智能配电网柔性互联研究现状及发展趋势

祁琪(1992),女,在站博士后,主要研究方向为电力系统仿真、智能配电网运行优化与控制,E-mail：[email protected]. cn;

姜齐荣(1968),男,教授,博士生导师,通信作者,主要研究方向为电力系统分析与控制、柔性交流输配电系统建模与控制、电能质量分析与控制,E-mail：qrjiang@mail. tsinghua.edu.cn。

基金项目： 新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)开放基金(NYB51202001603); Project Supported by Open Fund of State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy & Storage Systems (China Electric Power Research Institute) (NYB51202001603);

文章编号: 1000-3673（2020）12-4664-13 中图分类号: TM73

分布式电源的大规模接入、用电负荷的多元化增长及直流负荷比例的增加,给传统配电网的结构形态与运行方式带来了巨大影响。利用全控型电力电子器件对配电网进行柔性互联改造,有助于提高系统的可控性、可靠性与安全性,促进分布式电源消纳、满足高质量供电需求,是向未来智能配电网演变的重要手段。文章首先介绍了柔性互联配电网的关键环节——柔性互联装置(flexible interconnection device,FID)的基本结构与工作原理;然后结合国内外示范工程,对柔性互联系统3种典型形态及特点进行分析,对运行控制和规划设计方面的关键技术进行了讨论及研究现状总结,并指出现阶段亟需突破的关键问题;最后,为实现柔性互联配电网更广泛的应用,对其发展趋势进行了展望。

关键词 : 柔性互联装置; 分布式电源; 配电网运行控制; 电力电子; 示范工程;

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2019.2670

The large-scale integration of distributed generations (DG), the diverse growth of electrical demands and the increasing proportion in direct current (DC) forms have brought significant impacts on both the structure and the operation of the traditional distribution networks. With the aid of fully-controlled power electronic devices, distribution networks can be modified into flexible interconnected ones, where the system controllability, reliability and security can be improved. Therefore, flexible interconnection technology is considered as a promising solution in the transition towards smart distribution networks, which not only facilitates the integration of DGs, but also meets the requirement of high-quality power supply. In this paper, the topological structure and operating principle of flexible interconnection device (FID), the key component of the flexible interconnected distribution networks, are introduced. Combined with the demonstration projects in different countries, three typical configurations of the flexible interconnected distribution networks and their features are elaborated. The key technologies in the operation or control and the planning or design of the flexible interconnected distribution networks are analyzed in detail. The technical problems that need to be solved urgently are also pointed out. Finally, the development prospects are expounded to achieve an extended application of the flexible interconnection for distribution networks.

KEY WORDS : flexible interconnection device; distributed generation; operation and control of distribution networks; power electronics; demonstration project;

可再生能源的大力推广、负荷的迅速增长及多元化接入正改变着传统配电网的结构形态与运行特点[1-2]。现有配电系统面临供电容量不足[3]、电能质量难以保障[4]、供电可靠性降低[5]等问题。新的发、用电形势对配电智能化提出了更高要求。如何高效利用可再生能源并兼容多元化用电需求,在保障电能经济化传输、分配的同时提高供电质量与可靠性是智能配电网发展的重要目标。

20世纪90年代后期,随着电力电子器件与控制技术的快速发展,以电压源换流器(voltage source converter,VSC)为基础的柔性直流技术在输电网层面得到广泛应用[6-7]。近些年,为满足高质量电力的供应需求,柔性直流技术逐渐扩展到配电层面。已开展的研究表明,基于柔性直流的智能配电技术可有效改善电能质量、增强供电可靠性、提升新能源消纳水平,发展前景广阔[8-11]。其中,针对现有配电一次设备大多受容量、调节次数和连续性等限制的不足,国外学者提出了柔性互联设备的概念,包括环网潮流控制器[12]、环网功率平衡器[13]、智能软开关(soft open point,SOP)[14-15]、柔性直流环节(DC link)[16-17]等。国内也广泛关注SOP的研究,并提出柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)[18-19]的概念。本文统一将上述通过VSC技术对配电网进行互联、且具备潮流灵活控制能力的配电设备称为柔性互联装置(flexible interconnection device,FID)。FID可对多个电压频率、幅值和相位均不同的配电网进行柔性互联。正常状态下,FID通过连续调节各端口功率输出,可有效均衡负载、缓解网络阻塞,使配电资产得以充分利用,还能够降低网损、改善电能质量,实现系统高效、经济运行;当系统出现故障时,FID可在不增大短路电流的情况下快速隔离故障,并为停电区域提供电压和频率支撑,进而提高系统安全性与可靠性。由此可见,以FID为核心的柔性互联技术是配电网实现智能化演变的重要手段。

