范心明，孫廣慧，彭元泉，李新，宋安琪，康成

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085)

位于電力系統(tǒng)末端的配電網(wǎng)是聯(lián)系輸變電系統(tǒng)或電源系統(tǒng)與用戶的重要環(huán)節(jié),是保證電能質(zhì)量和保障供電能力的重要基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前，部分區(qū)域存在配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理、裝備落后或維護(hù)水平低等情況，造成負(fù)荷結(jié)構(gòu)性缺電和電能質(zhì)量差等不良后果。另外，原有配電網(wǎng)的網(wǎng)架供配電能力和自動(dòng)化水平不能滿足多源型及高滲透型分布式電源的大規(guī)模高比例接入和消納。而供配電網(wǎng)架和線路的重新規(guī)劃與建設(shè)將面臨供電走廊稀缺和投資成本高昂等問(wèn)題，因此需要充分利用現(xiàn)有網(wǎng)架拓?fù)涞呐渌碗娔芰?。可?shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)整和網(wǎng)絡(luò)潮流柔性控制的主動(dòng)配電網(wǎng)是未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]。

具備潮流靈活控制能力的智能配電柔性多狀態(tài)開關(guān)(flexible distribution switch，F(xiàn)DS)是一種基于電力電子技術(shù)的新型聯(lián)絡(luò)開關(guān)，相比用于饋線聯(lián)絡(luò)的常規(guī)隔離開關(guān)與斷路器，F(xiàn)DS具有響應(yīng)速度快、開關(guān)次數(shù)不受限和控制連續(xù)等特點(diǎn)，可有效克服常規(guī)聯(lián)絡(luò)開關(guān)僅具有通和斷2種狀態(tài)的不足。另外，常規(guī)聯(lián)絡(luò)開關(guān)本身無(wú)法調(diào)控電網(wǎng)潮流，而FDS能夠準(zhǔn)確調(diào)控其所連饋線的有功功率與無(wú)功功率，提高配電網(wǎng)運(yùn)行控制的靈活性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性，滿足分布式電源消納和高電能質(zhì)量、高供電可靠性等定制電力需求，是未來(lái)基于電力電子化配電網(wǎng)形態(tài)演變的重要基礎(chǔ)。

英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院(Imperial College London，UK)和卡迪夫大學(xué)(Cardiff Univeisity，UK)首先提出了智能軟開關(guān)(soft open point，SOP)的基本概念及其典型拓?fù)鋄2-3]，建立了兩端口SOP的穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)仿真模型，分析表明SOP在提高配電網(wǎng)分布式電源消納水平、平衡饋線負(fù)荷、快速恢復(fù)供電等方面具有巨大的潛力。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校研究了考慮含分布式電源的SOP優(yōu)化配置方法以及SOP代替聯(lián)絡(luò)開關(guān)后形成的混合供電模式運(yùn)行優(yōu)化方法[4-6]。FDS是基于可關(guān)斷電力電子器件的連續(xù)可調(diào)中壓配電開關(guān)，是SOP在功能上的拓展和應(yīng)用場(chǎng)景上的延伸，其主要特點(diǎn)有：①將SOP的概念從兩端擴(kuò)展到三端或多端，構(gòu)成未來(lái)智能配電網(wǎng)形態(tài)演變的基礎(chǔ)；②在滿足運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、靈活性與可靠性等多目標(biāo)情況下，可實(shí)現(xiàn)FDS多種運(yùn)行控制狀態(tài)的無(wú)縫轉(zhuǎn)換[7-8]。

本文在總結(jié)FDS原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討FDS控制與保護(hù)技術(shù)、含F(xiàn)DS主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，并結(jié)合示范工程介紹FDS在主動(dòng)配電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景，最后對(duì)FDS技術(shù)的發(fā)展及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 柔性多狀態(tài)開關(guān)的原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

FDS是基于全控型電力電子器件的裝置，目前主要采用2個(gè)或多個(gè)完全對(duì)稱的電壓源換流器(voltage source converter，VSC)形成的背靠背(back to back，B2B)多端口結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中ua、ub、uc為換流器輸出的三相交流電壓，ia、ib、ic為換流器輸出的三相交流電流，圖中其他符號(hào)使用說(shuō)明見第1.1節(jié)分析。

