李 明

(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

0 引言

傳統(tǒng)配電網(wǎng)“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行”的特點(diǎn)以及分布式新能源的不斷滲透、用戶負(fù)荷的多樣化等現(xiàn)實(shí)問題，使得配電網(wǎng)雙向潮流、饋線負(fù)荷不均衡、電壓越限等問題日益突出?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的配電網(wǎng)柔性多狀態(tài)開關(guān)(flexible multi-states switch, FMSS)作為可在配電網(wǎng)中部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的新型柔性一次設(shè)備，已逐漸成為主動(dòng)配電網(wǎng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1]。

FMSS可以定義為配電網(wǎng)饋線間的電力電子變換器。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種柔性互聯(lián)概念：2007年日本電力工業(yè)中央研究院提出環(huán)網(wǎng)平衡控制器，可以實(shí)現(xiàn)所聯(lián)饋線間的負(fù)載均衡以及改善線路的電壓分布[2]；2007年荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)提出智能節(jié)點(diǎn)(intelligent node, IN)概念，利用背靠背電壓源型變換器連接多條饋線，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)潮流的優(yōu)化[3]；2010年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院提出軟開關(guān)(soft normally open point，SNOP)概念以部分替代配電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，使得配電網(wǎng)在不增加短路電流的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)饋線間的潮流共濟(jì)[4]，后續(xù)還分析了各種SNOP拓?fù)鋵?duì)提高新能源滲透率的作用；2011年臺(tái)灣國(guó)立中山大學(xué)提出的環(huán)網(wǎng)功率控制器概念，實(shí)質(zhì)是通過多條饋線互聯(lián)，將配電網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榄h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以提高配電網(wǎng)的綜合性能；北京交通大學(xué)研究了SNOP在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置和運(yùn)行優(yōu)化,雙閉環(huán)控制及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用[5]；中科院電工所提出基于兩電平背靠背電壓源型變換器的多功能復(fù)合控制策略，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)兩條饋線潮流控制和無功補(bǔ)償功能[6]。

在眾多的FMSS拓?fù)渲?，基于串?lián)阻抗型FACTS的拓?fù)鋄7]，如可控硅投切型串聯(lián)電容器(thyristor switched series capacitor，TSSC)[8]，可控硅控制型串聯(lián)電容器(thyristor controlled series capacitor，TCSC)[9]以及可關(guān)斷晶閘管控制型串聯(lián)電容器(GTO controlled series capacitor，GCSC)[10]，由于其成本及損耗較低的特點(diǎn)，適用于小容量有功功率調(diào)節(jié)場(chǎng)合，但也存在調(diào)控范圍較小，產(chǎn)生諧波污染等問題[11]。

目前，國(guó)內(nèi)外在FMSS應(yīng)用于配電網(wǎng)方面已經(jīng)開展了一系列研究工作[12-15]，但對(duì)于裝置的拓?fù)?、原理分析、相?yīng)控制方法以及實(shí)際工程應(yīng)用都還需要進(jìn)一步研究。本文在傳統(tǒng)的阻抗型FACTS的基礎(chǔ)上，基于磁通控制型可調(diào)電抗器，提出一種新型配電網(wǎng)FMSS裝置拓?fù)?，分析其工作原理，提出?duì)應(yīng)的控制策略，并進(jìn)行軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)建模分析

1.1 磁通控制型可調(diào)電抗器原理分析

圖1為磁通控制型可調(diào)電抗器(flux controlled adjustable reactor，F(xiàn)MFC)的結(jié)構(gòu)圖，其由鐵心帶氣隙的雙繞組特制電抗器、逆變器及控制系統(tǒng)組成，電抗器的工作繞組AX串接在系統(tǒng)中。圖2為可調(diào)電抗器的T型等效電路。其中，工作繞組的漏阻抗為Z1；控制繞組折算到工作繞組側(cè)的漏阻抗為Z′2；電抗器的勵(lì)磁阻抗為Zm。為了后續(xù)分析方便，我們令特制電抗器工作繞組與控制繞組匝數(shù)比k為1。由T型等效電路可以得到：

(1)

通過控制逆變器的輸出，令i′2=αi1，代入上式可得特制電抗器工作繞組等效阻抗值為

ZAX=u1/i1=Z1+(1+α)Zm

(2)

由于電抗器的勵(lì)磁阻抗通常遠(yuǎn)大于工作繞組的漏阻抗，因此在忽略電抗器工作繞組漏阻抗條件下，電抗器工作繞組AX對(duì)外呈現(xiàn)的等效阻抗值與控制系數(shù)α線性相關(guān)，通過改變系數(shù)的大小，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器阻抗值的動(dòng)態(tài)、連續(xù)調(diào)節(jié)，這就是磁通控制型可調(diào)電抗器的基本原理。

