基于柔性多状态开关的分布式电源消纳技术评述

刘玉洁，袁旭峰，邹晓松，熊炜，谈竹奎，徐玉韬

(1.贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025; 2.贵州电网有限公司电力科学研究院，贵阳 550002)

0 引 言

截止至2019年6月底，我国可再生能源发电的装机容量达到7.5亿kW[1]。随着装机容量的不断上升[2-3]，对配电网的消纳能力带来了很大的挑战。传统配电网中使用常规联络开关，这极大的限制了配电网的自身的灵活可靠性。且其“闭环设计，开环运行”的结构不灵活，导致调控手段有限，进而配电网的潮流难以通过传统手段进行调控。由于光伏发电、风电等新能源出力具有不确定性和波动性，将会引起配电网的潮流分布不均、电压偏差[4]、电压波动、闪变[5]、频率偏差等问题[6-7]。传统配电网不能较好的对以上所述问题进行抑制，进而会大幅度限制可再生能源的接入[8]。文献[9]提出一种限制光伏电源输出容量来解决配电网过电压的方案，但是这种方案降低了可再生电源的利用率。

柔性多状态开关(Soft Open Point, SOP)是一种替代常规联络开关的智能软开关，SOP在配电网中的应用可改变传统闭环设计、开环运行的运行方式。它具有四象限功率快速响应和精确调节能力[10-12]。可通过控制SOP对其所连接馈线的有功功率与无功功率加以精确的控制，使配电网中的潮流分布达到均衡，从而改善馈线电压分布、提高配电网供电可靠性[13]。同时可改变原有的点消纳、线消纳模式为面消纳模式，从而提升交流配电网接纳分布式电源的能力[14]。文献[15]研究了利用SOP改善并网点电压水平进而提高DG在电网渗透率的作用。文献[16]介绍了储能元件与SOP联合接入对降低光伏出力波动造成电网冲击的模型。因此如何在配电网中发挥柔性多状态开关的优势，对于促进分布式电源的消纳能力颇具研究意义。

文章首先对比分析了传统配电网与含柔性多状态开关配电网，如表1所示，接着概括了目前已有的消纳方法及其优缺点，介绍了SOP实现设备的数学模型和功能，综述其控制策略；总结了当前研究所面临的挑战并展望基于SOP消纳方法的新趋势；最后提出了含SOP的配电网提升DG消纳能力展望。

表1 传统配电网与柔性配电网对比分析Tab.1 Comparative analysis of traditional distribution network and flexible distribution network

表1中B2B VSC为背靠背电压源型变流器；UPFC为统一潮流控制器；SSSC为串联同步补偿器。

1 可再生能源消纳策略

目前已有的消纳方法依据分类可从发电、输电、配电等方面进行分析，使参与电力市场的各方配合有序，从而促进可再生能源的消纳。文献[17]从建立与完善新能源相关激励机制、优化调整电价、建立新能源消纳义务制度及消纳交易机制等方面进行了综合分析。文献[18-19]讲述可通过储能系统充放电的功能促进分布式电源的消纳。文献[20]研究了利用发电权交易机制及补偿机制进行跨区、跨省的可再生能源消纳。跨区跨省这种方式能够促进更大范围、更大容量的能源消纳，但是存在成本分析、补偿额度等问题。因此不同的消纳方法存在不同的优缺点。文中对其进行了总结分析，如表2所示[21-25]。

表2 不同消纳方法优缺点的比较Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different dissipation methods

2 SOP拓扑结构及数学模型

2.1 SOP实现原理及数学模型

基于现代电力电子技术构成的SOP装置，可以通过一些控制策略优化线路潮流，增强系统稳定性，提高供电可靠性。针对电压源换流器元件的SOP实现装置主要有：B2B-VSC[26]、SSSC、UPFC[27]和静止同步补偿器(STATCOM)[28]。文章对这四种实现装置在电网中的功能分析如表3所示。

其中B2B-VSC能够四象限功率运行，实现功率快速精确控制、以及馈线柔性互联等诸多优点，在柔性输电和可再生能源发电中获得广泛的应用。因此文章主要分析基于B2B-VSC以及多端VSC拓扑结构的消纳能力。文献[29]分析了三端口SOP的工作原理、数学模型及控制策略。文献[30-31]基于背靠背电压源型换流器数学模型、控制策略研究多端配电网系统消纳问题。文章以多端SOP柔性配电网为例分析其左侧换流器数学模型，如图1、图2所示。

