智能配电柔性多状态开关在主动配电网中的应用

范心明，孙广慧，彭元泉，李新，宋安琪，康成

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

位于电力系统末端的配电网是联系输变电系统或电源系统与用户的重要环节,是保证电能质量和保障供电能力的重要基础设施。当前，部分区域存在配电网网络结构不合理、装备落后或维护水平低等情况，造成负荷结构性缺电和电能质量差等不良后果。另外，原有配电网的网架供配电能力和自动化水平不能满足多源型及高渗透型分布式电源的大规模高比例接入和消纳。而供配电网架和线路的重新规划与建设将面临供电走廊稀缺和投资成本高昂等问题，因此需要充分利用现有网架拓扑的配送电能力。可实现配电网络灵活调整和网络潮流柔性控制的主动配电网是未来配电网发展的重要趋势[1]。

具备潮流灵活控制能力的智能配电柔性多状态开关(flexible distribution switch，FDS)是一种基于电力电子技术的新型联络开关，相比用于馈线联络的常规隔离开关与断路器，FDS具有响应速度快、开关次数不受限和控制连续等特点，可有效克服常规联络开关仅具有通和断2种状态的不足。另外，常规联络开关本身无法调控电网潮流，而FDS能够准确调控其所连馈线的有功功率与无功功率，提高配电网运行控制的灵活性、经济性与可靠性，满足分布式电源消纳和高电能质量、高供电可靠性等定制电力需求，是未来基于电力电子化配电网形态演变的重要基础。

英国帝国理工学院(Imperial College London，UK)和卡迪夫大学(Cardiff Univeisity，UK)首先提出了智能软开关(soft open point，SOP)的基本概念及其典型拓扑[2-3]，建立了两端口SOP的稳态分析和暂态仿真模型，分析表明SOP在提高配电网分布式电源消纳水平、平衡馈线负荷、快速恢复供电等方面具有巨大的潜力。国内天津大学、北京交通大学等高校研究了考虑含分布式电源的SOP优化配置方法以及SOP代替联络开关后形成的混合供电模式运行优化方法[4-6]。FDS是基于可关断电力电子器件的连续可调中压配电开关，是SOP在功能上的拓展和应用场景上的延伸，其主要特点有：①将SOP的概念从两端扩展到三端或多端，构成未来智能配电网形态演变的基础；②在满足运行经济性、灵活性与可靠性等多目标情况下，可实现FDS多种运行控制状态的无缝转换[7-8]。

本文在总结FDS原理、结构与特点的基础上，探讨FDS控制与保护技术、含FDS主动配电网协调控制技术，并结合示范工程介绍FDS在主动配电网中的主要应用场景，最后对FDS技术的发展及其在配电网中的应用进行展望。

1 柔性多状态开关的原理、结构与特点

FDS是基于全控型电力电子器件的装置，目前主要采用2个或多个完全对称的电压源换流器(voltage source converter，VSC)形成的背靠背(back to back，B2B)多端口结构，其结构如图1所示。其中ua、ub、uc为换流器输出的三相交流电压，ia、ib、ic为换流器输出的三相交流电流，图中其他符号使用说明见第1.1节分析。

图1 B2B FDS结构图Fig.1 Structure diagram of B2B FDS

1.1 柔性多状态开关的基本原理

FDS各端均采用结构完全相同的VSC，通过中间直流环节联接在一起。图1中：L为换流电抗器(其值为L)，是换流器与交流电源进行能量交换的纽带，同时起到滤波的作用；R为换流电抗器和换流器开关器件损耗的总等效电阻；C为直流侧电容器(其值为C)，起直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流以及减小直流侧谐波的作用；N为中性点；n为直流侧中性点。

(1)

式中：ω为角频率；sd、sq为换流器桥臂开关变量的d、q轴分量；Ed、Eq为交流电源电压的d、q轴分量；Udc为直流电压；id、iq为d、q轴电流分量；idc为直流电流。

在d-q同步旋转坐标系下交流电源与换流器交换的有功功率Ps和无功功率Qs分别表示为

(2)

在三相静止坐标系下，忽略等效损耗R，可以得到交流电源与换流器交换的有功功率和无功功率分别为

(3)

式中X换流电抗器等效电抗。

(4)