圖1 B2B FDS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of B2B FDS

1.1 柔性多狀態(tài)開關(guān)的基本原理

FDS各端均采用結(jié)構(gòu)完全相同的VSC，通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)聯(lián)接在一起。圖1中：L為換流電抗器(其值為L(zhǎng))，是換流器與交流電源進(jìn)行能量交換的紐帶，同時(shí)起到濾波的作用；R為換流電抗器和換流器開關(guān)器件損耗的總等效電阻；C為直流側(cè)電容器(其值為C)，起直流電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流以及減小直流側(cè)諧波的作用；N為中性點(diǎn)；n為直流側(cè)中性點(diǎn)。

(1)

式中：ω為角頻率；sd、sq為換流器橋臂開關(guān)變量的d、q軸分量；Ed、Eq為交流電源電壓的d、q軸分量；Udc為直流電壓；id、iq為d、q軸電流分量；idc為直流電流。

在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下交流電源與換流器交換的有功功率Ps和無(wú)功功率Qs分別表示為

(2)

在三相靜止坐標(biāo)系下，忽略等效損耗R，可以得到交流電源與換流器交換的有功功率和無(wú)功功率分別為

(3)

式中X換流電抗器等效電抗。

(4)

式中ud=sdUdc、uq=sqUdc為換流器交流輸出電壓的d、q軸分量。

由式(3)可知，電壓一定時(shí)，有功功率主要取決于δ，控制δ就可以控制有功功率的方向及大小。當(dāng)δ>0時(shí)，有功功率流進(jìn)換流器，即換流器運(yùn)行在整流狀態(tài)；當(dāng)δ<0時(shí)，換流器輸出有功功率，即換流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)。而無(wú)功功率主要取決于(E-Ucosδ)，且通過(guò)控制U的大小就可以控制換流器吸收或輸出的無(wú)功功率及其值的大小。由式(4)還可看出，由換流器橋臂開關(guān)變量控制ud、uq就可以控制U和δ的大小。

基于脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)原理，根據(jù)有功功率參考值和無(wú)功功率參考值得到調(diào)制波的相角與調(diào)制度，即可得到換流器橋臂開關(guān)變量，并決定δ和U的大小。因此，根據(jù)有功功率和無(wú)功功率參考值，控制調(diào)制波即可控制FDS各端的VSC按照參考值輸出有功功率和無(wú)功功率。

1.2 柔性多狀態(tài)開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

VSC早期都是采用兩電平(如圖1所示)或三電平(如圖2所示)換流器技術(shù)[9-10]。

圖2 中點(diǎn)鉗位三電平VSCFig.2 Neutral point clamped three-level VSC

低電平換流器存在諧波含量高、開關(guān)損耗大等缺陷。隨著工程對(duì)電壓等級(jí)和容量需求的不斷提升，這些缺陷體現(xiàn)得越來(lái)越明顯，成為兩電平或三電平技術(shù)本身難以突破的瓶頸。德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)R.Marquadt和A.Lesnicar于2001年共同提出了模塊化多電平換流器(modular multi-level converter，MMC)拓?fù)鋄11-13]，如圖3所示，圖中VT為電壓互感器，SM為功率子模塊。

MMC技術(shù)的提出和應(yīng)用是VSC技術(shù)發(fā)展上的重要節(jié)點(diǎn)，該技術(shù)提升了工程應(yīng)用效益，極大地促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及其工程應(yīng)用與推廣。MMC主電路包含6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由1個(gè)橋臂電抗器和n個(gè)SM串聯(lián)組成。橋臂功率子模塊可以采半橋結(jié)構(gòu)(half-bridge sub-module，HBSM)，也可以采用全橋結(jié)構(gòu)(full-bridge sub-module，F(xiàn)BSM)。半橋結(jié)構(gòu)子模塊由用IGBT作開關(guān)元件的1個(gè)半橋和1個(gè)直流儲(chǔ)能電容并聯(lián)組成，全橋子模塊則由用IGBT作開關(guān)元件1個(gè)全橋和1個(gè)直流儲(chǔ)能電容并聯(lián)組成。采用相同的功率器件，全橋結(jié)構(gòu)子模塊比半橋結(jié)構(gòu)子模塊多了1個(gè)半橋，體積更大，造價(jià)更高，但具有更好的控制性能。通過(guò)控制關(guān)斷全橋4個(gè)開關(guān)元件可以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的故障隔離，而半橋結(jié)構(gòu)子模塊則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能。MMC與三電平(含器件串聯(lián))關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比見表1。