本文首先介绍了FID的基本结构与工作原理,然后结合国内外示范工程,对基于FID的柔性互联系统的网架形态和特点进行归纳;在此基础上,为推进配电网的柔性互联化发展,主要从运行控制和规划设计两方面对其研究现状和关键技术进行分析,并提出各方面亟需突破的关键问题;最后,展望了配电网柔性互联技术的发展趋势。

FID由两个或以上VSC换流站在直流侧相连构成,图1以一端VSC换流站为例,展示了FID交流侧与配电网连接的基本结构。

图1 VSC换流站与交流系统连接结构 Fig. 1 Structure of VSC station connected to AC system

图中,换流站与交流系统间的联结变压器T具有并网电压调整与隔离的作用;滤波器阻抗$Z=R+\text{j}{{X}_{\text{L}}}$具有交流滤波和限制短路电流的作用;UVSC、EVSC分别为并网节点电压、换流站出口调制电压;UDC为FID直流侧电压;PVSC、QVSC为换流站与配电系统交换的有功、无功功率,由下式计算得出,其中$\delta $为UVSC相对于EVSC的相位角：

\({{P}_{\text{VSC}}}=\frac{{{U}_{\text{VSC}}}{{E}_{\text{VSC}}}\sin \delta }{Z}\) (1)

\({{Q}_{\text{VSC}}}=\frac{{{U}_{\text{VSC}}}({{E}_{\text{VSC}}}\cos \delta -{{U}_{\text{VSC}}})}{Z}\) (2)

由式(1)(2)可知,换流站传输的有功功率主要由相位角$\delta $决定：$\delta >0$时,换流站发出有功功率,$\delta 0$时,换流站吸收无功功率;${{U}_{\text{VSC}}}-{{E}_{\text{VSC}}}\cos $ $\delta 图2 配电网柔性互联3种典型形态 Fig. 2 Three typical configurations of flexible interconnected distribution networks

2）含直流母线的点对点柔性互联形态。

此类形态在背靠背FID基础上,将其直流侧拓展为直流母线,如图2中FID2及其互联系统所示。这类互联形态的优点是可以对更广泛区域的功率和电压进行调节,同时还具备直流供电传输容量大、线损低等优点。英国配电网运营商Scottish Power Energy Network于2016年启动的ANGLE- DC项目[23];我国于2018年在苏州工业园区投运的四端直流示范工程[24]均采用了此类柔性互联形态。

3）基于FID的交直流混合柔性互联形态。

如图2中FID3及其互联系统所示。此类形态在采用直流母线对交流系统进行互联基础上,还融合了直流型电源及负荷、储能装置、微网等设备或子系统的接入,因此可视为基于FID的交直流混合配电网。在对互联系统间功率进行调节的同时,此类形态系统的另一个主要目标是实现直流形式源储荷的高效接入,进而实现能源综合利用。我国于2018年通过试运行的杭州江东新城智能柔性直流配电网示范工程[25]和在贵州大学新校区投运的中压五端柔性直流配电工程[26],以及同年年底成功投运的国家能源局首批“互联网 +”智慧能源示范项目——珠海唐家湾三端柔性直流配电网[27],均属于此类柔性互联形态。

可以预计的是,随着越来越多含直流环节的发用电设备的应用,以及对能源综合利用的迫切需求,配电网的柔性互联形态将从基于背靠背FID的简单结构,逐渐发展为更加灵活复杂的交直流混合形态。

对于不同互联形态配电系统,其控制策略的选择与侧重也不同。基于背靠背FID的柔性互联配电网,其主要控制目标是通过实时调节互联系统间有功功率交换,以达到均衡负载、减小损耗等目的。对于含直流母线的点对点柔性互联系统及基于FID的交直流混合互联系统,其传输功率往往由供电和负荷需求决定,此时FID主要负责平衡传输功率和维持电压/频率稳定;若互联系统内含有储能装置且FID容量较充裕时,也可进行一定程度的功率优化调度。

柔性互联配电网的直流侧电压稳定控制是实现其功率平衡与优化调度的基础。直流侧电压的控制方式可借鉴柔性直流输电系统,包括主从控制、电压裕度控制和电压下垂控制[28-30]。主从控制方式通常选择一个主换流站进行定直流电压控制,其余换流站采用定功率控制,若主站出现故障退出运行则整个系统将失稳,因此主从控制可靠性较低。电压裕度控制在主从控制基础上进行改进,使主站具有一定电压控制范围,并通过实时监测端口直流电压进行相应控制模式的调整,但系统可靠性仍较低,且当更换主站时易产生直流电压振荡的问题[31]。下垂控制中,各站根据预置好的控制特性曲线自主进行直流电压控制与功率分配,较前两种控制方式具有更高的可靠性,尤其适用于多端柔性互联系统。然而,下垂控制中直流电压随系统运行状态的变化而变化,不能稳定在固定值。对此,文献[32]提出一种广义电压下垂控制策略,可实现定直流电压控制、定功率控制和下垂控制3种模式间的灵活切换,从而提升多端直流电网的电压控制与功率分配能力,可为柔性互联配电网的控制所借鉴。