式中ud=sdUdc、uq=sqUdc为换流器交流输出电压的d、q轴分量。

由式(3)可知，电压一定时，有功功率主要取决于δ，控制δ就可以控制有功功率的方向及大小。当δ>0时，有功功率流进换流器，即换流器运行在整流状态；当δ<0时，换流器输出有功功率，即换流器运行在逆变状态。而无功功率主要取决于(E-Ucosδ)，且通过控制U的大小就可以控制换流器吸收或输出的无功功率及其值的大小。由式(4)还可看出，由换流器桥臂开关变量控制ud、uq就可以控制U和δ的大小。

基于脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术原理，根据有功功率参考值和无功功率参考值得到调制波的相角与调制度，即可得到换流器桥臂开关变量，并决定δ和U的大小。因此，根据有功功率和无功功率参考值，控制调制波即可控制FDS各端的VSC按照参考值输出有功功率和无功功率。

1.2 柔性多状态开关的拓扑结构

VSC早期都是采用两电平(如图1所示)或三电平(如图2所示)换流器技术[9-10]。

图2 中点钳位三电平VSCFig.2 Neutral point clamped three-level VSC

低电平换流器存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。随着工程对电压等级和容量需求的不断提升，这些缺陷体现得越来越明显，成为两电平或三电平技术本身难以突破的瓶颈。德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquadt和A.Lesnicar于2001年共同提出了模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)拓扑[11-13]，如图3所示，图中VT为电压互感器，SM为功率子模块。

MMC技术的提出和应用是VSC技术发展上的重要节点，该技术提升了工程应用效益，极大地促进了相关技术的发展及其工程应用与推广。MMC主电路包含6个桥臂，每个桥臂由1个桥臂电抗器和n个SM串联组成。桥臂功率子模块可以采半桥结构(half-bridge sub-module，HBSM)，也可以采用全桥结构(full-bridge sub-module，FBSM)。半桥结构子模块由用IGBT作开关元件的1个半桥和1个直流储能电容并联组成，全桥子模块则由用IGBT作开关元件1个全桥和1个直流储能电容并联组成。采用相同的功率器件，全桥结构子模块比半桥结构子模块多了1个半桥，体积更大，造价更高，但具有更好的控制性能。通过控制关断全桥4个开关元件可以实现直流侧的故障隔离，而半桥结构子模块则无法实现这一功能。MMC与三电平(含器件串联)关键指标对比见表1。

图3 模块化多电平电压源换流器Fig.3 MMC VSC

表1 MMC与三电平关键指标对比Tab.1 Comparison of key indicators between MMC and three-level structure

由表1可知，MMC优于三电平(含器件串联)结构，尤其是对于大容量、高电压等级的应用；因此，目前VSC多采用MMC结构。

FDS装置按电压等级可划分为单一电压等级(并联)FDS系统和多电压等级(串联)FDS系统；按照直流系统结构划分为对称单极FDS系统、不对称单极FDS系统和双极FDS系统[14-17]，典型拓扑结构如图4所示。

图4 FDS系统典型拓扑结构Fig.4 Typical topology of FDS

采用两电平、三电平换流器的FDS系统可以采用在直流侧中性点接地的方式，而基于MMC的FDS系统一般采用交流侧接地的方式[18]。采用直流侧中性点接地的两电平、三电平换流器和采用交流侧接地的MMC换流器的FDS系统均为单极对称系统。因正常运行时接地点不会有工作电流流过，不需要设置专门的接地极，而当直流线路或换流器发生故障后，整个系统将不能继续运行。

通过大地或金属回线构成的单极不对称结构，类似于高压直流输电系统的1个极。在相同的系统参数下，单极不对称系统换流器所承受的电压水平是单极对称系统的2倍，且直流侧的不对称还将造成变流器交流侧电压水平的抬升。

双极对称FDS系统可以提高系统可靠性，但是采用双极系统的变压器需要承受由于直流电压不对称造成的变压器直流偏置电压。

应用于10 kV交流配电网的单一电压等级并联型FDS系统，按直流侧接线方式可以分为放射型FDS系统和环网型FDS系统2种，如图5所示，二者对比见表2。

图5 并联型FDS拓扑结构Fig.5 Parallel topology of FDS

表2 放射型与环网型FDS对比Tab.2 Comparison of two FDS systems with radiation topology and ring topology