圖3 模塊化多電平電壓源換流器Fig.3 MMC VSC

表1 MMC與三電平關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of key indicators between MMC and three-level structure

由表1可知，MMC優(yōu)于三電平(含器件串聯(lián))結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于大容量、高電壓等級(jí)的應(yīng)用；因此，目前VSC多采用MMC結(jié)構(gòu)。

FDS裝置按電壓等級(jí)可劃分為單一電壓等級(jí)(并聯(lián))FDS系統(tǒng)和多電壓等級(jí)(串聯(lián))FDS系統(tǒng)；按照直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為對(duì)稱單極FDS系統(tǒng)、不對(duì)稱單極FDS系統(tǒng)和雙極FDS系統(tǒng)[14-17]，典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 FDS系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Typical topology of FDS

采用兩電平、三電平換流器的FDS系統(tǒng)可以采用在直流側(cè)中性點(diǎn)接地的方式，而基于MMC的FDS系統(tǒng)一般采用交流側(cè)接地的方式[18]。采用直流側(cè)中性點(diǎn)接地的兩電平、三電平換流器和采用交流側(cè)接地的MMC換流器的FDS系統(tǒng)均為單極對(duì)稱系統(tǒng)。因正常運(yùn)行時(shí)接地點(diǎn)不會(huì)有工作電流流過(guò)，不需要設(shè)置專門的接地極，而當(dāng)直流線路或換流器發(fā)生故障后，整個(gè)系統(tǒng)將不能繼續(xù)運(yùn)行。

通過(guò)大地或金屬回線構(gòu)成的單極不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，類似于高壓直流輸電系統(tǒng)的1個(gè)極。在相同的系統(tǒng)參數(shù)下，單極不對(duì)稱系統(tǒng)換流器所承受的電壓水平是單極對(duì)稱系統(tǒng)的2倍，且直流側(cè)的不對(duì)稱還將造成變流器交流側(cè)電壓水平的抬升。

雙極對(duì)稱FDS系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)可靠性，但是采用雙極系統(tǒng)的變壓器需要承受由于直流電壓不對(duì)稱造成的變壓器直流偏置電壓。

應(yīng)用于10 kV交流配電網(wǎng)的單一電壓等級(jí)并聯(lián)型FDS系統(tǒng)，按直流側(cè)接線方式可以分為放射型FDS系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)型FDS系統(tǒng)2種，如圖5所示，二者對(duì)比見表2。

圖5 并聯(lián)型FDS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Parallel topology of FDS

表2 放射型與環(huán)網(wǎng)型FDS對(duì)比Tab.2 Comparison of two FDS systems with radiation topology and ring topology

綜合比較來(lái)看，雖然放射型FDS存在控制復(fù)雜等問(wèn)題，但是采用變流器數(shù)量較少，體積小，成本較低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，更適合配電網(wǎng)的工程應(yīng)用。

1.3 柔性多狀態(tài)開關(guān)的特點(diǎn)

FDS主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的主動(dòng)、快速、靈活調(diào)節(jié)與控制，考慮工程應(yīng)用與推廣價(jià)值，需具備緊湊型、可擴(kuò)展、模塊化的結(jié)構(gòu)。相比柔性直流輸電，F(xiàn)DS有以下特點(diǎn)：

a)電網(wǎng)中的應(yīng)用方面：電壓等級(jí)上，F(xiàn)DS主要以中低壓為主，而柔性直流輸電以中高壓甚至超高壓、特高壓為主；容量上，F(xiàn)DS單端容量一般不超過(guò)一回10 kV(20 kV)饋線容量(一般10 MVA以下)，而柔性直流輸電容量少則幾十兆伏安，大多為百兆伏安或上千兆伏安；電氣位置上，F(xiàn)DS主要位于配電網(wǎng)饋線的中末端，實(shí)現(xiàn)1個(gè)饋線組或多個(gè)饋線組中兩回或多回饋線的柔性互聯(lián)，而柔性直流輸電主要用于不同交流系統(tǒng)間或同一交流系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間的遠(yuǎn)距離或近距離背靠背有功功率傳輸與無(wú)功調(diào)節(jié)。