1.2 接入方式分析

將FMSS裝置部署在饋線的不同位置，可以起到不同的作用，同時(shí)也對(duì)應(yīng)不同的控制方式。其中，部署在饋線首端通過并聯(lián)方式互聯(lián)，主要是用于變電站互聯(lián)和緊急功率支援；部署在饋線末端直接連接2條饋線，則主要用于均衡饋線間負(fù)荷、提高分布式新能源滲透以及重要負(fù)荷供電；串聯(lián)在1條饋線首端并且饋線末端合環(huán)連接，主要用于負(fù)荷饋線間負(fù)荷均衡和解決電能質(zhì)量問題；部署在分布式新能源接入點(diǎn)與另一饋線末端互聯(lián)，則主要用于分布式新能源的消納。附錄圖A1—A4為FMSS裝置4類不同接入方式的示意圖。

1.3 FMSS裝置的功率潮流控制原理

在配電網(wǎng)功率潮流控制中，我們主要關(guān)注有功功率潮流的控制，無功功率通常采用就地補(bǔ)償?shù)姆绞娇刂疲虼吮疚牡姆治鰧⒒谂潆娋W(wǎng)饋線間的有功潮流控制，并分別利用含F(xiàn)MSS裝置的饋線等效電路、矢量圖及功率方程展開分析。

圖3為含并聯(lián)FMSS裝置的饋線等效電路及矢量圖。兩饋線電壓源矢量分別為E1∠δ″1和E2∠δ″2；線路阻抗分別為Z′1∠δ′1和Z′2∠δ′2；饋線等效負(fù)載分別為Z1∠θ1和Z2∠θ2；裝置與饋線連接處電壓分別為U1∠δ1和U2∠δ2；可調(diào)電抗器的等效阻抗為ZAX=Z∠δ；上方饋線線路電流為I′1,負(fù)載流過電流為I1；下方饋線線路電流為I′2，負(fù)載流過電流為I2；FMSS裝置流過電流為I0。

圖3 含并聯(lián)FMSS裝置的饋線等效電路Fig.3 Equivalent circuit of feeder with parallel FMSS

由基爾霍夫電流定律可知：

從而可以得到，上方饋線向連接點(diǎn)注入的有功功率為

(7)

而上方饋線負(fù)載消耗有功功率為

(8)

電抗器消耗有功功率為

(9)

因此饋線間經(jīng)FMSS裝置傳輸?shù)挠泄β蕿?/p>

(10)

若忽略可調(diào)電抗器等效阻抗中的阻性部分，將等效阻抗視作純感抗，即δ為90°時(shí)，則經(jīng)FMSS裝置傳輸?shù)挠泄β蕿?/p>

(11)

圖4為下方饋線首端串聯(lián)FMSS裝置，饋線末端之間直接互聯(lián)時(shí)的饋線等效電路圖及矢量圖。

圖4 含串聯(lián)FMSS裝置的饋線等效電路及矢量圖Fig.4 Equivalent circuit of feeder with serial FMSS and vector

同理可知，經(jīng)FMSS裝置傳輸?shù)挠泄β蕿?/p>

(12)

假設(shè)下方饋線負(fù)載的有功負(fù)荷為

(13)

則兩饋線間的有功功率潮流為

(14)

綜合上述分析可知，無論是將可調(diào)電抗器串聯(lián)或是并聯(lián)布置在配電網(wǎng)饋線間，通過實(shí)時(shí)改變可調(diào)電抗器工作繞組的等效阻抗值，都可以動(dòng)態(tài)、連續(xù)地改變饋線間的有功潮流，從而實(shí)現(xiàn)饋線間的柔性互聯(lián)。

2 控制策略

配電網(wǎng)饋線間潮流連續(xù)調(diào)控的目的在于緩解重載饋線供電變壓器壓力，充分挖掘輕載饋線供電變壓器潛力，避免分布式新能源的波動(dòng)性以及電動(dòng)汽車等沖擊性負(fù)荷對(duì)配電系統(tǒng)的影響，減緩配電網(wǎng)的線路改造速度，改善配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，通過改變可調(diào)電抗器工作繞組等效阻抗值就可以調(diào)節(jié)兩饋線間的有功功率傳輸。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的有功潮流轉(zhuǎn)移的指令由配電網(wǎng)的調(diào)度中心根據(jù)饋線負(fù)載均衡度、系統(tǒng)電壓分布、線路損耗等綜合因素給出，F(xiàn)MSS裝置根據(jù)潮流轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行相應(yīng)控制。針對(duì)串聯(lián)型和并聯(lián)型的裝置，本文提出的電壓電流雙閉環(huán)控制策略如圖5所示。

圖5 并聯(lián)FMSS裝置控制策略和串聯(lián)型FMSS裝置控制策略Fig.5 Control strategy for parallel FMSS and serial FMSS

電壓環(huán)通過對(duì)逆變器直流側(cè)電壓進(jìn)行PI控制求出逆變器電流輸出指令值的有功分量：

(15)

(16)

(17)

通過內(nèi)環(huán)控制得到逆變器輸出的基波調(diào)制電壓U2，對(duì)調(diào)制電壓的基波分量進(jìn)行控制，使逆變器實(shí)際輸出電流快速、準(zhǔn)確跟蹤外環(huán)給定參考值。