直流侧电压控制还需考虑由新能源出力突变或负荷扰动造成的冲击。为抑制直流电压波动,文献[33]提出一种变下垂系数的直流配电网自适应虚拟惯性控制方法。文献[34]通过引入电流前馈控制器快速跟踪系统内扰动,在不增加额外传感器的情况下改善直流配电网的电压波动情况。除此之外,储能装置的应用也为平抑直流电压波动提供了可行思路[35-36]。

VSC可同时对两个状态量进行控制,在柔性互联配电网正常运行情况下,每个FID换流站还可以对注入交流系统的无功功率或交流电压进行控制。此时FID需有一端换流站负责直流母线电压UDC的稳定,其他换流站进行功率调度。由于负责UDC控制的换流站不能主动调节其端口有功功率,可看作是功率平衡单元,确保FID各端输出的总有功功率守恒。当系统发生故障时,故障端换流站需及时闭锁隔离故障电流,若故障端换流站为功率平衡单元,则需迅速指令其他换流站控制UDC,否则将导致整个互联系统的崩溃;在配电保护装置进行故障切除导致供电中断期间,故障端换流站需解锁后切换至恒压恒频(UACf)控制模式,为失电区域供电。由此可见,为确保柔性互联系统的安全、可靠运行,FID与配电网保护的协同控制、FID各换流站间的协调配合、以及系统在多运行模式间的平滑切换控制是研究重点。

FID等电力电子装置的脆弱性对配电系统保护提出了更高要求。具有故障隔离能力的换流器会导致有效故障信息大量减少,给配电网保护带来极大挑战[37]。但同时,借助FID的灵活性与可控性,柔性互联配电网可通过控制与保护的协同实现故障准确定位与快速恢复[38]。目前,直流输配电系统中基于控制与保护协同的保护方案主要包括信号注入式[37,39]和故障特征控制式[40-41],均可为柔性互联配电网的故障定位与判别方法所借鉴。

FID换流站间的协调配合与系统多运行模式间切换方面,文献[19]提出一种适用于三端FID的协同控制策略,该策略采用有限控制集模型预测控制方法,比传统的比例积分法具有更高的输出电压质量和更快的响应速度,所提出的控制机制实现了换流站PQ、UDCQ、UACf这3种工作模式,且当负责UDC控制的换流站系统侧发生故障时,其他换流站可通过快速的模式切换对直流电压进行稳定。文献[42]建立了背靠背FID潮流调度与供电恢复两种控制模型,并提出基于锁相环的控制模式无缝切换方法。文献[43]所提出的故障情况下FID平滑切换控制策略,通过采用基于比例积分调节器和稳态逆模型的控制结构,使换流站在馈线故障时通过协调策略维持直流电压稳定,并有效抑制了模式切换过程中直流电压的波动和换流站输出的跌落与冲击。文献[44-45]提出了适用于直流配电网的电压控制策略,该策略中主换流站控制系统直流电压稳定,从站通过采用由功率环、电压环和电流环组成的就地控制器,使其自身具有稳态情况下调节潮流、暂态情况下稳定电压的能力;当主站电压控制功能异常时,从站将自动进入限幅环节,进而解决了换流站间控制模式切换与配合问题。在文献[46]所提出的直流配电网电压协调控制策略中,各换流站的控制参考值由潮流计算得出,当系统受到扰动与冲击无法实现电压稳定控制和功率平衡时,各站随即采用模式自适应的分散控制策略,根据本地信息进行控制模式选择,对系统进行快速的平稳恢复。