表3 SOP实现装置及应用功能Tab.3 SOP devices and their application functions

图1 多端 VSC 拓扑结构Fig.1 Multi-terminal VSC topological structure

图2 VSC1侧主电路拓扑Fig.2 VSC1 side main circuit topology

图2中，等效阻抗R表示换流器与相应线路的损耗，电抗器L用于滤除换流器输出的电流谐波，电容器C提供直流侧电压支撑。基于d-q同步旋转坐标系下的动态微分方程为：

(1)

(2)

式中j=1、2、3；id1、iq1分别为VSC1的d-q轴分量；Ed1和Eq1分别为VSC1交流侧并联系统电压矢量的d-q轴分量；Udc为直流侧电压。

根据瞬时无功功率理论，忽略变流器和开关损耗，三端口输入(输出)功率为：

(3)

2.2 可再生能源柔性接入配电网拓扑

分布式电源主要以交流和直流的方式输出电能，需要通过电力变换之后才能并网，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC三个环节。文献[32]分析了光伏发电和风力发电两者的典型并网拓扑方式以及拓扑结构上的区别。柔性配互联配电网结构可实现大量分布式电源接入配电网，是未来提升可再生能源消纳能力发展的新趋势。

文章以贵州大学“直流配电中心(DC Distribution Center, DDC)”为例[33]，介绍光伏发电以及风力发电接入配电网方式，如图3所示。

图3 中压直流配电中心拓扑结构Fig.3 Topological structure of medium voltage DC distribution center

在该系统中，3个模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)通过变压器与10 kV交流配电网相连[34]，直流侧直接并联在10 kV母线上，其中MMC#1、MMC#2、MMC#3可实现多回10 kV交流馈线的柔性互联；低压交流微电网和低压直流微电网分别通过MMC#4、DAB(Dual Active Bridge, DAB)以及变压器接入直流母线[35]，实现中压直流和微网之间柔性互联。其中通过对MMC#4、DAB的控制可以实现交直流微网子系统和系统之间的互联功率控制并相互支撑。微网中DC/DC、DC/AC设备实现储能装置、DG集中接入。对其进行控制可以准确调控所连接双端馈线的有功功率和无功功率[11]，通过对传输功率加以精确控制，改变原有的线消纳模式为面消纳模式；并能够有效削弱交流馈线中分布式电源接入带来的电压升高越限等问题，提升交流配电网接纳DG的能力。

3 基于SOP可再生能源消纳技术

3.1 SOP控制策略

文献[36]基于B2B-VSC提出SOP与无功补偿装置联合接入互补的方法，通过电压控制可实现配电网能量传输能力的提高以及配网稳定运行。由此可见控制系统是DG接入配电网不可或缺的一部分，通过对源侧和网侧的合理控制才能实现DG并网。文章以B2B-VSC的控制模式为例分析其控制策略。

柔性多状态开关控制功率原理为：通过控制其两侧变流器与交流电网交换的有功功率和无功功率达到其控制目的，通常有幅相控制和矢量控制[37]。其中目前常用的控制方式为矢量控制，采用电流内环控制和功率外环控制的双闭环结构。根据双闭环控制策略中外环控制功能的不同，SOP有不同的基本控制模式[38]。正常运行状况下的控制方式如表4所示[29,39]。

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

3.2 控制策略优化

SOP柔性互联配电网的特征之一为强大的优化能力[40]。在优化策略方面，可以通过改善电压水平等电能质量问题提升DG接入配电网比例，进而提升配电网在网级整体层面上DG消纳能力。

文献[26]提出了一种基于扰动观察法的SOP优化运行控制策略，使配电网电压处于标准水平。文献[27,30]提出通过电压控制策略研究限制电压越限从而提升可再生电源接入容量。文献[12]介绍了一种三端口柔性多状态开关分区配电网电压分布的优化方法，用三端口柔性多状态开关替换配电网中特定位置的联络开关实现电压优化分布。文献[41]建立了储能与SOP联合模型，通过对SOP制定优化运行策略,在保证电压质量的同时促进可再生能源的消纳。文献[42]提出一种有源配电网分布式电源与SOP三层协调规划模型。

