劉玉潔，袁旭峰，鄒曉松，熊煒，談竹奎，徐玉韜

(1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025; 2.貴州電網(wǎng)有限公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

截止至2019年6月底，我國(guó)可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量達(dá)到7.5億kW[1]。隨著裝機(jī)容量的不斷上升[2-3]，對(duì)配電網(wǎng)的消納能力帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中使用常規(guī)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，這極大的限制了配電網(wǎng)的自身的靈活可靠性。且其“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的結(jié)構(gòu)不靈活，導(dǎo)致調(diào)控手段有限，進(jìn)而配電網(wǎng)的潮流難以通過(guò)傳統(tǒng)手段進(jìn)行調(diào)控。由于光伏發(fā)電、風(fēng)電等新能源出力具有不確定性和波動(dòng)性，將會(huì)引起配電網(wǎng)的潮流分布不均、電壓偏差[4]、電壓波動(dòng)、閃變[5]、頻率偏差等問(wèn)題[6-7]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)不能較好的對(duì)以上所述問(wèn)題進(jìn)行抑制，進(jìn)而會(huì)大幅度限制可再生能源的接入[8]。文獻(xiàn)[9]提出一種限制光伏電源輸出容量來(lái)解決配電網(wǎng)過(guò)電壓的方案，但是這種方案降低了可再生電源的利用率。

柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)(Soft Open Point, SOP)是一種替代常規(guī)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的智能軟開(kāi)關(guān)，SOP在配電網(wǎng)中的應(yīng)用可改變傳統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的運(yùn)行方式。它具有四象限功率快速響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)能力[10-12]?？赏ㄟ^(guò)控制SOP對(duì)其所連接饋線(xiàn)的有功功率與無(wú)功功率加以精確的控制，使配電網(wǎng)中的潮流分布達(dá)到均衡，從而改善饋線(xiàn)電壓分布、提高配電網(wǎng)供電可靠性[13]。同時(shí)可改變?cè)械狞c(diǎn)消納、線(xiàn)消納模式為面消納模式，從而提升交流配電網(wǎng)接納分布式電源的能力[14]。文獻(xiàn)[15]研究了利用SOP改善并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平進(jìn)而提高DG在電網(wǎng)滲透率的作用。文獻(xiàn)[16]介紹了儲(chǔ)能元件與SOP聯(lián)合接入對(duì)降低光伏出力波動(dòng)造成電網(wǎng)沖擊的模型。因此如何在配電網(wǎng)中發(fā)揮柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于促進(jìn)分布式電源的消納能力頗具研究意義。

文章首先對(duì)比分析了傳統(tǒng)配電網(wǎng)與含柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)配電網(wǎng)，如表1所示，接著概括了目前已有的消納方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了SOP實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和功能，綜述其控制策略；總結(jié)了當(dāng)前研究所面臨的挑戰(zhàn)并展望基于SOP消納方法的新趨勢(shì)；最后提出了含SOP的配電網(wǎng)提升DG消納能力展望。

表1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)與柔性配電網(wǎng)對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of traditional distribution network and flexible distribution network

表1中B2B VSC為背靠背電壓源型變流器；UPFC為統(tǒng)一潮流控制器；SSSC為串聯(lián)同步補(bǔ)償器。

1 可再生能源消納策略

目前已有的消納方法依據(jù)分類(lèi)可從發(fā)電、輸電、配電等方面進(jìn)行分析，使參與電力市場(chǎng)的各方配合有序，從而促進(jìn)可再生能源的消納。文獻(xiàn)[17]從建立與完善新能源相關(guān)激勵(lì)機(jī)制、優(yōu)化調(diào)整電價(jià)、建立新能源消納義務(wù)制度及消納交易機(jī)制等方面進(jìn)行了綜合分析。文獻(xiàn)[18-19]講述可通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的功能促進(jìn)分布式電源的消納。文獻(xiàn)[20]研究了利用發(fā)電權(quán)交易機(jī)制及補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行跨區(qū)、跨省的可再生能源消納?？鐓^(qū)跨省這種方式能夠促進(jìn)更大范圍、更大容量的能源消納，但是存在成本分析、補(bǔ)償額度等問(wèn)題。因此不同的消納方法存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)。文中對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)分析，如表2所示[21-25]。

