中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术综述_张国驹.pdf

Vol.47 No.6 Mar.25,2023第 47卷 第 6期 2023年 3月 25日中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术综述张国驹1，2，裴玮1，2，杨鹏3，邓卫1，2，朱恩泽4，李倩3（1.中国科学院电工研究所，北京市 100190；2.齐鲁中科电工先进电磁驱动技术研究院，山东省济南市 250100；3.国网河北省电力有限公司，河北省石家庄市 050000；4.华侨大学信息科学与工程学院，福建省厦门市 361021）摘要：柔性互联技术可以实现配电网潮流灵活控制，是新型配电网实现坚强架构的重要技术手段。对中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术进行了综述。首先，分析了可应用于中压配电网柔性互联设备的系统结构，包括应用场景与设备组成部分。然后，对中压配电网柔性互联的电路拓扑进行了对比分析，包括模块化多电平高压型和变压器降压型两类，并对技术发展进行了展望。最后，对中压配电网柔性互联设备的跟网型和构网型控制技术进行了综述，指出了虚拟同步发电机控制策略应用于柔性互联设备时所需面对的挑战。关键词：配电网；柔性互联设备；设备系统结构；电路拓扑；控制策略0 引言配电网作为分布式可再生能源消纳和并网服务的载体，从单纯用于电力配送的电力网络向包括上级电网、本地分布式可再生发电、多种负荷和储能等要素在内的具有电能传输、分配、存储与交易功能的枢纽平台转型1。随着枢纽平台的作用越加突显，配电网运行压力日趋增大，构建“柔性可控、绿色安全”的新型配电网成为当前乃至未来一段时期的重大课题2。为了应对分布式可再生能源发电的消纳、煤改电等终端电能替代以及电动汽车等引起的用电负荷急剧增大等配电网面临的新挑战，学者们提出了一系列未来配电网的可能形态，包括低压直流储能微网3、能源局域网4、点对点结构5、柔性配电网6和蜂巢配电网7-8等。在这些可能形态中，柔性是未来配电网的重要特征之一，具体表现在当配电网内部或者外部存在不确定因素时，配电网系统具备一定的应变能力。相比于 400 V 交流低压配电网，10 kV（20 kV）交流中压配电网是 400 kW6 MW 分布式电源接入的推荐电压等级9。近年来，分布式发电快速发展等原因造成中压配电网面临的潮流双向、线路过载等问题大量增加。配电网柔性互联技术将电力电子柔性控制技术与配电网网架优化设计相结合，能够在配电网线路间和台区间提供快速准确的有功、无功功率控制和失电支援及电能质量治理功能，为挖掘配电网供电潜能和提高供电可靠性提供了有效的技术手段，是解决配电网高比例消纳分布式电源的重要技术路线。与低压配电网台区互联10相比，由于电压等级的不同导致中压柔性互联在网架与拓扑结构、关键设备、运行控制等方面均存在较大差异。目前，对于中压柔性互联技术的研究以及示范工程的开展，通常借鉴柔性直流输电工程11或者交直流配电网互联工程12-13的思路。考虑到中压配电网的线路传输容量和现场要求的差异，有必要结合中压配电网柔性互联设备的系统结构、电路拓扑和运行控制等方面进行总结和对比分析。本文对中压配电网柔性互联设备系统结构、电路拓扑和控制技术进行了梳理。首先分析了中压柔性互联的应用场景和设备组成，然后对互联拓扑的电路结构和运行结构的技术问题的研究与实践现状进行了综述，并对今后发展方向进行了展望，希望为中压配电网柔性互联技术研究与工程应用提供思路与借鉴。1 系统结构1.1应用场景柔性互联设备是一种基于现代电力电子技术，安装在配电网中，用于连接两条或多条配电馈线，通过对馈线层面进行有功/无功功率控制14，调节和优化系统层面的潮流分布，进而统筹配电系统中各DOI：10.7500/AEPS20221030004收稿日期：2022-10-30；修回日期：2023-02-02。上网日期：2023-02-20。