综合比较来看，虽然放射型FDS存在控制复杂等问题，但是采用变流器数量较少，体积小，成本较低，可扩展性强，更适合配电网的工程应用。

1.3 柔性多状态开关的特点

FDS主要实现配电网的主动、快速、灵活调节与控制，考虑工程应用与推广价值，需具备紧凑型、可扩展、模块化的结构。相比柔性直流输电，FDS有以下特点：

a)电网中的应用方面：电压等级上，FDS主要以中低压为主，而柔性直流输电以中高压甚至超高压、特高压为主；容量上，FDS单端容量一般不超过一回10 kV(20 kV)馈线容量(一般10 MVA以下)，而柔性直流输电容量少则几十兆伏安，大多为百兆伏安或上千兆伏安；电气位置上，FDS主要位于配电网馈线的中末端，实现1个馈线组或多个馈线组中两回或多回馈线的柔性互联，而柔性直流输电主要用于不同交流系统间或同一交流系统的关键节点间的远距离或近距离背靠背有功功率传输与无功调节。

b)拓扑结构方面：FDS为AC-AC型变流器，外特性上更像1套两端口(多端口)高压变频器，因此，FDS的拓扑结构不仅限于一般柔直换流阀，还可以选择高压变频器、多端口能量路由器等其他拓扑结构；柔性直流输电系统为AC-DC-AC型变流系统，拓扑结构较为单一。

c)装置体积方面：FDS只有多个交流出线端，理论上可以做到较高的能量密度；柔性直流输电的主要目的是实现功率的远距离传输，通常要配置直流电抗器，且换流阀必须具备直流出线端，换流阀的绝缘要求比较高，体积大，成本高。

d)造价成本方面：FDS是1套电力电子装置，理论上只需要1套阀控系统即可保证正常运行，成本较低，控制简单，可靠性较高；一般柔性直流输电由2个或者多个换流阀组成，除了阀控之外，还要配置极控和站控系统，成本较高，控制复杂，直流侧故障率更高，可靠性一般。

2 含柔性多状态开关的主动配电网控制与保护技术

FDS的应用将彻底改变传统配电网“闭环设计、开环运行”的供电方式，使配电网同时具备开环网络和闭环网络的优点。基于传统自动化开关的主动配电网控制依赖配电自动化系统的下行运行控制策略，且仅能通过配电自动化开关的通断来改变配电网的连络关系，无法实现潮流的主动控制，控制方式与调节能力非常有限。而FDS与配电自动化开关的协调控制将提高配电网控制的主动性、灵活性和快速性，提升配电网的主动适应能力。

2.1 FDS控制与保护技术

FDS一般采用分层、分级的控制方式，主要分为换流器设备级控制保护与装置系统级控制保护，如图6所示。

换流器设备级控制分为有功类变量控制和无功类变量控制2大类。有功类变量控制主要包括有功功率控制、直流电压控制、频率控制；无功类变量控制主要包括无功功率控制、交流电压控制。FDS的每一端换流器需同时采用1个有功类变量控制和1个无功类变量控制，如图7所示。各端口采用何种变量组合进行控制，需根据该端口所连馈线的电源情况、负荷特性与控制目标来选择确定。上述变量在换流器运行范围之内均可根据给定参考值控制。

图6 FDS分层分级控制Fig.6 Hierarchical control of FDS

图7 FDS换流器控制Fig.7 VSC control of FDS

在多端口FDS中，直流电压的稳定具有重要的意义，必须由其中1个换流器控制直流电压。现有文献中适于多端口FDS换流器直流电压控制的策略主要有主从控制、电压裕度控制和直流电压下垂控制3种[19-21]。

a)主从式控制方式是最为简单的多点直流电压协调控制策略，其实现主要依赖于多换流器间的通信网络。其基本原理是：将多端口FDS的换流器分为主换流器与从换流器，任意时刻均由主换流器控制直流电压，其他从换流器处于非直流电压控制的后备状态，仅当主换流器故障或直流电压控制能力超限时，再通过通信网络配置特定的后备换流器切换成直流电压控制模式以稳定直流电压，依次类推后续主备换流器的切换。主从式协调控制的模式切换依赖快速可靠的系统通信，以最大限度保证切换过程平滑和系统稳定。主从式协调控制的优点是原理简单、容易实现，缺点是需要配置高速通信系统。

b)直流电压裕度控制无需换流器间的通信就能够实现主换流器失去直流电压控制能力后直流电压控制功能的转换，缺点是电压偏差值的选取困难，换流器工作状态的切换不够平稳。如图8所示，主换流器VSC1失去直流电压控制能力后，切换由VSC3控制直流电压，图中Udc,ref为直流电压参考值。