柔性互联配电网的稳定控制也是重点研究问题,需进一步深入探索。首先,互联系统内大量的电力电子装置会导致系统阻尼与惯性降低,易引发不同频率的振荡甚至失稳现象[47-48];其次,新能源发电与负荷的随机扰动特性使系统稳定边界难以获取。采用电磁时间尺度模型进行稳定性分析,则当系统规模较大、拓扑结构复杂时,易产生状态变量激增和维数灾难问题;采用机电时间尺度模型则无法模拟电力电子器件的动态特征及网络和设备间振荡[49]。目前,针对直流电网的稳定控制研究已经开展,如通过串联电阻电感或并联电容增加补偿回路的无源阻尼方法[50],以及在换流器控制系统中增加阻尼补偿环节的有源阻尼方法[51-52]。然而,现有方法难以解决多时间尺度的振荡问题,且大多根据特定平衡点进行设计,而分布式电源与负荷的随机波动会导致平衡点不断变化。因此,考虑柔性互联系统多时间尺度特性的稳定性机理分析和建模方法亟需开展,对于随机扰动下系统的稳定控制方法也需要进一步探索。

从上文可以看出,现阶段针对直流输配电网协调与稳定控制开展的研究较多,可为柔性互联配电网提供一定理论与方法的借鉴。然而,直流电网控制研究中大多采用较简单的网络拓扑形态,并将交流系统简化;对柔性互联配电网的控制研究则不能忽略其交直流耦合特性和连续多变的运行状态,因此适用的控制技术亟需进一步深入开展。

下垂控制不需要FID换流站间的实时通信,各站仅根据本地运行状况对自身端口电压和功率进行调节;采用主从控制或电压裕度控制时,为确保系统在大功率扰动或故障发生后仍具备稳定直流电压的能力,需借助通信系统进行换流站间的协调配合;系统各运行模式对应的控制策略间切换也需借助通信系统进行相关信息的实时交互,进而实现系统局部或整体的功率控制与优化调度。由此可见,柔性互联系统的控制能力取决于通信系统的覆盖程度。按照对通信系统从低到高的依赖程度,控制方式可依次分为：就地控制、分布式控制、集中式控制。就地控制中,各种可调节资源的控制器进行快速且相互独立的实时响应,然而,由于利用的系统状态信息有限,其调节能力严重受限。集中式控制通过通信系统实时获取电网运行信息,计算得出各种可调节资源的最优控制指令,能够有效提高配电网的可观性及可控性,然而,由于需要对大量信息进行收集和处理,集中式控制无法快速响应系统中突发的运行变化[53];同时,由于高度依赖信息通信网络,当其中某一环节发生故障时将对整体运行的安全性、可靠性造成极大影响。为避免通信系统发生故障时可能造成的换流站故障或退出运行,文献[54]通过交替求解负荷分配和状态估计直至迭代的功率损耗值收敛,提出了一种在通信中断情况下FID的不退网运行控制策略。由于量测和通信系统建设成本过高,现有的配电网大多不具备实现集中式控制的相关基础设施[55]。分布式控制基于可调节资源之间对等数据的实时交换实现,无需将数据全部上传至控制中心。相较于集中式控制,分布式控制的成本与控制复杂度较低。为达到更好的控制效果,将不同控制方式相结合的协同策略也是研究重点,文献[56]提出了基于FID的配电网电压控制策略,采用分布式控制与就地控制联合的方式,迅速补偿由新能源出力引起的频繁电压闪变问题。文献[57]提出了一种就地控制与集中式控制联合的逆变器控制方法,用于解决由光伏并网引起的过电压问题。为确保柔性互联配电网在量测数据有限或信息传输环节出现故障时,仍维持安全稳定运行,提出如图3所示的多层协同运行控制架构,该架构具有“就地控制装置/子系统间协调控制能量综合优化”的多层结构。

图3 柔性互联配电网多层协同运行控制架构 Fig. 3 Hierarchical operation controlling framework of flexible interconnected distribution network

其中,底层可调节资源控制器根据本地运行信息进行输出电气量的实时调节;当装置或子系统之间具备通信功能时,借助相邻通信获取的邻近节点电气信息,通过本地分布式算法迭代评估系统运行状态,实现区域间的协调控制;在量测及通信设施覆盖广泛情况下,上层的能量综合优化控制器将结合各节点的实时发、用电信息,通过优化模型计算出最佳控制指令,并作为参考值下发到各底层控制器,由此实现了能量的全局优化调度;当传输信号中断或系统发生故障时,各底层控制器不再依赖上层指令,通过平滑的模式切换,进行快速就地控制;此时,若部分装置或子系统间仍具备交互通信功能,还可实现局部的区域间功率互济。由此可见,多层协同运行控制架构整合了集中式控制、分布式控制与就地控制的优点,且通过在不同控制层级之间引入一定程度的独立性,使系统的控制性能在通信能力降低情况下仍满足运行需求。然而,目前尚未对能够无缝适应通信架构变化的控制模式切换方法、以及相关识别和切换指标展开深入探索。

