CN108767853A - 混合型背靠背智能软开关拓扑结构、控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了混合型背靠背智能软开关拓扑结构、控制系统及控制方法，包括功率变换器及负荷开关，功率变换器由两电力电子变换器以及共用直流链电容组成，功率变换器的两端分别经隔离变压器并联接入配电网，所述负荷开关与功率变换器相并联接入配电网；正常工作模式下，仅由功率变换器调控配网系统潮流及电压分布；线路故障模式下，由负荷开关承担供电恢复功能，功率变换器仅处理部分转供功率，且故障清除后通过控制馈线间交换功率全部流经功率变换器时，流经负荷开关功率为零，即实现了负荷开关零电流开断，所述功率变换器为非全功率背靠背电力变换器。

Description

混合型背靠背智能软开关拓扑结构、控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电气控制技术领域，特别是涉及混合型背靠背智能软开关拓扑结构、控制系 统及控制方法。

背景技术

分布式电源的接入对配网供电质量、经济运行带来了严峻的挑战。传统配网调控技术(包 括基于开关操作的网络重构技术以及变压器有载调压等)难以适应有源配电网复杂多变的运 行工况。而电力电子补偿设备如动态电压补偿器、统一电能质量控制器以及统一潮流控制器 可实现配网潮流和电压柔性控制，是优化有源配电网运行与控制的重要调控设备。

近年来，研究者提出了一种可代替馈线间联络开关的智能软开关设备(soft openpoint, SOP)。相比基于开关操作的配网潮流调控技术，SOP可有效实现馈线间柔性连接，灵活、精 确、实时控制配网潮流，实现节点电压和配网损耗等多目标的实时优化管理。SOP的主要结 构有背靠背电力变换器或统一潮流控制器。相比统一潮流控制器，背靠背型SOP较易实现故 障隔离和供电恢复功能。故障隔离和供电恢复是配电网提高供电可靠性的重要技术需求，因 而SOP多采用背靠背电力变换器以综合提高有源配电网供电质量。

背靠背电力变换器柔性连接的多条馈线间无直接电气联系，可避免故障范围扩大化；并 且故障时，SOP故障侧变换器的输出功率可快速调整为零，避免SOP注入功率对故障电流的 影响。因此，背靠背型SOP不影响系统的保护整定，并可与系统协调配合，完成故障监测、 故障隔离操作。故障隔离后，传统供电恢复技术通过开关操作将失电负荷转移至非故障线路。 与之类似，SOP通过馈线间交换功率的控制可恢复故障线路供电。

然而，背靠背型SOP的设计容量由其需要转供的最大功率决定，导致传统背靠背SOP的 设计容量大，成本高、体积大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供了混合型背靠背智能软开关拓扑结构， 应用于背靠背智能软开关领域，在维持配网供电恢复需求的条件下，可有效降低背靠背电力 变换器的设计容量。

混合型背靠背智能软开关拓扑结构，包括功率变换器及负荷开关，功率变换器由两电力 电子变换器以及共用直流链电容组成，功率变换器的两端分别经隔离变压器并联接入配电网， 所述负荷开关与功率变换器相并联接入配电网；

正常工作模式下，仅由功率变换器调控配网系统潮流及电压分布；线路故障模式下，由 负荷开关承担供电恢复功能，功率变换器仅处理部分转供功率，且故障清除后通过控制馈线 间交换功率全部流经功率变换器时，流经负荷开关功率为零，即实现了负荷开关零电流开断， 所述功率变换器为非全功率背靠背电力变换器。

进一步优选的技术方案，混合型背靠背智能软开关拓扑结构，包括三种模式，分别是： 软连接工作模式、故障隔离与供电恢复工作模式、零电流开断负荷开关工作模式，将正常情 形下，基于SOP的多目标优化调控的运行模式定义为软连接工作模式，其中，工作模式的切 换是通过功率变换器控制器与负荷开关相配合操作实现的。

进一步优选的技术方案，软连接工作模式时，负荷开关保持开断状态，由功率变换器调 控配网潮流及电压分布，通过优化背靠背电力变换器的输出功率可最小化下述目标函数，实 现配网电压和损耗的综合管理。

进一步优选的技术方案，软连接工作模式时，负荷开关保持开断状态，由功率变换器调 控配网潮流及电压分布，通过优化功率变换器的输出功率最小化目标函数，实现配网电压和 损耗的综合管理，功率变换器多目标优化控制函数：

其中，分别为电力电子变换器VSC1、VSC2输出功率；f，g为配网损耗和节点电压评估函数；α、β分别为配网损耗、节点电压权重系数，其中W为功率变换器多目标优化控制函数。