b)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：FDS為AC-AC型變流器，外特性上更像1套兩端口(多端口)高壓變頻器，因此，F(xiàn)DS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅限于一般柔直換流閥，還可以選擇高壓變頻器、多端口能量路由器等其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；柔性直流輸電系統(tǒng)為AC-DC-AC型變流系統(tǒng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為單一。

c)裝置體積方面：FDS只有多個(gè)交流出線端，理論上可以做到較高的能量密度；柔性直流輸電的主要目的是實(shí)現(xiàn)功率的遠(yuǎn)距離傳輸，通常要配置直流電抗器，且換流閥必須具備直流出線端，換流閥的絕緣要求比較高，體積大，成本高。

d)造價(jià)成本方面：FDS是1套電力電子裝置，理論上只需要1套閥控系統(tǒng)即可保證正常運(yùn)行，成本較低，控制簡(jiǎn)單，可靠性較高；一般柔性直流輸電由2個(gè)或者多個(gè)換流閥組成，除了閥控之外，還要配置極控和站控系統(tǒng)，成本較高，控制復(fù)雜，直流側(cè)故障率更高，可靠性一般。

2 含柔性多狀態(tài)開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)控制與保護(hù)技術(shù)

FDS的應(yīng)用將徹底改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行”的供電方式，使配電網(wǎng)同時(shí)具備開環(huán)網(wǎng)絡(luò)和閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)自動(dòng)化開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)控制依賴配電自動(dòng)化系統(tǒng)的下行運(yùn)行控制策略，且僅能通過(guò)配電自動(dòng)化開關(guān)的通斷來(lái)改變配電網(wǎng)的連絡(luò)關(guān)系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)潮流的主動(dòng)控制，控制方式與調(diào)節(jié)能力非常有限。而FDS與配電自動(dòng)化開關(guān)的協(xié)調(diào)控制將提高配電網(wǎng)控制的主動(dòng)性、靈活性和快速性，提升配電網(wǎng)的主動(dòng)適應(yīng)能力。

2.1 FDS控制與保護(hù)技術(shù)

FDS一般采用分層、分級(jí)的控制方式，主要分為換流器設(shè)備級(jí)控制保護(hù)與裝置系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)，如圖6所示。

換流器設(shè)備級(jí)控制分為有功類變量控制和無(wú)功類變量控制2大類。有功類變量控制主要包括有功功率控制、直流電壓控制、頻率控制；無(wú)功類變量控制主要包括無(wú)功功率控制、交流電壓控制。FDS的每一端換流器需同時(shí)采用1個(gè)有功類變量控制和1個(gè)無(wú)功類變量控制，如圖7所示。各端口采用何種變量組合進(jìn)行控制，需根據(jù)該端口所連饋線的電源情況、負(fù)荷特性與控制目標(biāo)來(lái)選擇確定。上述變量在換流器運(yùn)行范圍之內(nèi)均可根據(jù)給定參考值控制。

圖6 FDS分層分級(jí)控制Fig.6 Hierarchical control of FDS

圖7 FDS換流器控制Fig.7 VSC control of FDS

在多端口FDS中，直流電壓的穩(wěn)定具有重要的意義，必須由其中1個(gè)換流器控制直流電壓?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中適于多端口FDS換流器直流電壓控制的策略主要有主從控制、電壓裕度控制和直流電壓下垂控制3種[19-21]。

a)主從式控制方式是最為簡(jiǎn)單的多點(diǎn)直流電壓協(xié)調(diào)控制策略，其實(shí)現(xiàn)主要依賴于多換流器間的通信網(wǎng)絡(luò)。其基本原理是：將多端口FDS的換流器分為主換流器與從換流器，任意時(shí)刻均由主換流器控制直流電壓，其他從換流器處于非直流電壓控制的后備狀態(tài)，僅當(dāng)主換流器故障或直流電壓控制能力超限時(shí)，再通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)配置特定的后備換流器切換成直流電壓控制模式以穩(wěn)定直流電壓，依次類推后續(xù)主備換流器的切換。主從式協(xié)調(diào)控制的模式切換依賴快速可靠的系統(tǒng)通信，以最大限度保證切換過(guò)程平滑和系統(tǒng)穩(wěn)定。主從式協(xié)調(diào)控制的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是需要配置高速通信系統(tǒng)。

b)直流電壓裕度控制無(wú)需換流器間的通信就能夠?qū)崿F(xiàn)主換流器失去直流電壓控制能力后直流電壓控制功能的轉(zhuǎn)換，缺點(diǎn)是電壓偏差值的選取困難，換流器工作狀態(tài)的切換不夠平穩(wěn)。如圖8所示，主換流器VSC1失去直流電壓控制能力后，切換由VSC3控制直流電壓，圖中Udc,ref為直流電壓參考值。