柔性互联配电网运行优化的研究正在大量开展,其宗旨是在满足系统与各类装置运行约束的条件下,充分利用FID对功率连续、快速的调节能力改善互联系统潮流分布,进而推动配电网结构与运行模式的升级[58]。

FID的运行需满足如下约束：

\(\sum{{{P}_{\text{VSC},i}}+\sum{{{P}_{\text{VSC }\!\!\_\!\!\text{ loss},i}}=0,\text{ }i\in [1,\text{ }{{n}_{\text{VSC}}}]}}\) (3)

\({{P}_{\text{VSC }\!\!\_\!\!\text{ loss},i}}={{A}_{i}}\sqrt{{{({{P}_{\text{VSC},i}}+{{Q}_{\text{VSC,}i}})}^{2}}}\) (4)

式中：\({{n}_{\text{VSC}}}\ge 2\),为FID所含VSC换流站的数量;PVSC,i、QVSC,i分别为第i个换流站输出的有功和无功功率;PVSC_loss,i为换流站内部损耗,其大小可通过损耗系数Ai与流经该换流站的总功率计算得出,如式(4)所示。

由于直流环节的隔离作用,各换流站无功功率的控制相互独立,只需满足其容量范围约束：

\(\sqrt{P_{\text{VSC},i}^{2}+Q_{\text{VSC},i}^{2}}\le {{S}_{\text{VSC},i}}\) (5)

式中SVSC,i为第i个换流站的额定容量。

对于含直流母线和基于FID的交直流混合互联系统,其功率守恒约束中还需考虑直流母线线损及直流侧设备注入或吸收的功率：

\(\sum{{{P}_{\text{VSC},i}}+\sum{{{P}_{\text{VSC }\!\!\_\!\!\text{ loss},i}}\text{+}{{P}_{\text{DC }\!\!\_\!\!\text{ loss}}}=}}{{P}_{\text{DC }\!\!\_\!\!\text{ load}}}-{{P}_{\text{DG}}}\pm {{P}_{\text{ES}}}\)(6)

式中：PDC_loss为直流母线上的有功损耗;PDC_load、PDG、PES分别为直流侧负荷、分布式电源及储能吸收或发出的有功功率。

在满足运行约束的前提下,FID能够对配电网多种运行指标进行改善。为降低系统运行损耗,文献[59]提出一种含FID的配电网稳态运行分析框架,可量化评估FID在降低系统有功损耗方面的能力。文献[60]通过建立基于FID的配电网随机优化潮流模型,对分布式电源高渗透率背景下的配电网运行损耗进行概率评估。文献[61]以减小网损为目标,提出了含FID的配电网运行时序优化方法,验证了FID在节能降损方面的显著作用。

为改善配电网电压分布,文献[62]提出一种通过调节FID与所连馈线间功率交换以提升系统电压水平的方法。文献[63]中建立了FID的电压无功控制模型,并通过二阶锥规划的求解方法证实了所提出的模型可有效缓解配电网电压波动、降低系统损耗。文献[64]基于内点法提出一种以改善电压分布为目标的FID运行策略,该策略还可提升配电网对分布式电源的接纳能力。文献[65]提出一种通过调节FID各端之间有功功率交换以改善馈线电压水平的方法,并通过实验验证了其有效性。

为缓解配电网阻塞并均衡负载,文献[66]提出一种基于FID与电价机制的配电网阻塞管理方法,证实了柔性互联手段对于缓解系统阻塞、降低运行费用具有显著效果。文献[67]基于二阶锥规划方法中,利用多端FID有效缓解了馈线负载不平衡问题。文献[68]对FID与配电网重构的负载均衡能力进行比较,结果表明单个FID即能够达到与网络重构近似的负载均衡水平,同时还能避免大量的机械开关操作。由分布式电源和负荷不对称接入造成的三相不平衡问题也需要在系统运行中充分考虑,对此,文献[69]提出了基于FID的主动配电网运行策略,可在降低网损的同时缓解上层电网的三相不平衡情况。

为提高配电网对新能源的接纳能力,文献[14]通过与传统的电压调节手段,如有载调压器、无功补偿方法相比较,验证了FID在促进分布式电源渗透率方面的优势。文献[15]提出了一种FID与储能相结合的方法,能够抑制光伏出力波动性并提升配电网阻尼。同样针对光伏出力的随机波动性,文献[70]提出一种含FID的配电网鲁棒优化运行方法,能够在系统运行不确定性环境下,缓解由光伏出力造成的电压扰动。文献[16]提出的柔性互联配电网优化框架中,分别以最大化分布式电源渗透率、最大化负荷增长率及最小化网络损耗为指标,对FID的运行效益进行了量化评估。文献[71]提出一种计算配电网各节点对负荷或分布式电源最大接纳能力的方法,评估了FID对系统各节点承载能力提升的作用。文献[72]对柔性互联配电网最大供电能力模型与计算方法进行研究,证明了相较于传统配电网,柔性互联系统能够更加充分地利用系统剩余容量。