控制策略的优化可以通过SOP的潮流快速调控以及无功电压支撑能力，优化馈线之间的潮流分布以及馈线的电压水平进而提升DG消纳能力。

3.3 控制策略优化层次结构

文章以图3中压直流配电中心拓扑结构为例[43]，在此基础上提出一种控制优化的层次结构，分析柔性配电网接入可再生电源提升消纳能力控制策略的层次架构[44]。在图3的拓扑结构中MMC#1～MMC#3共同控制中压直流母线电压，维持系统内功率平衡。根据微电网的运行调度控制目标，向MMC#4下发功率指令，控制微网与中压直流配电中心的互联功率。在并网条件下，微电网中的控制器向DC-DC、DC-AC设备下发功率分配命令，控制微网与交流电网之间的功率传输[45]。其促进DG消纳能力的控制策略层次结构如图4所示。

图4 控制策略层次结构Fig.4 Control strategy hierarchy

控制策略的优化相比较电网改造、跨区域消纳等方法成本相对较低运行维护相对简单，在常规控制基础上对控制策略进行优化可进一步提升DG接入配电网的比例。在多端配电网系统中可通过SOP对集中接入的可再生能源进行功率分配，构建多条馈线共同(面)消纳分布式电源的拓扑结构。另一方面，通过对SOP的控制可以让功率分配实时响应可再生能源出力波动和负荷动态变化，以保证配电网运行处于实时优化的状态提高供电可靠性。

3.4 SOP与储能联合接入

可再生能源出力具有波动性以及储能元件的应用使供电无需保持实时平衡的特点[40,46-47]。储能元件即可作为负荷储存电能也可作为电源供电，从而可降低功率波动，减小对电网冲击。利用SOP的实时功率调节功能实现两者优势互补，使得SOP在原有功能基础上增加电能存储功能。进一步提升了可再生能源消纳水平。SOP与储能联合接入该拓扑结构以背靠背变流器为基础，接入该拓扑结构以背靠背变流器为基础，储能元件通过直流母线接入配电网，如图5所示。

图5 SOP与储能联合接入Fig.5 Integration of SOP and energy storage

在此基础上，文献[13]提出了一种储能元件与SNOP联合缓解光伏出力波动的方法。文献[34]提出一种风力、光伏、储能系统主动功率协调控制系统。根据系统频率的高低决定风力、光伏、储能系统的有功出力。文献[48]综述了高比例可再生能源接入储能系统的应用。

4 展望

4.1 综合能源系统

高比例分布式电源消纳在柔性配电网存在电力无法长期储存的特点。利用天然气、热力等系统将电力转换为其它形式的能源储存形成综合能源系统[49-53]，如图6所示。

图6 柔性配电网多能源系统Fig.6 Multi-energy system for flexible distribution network

综合能源系统可以实现不同能源形势之间的转换，如将过剩电能转化为易于存储的氢能等其他能源形势，从而实现可再生能源的高效利用与大规模消纳，从根本上对能源结构进行调整，促进可持续发展。

4.2 基于SOP的柔性互联技术

针对传统配电网网源荷不联动无法消纳大规模可再生能源[54-57]，基于SOP的柔性互联技术能够实现储能装置的面接入，进而获取削峰填谷、间歇式能源消纳的网级综合最优，如图7所示。其馈线闭环、配网快速控制的特点可以实现可再生能源广泛接入、全局协调、高效面消纳。但是对于含储能的SOP的柔性互联技术也提出了新的要求，换流器之间的相互配合程度和运行控制的难度也成为需要解绝的问题之一。

图7 基于SOP的柔性互联技术Fig.7 Flexible interconnection technology based on SOP

5 结束语

在中国可再生能源消纳问题突出的背景下，SOP在配电网中的应用给予了消纳问题更大的优化空间。同时可以改善分布式电源接入带来的诸多问题，例如：SOP的四象限功率精确控制能力可实现有功、无功的快速调节，从而提高电网的电能质量；通过联络开关的连接形成多馈线互联结构，可平衡各馈线负荷均衡等。文章从分布式电源接入配电网的拓扑结构、促进DG消纳的控制策略等多方面进行分析，最后展望了未来SOP在分布式电源消纳的研究方向。