表2 不同消納方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different dissipation methods

2 SOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

2.1 SOP實(shí)現(xiàn)原理及數(shù)學(xué)模型

基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)構(gòu)成的SOP裝置，可以通過(guò)一些控制策略?xún)?yōu)化線(xiàn)路潮流，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高供電可靠性。針對(duì)電壓源換流器元件的SOP實(shí)現(xiàn)裝置主要有：B2B-VSC[26]、SSSC、UPFC[27]和靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)[28]。文章對(duì)這四種實(shí)現(xiàn)裝置在電網(wǎng)中的功能分析如表3所示。

其中B2B-VSC能夠四象限功率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)功率快速精確控制、以及饋線(xiàn)柔性互聯(lián)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在柔性輸電和可再生能源發(fā)電中獲得廣泛的應(yīng)用。因此文章主要分析基于B2B-VSC以及多端VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的消納能力。文獻(xiàn)[29]分析了三端口SOP的工作原理、數(shù)學(xué)模型及控制策略。文獻(xiàn)[30-31]基于背靠背電壓源型換流器數(shù)學(xué)模型、控制策略研究多端配電網(wǎng)系統(tǒng)消納問(wèn)題。文章以多端SOP柔性配電網(wǎng)為例分析其左側(cè)換流器數(shù)學(xué)模型，如圖1、圖2所示。

表3 SOP實(shí)現(xiàn)裝置及應(yīng)用功能Tab.3 SOP devices and their application functions

圖1 多端 VSC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-terminal VSC topological structure

圖2 VSC1側(cè)主電路拓?fù)銯ig.2 VSC1 side main circuit topology

圖2中，等效阻抗R表示換流器與相應(yīng)線(xiàn)路的損耗，電抗器L用于濾除換流器輸出的電流諧波，電容器C提供直流側(cè)電壓支撐。基于d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)微分方程為：

(1)

(2)

式中j=1、2、3；id1、iq1分別為VSC1的d-q軸分量；Ed1和Eq1分別為VSC1交流側(cè)并聯(lián)系統(tǒng)電壓矢量的d-q軸分量；Udc為直流側(cè)電壓。

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，忽略變流器和開(kāi)關(guān)損耗，三端口輸入(輸出)功率為：

(3)

2.2 可再生能源柔性接入配電網(wǎng)拓?fù)?/h3>

分布式電源主要以交流和直流的方式輸出電能，需要通過(guò)電力變換之后才能并網(wǎng)，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC三個(gè)環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[32]分析了光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電兩者的典型并網(wǎng)拓?fù)浞绞揭约巴負(fù)浣Y(jié)構(gòu)上的區(qū)別。柔性配互聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大量分布式電源接入配電網(wǎng)，是未來(lái)提升可再生能源消納能力發(fā)展的新趨勢(shì)。

文章以貴州大學(xué)“直流配電中心(DC Distribution Center, DDC)”為例[33]，介紹光伏發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)方式，如圖3所示。

圖3 中壓直流配電中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of medium voltage DC distribution center

在該系統(tǒng)中，3個(gè)模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)通過(guò)變壓器與10 kV交流配電網(wǎng)相連[34]，直流側(cè)直接并聯(lián)在10 kV母線(xiàn)上，其中MMC#1、MMC#2、MMC#3可實(shí)現(xiàn)多回10 kV交流饋線(xiàn)的柔性互聯(lián)；低壓交流微電網(wǎng)和低壓直流微電網(wǎng)分別通過(guò)MMC#4、DAB(Dual Active Bridge, DAB)以及變壓器接入直流母線(xiàn)[35]，實(shí)現(xiàn)中壓直流和微網(wǎng)之間柔性互聯(lián)。其中通過(guò)對(duì)MMC#4、DAB的控制可以實(shí)現(xiàn)交直流微網(wǎng)子系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互聯(lián)功率控制并相互支撐。微網(wǎng)中DC/DC、DC/AC設(shè)備實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置、DG集中接入。對(duì)其進(jìn)行控制可以準(zhǔn)確調(diào)控所連接雙端饋線(xiàn)的有功功率和無(wú)功功率[11]，通過(guò)對(duì)傳輸功率加以精確控制，改變?cè)械木€(xiàn)消納模式為面消納模式；并能夠有效削弱交流饋線(xiàn)中分布式電源接入帶來(lái)的電壓升高越限等問(wèn)題，提升交流配電網(wǎng)接納DG的能力。