图8 FDS换流器直流电压裕度控制Fig.8 DC voltage margin control of FDS VSC

c)直流电压下垂控制是根据直流电压在有功潮流失衡时也将发生偏移的特性，控制换流器直流电压随着输出功率的变化而线性地变化，控制原理如图9所示。

图9 FDS换流器直流电压下垂控制Fig.9 DC voltage droop control of FDS VSC

采用直流电压下垂控制时，功率可在各个变流器间自动分配，功率分配特性取决于I-U(或P-U)曲线的斜率。直流电压下垂控制的优点是FDS的多个换流器同时具备直流电压控制和潮流分配能力，出现功率波动时能快速平稳地进入新的稳态，缺点是对直流电压和功率的跟踪不够精确。

上述3种基本的协调控制策略各具优缺点，可以合理组合应用，推荐采用主从加裕度下垂控制作为多端FDS换流器的协调控制，具体策略为：通信有效时，选择主从协调策略，由主换流器(定直流电压控制)将直流电压控制在额定值；通信故障时，选择直流电压裕度下垂控制，使主换流器正常运行时仍能保持通信故障前的稳态工作点，提高FDS的可靠性和可控性。

以三端口FDS为例，根据3个MMC换流器的接入条件，整理出表3列举的基本运行方式。

表3 三端口FDS基本运行方式Tab.3 Basic operation mode of three-terminal FDS

2.2 含FDS主动配电网协调控制技术

在含FDS主动配电网中，FDS可以对接入馈线进行有功功率P和无功功率Q(或电压U)调节，也可以采用恒压恒频(U-f)工作模式对接入的无源馈线负荷供电[22-23]。配电网运行方式改变后，FDS换流器应相应地切换工作模式[24]，装置的系统级协调控制能根据换流器级设备的运行状态，自动识别并快速平滑切换运行方式。当交流馈线发生故障时，FDS需要与配电网自愈控制协调，实现故障快速定位、隔离以及非故障区域的快速复电，这也是含FDS主动配电网的关键技术。目前，配电网自愈控制技术主要有电压-时间型自愈、智能分布式自愈、主站式自愈。

a)电压-时间型自愈。根据馈线自动化开关检测到的电压和持续时间来进行逻辑判断，并实现故障定位、隔离和非故障区域的复电。该方式不依赖通信，自动化开关分合策略简单，但开关需要多次重合，对线路和用户设备造成冲击。

b)智能分布式自愈。依据馈线自动化开关终端对检测电压、电流和开关位置信息的交互与逻辑判断来实现故障定位、隔离和非故障区域的复电。该方法响应快速准确，但需依赖可靠的通信和自动化终端统一的互操作标准，维护难度较大，不利于大范围推广。

c)主站式自愈。基于馈线自动化开关的上下级拓扑关系，开关跳闸后由配网自动化主站判断并遥控开关隔离故障，实现非故障区域的复电，如图10所示，其中CB为馈线出线开关。当线路FB1与FB2间发生故障，FB1过流保护动作于跳闸，主站根据FB1动作信号，遥控FB2分闸，故障被隔离，然后遥控联络开关合闸，实现非故障区域的转供复电。该方法对通信网络的要求低，兼容各类自动化终端，维护难度小，易于推广应用。

图10 主站式自愈控制Fig.10 Self-healing control by master station

配电网馈线主要配置过流保护Ⅰ段(速断保护)、过流保护Ⅱ段(过流保护)、过流保护Ⅲ段(过负荷保护)、零序保护与重合闸，与FDS的协调控制举例如图11所示。t0时刻时，线路FB1和FB2之间发生故障，线路失压，FDS检测到交流失压并可保持状态不变〔或进入低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)〕；t1时刻时，FB1过流跳闸，FDS进入(或维持)LVRT；t2时刻时，配电网自动化主站自愈逻辑遥控分闸FB2，故障被隔离，FDS检测到该端口交流侧电压恢复，自动进入交流下垂(或虚拟同步)，ZB3支线负荷供电恢复正常；t3时刻时，FDS收到该端口的离网状态指令，FDS保持交流下垂不变(或者虚拟同步)；t4时刻时，FB1成功重合闸，FDS保持交流下垂(虚拟同步)不变；t5时刻时，FB2成功重合闸，FDS保持交流下垂(虚拟同步)不变；t6时刻时，主站自愈控制FDS该端口恢复并网，FDS恢复该端口P-Q运行状态。