进一步优选的技术方案，故障隔离与供电恢复模式，配电管理系统对馈线终端装置监测 到的故障信息进行逻辑判断，判断故障所在位置，并操作开关进行故障隔离和供电恢复；

故障发生后，混合型SOP立即退出软连接工作模式，工作至故障隔离与恢复模式，背靠 背电力变换器阻断短路电流流向未故障的馈线，避免故障范围扩大化；

故障隔离期间，故障侧电力电子变换器输出功率降为零，故障隔离期间，故障侧变换器 VSC2具备故障穿越能力，保持故障期间不脱网；

故障恢复阶段，闭合并联负荷开关，电能由非故障线路经负荷开关传输到故障线路。

进一步优选的技术方案，故障恢复阶段需要满足的支路容量、电压约束为：

其中，V_max、V_min为节点i电压V_i的上限、下限值；S_i、S_max为支路i流过功率及其上限值。

进一步优选的技术方案，供电恢复运行状态下，功率变换器输出无功功率为Q_SOP，线路 各节点电压幅值为：

其中，l_1k为节点1k至线路首端长度；X₀为单位长度线路电抗值；V′_1k，V′_2j表示功率变换 器输出无功功率为Q′_SOP时，节点1k、2j的电压幅值；m为第一馈线中节点的个数，k为m个节点中的第k个，n为第二馈线中节点的个数，h为n个节点中的第h个。

进一步优选的技术方案，线路各节点电压目标函数λ最小值表示为：

其中，V_N为额定电压；功率变换器通过实时控制输出无功功率Q_SOP大小以优化节点电压 水平，功率变换器向线路提供无功支撑以改善电网电压水平。

进一步优选的技术方案，零电流开断负荷开关工作模式，故障清除后，切换至软连接工 作模式，通过控制馈线间交换功率全部流经功率变换器，流经并联负荷开关功率为零，实现 并联负荷开关零电流关断控制。

进一步优选的技术方案，闭环运行状态下，功率变换器两输出端可看作同一节点；且电 力电子变换器VSC1、VSC2输出功率分别为S_VSC1、S_VSC2，若忽略系统损耗，功率变换器输出功率满足：

其中，P_VSCi、Q_VSCi分别为VSCi输出有功、无功功率，i＝1，2，功率变换器等效为输出功 率为Q_{SOP_K}的无功补偿器，将闭环运行状态下，馈线间潮流方向设定为由第一馈线流向第二 馈线，则节点1m注入智能软开关的功率为：

其中，Z₀为单位长度线路阻抗，表示Z₀的共轭复数；

P₀、Q₀分别为自然交换有功功率、自然交换无功功率；分别为节点1k的负荷 功率、分布式电源输出功率；分别为节点2j的负荷功率、分布式电源输出功率；l_lk为第一馈线上节点1k到线路首段长度；l_2j为第二馈线上节点2j到线路首段长度，l_2n第二馈 线节点n到线路首端的长度，l_T为线路总长度。

智能软开关注入第二馈线的功率为：

其中，功率变换器输出功率为零时即Q_{SOP_K}＝0，馈线间的交换功率为将定义为自然交换功率，l_T为线路总长度，即：

l_T＝l_1m+l_2n

进一步优选的技术方案，流经负荷开关功率与功率变换器输出功率关系为：

依据式(9)可知，功率变换器输出功率参考值满足下述方程时，流经并联负荷开关电流为 零：

P_{VSC2_ref}＝-P_{VSC1_ref}＝P₀ (10)

Q_{VSC2_ref}＝-Q_{VSC1_ref}＝Q₀ (11)

其中，P_{VSC1_ref}、Q_{VSC1_ref}分别为电力电子变换器VSC1的有功功率及无功功率，P_{VSC2_ref} Q_{VSC2_ref}分别为电力电子变换器VSC2的有功功率及无功功率。

本申请还公开了混合型背靠背智能软开关拓扑结构的控制系统，包括控制器，所述控制 器控制与上述混合型背靠背智能软开关拓扑结构相连，控制功率变换器及负荷开关的工作状 态。

本申请还公开了混合型背靠背智能软开关拓扑结构的控制系统的控制方法，包括：

将混合型背靠背智能软开关拓扑结构分为三种模式，分别是：软连接工作模式、故障隔 离与供电恢复工作模式、零电流开断负荷开关工作模式，将正常情形下，基于SOP的多目标 优化调控的运行模式定义为软连接工作模式，其中，工作模式的切换是通过功率变换器控制 器与负荷开关相配合操作实现的；