圖8 FDS換流器直流電壓裕度控制Fig.8 DC voltage margin control of FDS VSC

c)直流電壓下垂控制是根據(jù)直流電壓在有功潮流失衡時(shí)也將發(fā)生偏移的特性，控制換流器直流電壓隨著輸出功率的變化而線性地變化，控制原理如圖9所示。

圖9 FDS換流器直流電壓下垂控制Fig.9 DC voltage droop control of FDS VSC

采用直流電壓下垂控制時(shí)，功率可在各個(gè)變流器間自動(dòng)分配，功率分配特性取決于I-U(或P-U)曲線的斜率。直流電壓下垂控制的優(yōu)點(diǎn)是FDS的多個(gè)換流器同時(shí)具備直流電壓控制和潮流分配能力，出現(xiàn)功率波動(dòng)時(shí)能快速平穩(wěn)地進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，缺點(diǎn)是對(duì)直流電壓和功率的跟蹤不夠精確。

上述3種基本的協(xié)調(diào)控制策略各具優(yōu)缺點(diǎn)，可以合理組合應(yīng)用，推薦采用主從加裕度下垂控制作為多端FDS換流器的協(xié)調(diào)控制，具體策略為：通信有效時(shí)，選擇主從協(xié)調(diào)策略，由主換流器(定直流電壓控制)將直流電壓控制在額定值；通信故障時(shí)，選擇直流電壓裕度下垂控制，使主換流器正常運(yùn)行時(shí)仍能保持通信故障前的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，提高FDS的可靠性和可控性。

以三端口FDS為例，根據(jù)3個(gè)MMC換流器的接入條件，整理出表3列舉的基本運(yùn)行方式。

表3 三端口FDS基本運(yùn)行方式Tab.3 Basic operation mode of three-terminal FDS

2.2 含F(xiàn)DS主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

在含F(xiàn)DS主動(dòng)配電網(wǎng)中，F(xiàn)DS可以對(duì)接入饋線進(jìn)行有功功率P和無(wú)功功率Q(或電壓U)調(diào)節(jié)，也可以采用恒壓恒頻(U-f)工作模式對(duì)接入的無(wú)源饋線負(fù)荷供電[22-23]。配電網(wǎng)運(yùn)行方式改變后，F(xiàn)DS換流器應(yīng)相應(yīng)地切換工作模式[24]，裝置的系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)控制能根據(jù)換流器級(jí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別并快速平滑切換運(yùn)行方式。當(dāng)交流饋線發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)DS需要與配電網(wǎng)自愈控制協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離以及非故障區(qū)域的快速?gòu)?fù)電，這也是含F(xiàn)DS主動(dòng)配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)主要有電壓-時(shí)間型自愈、智能分布式自愈、主站式自愈。

a)電壓-時(shí)間型自愈。根據(jù)饋線自動(dòng)化開關(guān)檢測(cè)到的電壓和持續(xù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行邏輯判斷，并實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離和非故障區(qū)域的復(fù)電。該方式不依賴通信，自動(dòng)化開關(guān)分合策略簡(jiǎn)單，但開關(guān)需要多次重合，對(duì)線路和用戶設(shè)備造成沖擊。

b)智能分布式自愈。依據(jù)饋線自動(dòng)化開關(guān)終端對(duì)檢測(cè)電壓、電流和開關(guān)位置信息的交互與邏輯判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離和非故障區(qū)域的復(fù)電。該方法響應(yīng)快速準(zhǔn)確，但需依賴可靠的通信和自動(dòng)化終端統(tǒng)一的互操作標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)難度較大，不利于大范圍推廣。

c)主站式自愈。基于饋線自動(dòng)化開關(guān)的上下級(jí)拓?fù)潢P(guān)系，開關(guān)跳閘后由配網(wǎng)自動(dòng)化主站判斷并遙控開關(guān)隔離故障，實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的復(fù)電，如圖10所示，其中CB為饋線出線開關(guān)。當(dāng)線路FB1與FB2間發(fā)生故障，F(xiàn)B1過(guò)流保護(hù)動(dòng)作于跳閘，主站根據(jù)FB1動(dòng)作信號(hào)，遙控FB2分閘，故障被隔離，然后遙控聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的轉(zhuǎn)供復(fù)電。該方法對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求低，兼容各類自動(dòng)化終端，維護(hù)難度小，易于推廣應(yīng)用。