山东省自然科学基金资助项目（ZR2021ME249）；国家自然科学基金资助项目（52177122）。18张国驹，等 中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术综述http：/www.aeps-类可调度源荷资源，最终实现系统整体运行水平的提升15的设备。柔性互联设备与可控串联补偿装置（TCSC）、静止同步串联补偿器（SSSC）和统一潮流控制器（UPFC）等柔性交流输电系统（FACTS）的区别在于，柔性互联设备需要同时具备潮流调节和故障隔离的能力。柔性互联设备作为配电网柔性特征的重要支撑，狭义的定义通常是指以背靠背型电压源变换器为代表的实现多交流馈线柔性互联的多端口电力电子设备，而广义的柔性互联设备的形态丰富多样，包括电力电子变压器16、能量路由器17、软 联 络 开 关18、智 能 功 率/信 息 交 换 基站19等。在中压配电网的柔性互联通常有如下两种应用场景20，如图 1 所示。场景 1：连接同一变电站引出的多条馈线，根据选址定容规划，柔性互联设备可以安装在馈线末端或其他优选位置上，用于调节同一变电站不同馈线之间的潮流，优化潮流分布。场景2：连接不同变电站引出的多条馈线，实现不同电压等级、不同相位的配电网合环运行，用于更大范围内的潮流优化。在场景 1 和场景 2 中，柔性互联设备在连接两条或者多条交流馈线的同时，在合理的系统设计下，都可以为直流配电线路以及新能源发电、储能和充电桩等直流设备提供直流接口，形成交直流混合柔性互联。1.2设备组成从功能角度出发，柔性互联设备是配电网中能量再次分配的重要节点，需同时具备功率和信息的监控与处理功能。因此，柔性互联设备通常由协同控制器和功率变换器两部分组成，如图 2所示。协同控制器的主要功能是根据配电自动化系统等上层控制系统的运行指令，结合所采集的交流馈线、直流线路/设备的运行数据，对接入柔性互联设备的交流馈线和直流设备进行集中管理和能量优化。协同控制器的时间尺度为秒级，主要控制策略包括对各个端口的功率/能量分配、馈线电压调节和多运行模式切换等。功率变换器根据协同控制器的指令，实现功率变换，达成功率/能量分配的设定目标。功率变换器通常由变流模块、控制模块、交流接口与直流接口模块组成。其中，变流模块主要包括 AC/DC 变流器、DC/DC 变换器等功率变换电路。控制模块主要指对功率变换电路的控制，通常以嵌入式控制器的方式，包括采样整定、数字运算、调制输出等环节。控制模块根据接收到的参考电压或功率指令，依赖所汇集的就地信息，设计闭环控制。控制模块须实现多个端口之间的功率平衡，是柔性互联设备安全稳定运行的基础。控制模块的时间尺度在百毫秒内，主要控制策略包括直流母线电压控制、柔性互联功率控制和交流馈线电压控制和多运行模式切换等。2 拓扑结构考虑到故障控制和潮流灵活调节的需求，适用于中压配电网柔性互联的电路拓扑结构有许多，常见 的 包 括 背 靠 背 型 模 块 化 多 电 平 变 换 器（BtB MMC）、背靠背型级联 H 桥 AC-DC 等背靠背型电压源换流器（BtB VSC）和 Hexverter 等直接式交交变换器。与 400 V 低压台区柔性互联设备不同，中压配电网的 10 kV 及以上高电压等级对电路拓扑结构和半导体器件都提出了更高的要求。因此，对于中压配电网柔性互联设备的电路拓扑结构，主要有两个重点研究方向：1）基于中低电压等级半导体器件电压，采用模块化多电平等技术构造中高压的柔性互联拓扑结构；根据隔离方式的不同，又可以分为工频隔离型和中高频隔离型以及非隔离型拓扑结构。2）利用隔离变压器将 10 kV 等高电压等级降低 馈线31 场景1场景2变电站1变电站2变电站3馈线11馈线12馈线13馈线14馈线21图 1中压配电网柔性互联的形态Fig.1Form of flexible interconnection of medium-voltage distribution network控制模块变流模块功率变换器直流线路/设备1直流线路/设备n交流馈线1交流馈线n协同控制器柔性互联设备1柔性互联设备2柔性互联设备3配电自动化系统直流接口交流接口功率信号;通信信号图 2柔性互联设备的基本组成Fig.2Basic composition of flexible interconnection device192023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 至 400 V 或者 690 V 等中低电压等级，然后借鉴低压台区柔性互联设备的设计思路，基于中低电压等级半导体器件和电路拓扑结构实现柔性互联。