正常工作模式下，仅由功率变换器调控配网系统潮流及电压分布；线路故障模式下，由 负荷开关承担供电恢复功能，功率变换器仅处理部分转供功率，且故障清除后通过控制馈线 间交换功率全部流经功率变换器时，流经负荷开关功率为零，即实现了负荷开关零电流开断， 所述功率变换器为非全功率背靠背电力变换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的混合型背靠背智能软开关由非全功率背靠背电力电子变换器与并联负荷开关 组成。该新型结构可克服非全功率背靠背电力变换器供电恢复能力差的缺陷；相比传统背靠 背智能软开关，可有效降低背靠背电力变换器的容量和体积。

2、本发明提出了负荷开关零电流开关技术，是配网保持闭环运行状态下，通过控制馈线 间交换功率全部流经背靠背电力变换器，则流过并联负荷开关功率为零，实现负荷开关零电 流开断控制；有效增加了负荷开关的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实 施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1：混合型背靠背智能软开关结构图；

图2：基于混合型SOP的供电恢复运行示意图；

图3：故障恢复期间配网电压分布示意图；

图4：有源配电网闭环运行潮流示意图；

图5：混合型智能软开关与馈线功率交换示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的 相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时， 其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：关于软连接工作模式，本发明将正常情形下，基于SOP的电压、网损等多 目标优化调控的运行模式定义为软连接工作模式。

背靠背电力变换器，由两电力电子变换器以及共用直流链电容组成。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种混合型背靠背智能软开关拓扑结构， 包括背靠背电力变换器与并联负荷开关组成；背靠背电力变换器由两电力电子变换器以及共 用直流链电容组成，背靠背电力变换器经隔离变压器并联接入配电网。正常工作模式下，仅 由背靠背电力变换器调控系统潮流及电压分布；线路故障模式下，由负荷开关承担供电恢复 功能，且故障清除后通过灵活调控背靠背电力变换器实现闭环运行工况下负荷开关的零电流 开断，其中，背靠背电力变换器为非全功率背靠背电力电子变换器。

本文提出的混合型SOP，供电恢复阶段，相比传统背靠背SOP，电能经并联负荷开关给 故障线路供电，功率变换器仅处理部分转供功率，称之为非全功率型功率变换器。传统背靠 背功率变换器为全功率型变换器，其设计容量按照最大供电恢复容量来设计，背靠背电力变 换器的设计容量较大。本申请的中的非全功率变换器显著优点为降低了背靠背功率变换器的 设计容量，成本低。

如图1所示，混合型背靠背智能软开关系统包括背靠背电力变换器以及并联负荷开关； 其中与馈线1、2并联的变换器分别为VSC1、VSC2。背靠背电力变换器经升压变压器接入系 统。变压器同时也具有电气隔离作用，可维持任何工况下背靠背变换器VSC1、VSC2的安全 与独立运行。

混合型SOP的主要工作模式包括：软连接工作模式(本发明将正常情形下，基于SOP的电压、网损等多目标优化调控的运行模式定义为软连接工作模式)、故障隔离与供电恢复工 作模式、零电流开断负荷开关工作模式。

工作模式的切换是背靠背变换器控制器与负荷开关操作相结合的。背靠背电力变换器通 过控制器输出功率大小来快速适应不同工作模式的切换。其中负荷开关的开断指令是由配电 管理系统控制的。需要指出的是背靠背电力变换器通过控制馈线间交换功率全部流经背靠背 电力变换器时，流经负荷开关功率为零，即实现了负荷开关零电流开断。

软连接工作模式时，负荷开关保持开断状态，由背靠背电力变换器调控配网潮流及电压 分布。通过优化背靠背电力变换器的输出功率可最小化下述目标函数，实现配网电压和损耗 的综合管理。

其中分别为变换器VSC1、VSC2输出功率；f，g为配网损耗和节点电压评估 函数；α、β分别为配网损耗、节点电压权重系数。其中W为背靠背电力变换器多目标优化控 制函数。

背靠背电力变换器主要实现下述多目标调控功能：(1)规范节点电压在标准范围内；同 时平抑因分布式电源出力和负荷变化引起的电压波动；(2)最小化线路损耗，实现配网经济 运行。而非全功率背靠背电力变换器的设计容量则基于正常情形下配网负荷均衡、电压调节、 网损优化等目标的优化调控能力设定。

本申请通过增加负荷开关，提出了混合型的装备。故障恢复时由并联负荷开关供电，背 靠背电力变换器设计容量得到了有效降低。

故障隔离与供电恢复模式：故障隔离与恢复是配电管理系统重要的应用功能，配电管理 系统对馈线终端装置监测到的故障信息进行逻辑判断，迅速判断故障所在位置，并操作开关 进行故障隔离和供电恢复。基于配电管理系统的故障隔离与恢复技术可适用于复杂多变的配 电网络。故障发生后(以馈线2发生短路故障为例)，混合型SOP立即退出软连接工作模式， 工作至故障隔离与恢复模式。背靠背电力变换器阻断短路电流流向馈线1，避免故障范围扩 大化。故障隔离期间，VSC2输出功率降为零，避免混合型SOP注入功率对故障电流大小和 方向的影响。故障隔离期间，故障侧变换器VSC2具备故障穿越能力，保持故障期间不脱网； 若系统发生永久性故障，混合型SOP将配合系统完成下一步的供电恢复操作。