图11 FDS与配电自动化开关协调控制Fig.11 Coordinated control of FDS and automatic switch

从上述分析可知，FDS不仅可以增强配电网运行灵活性，而且与配电网自愈控制协调配合可以实现负荷快速复电，有效提升供电可靠性。

3 柔性多状态开关应用场景与示范

FDS可以克服配电网中常规开关的不足，增强配电网主动调节控制的能力，针对具体的需求可实现不同的应用场景。

3.1 柔性多状态开关应用场景

a)实现功率转供，减少预安排停电时间。如图12所示，在配电网不同馈线的节点间或不同供电区域间采用两端口或多端口FDS联络，馈线间互为备用，可实现功率的多路径多方向支援转供，减少或避免停电。图12中，MV为中压母线，HV为高压母线，F为馈线，Sub为变电站。

图12 含FDS的主动配电网Fig.12 Active distribution network integrated FDS

b)优化潮流分布，降低网络损耗。通过FDS对有功功率、无功功率或电压实时精准调节，可优化配电网的潮流分布，缓解电压骤降与不平衡，提高电压合格水平，降低整体网损，实现配电网经济运行。

c)馈线解耦，实现负荷不间断供电。FDS两侧馈线已经解耦，一侧馈线发生故障时，对侧馈线不受故障影响。故障隔离后，FDS与配电网自愈控制协调配合，快速响应恢复非故障区的供电，克服常规开关倒闸操作引起的供电中断与合环冲击等问题；另外，对于重要或电压敏感专线负荷可在馈线首端串接FDS(如图12中FDS1)，一方面可以对母线动态无功补偿，另一方面使该专线与共母线的其他馈线解耦，免受其他馈线上故障或冲击性负荷引起的短时电压跌落或电压暂降影响，保证重要或敏感负荷的优质供电。

3.2 柔性多状态开关工程示范

2016年英国配电网运营商与帝国理工学院等科研机构合作，投资653万英镑在伦敦和布莱顿等城市的0.4 kV低压电网开展了FDS设备的研究、试验测试与工程示范。

2017年，中国南方电网有限责任公司设立“智能配电柔性多状态开关关键技术装备研发及示范应用”项目，拟运用柔性多状态开关增强配电网运行控制的灵活性，满足分布式电源消纳、电能质量改善和高供电可靠性等定制电力需求。项目依托佛山市高明区配电网，建成含多类型负荷多馈线接入的FDS示范工程，如图13所示。示范工程的三端口FDS规格为10 kV、6 MVA/6 MVA/6 MVA，结合当地网架结构特点与负荷现状，各端口分别接入到含分布式光伏，轧钢等冲击负荷，市政、精密制造等敏感性负荷的3组馈线组。该接入方式不改变原馈线组的联络关系，运用FDS将实现以下几方面的控制目标：①通过1号端口对有功功率与无功电压的调节，提高该馈线的分布式电源消纳能力；②运用3号端口的无功电压支撑作用，平滑轧钢轧铝负荷对电压的冲击，提升电能质量水平；③FDS三端口协调运行，转移峰值负荷，优化馈线组的潮流分布，实现经济运行；④FDS与馈线自动化开关协调配合，实现故障定位、隔离以及网架灵活重构快速复电，提高示范区配电网供电可靠性。

4 结论

随着智能配电技术的快速发展和应用需求的日益丰富，各种新型配电组织型式与技术手段成为智能电网领域的研究热点，日趋成熟的配电自动化装备体系也为这些技术的发展与应用提供了良好的支撑。FDS赋予了配电网更加柔性与主动的调节控制能力，相关技术的研究与应用还有待进一步推动和发展：①研究应用宽禁带功率器件和优化MMC子模块电容参数，如基于碳化硅(SiC)的器件具有更高的耐受电压、工作频率与效率，从而减少换流器子模块数量，提高装置功率密度，减少装置体积；②优化装置拓扑结构与控制算法，采用VSC交流侧无连接变压器或电抗器设计[25]，实现装置轻型化与紧凑化，减少整体占地面积；③提高柔性多状态开关的鲁棒性，适应配电网电压波动与闪变，避免谐波含量偏高时发生谐波放大、谐振或振荡；④优化含FDS配电网故障自愈的协调控制方法，提高整体供电安全可靠性；⑤FDS将改变配电网组网型式，应结合实际需求开展FDS接入方式评估与选址定容方法研究。

图13 广东佛山FDS示范工程Fig.13 FDS demonstration project in Foshan