3 基于SOP可再生能源消納技術(shù)

3.1 SOP控制策略

文獻(xiàn)[36]基于B2B-VSC提出SOP與無(wú)功補(bǔ)償裝置聯(lián)合接入互補(bǔ)的方法，通過(guò)電壓控制可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能量傳輸能力的提高以及配網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見(jiàn)控制系統(tǒng)是DG接入配電網(wǎng)不可或缺的一部分，通過(guò)對(duì)源側(cè)和網(wǎng)側(cè)的合理控制才能實(shí)現(xiàn)DG并網(wǎng)。文章以B2B-VSC的控制模式為例分析其控制策略。

柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制功率原理為：通過(guò)控制其兩側(cè)變流器與交流電網(wǎng)交換的有功功率和無(wú)功功率達(dá)到其控制目的，通常有幅相控制和矢量控制[37]。其中目前常用的控制方式為矢量控制，采用電流內(nèi)環(huán)控制和功率外環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。根據(jù)雙閉環(huán)控制策略中外環(huán)控制功能的不同，SOP有不同的基本控制模式[38]。正常運(yùn)行狀況下的控制方式如表4所示[29,39]。

表4 B2B VSC的控制模式Tab.4 Control mode of B2B VSC

3.2 控制策略?xún)?yōu)化

SOP柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的特征之一為強(qiáng)大的優(yōu)化能力[40]。在優(yōu)化策略方面，可以通過(guò)改善電壓水平等電能質(zhì)量問(wèn)題提升DG接入配電網(wǎng)比例，進(jìn)而提升配電網(wǎng)在網(wǎng)級(jí)整體層面上DG消納能力。

文獻(xiàn)[26]提出了一種基于擾動(dòng)觀(guān)察法的SOP優(yōu)化運(yùn)行控制策略，使配電網(wǎng)電壓處于標(biāo)準(zhǔn)水平。文獻(xiàn)[27,30]提出通過(guò)電壓控制策略研究限制電壓越限從而提升可再生電源接入容量。文獻(xiàn)[12]介紹了一種三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)分區(qū)配電網(wǎng)電壓分布的優(yōu)化方法，用三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)替換配電網(wǎng)中特定位置的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓優(yōu)化分布。文獻(xiàn)[41]建立了儲(chǔ)能與SOP聯(lián)合模型，通過(guò)對(duì)SOP制定優(yōu)化運(yùn)行策略,在保證電壓質(zhì)量的同時(shí)促進(jìn)可再生能源的消納。文獻(xiàn)[42]提出一種有源配電網(wǎng)分布式電源與SOP三層協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。

控制策略的優(yōu)化可以通過(guò)SOP的潮流快速調(diào)控以及無(wú)功電壓支撐能力，優(yōu)化饋線(xiàn)之間的潮流分布以及饋線(xiàn)的電壓水平進(jìn)而提升DG消納能力。

3.3 控制策略?xún)?yōu)化層次結(jié)構(gòu)

文章以圖3中壓直流配電中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例[43]，在此基礎(chǔ)上提出一種控制優(yōu)化的層次結(jié)構(gòu)，分析柔性配電網(wǎng)接入可再生電源提升消納能力控制策略的層次架構(gòu)[44]。在圖3的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中MMC#1～MMC#3共同控制中壓直流母線(xiàn)電壓，維持系統(tǒng)內(nèi)功率平衡。根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度控制目標(biāo)，向MMC#4下發(fā)功率指令，控制微網(wǎng)與中壓直流配電中心的互聯(lián)功率。在并網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)中的控制器向DC-DC、DC-AC設(shè)備下發(fā)功率分配命令，控制微網(wǎng)與交流電網(wǎng)之間的功率傳輸[45]。其促進(jìn)DG消納能力的控制策略層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制策略層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Control strategy hierarchy