为保障配电网的供电可靠性,文献[73]对柔性互联配电网的供电恢复方法进行研究,提出在故障发生时FID阻止故障电流穿越、供电中断期间FID为故障区域提供电压支撑的运行策略。

得益于FID对功率的精细化连续调节能力,柔性互联配电网的潮流控制具有更高的自由度,应考虑对多种目标进行协同改善。由于不同的运行效益指标量纲不统一,且在进行改善时可能存在矛盾,传统将多目标转化为单一目标函数的加权求和类方法不再适用。帕累托最优的概念为配电网多目标优化运行提供了有效的解决思路,其所得的帕累托解集中不但包含了每个单一目标函数上的最优解,还体现了各目标之间的关联性,能够为决策者提供多种可执行方案,基于这些方案,决策者依照过往经验或系统的实时运行需求选取最佳运行策略,还可进行多种优化运行模式间的灵活切换。文献[74]提出了一种柔性互联配电网的多目标运行优化架构,探究了在分布式电源渗透率逐渐升高情况下,FID对降低系统损耗、均衡负载、改善电压分布3个指标的优化能力。文献[75]构建了多端FID降低配电网损耗、提升电压水平的优化模型,并基于所得的帕累托最优解集提出筛选折中最优解的方法。然而,随着系统运行状态的实时变化,如何在各指标对应的最优运行策略之间进行选取是现有研究中尚未深入探讨的问题,相关的选取和切换标准也有待提出。

配电网多目标运行的另一个好处是能够考虑不同利益主体的需求。在系统的实际运行中,单一的调度目标往往无法同时满足配电网运营商、发售电企业、电力用户、辅助服务提供商等多方的诉求。文献[76]提出一种基于FID的有源配电网规划与运行优化相结合的模型,可协调分布式发电运营商与配电公司的利益需求。

考虑到电力电子装置投资与运维成本很高,可将FID与现有配电网控制手段有机结合,采用协调控制策略实现系统整体的优化运行。文献[76]提出一种FID与配电网重构相结合的协同优化策略,与仅进行网络重构相比,该协同策略在降低损耗和改善电压分布方面更加高效。文献[77]提出一种FID与需求侧管理相结合的无功功率协同控制方法,可有效解决用电高峰时段的电压越限问题。文献[78]对FID与有载调压器、无功补偿装置的协同控制方法进行研究,该方法在分布式电源高渗透率情况下,仍可对电压分布进行有效管理并降低系统运行成本。总体来说,柔性互联配电网的优化运行应充分发挥各种可调节手段的优势,并基于FID实现分布式电源、储能和负荷的多时空互补,提高可再生资源消纳能力。现有配电装备体系下,受制于分布式电源归属权问题与通信系统的局限性,大多用户分布式电源仍处于不可控或不易控状态[79],增加了运行管理与调度的复杂性,严重制约了系统的调节能力。因此,如何高效整合分散接入的可再生资源、促进其就地消纳,是实现柔性互联配电网多时空尺度优化运行和能源综合利用的关键。

配电网柔性互联发展最为迫切的问题之一是其直流侧电压等级的选择。2015年7月,CIGRE国际大电网委员会成立了SC6.31《直流配电可行性研究》专题小组对直流配电网技术进行研究与推广[80],可为柔性互联系统直流侧的规划设计提供借鉴与参考。然而,目前直流配电电压序列标准在国际上尚无定论,仍处于调研和论证阶段。

在对柔性互联配电网直流侧电压进行选择时,首先应考虑与交流系统电压的流畅对接。适合我国的柔性互联配电网直流电压等级有：±20kV,便于与交流35kV、20kV的电压等级衔接;±10kV,便于与交流20kV、10kV的电压等级衔接。对于含直流母线的点对点柔性互联系统,若该直流母线由交流线路改造得到,如英国的ANGLE-DC项目,则直流母线电压的选择可参考交流电压峰值[81]：

\({{U}_{\text{DC,rated}}}=(\sqrt{2}/\sqrt{3}){{U}_{\text{AC,rated}}}\) (7)