2.1中高压模块化多电平型根据是否采用公共直流母线汇集，可以将中高压模块化多电平型分为公共直流母线汇集型和直接式交交变换器型两类。其中，以公共直流母线对各交流接口和直流接口进行汇集，并进行能量交换的公共直流母线型柔性互联设备因可以实现有功无功的解耦控制，具有较强的潮流调节能力而广受青睐，是现有示范工程中常用的技术方案。2.1.1公共直流母线汇集型根据是否隔离以及隔离的方式不同，公共直流母线汇集型柔性互联设备可以分为工频隔离型、中高频隔离型和非隔离型 3种拓扑结构，如图 3所示。工 频 隔 离 型 柔 性 互 联 设 备 的 系 统 结 构 如 图3（a）所示，中压交流馈线 1和 2均通过工频联接变压器与 AC/DC 变流器相连。其中，工频联接变压器通常用于阻断零序分量在交直流间的传递，同时还可以实现与电网电压相匹配，将不同电压等级的中压配电网馈线进行异步互联。现有中压配电网互联工程项目中，通常借鉴柔性直流输电工程11或者交直流配电网互联工程12-13的思路，AC/DC 变流器通常选用模块化多电平变换器（MMC）的电路拓扑结构，子模块采用半桥子模块或者全桥子模块。该方案中，参考国标 GB/T 357272017 中低压直流配电电压导则21、TCEC 1672018 直流配电网与交流配电网互联技术要求22，接入 35 kV 交流、20 kV 交流的中压配电网时，直流母线电压通常选择20 kV；接入 20 kV 交流、10 kV 交流的中压配电网时，直流母线电压通常选择10 kV。公共直流母线的结构还具备较强的扩展能力，可用于接入更多中压交流馈线，形成多端口柔性互联 设 备。同 时，为 了 满 足 低 压 直 流 设 备 和 低 压 400 V 交流馈线的接入，在示范项目中，通常会配置隔离型 DC/DC 变换器进行电压变换，以构建 750 V直流或375 V 直流等电压等级的直流母线，类似电力电子变压器，形成交直流混合柔性互联方案，典型拓扑如图 4所示。随着模块化多电平技术研究的开展，一些新型的拓扑结构也有报道。文献 23 提出了一种通过小容量模块引出多个中压交流端口互联多条中压交流馈线的电路拓扑。文献 24 提出了一种串并联型多端口柔性互联开关，两种电路拓扑均可以实现所连接馈线间的有功潮流调控及无功功率解耦支撑，且具备模块化和端口可灵活扩展等优点，目前尚处于研究阶段。在应用于中压配电网柔性互联的场景下，图 4所示方案的不足在于模块化多电平换流器所含半导体开关器件数量多，控制系统复杂程度较高，并由此带来了设备成本的挑战。相比较而言，基于 MMC的柔性互联方案更适用于传输功率从数兆瓦到数十兆瓦的中压配电网互联应用场景。表 1列举了部分含有工频变压器联接的采用 MMC 型背靠背的中压配电网的柔性互联示范工程。工频联接变压器占地较大，限制了柔性互联在城市等对场地条件较高的应用场景的使用和推广。文献 25 提出了图 3（b）中所示的采用中频隔离的柔性互联方案，由于电力电子直流变压器两侧直流端 口 额 定 电 压 均 为 10 kV，故 将 多 个 工 作 在 500 Hz 的 双 主 动 全 桥 变 换 器（dual active bridge，DAB）输入串联输出串联（input-series output-series，ISOS）。利用中高频隔离直流变压器实现电气隔离直流设备MMCMMC中压交流馈线2中压交流馈线1ACDCDC DCDC DC电力电子直流变压器低压交流馈线图 4基于 MMC的中压配电网柔性互联方案Fig.4Flexible interconnection scheme of medium