圖10 主站式自愈控制Fig.10 Self-healing control by master station

配電網(wǎng)饋線主要配置過(guò)流保護(hù)Ⅰ段(速斷保護(hù))、過(guò)流保護(hù)Ⅱ段(過(guò)流保護(hù))、過(guò)流保護(hù)Ⅲ段(過(guò)負(fù)荷保護(hù))、零序保護(hù)與重合閘，與FDS的協(xié)調(diào)控制舉例如圖11所示。t0時(shí)刻時(shí)，線路FB1和FB2之間發(fā)生故障，線路失壓，F(xiàn)DS檢測(cè)到交流失壓并可保持狀態(tài)不變〔或進(jìn)入低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)〕；t1時(shí)刻時(shí)，F(xiàn)B1過(guò)流跳閘，F(xiàn)DS進(jìn)入(或維持)LVRT；t2時(shí)刻時(shí)，配電網(wǎng)自動(dòng)化主站自愈邏輯遙控分閘FB2，故障被隔離，F(xiàn)DS檢測(cè)到該端口交流側(cè)電壓恢復(fù)，自動(dòng)進(jìn)入交流下垂(或虛擬同步)，ZB3支線負(fù)荷供電恢復(fù)正常；t3時(shí)刻時(shí)，F(xiàn)DS收到該端口的離網(wǎng)狀態(tài)指令，F(xiàn)DS保持交流下垂不變(或者虛擬同步)；t4時(shí)刻時(shí)，F(xiàn)B1成功重合閘，F(xiàn)DS保持交流下垂(虛擬同步)不變；t5時(shí)刻時(shí)，F(xiàn)B2成功重合閘，F(xiàn)DS保持交流下垂(虛擬同步)不變；t6時(shí)刻時(shí)，主站自愈控制FDS該端口恢復(fù)并網(wǎng)，F(xiàn)DS恢復(fù)該端口P-Q運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 FDS與配電自動(dòng)化開關(guān)協(xié)調(diào)控制Fig.11 Coordinated control of FDS and automatic switch

從上述分析可知，F(xiàn)DS不僅可以增強(qiáng)配電網(wǎng)運(yùn)行靈活性，而且與配電網(wǎng)自愈控制協(xié)調(diào)配合可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷快速?gòu)?fù)電，有效提升供電可靠性。

3 柔性多狀態(tài)開關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景與示范

FDS可以克服配電網(wǎng)中常規(guī)開關(guān)的不足，增強(qiáng)配電網(wǎng)主動(dòng)調(diào)節(jié)控制的能力，針對(duì)具體的需求可實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 柔性多狀態(tài)開關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景

a)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)供，減少預(yù)安排停電時(shí)間。如圖12所示，在配電網(wǎng)不同饋線的節(jié)點(diǎn)間或不同供電區(qū)域間采用兩端口或多端口FDS聯(lián)絡(luò)，饋線間互為備用，可實(shí)現(xiàn)功率的多路徑多方向支援轉(zhuǎn)供，減少或避免停電。圖12中，MV為中壓母線，HV為高壓母線，F(xiàn)為饋線，Sub為變電站。