控制策略的優(yōu)化相比較電網(wǎng)改造、跨區(qū)域消納等方法成本相對(duì)較低運(yùn)行維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在常規(guī)控制基礎(chǔ)上對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化可進(jìn)一步提升DG接入配電網(wǎng)的比例。在多端配電網(wǎng)系統(tǒng)中可通過(guò)SOP對(duì)集中接入的可再生能源進(jìn)行功率分配，構(gòu)建多條饋線(xiàn)共同(面)消納分布式電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另一方面，通過(guò)對(duì)SOP的控制可以讓功率分配實(shí)時(shí)響應(yīng)可再生能源出力波動(dòng)和負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，以保證配電網(wǎng)運(yùn)行處于實(shí)時(shí)優(yōu)化的狀態(tài)提高供電可靠性。

3.4 SOP與儲(chǔ)能聯(lián)合接入

可再生能源出力具有波動(dòng)性以及儲(chǔ)能元件的應(yīng)用使供電無(wú)需保持實(shí)時(shí)平衡的特點(diǎn)[40,46-47]。儲(chǔ)能元件即可作為負(fù)荷儲(chǔ)存電能也可作為電源供電，從而可降低功率波動(dòng)，減小對(duì)電網(wǎng)沖擊。利用SOP的實(shí)時(shí)功率調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使得SOP在原有功能基礎(chǔ)上增加電能存儲(chǔ)功能。進(jìn)一步提升了可再生能源消納水平。SOP與儲(chǔ)能聯(lián)合接入該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以背靠背變流器為基礎(chǔ)，接入該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以背靠背變流器為基礎(chǔ)，儲(chǔ)能元件通過(guò)直流母線(xiàn)接入配電網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 SOP與儲(chǔ)能聯(lián)合接入Fig.5 Integration of SOP and energy storage

在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[13]提出了一種儲(chǔ)能元件與SNOP聯(lián)合緩解光伏出力波動(dòng)的方法。文獻(xiàn)[34]提出一種風(fēng)力、光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)主動(dòng)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)頻率的高低決定風(fēng)力、光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功出力。文獻(xiàn)[48]綜述了高比例可再生能源接入儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 展望

4.1 綜合能源系統(tǒng)

高比例分布式電源消納在柔性配電網(wǎng)存在電力無(wú)法長(zhǎng)期儲(chǔ)存的特點(diǎn)。利用天然氣、熱力等系統(tǒng)將電力轉(zhuǎn)換為其它形式的能源儲(chǔ)存形成綜合能源系統(tǒng)[49-53]，如圖6所示。

圖6 柔性配電網(wǎng)多能源系統(tǒng)Fig.6 Multi-energy system for flexible distribution network

綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同能源形勢(shì)之間的轉(zhuǎn)換，如將過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化為易于存儲(chǔ)的氫能等其他能源形勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用與大規(guī)模消納，從根本上對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

4.2 基于SOP的柔性互聯(lián)技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)源荷不聯(lián)動(dòng)無(wú)法消納大規(guī)?？稍偕茉碵54-57]，基于SOP的柔性互聯(lián)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)能裝置的面接入，進(jìn)而獲取削峰填谷、間歇式能源消納的網(wǎng)級(jí)綜合最優(yōu)，如圖7所示。其饋線(xiàn)閉環(huán)、配網(wǎng)快速控制的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)可再生能源廣泛接入、全局協(xié)調(diào)、高效面消納。但是對(duì)于含儲(chǔ)能的SOP的柔性互聯(lián)技術(shù)也提出了新的要求，換流器之間的相互配合程度和運(yùn)行控制的難度也成為需要解絕的問(wèn)題之一。

圖7 基于SOP的柔性互聯(lián)技術(shù)Fig.7 Flexible interconnection technology based on SOP

5 結(jié)束語(yǔ)

在中國(guó)可再生能源消納問(wèn)題突出的背景下，SOP在配電網(wǎng)中的應(yīng)用給予了消納問(wèn)題更大的優(yōu)化空間。同時(shí)可以改善分布式電源接入帶來(lái)的諸多問(wèn)題，例如：SOP的四象限功率精確控制能力可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的快速調(diào)節(jié)，從而提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量；通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的連接形成多饋線(xiàn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，可平衡各饋線(xiàn)負(fù)荷均衡等。文章從分布式電源接入配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、促進(jìn)DG消納的控制策略等多方面進(jìn)行分析，最后展望了未來(lái)SOP在分布式電源消納的研究方向。