考虑台区变压器经济运行区间的智能软开关控制策略_涂春鸣.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0848-11 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑台区变压器经济运行区间的 智能软开关控制策略 涂春鸣，王鑫，杨万里，郭祺，卢柏桦，肖凡（国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)，湖南省 长沙市 410082）Soft Open Point Control Strategy Considering Economic Operation Area of Distribution Transformer TU Chunming,WANG Xin,YANG Wanli,GUO Qi,LU Baihua,XIAO Fan(National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center(Hunan University),Changsha 410082,Hunan Province,China)ABSTRACT:With the wide application of distributed energy resources and electric vehicles in the distribution network,the power imbalance in the distribution area(DA)and the problem of light and heavy load operation have become increasingly severe,threatening the safe and stable operation of the distribution network.Thus,a soft open point(SOP)regulation strategy considering transformer economic operation area applied to the interconnection of DAs is proposed to achieve load balance between DNs.Further,aiming at the voltage fluctuation of DC bus caused by the load regulation,a fast energy balance control based on the regulation strategy is proposed.It can effectively improve the voltage recovery speed and the fluctuation suppression ability of the DC bus and ensure the effective implementation of the regulation strategy.Finally,the simulation and experimental results show that the proposed regulation strategy can effectively solve DAs power imbalance and heavy load problems.Moreover,the fast energy balance control has excellent power response and fluctuation suppression ability.The proposed method has strong engineering practicability and popularization value.KEY WORDS:SOP;economic operation;distribution area;DC voltage stability;control strategy 摘要：伴随配电网中分布式电源的高渗透率接入以及电动汽车等多元负荷的广泛应用，传统配电台区功率不平衡与变压器轻、重载问题日益突出，这将威胁配电网安全稳定运行。对此，该文提出一种应用于台区互联的智能软开关(soft open point，SOP)控制策略，在充分考虑变压器经济运行区间前提下，实现互联台区间负荷均衡调控；同时，针对台区负荷 基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFB2601504)；湖南省科技领军人才计划基金资助项目(2019RS3014)。Project Supported by the National Key Research and Development Program(2021YFB2601504);Hunan Provincial Science and Technology Leading Talents Program Fund(2019RS3014).调控引起的 SOP 直流母线电压波动问题，提出一种基于调控策略的能量快速平衡控制方法，有效提高直流侧电压恢复速度和波动抑制能力，确保负荷调控策略的有效实现。最后，仿真和实验结果表明该文所提的调控策略和能量快速平衡控制方法可有效解决台区功率不平衡与变压器轻重载问题，功率控制响应及波动抑制能力优异，该方法工程实用性强，具备一定推广价值。关键词：SOP；经济运行；配电台区；直流稳压；控制策略 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2126 0 引言 伴随配电网中分布式电源的大量接入与电动汽车等随机负荷逐渐广泛的使用，配电台区功率不平衡、变压器轻重载运行等问题日益突出1-3。