圖12 含F(xiàn)DS的主動(dòng)配電網(wǎng)Fig.12 Active distribution network integrated FDS

b)優(yōu)化潮流分布，降低網(wǎng)絡(luò)損耗。通過(guò)FDS對(duì)有功功率、無(wú)功功率或電壓實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，可優(yōu)化配電網(wǎng)的潮流分布，緩解電壓驟降與不平衡，提高電壓合格水平，降低整體網(wǎng)損，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

c)饋線解耦，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷不間斷供電。FDS兩側(cè)饋線已經(jīng)解耦，一側(cè)饋線發(fā)生故障時(shí)，對(duì)側(cè)饋線不受故障影響。故障隔離后，F(xiàn)DS與配電網(wǎng)自愈控制協(xié)調(diào)配合，快速響應(yīng)恢復(fù)非故障區(qū)的供電，克服常規(guī)開關(guān)倒閘操作引起的供電中斷與合環(huán)沖擊等問(wèn)題；另外，對(duì)于重要或電壓敏感專線負(fù)荷可在饋線首端串接FDS(如圖12中FDS1)，一方面可以對(duì)母線動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，另一方面使該專線與共母線的其他饋線解耦，免受其他饋線上故障或沖擊性負(fù)荷引起的短時(shí)電壓跌落或電壓暫降影響，保證重要或敏感負(fù)荷的優(yōu)質(zhì)供電。

3.2 柔性多狀態(tài)開關(guān)工程示范

2016年英國(guó)配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與帝國(guó)理工學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)合作，投資653萬(wàn)英鎊在倫敦和布萊頓等城市的0.4 kV低壓電網(wǎng)開展了FDS設(shè)備的研究、試驗(yàn)測(cè)試與工程示范。

2017年，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司設(shè)立“智能配電柔性多狀態(tài)開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)及示范應(yīng)用”項(xiàng)目，擬運(yùn)用柔性多狀態(tài)開關(guān)增強(qiáng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制的靈活性，滿足分布式電源消納、電能質(zhì)量改善和高供電可靠性等定制電力需求。項(xiàng)目依托佛山市高明區(qū)配電網(wǎng)，建成含多類型負(fù)荷多饋線接入的FDS示范工程，如圖13所示。示范工程的三端口FDS規(guī)格為10 kV、6 MVA/6 MVA/6 MVA，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與負(fù)荷現(xiàn)狀，各端口分別接入到含分布式光伏，軋鋼等沖擊負(fù)荷，市政、精密制造等敏感性負(fù)荷的3組饋線組。該接入方式不改變?cè)伨€組的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，運(yùn)用FDS將實(shí)現(xiàn)以下幾方面的控制目標(biāo)：①通過(guò)1號(hào)端口對(duì)有功功率與無(wú)功電壓的調(diào)節(jié)，提高該饋線的分布式電源消納能力；②運(yùn)用3號(hào)端口的無(wú)功電壓支撐作用，平滑軋鋼軋鋁負(fù)荷對(duì)電壓的沖擊，提升電能質(zhì)量水平；③FDS三端口協(xié)調(diào)運(yùn)行，轉(zhuǎn)移峰值負(fù)荷，優(yōu)化饋線組的潮流分布，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；④FDS與饋線自動(dòng)化開關(guān)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離以及網(wǎng)架靈活重構(gòu)快速?gòu)?fù)電，提高示范區(qū)配電網(wǎng)供電可靠性。

4 結(jié)論

隨著智能配電技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用需求的日益豐富，各種新型配電組織型式與技術(shù)手段成為智能電網(wǎng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，日趨成熟的配電自動(dòng)化裝備體系也為這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供了良好的支撐。FDS賦予了配電網(wǎng)更加柔性與主動(dòng)的調(diào)節(jié)控制能力，相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用還有待進(jìn)一步推動(dòng)和發(fā)展：①研究應(yīng)用寬禁帶功率器件和優(yōu)化MMC子模塊電容參數(shù)，如基于碳化硅(SiC)的器件具有更高的耐受電壓、工作頻率與效率，從而減少換流器子模塊數(shù)量，提高裝置功率密度，減少裝置體積；②優(yōu)化裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法，采用VSC交流側(cè)無(wú)連接變壓器或電抗器設(shè)計(jì)[25]，實(shí)現(xiàn)裝置輕型化與緊湊化，減少整體占地面積；③提高柔性多狀態(tài)開關(guān)的魯棒性，適應(yīng)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)與閃變，避免諧波含量偏高時(shí)發(fā)生諧波放大、諧振或振蕩；④優(yōu)化含F(xiàn)DS配電網(wǎng)故障自愈的協(xié)調(diào)控制方法，提高整體供電安全可靠性；⑤FDS將改變配電網(wǎng)組網(wǎng)型式，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求開展FDS接入方式評(píng)估與選址定容方法研究。

圖13 廣東佛山FDS示范工程Fig.13 FDS demonstration project in Foshan