式中：UAC,rated为交流线电压额定值;UDC,rated为直流电压额定值。

在基于FID的交直流混合柔性互联系统中,为方便不同类型发、用电设备的接入,其直流侧通常包含多个电压等级,因此,相关电压等级的选取应考虑与分布式电源、电动汽车、储能等设备及微电网的对接。次层级的直流电压一般可选在(±)375~ 400V之间,这是由于：数据中心直流母线一般为400V[80];380V与大多数工业负载电压等级匹配[82];直流375V可在双极结构下达到750V,与牵引系统和一些工业园区电压等级匹配[83],同时也是电动汽车接入的直流电压等级。次层级直流电压的选择还包括：日本大阪大学提出的±170V[84];ABB瑞典研究中心验证了大多数家电在直流供电情况下,具有与交流供电时同样的表现,并可在直流100~300V的范围内正常运行[85]。低压直流电压等级一般可选为48V,不仅与通信类直流负荷及住宅类低压负荷匹配,还适用于分布式光伏的接入;同时,采用直流48V基本不需要任何保护措施[80],对设备及人身安全有所保障。

FID是实现配电网柔性互联的关键,装置所适用的电压等级、容量与功率控制范围、传输效率、以及经济效益都与其拓扑结构的选择有关。两电平/三电平VSC由于结构与控制方法相对简单且成本较低,已在中、低压配电系统及风力发电系统中得到应用[86]。然而,随着柔性互联逐渐向中、高压配电层面展开,两电平/三电平的拓扑结构无法满足高电压、大容量及高质量输出波形的传输要求[87]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有低损耗、低占地面积、低谐波含量、不需开关器件直接串联等优点,同时,MMC具备的模块化特点更利于规模化生产与组装[88]。自2002年提出后,MMC已在柔性直流输电领域获得成功应用[89]。2016年,南瑞继保电气有限公司成功研制了20kV~20MV的MMC样机,为我国配电网的柔性互联化推广提供了良好基础。由于MMC所含开关器件数量庞大,装置成本及控制难度是其面临的主要挑战。为适应不同应用场景,现有研究中提出了多种MMC衍生拓扑结构,如三相六边型模块化多电平换流器[90]、Y型模块化多电平换流器[91]、模块化多电平矩阵换流器[92]等。

配电网中对设备安装位置和空间的限制,是制约其柔性互联化发展的原因之一。对此,FID的紧凑化拓扑结构研究已初步开展[93-96]。日本“Demonstrative Project on Power Network Technology”项目中采用了无联结变压器形式的背靠背FID,可安装在6.6kV塔杆上,有效节省了占地空间[13]。在我国的杭州江东新城柔直配电工程中,与10kV交流系统互联的换流器采用了无变压器的半桥MMC拓扑结构。延庆多端柔性闭环配电工程中也采用了去变压器的紧凑化MMC拓扑[22],其子模块采用了如图4所示的半桥全桥混合式结构[97],可防止直流侧发生故障时对整个系统造成严重的过电流影响。

FID的拓扑结构还会影响系统故障的发展过程

图4 MMC子模块半桥全桥混合式结构 Fig. 4 Hybrid topology of half- and full-bridge sub-modules in MMC

与故障特征。VSC和半桥MMC不具有故障电流阻断能力,因此需配置一定数量的断路器才能够进行故障的快速隔离。全桥MMC和混合式MMC具有故障电流阻断和故障穿越能力,因此可提高系统故障恢复速度、保证供电可靠性,但由于采用的电力电子器件较多,其设备内部损耗和投资成本都会相应增加。因此为提高设备经济性,FID拓扑结构优化的研究还需进一步开展。

全控型开关器件是FID换流器的重要组成部分。其中,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)因具有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快等优点,在柔性直流输配电领域得到了广泛应用。与IGBT相比,集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)驱动功率大且开关频率低,应用普遍程度不如IGBT。然而,IGCT具有更低的通态压降与制造成本及更高的阻断电压与通流能力,同样具有应用契机。已开展的柔性互联配电示范工程中,英国Network Equilibrium项目采用了由ABB公司提供的基于IGCT的三电平换流器;珠海唐家湾三端柔性配电工程采用了IGCT交叉箝位型换流器,该换流器结构在常规的半桥电路基础上,创新地在两个相邻IGBT子模块之间串联接入IGCT交叉箝位电路,能够实现微秒级故障电流隔离,并具有功率模块体积小、整机损耗低的优点。

表1 柔性互联配电网示范工程总结 Tab. 1 Summary of demonstration projects on flexible interconnected distribution network

FID在配电网中的选址定容涉及多种考量因素,包括接入地区的网架结构与供电容量、负荷率、分布式电源渗透率与未来并网计划等。除此之外,装置的投资成本及对环境的影响也是重要的考量因素。高效的FID优化配置方法将在提升系统运行水平的同时降低总的投资与运维费用,实现综合收益最大化。

