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)絡架構在不停電轉(zhuǎn)供方面采用的技術方案存在不足，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（SNOP）的不停電轉(zhuǎn)供技術方案，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荷的正常運行，以實現(xiàn)對饋線間的負載不停電轉(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)對所提技術方案進行驗證。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，所提技術方案能夠有效提高供電可靠性。

關鍵詞： 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; 仿真驗證

中圖分類號： TN876?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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前負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需要機械開關操作，存在明顯的短時斷電弊端。雙電源自動切換開關（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)絡重構方式，國內(nèi)許多專家學者針對此問題做了相關的研究。文獻[1?4]對提高網(wǎng)絡重構的尋優(yōu)能力和計算速度展開了研究;文獻[5]以粒子群算法為基礎研究故障重構的最優(yōu)開關組合;文獻[6]通過加入節(jié)點狀態(tài)變量的方式，制定孤島與重構配合的故障恢復控制策略，但都難以從根本上解決故障重構帶來的諸多難題。

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)有難題進行了大量的研究和報道。文獻[7]分析了SNOP在平衡中壓配電網(wǎng)饋線負荷方面的作用;文獻[8]研究了帶儲能的SNOP對緩解光伏出力波動的作用;文獻[1，9?12]研究了基于SNOP的配電網(wǎng)優(yōu)化模型。但以上文獻都沒有對SNOP在不停電轉(zhuǎn)供技術方面進行研究。

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

1 ?系統(tǒng)架構

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)補償器（SSSC）[13]。B2B?VSC是最為常見且通用的SNOP結(jié)構。

連接SNOP的系統(tǒng)拓撲結(jié)構如圖1所示。包括：兩回380 V交流饋線、SNOP裝置和交流負荷。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，平衡饋線負載率，提高經(jīng)濟運行水平;SNOP可以進行無功電壓控制，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，維持負荷的電壓和頻率水平，保證負荷的正常運行，提高可靠性。

文中重點研究不停電轉(zhuǎn)供技術。當單一饋線發(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：正常運行和故障運行。具體地，正常運行時，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，即控制選擇開關位于位置1;當VSC2交流側(cè)饋線發(fā)生故障時，PCC斷開，控制由P/Q控制（正常運行模式）切換為V/f控制（故障運行模式），即控制選擇開關位于位置2，再加上頻率控制，以實現(xiàn)V/f控制。

2.2 ?VSG控制策略

借鑒同步發(fā)電機的調(diào)節(jié)原理，可在VSC換流器的控制策略中附加同步發(fā)電機控制模型，模擬同步發(fā)電機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)電機的機械特性可知，當極對數(shù)為1時，根據(jù)牛頓第二定律，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程可表示為：

[Tm-Te-TD=Jω] ?（1）

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

當系統(tǒng)頻率變化與參考頻率有偏差時，調(diào)速器快速做出響應，改變其輸出機械功率，進行頻率調(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，則有如下關系：

[Pm=Pset+Kω（ωn-ω）] （2）

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

在同步發(fā)電機中，為實現(xiàn)發(fā)電機無功電壓調(diào)節(jié)功能，其機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。正常運行時，主站VSC1采用定直流電壓控制，VSC2采用P/Q控制，當VSC2交流側(cè)饋線發(fā)生故障時，PCC斷開，控制由P/Q控制（正常運行模式）切換為VSG控制（故障運行模式）。

3 ?仿真驗證

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載電壓、交流電流的沖擊比較小，[d]對負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)仿真進行驗證，得出以下結(jié)論： P/Q?V/f控制策略和P/Q?VSG控制策略都能實現(xiàn)對負荷的不停電轉(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，當定直流控制的VSC1交流側(cè)饋線故障，又將如何設計控制策略，這將是本文后續(xù)的主要研究內(nèi)容。

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