓配电网的线路改造速度，改善配电网的经济性和稳定性。稳态运行条件下，通过改变可调电抗器工作绕组等效阻抗值就可以调节两馈线间的有功功率传输。稳态运行下的有功潮流转移的指令由配电网的调度中心根据馈线负载均衡度、系统电压分布、线路损耗等综合因素给出，FMSS装置根据潮流转移指令进行相应控制。针对串联型和并联型的装置，本文提出的电压电流双闭环控制策略如图5所示。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 并联FMSS装置控制策略和串联型FMSS装置控制策略

Fig.5 Control strategy for parallel FMSS and serial FMSS

其中，电压环的控制目标是保持直流侧电压恒定，电流环进行电流跟踪控制。逆变器输出电流的指令值 $I_{2}^{*}$ 由两部分组成，一部分I_2ref与电抗器工作绕组流过的基波电流i_2ref相对应，以实现电抗值的调节和有功潮流的控制，电抗控制系数α则根据潮流调控目标计算得到；另一部分 $i_{p}^{*}$ 是直流侧电压指令值 $U_{dc}^{*}$ 与反馈值U_dc的差值经PI调节后再结合电网电压锁相所得相位得到，从而通过控制逆变器对有功分量的吸收和发出，维持直流侧电压的恒定。

电压环通过对逆变器直流侧电压进行PI控制求出逆变器电流输出指令值的有功分量：

(15) $i_{p}^{*} = (k_{p 1} + \frac{k_{i 1}}{s}) (U_{dc}^{*} - U_{dc})$

然后通过电抗器工作绕组两端电压U₁相位θ，将 $i_{p}^{*}$ 与U₁同步得到i_{p_ref}：

(16) $i_{p_ref} = i_{p}^{*} ∠ θ$

再叠加上电抗值调节电流i_2ref，作为电流内环的跟踪目标 $i_{2}^{*}$ ：

(17) $i_{2}^{*} = i_{p_ref} + i_{2 ref}$

通过内环控制得到逆变器输出的基波调制电压U₂，对调制电压的基波分量进行控制，使逆变器实际输出电流快速、准确跟踪外环给定参考值。

(18) $u_{2} = (k_{p 2} + \frac{k_{i 2}}{s}) (i_{2}^{*} - i_{2})$

3　仿真验证

本文在Matlab仿真软件中搭建了基于可调电抗器的FMSS仿真模型，以验证有功潮流控制的正确性。定义上方馈线为电网1，下方馈线为电网2，电网1在0到0.5 s空载运行，0.5 s后有功负荷始终为10 kW，电网2初始时刻到0.5 s有功负荷为10 kW，0.5 s到1 s有功负荷为20 kW，1 s后有功负荷为30 kW。配电网柔性多状态开关装置0.5s时投入使用。上下方电源有功功率输出如图6所示。从仿真波形可以看到，在馈线负荷发生波动的情况下，通过FMSS装置的迅速调节，可以保持电网1和电网2的有功负荷均衡。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 潮流控制仿真波形

Fig.6 Simulation waveforms of power flow control

4　实验验证

为了验证提出的FMSS拓扑的正确性和控制策略的有效性，搭建了FMSS原理样机实验平台。系统分别利用可调电抗器并联在馈线间和可调电抗器串联在一条馈线首端，馈线末端直接互联2种方案进行两馈线互联。装置参数如表1所示。

表1 实验参数

Table 1 Experiment parameters

参数	数值
电源电压/kV	7.5
电源频率/Hz	50
特制电抗器工作绕组与控制绕组匝比	1
特制电抗器工作绕组侧漏电感/mH	0.17
特制电抗器励磁电感/mH	8.4
电网1负载/Ω	2
电网2负载/Ω	4
逆变器开关频率/kHz	10
逆变器直流侧电压/V	15
逆变器输出滤波电感/mH	1

新窗口打开| 下载CSV

为了简化控制，特制电抗器的工作绕组与控制绕组匝比k选为1。实验平台分别采用第2节所提的控制策略进行实验验证。逆变器开关频率为10 kHz，实验过程中直流侧电压控制在15 V左右以保证逆变过程的稳定。电网1和电网2的负载分别为2 Ω与4 Ω的电阻，以模拟不同馈线的轻载与重载情况，为验证FMSS装置的潮流控制功能提供一定的负载不均衡度。

图7为可调电抗器并联在馈线间时的实验波形。其中，A₂和A₁分别为电网1和电网2负载电流波形，而A₄和A₃分别是电网1和电网2馈线电流波形。波形右侧为各电流的有效值。从实验波形及有效值可以看出，在电网1负载为电网2负载2倍的条件下，通过并联在电网1和电网2之间的FMSS装置的潮流调控作用，使得电网1和电网2的馈线电流基本保持均衡。具体实验结果如表2所示。

表2 实验结果

Table 2 Experiment results

电流/A	并联FMSS装置	串联FMSS装置
A₁	1.810 1	1.907
A₂	3.705 2	3.813
A₃	2.710 6	2.895
A₄	2.795 7	2.904

新窗口打开| 下载CSV

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 并联FMSS装置实验波形

Fig.7 Experiment waveforms of parallel FMSS

图8为可调电抗器串联在电网2首端，末端直接互联条件下的实验波形。其中，A₂和A₁分别为电网1和电网2负载电流波形，而A₄和A₃分别为电网1和电网2馈线电流实验波形。波形右侧为各电流的有效值。从实验波形及有效值可以看出，在电网1负载为电网2负载2倍的条件下，通过串联在电网2首端的FMSS装置的潮流调控作用，同样可以保证电网1和电网2的馈线电流基本均衡。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 串联FMSS装置实验波形

Fig.8 Experiment waveforms of serial FMSS

5　结语

随着配电网的不断发展，配电网馈线负载均衡问题日益严峻，已有研究表明在主动配电网中，FMSS装置作为关键设备，可以实现多条馈线间的功率潮流调控能力。通过调节配电网馈线间负载均衡度，可以有效平衡重载和轻载馈线上游变压器的压力，减少线路损耗，改善系统电压分布以及满足分布式新能源的消纳和电动汽车等冲击性负荷对配电网的影响，综合提升配电网运行的安全性和经济性。

本文提出的基于磁通控制型可调电抗器的FMSS装置，对于配电网稳态下的有功潮流控制具有较好的效果。下一步计划开展利用FMSS进行配电网故障情况下的负载转供、故障隔离以及电能质量治理等研究。

附录A

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王成山，宋关羽，李鹏，等.

基于智能软开关的智能配电网柔性互联技术及展望

[J]. 电力系统自动化，2016, 40(22): 168-175.