(18)

3 仿真驗(yàn)證

本文在Matlab仿真軟件中搭建了基于可調(diào)電抗器的FMSS仿真模型，以驗(yàn)證有功潮流控制的正確性。定義上方饋線為電網(wǎng)1，下方饋線為電網(wǎng)2，電網(wǎng)1在0到0.5 s空載運(yùn)行，0.5 s后有功負(fù)荷始終為10 kW，電網(wǎng)2初始時(shí)刻到0.5 s有功負(fù)荷為10 kW，0.5 s到1 s有功負(fù)荷為20 kW，1 s后有功負(fù)荷為30 kW。配電網(wǎng)柔性多狀態(tài)開關(guān)裝置0.5s時(shí)投入使用。上下方電源有功功率輸出如圖6所示。從仿真波形可以看到，在饋線負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)的情況下，通過FMSS裝置的迅速調(diào)節(jié)，可以保持電網(wǎng)1和電網(wǎng)2的有功負(fù)荷均衡。

圖6 潮流控制仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of power flow control

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的FMSS拓?fù)涞恼_性和控制策略的有效性，搭建了FMSS原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)分別利用可調(diào)電抗器并聯(lián)在饋線間和可調(diào)電抗器串聯(lián)在一條饋線首端，饋線末端直接互聯(lián)2種方案進(jìn)行兩饋線互聯(lián)。裝置參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters

為了簡(jiǎn)化控制，特制電抗器的工作繞組與控制繞組匝比k選為1。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別采用第2節(jié)所提的控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。逆變器開關(guān)頻率為10 kHz，實(shí)驗(yàn)過程中直流側(cè)電壓控制在15 V左右以保證逆變過程的穩(wěn)定。電網(wǎng)1和電網(wǎng)2的負(fù)載分別為2 Ω與4 Ω的電阻，以模擬不同饋線的輕載與重載情況，為驗(yàn)證FMSS裝置的潮流控制功能提供一定的負(fù)載不均衡度。

圖7為可調(diào)電抗器并聯(lián)在饋線間時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。其中，A2和A1分別為電網(wǎng)1和電網(wǎng)2負(fù)載電流波形，而A4和A3分別是電網(wǎng)1和電網(wǎng)2饋線電流波形。波形右側(cè)為各電流的有效值。從實(shí)驗(yàn)波形及有效值可以看出，在電網(wǎng)1負(fù)載為電網(wǎng)2負(fù)載2倍的條件下，通過并聯(lián)在電網(wǎng)1和電網(wǎng)2之間的FMSS裝置的潮流調(diào)控作用，使得電網(wǎng)1和電網(wǎng)2的饋線電流基本保持均衡。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖7 并聯(lián)FMSS裝置實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experiment waveforms of parallel FMSS

圖8為可調(diào)電抗器串聯(lián)在電網(wǎng)2首端，末端直接互聯(lián)條件下的實(shí)驗(yàn)波形。其中，A2和A1分別為電網(wǎng)1和電網(wǎng)2負(fù)載電流波形，而A4和A3分別為電網(wǎng)1和電網(wǎng)2饋線電流實(shí)驗(yàn)波形。波形右側(cè)為各電流的有效值。從實(shí)驗(yàn)波形及有效值可以看出，在電網(wǎng)1負(fù)載為電網(wǎng)2負(fù)載2倍的條件下，通過串聯(lián)在電網(wǎng)2首端的FMSS裝置的潮流調(diào)控作用，同樣可以保證電網(wǎng)1和電網(wǎng)2的饋線電流基本均衡。

圖8 串聯(lián)FMSS裝置實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experiment waveforms of serial FMSS

5 結(jié)語(yǔ)

隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)饋線負(fù)載均衡問題日益嚴(yán)峻，已有研究表明在主動(dòng)配電網(wǎng)中，F(xiàn)MSS裝置作為關(guān)鍵設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)多條饋線間的功率潮流調(diào)控能力。通過調(diào)節(jié)配電網(wǎng)饋線間負(fù)載均衡度，可以有效平衡重載和輕載饋線上游變壓器的壓力，減少線路損耗，改善系統(tǒng)電壓分布以及滿足分布式新能源的消納和電動(dòng)汽車等沖擊性負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的影響，綜合提升配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

本文提出的基于磁通控制型可調(diào)電抗器的FMSS裝置，對(duì)于配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)下的有功潮流控制具有較好的效果。下一步計(jì)劃開展利用FMSS進(jìn)行配電網(wǎng)故障情況下的負(fù)載轉(zhuǎn)供、故障隔離以及電能質(zhì)量治理等研究。

附錄A

圖A1 FMSS裝置并聯(lián)接入饋線首端示意圖Fig.A1 Schematic diagram of FMSS device connected to feeder head in parallel

圖A4 FMSS裝置并聯(lián)接入下方饋線新能源接入點(diǎn)與另一饋線間末端示意圖Fig.A4 Schematic diagram of FMSS device connected in parallel to the end between new energy access point of lower feeder and another feeder