文献[98]提出了一种基于FID的配电网随机规划模型,用于解决由光伏大规模并网引起的电压和容量越限问题。考虑到多种可调节资源相互协调的配置策略更适合未来智能配电网的发展,文献[99]提出了一种计及FID、可控分布式电源和无功补偿电容器的双层规划模型。文献[100]将FID与主动配电技术,包括需求侧响应、电压协调控制、削减新能源出力相结合,提出一种能够有效增强系统对可再生能源接纳能力的规划投资战略。目前,大多数研究仍以系统联络开关处作为FID安装的候选位置,严重限制了FID的功率调节能力。对于FID的优化布点及容量配置还需展开更加全面的探索。

采用基于全控型电力电子器件的柔性互联装置对传统配电网进行升级改造,可为现有系统面临的可再生能源及电动汽车大规模接入、电力负荷快速增长、用户对高质量供电服务的迫切需求等一系列挑战提供有效的解决手段。为更好地推进配电网柔性互联化发展,在今后的研究与实践中,可重点关注以下问题：

1）柔性互联配电网网架形态的选择需考虑原有交流系统的实际结构与运行特性。从现有的示范工程中可归纳出3种典型形态。直接采用背靠背FID进行馈线或变电站间互联的系统特点是：在负荷转供与容量共享方面具有很强的灵活性。因此,此类互联形态适合负载率、负荷用电时间、分布式电源渗透率等特性相差较大的系统;含直流母线的点对点柔性互联形态具有直流供电容量大、损耗小等优点,还能够对更广泛区域进行潮流控制,此类互联形态适合为存在功率传输需求但交流线路紧张的系统所采用;在此类形态上发展而来的基于FID的交直流混合互联系统,其特点是能够为直流形式的源、储、荷及微电网的灵活接入提供便利,同时,此类互联形态将构成未来能源互联网的基本支撑环节。

2）柔性互联配电网控制方面,通过改变FID等可控电力电子装置的控制策略,可为系统故障判别提供有效特征量,还能够对故障电气量进行控制,因此,研究柔性互联配电网控制与保护协同具有重要意义。计及多时间尺度与发用电功率波动的柔性互联配电网稳定性机理分析和控制方法也是现阶段的重点研究方向。

多层协同控制是提升系统运行稳定性和灵活性的基础架构。基于现有通信化水平,柔性互联系统控制方法的研究应以分布式控制作为切入点。随着大规模高级量测体系的构建,以及大数据、人工智能等先进技术的融合,能够无缝适应通信架构变化的分层协同运行控制方法,及其所涉及的控制模式切换指标和切换策略是系统进行灵活控制的关键,亟需被进一步探索。

运行方面,得益于FID对潮流控制自由度的提升,柔性互联配电网具有多目标优化运行能力,然而,现有研究中尚未提出多目标运行策略的具体实施方法,即如何根据系统的实时运行情况,在多种最优运行方案间进行选择和切换,相关切换标准和过渡运行策略也尚未被探索。

3）柔性互联配电网规划设计方面,直流侧电压等级的选取是有待解决和标准化的重点问题,考虑因素包括与现有交流系统电压等级的顺利对接,以及便于直流源储荷的灵活接入。

FID拓扑结构的选择与其具体应用场景有关。不同拓扑结构对系统故障特征的影响有所不同,为在保证供电可靠性的同时尽可能降低设备成本及其内部损耗,现有FID的拓扑结构亟需进一步优化。考虑到配电系统尤其是城市地区对设备占地面积的限制因素,无联结变压器结构的FID在占地面积和投资经济性方面均具有明显优势,然而由于缺少变压器的隔离作用,互联系统的交、直流侧故障容易相互影响。因此,紧凑化FID拓扑结构的设计及其故障特性分析也是柔性互联配电网进行实际应用的重要先决条件之一。

柔性互联技术对配电网的智能化发展与完善有着至关重要的作用。随着电力电子技术的日趋成熟,其单位容量成本有望继续下降,将有力推动柔性互联配电技术的广泛应用。目前针对柔性互联配电网的运行控制策略、网架结构设计、装置选型、标准规范等尚处于理论研究层面,工程应用还在起步阶段,随着国内外示范项目的陆续开展,柔性互联配电技术与应用经验将不断积累,其经济价值将得到进一步发掘。本文结合国内外示范工程,对柔性互联配电网的基本形态与特点、运行控制中的关键技术、规划设计时需考虑的重点因素和亟需解决的关键问题进行了详细阐述和总结,最后对其发展趋势进行了展望,期望对智能配电网的柔性互联化发展提供一些思路和借鉴。

在线出版日期：2020-09-03。

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