传统配 电 网 通 常 采 用 常 开 联 络 开 关(normally-open point，NOP)连接相邻馈线以便在电网故障时提供备用供电线路，但该种结构会进一步恶化配电台区功率不平衡问题4，传统配电网互联措施已不能有效解决上述问题5。智能软开关(soft open point，SOP)是一种具有潮流调控功能的新型电力电子装置6-8。SOP 凭借可控性强、灵活性高等优点可代替机械开关实现台区潮流精准调控功能9-12。目前，国内外学者对于 SOP 在配电台区互联的研究主要集中于馈线负荷均衡13-15、电网电压调节16、新能源消纳17等方面。文献13提出一种基于二端口 SOP 的配电网馈线负荷均衡控制，但其未考虑馈线容量的限制；文献14中提出一种以变压器负载率绝对平衡为控制目标的配电台区负荷平衡控制方法，其未考虑不同型号变压器差异；文献15结合三端控制约束提出一种三端口 SOP模型预测协同控制策略，达到配电网负荷均衡及各端口第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 849 传输能力平衡的目的，但预测模型计算量大，在工程实际中操作复杂；文献16提出一种基于二端口SOP 的负载电压调节策略，虽然考虑了端口容量限制，但未对多馈线复杂工况下的负荷调控问题进行分析；文献17主要对新能源就地消纳问题进行分析，但未考虑台区负荷均衡问题。目前，关于配电网负荷调控的研究对台区变压器轻重载现象与变压器经济运行等问题考虑较少，变压器长期轻重载运行将会对配电网安全运行带来隐患。此外，由于台区互联系统内部潮流情况复杂，SOP 直流侧稳定控制是台区互联运行控制策略实施的重要前提。目前国内外学者通常采用电流前馈或功率前馈方法18-20解决 SOP 直流母线电压稳定的问题。文献18在考虑采样延时基础上提出电流前馈与微分补偿控制方法，但微分补偿会放大稳态扰动；文献19提出基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)结构的功率前馈控制，该方法明显提高直流侧响应速度，但存在稳态纹波较大问题；文献20提出一种考虑交流侧电网电压波动的多扰动量电流前馈控制，有效抑制直流侧电压暂态波动；文献21针对交流电压扰动问题设计一种自适应惯量的电压前馈控制方法，但直流侧电压波动恢复速度较慢。总体而言，现有SOP 直流电压稳定控制仍存在暂态冲击平抑难、动态响应速度慢等问题。针对上述问题，本文提出一种应用于台区互联的智能软开关控制策略。针对 SOP 进行暂态负荷调控时直流母线电压波动较大、恢复速度慢易导致SOP 系统控制失效问题，提出一种 SOP 能量快速平衡控制方法。同时，提出一种 SOP 负荷调控策略，在台区互联系统稳态运行时，该策略可有效均衡台区负荷，并约束变压器负载率维持在最佳经济运行区间。最后，基于 Simulink 仿真平台与 RT-LAB 实验平台验证负荷调控策略和能量快速平衡控制方法可行性。1 配电台区互联系统 不同配电网场景下 SOP 的连接方式、接入位置及其作用有所区别22。目前，SOP 应用场景主要包含 2 个方面：中压配电网、配电台区(低压 380V)。如图 1 所示，当 SOP 应用于中压配电网时通常接于馈线末端，实现馈线间多端合环运行与可调资源优化配置；当 SOP 应用于配电台区时常接于变压器出口侧，将地理位置上临近的台区变压器直接互联，实现台区间容量共享与负荷均衡23-24。由于 SOP应用于台区时直接将变压器低压侧进行互联，采用SOP 对台区间功率调控前后线路损耗不发生变化。图 1 不同场景 SOP 互联示意图 Fig.1 Schematic diagram of SOP interconnection in different scenarios 1.1 本文台区互联系统结构 本文以配电台区互联为研究背景，三端口 SOP台区互联系统如图 2 所示。图 2 基于三端口 SOP 台区互联系统图 Fig.2 Station interconnection system diagram based on three-port SOP distribution network 其中：DN1、DN2、DN3表示 10kV 配电网；S1-S6表示断路器；T1、T2、T3表示变比为 10.5/0.4kV 的台区变压器；SN1、SN2、SN3表示变压器的额定容量，其值分别为 630、315、400kVA。以图中所示参考功率方向为正，Pl1、Pl2、Pl3分别表示 3 个台区有功负荷总量，kW；Pb1、Pb2、Pb3分别表示 3 个台区变压器输出有功功率，kW；Ps1、Ps2、Ps3分别表示 SOP 3 个端口输出有功功率，kW。3 个台区变压器二次侧通过 SOP 进行互联，从而实现台区间容量共享与负荷功率均衡调控的目的。SOP 运行时端口间功率呈现双向流动特性，其端口拓扑结构完全对称。三端口 SOP 由 3 个输出容量均为 100kVA 的三相变换器(voltage source converter，VSC)VSC1、VSC2、VSC3按照背靠背形式构成，三端口 SOP 拓扑结构如图 3 所示。850 涂春鸣等：考虑台区变压器经济运行区间的智能软开关控制策略 Vol.47 No.2 CfecebeaLucubuaRCfecebeaLucubuaRi1i2i3CfecebeaLucubuaRiaibicCUdcVSC1VSC2VSC3 图 3 三端口 SOP 拓扑结构图 Fig.3 Three-port SOP topology diagram 图 3 中：ea、eb、ec与 ia、ib、ic分别表示电网侧各相电压、相电流；R 为线路与电感等效电阻之和；L 表示交流侧等效电感；Cf表示交流侧滤波电容；ua、ub、uc分别表示变换器交流侧三相等效电压；Udc表示直流侧电压；C 表示直流侧滤波电容，具有抑制直流侧电压纹波提供能量缓冲的作用。1.2 台区互联系统控制策略 SOP 的控制策略对台区互联系统的动态性、稳定性、经济性等具有较大影