配电管理系统对配网的优化运行、供电可靠性进行统一管理，配电管理系统一般安装于 变电站内部。混合型SOP安装于线路末端，其控制系统负责调控背靠背变换器的输出，以优 化配网的潮流。

故障恢复阶段，如图2所示，混合型SOP立即闭合并联负荷开关，电能由非故障线路经 负荷开关传输到故障线路。混合型背靠背SOP的供电恢复目标主要为：

(1)最大化供电恢复范围；

(2)重要/敏感负荷优先供电；

(3)满足式(2)所示的支路容量、电压约束。

其中V_max、V_min为节点i电压V_i的上限、下限值；S_i、S_max为支路i流过功率及其上限值。混合型背靠背SOP的供电恢复模式与传统基于网络重构的供电恢复模式一致，即通过开关操 作，选择最优供电路径供电，实现上述运行优化目标。

供电恢复过程中，背靠背电力变换器可向线路提供无功功率以改善末端电压偏差较为严 重的情形，从而进一步提升混合型背靠背SOP的供电恢复能力。下文将详述供电恢复期间背 靠背电力变换器的无功补偿方法。

如图3所示，供电恢复运行状态下，背靠背电力变换器两输出端可看作同一节点，背靠 背电力变换器输出无功功率为Q_SOP，线路各节点电压幅值为：

其中，l_1k为节点1k至线路首端长度；X₀为单位长度线路电抗值；V′_1k，V′_2j表示背靠背电 力变换器输出无功功率为Q′_SOP时，节点1k、2j的电压幅值。目标函数λ最小值可表示为：

其中，V_N为额定电压；背靠背电力变换器通过实时控制输出无功功率Q_SOP大小以优化节 点电压水平。若馈线1发生故障，故障隔离和供电恢复的运行与控制策略与上述类似。

零电流开断负荷开关工作模式：故障排除后，混合型SOP应开断负荷开关，切换至软连 接工作模式，恢复SOP的潮流和电压调节能力。由于负荷和分布式电源分布不一致，馈线间 将产生一定的循环功率，造成开断并联负荷开关须承担一定的投切成本。为此，本发明提出 了负荷开关的零电流开断技术。

闭环运行状态下，背靠背电力变换器两输出端可看作同一节点；且背靠背电力变换器 VSC1、VSC2输出功率分别为S_VSC1、S_VSC2。若忽略SOP系统损耗，背靠背系统输出功率满足：

其中P_VSCi、Q_VSCi分别为VSCi(i＝1，2)输出有功、无功功率。则如图4所示，SOP背靠背电力变换器可等效为输出功率为Q_{SOP_K}的无功补偿器。为论述方便，本发明将闭环运行状态下，馈线间潮流方向设定为由馈线1流向馈线2。则节点1m注入智能软开关的功率为：

其中，Z₀为单位长度线路阻抗，表示Z₀的共轭复数；同理，智能软开关注入馈线2的功率为：

其中，背靠背电力变换器输出功率为零时(Q_{SOP_K}＝0)，馈线间的交换功率为 本发明将定义为自然交换功率；P₀、Q₀分别为自然交换有功功率、自然交 换无功功率；分别为节点1k的负荷功率、分布式电源输出功率；分别为 节点2j的负荷功率、分布式电源输出功率；Z₀表示单位长度线路阻抗；l_1k为馈线1上节点 1k到线路首段长度；l_2j为馈线2上节点2j到线路首段长度，l2n；馈线2节点n到线路首端 的长度，l_T为线路总长度，即：

l_T＝l_1m+l_2n (8)

在如图5所示的混合型SOP与馈线1、2功率交换示意图中，流经负荷开关功率与背 靠背电力变换器输出功率关系为：

依据式(9)可知，背靠背电力变换器输出功率参考值满足下述方程时，流经并联负荷开关 电流为零：

P_{VSC2_ref}＝-P_{VSC1_ref}＝P₀ (10)

Q_{VSC2_ref}＝-Q_{VSC1_ref}＝Q₀ (11)

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员 来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，包括功率变换器及负荷开关，功率变换器由两电力电子变换器以及共用直流链电容组成，功率变换器的两端分别经隔离变压器并联接入配电网，所述负荷开关与功率变换器相并联接入配电网；

正常工作模式下，仅由功率变换器调控配网系统潮流及电压分布；线路故障模式下，由负荷开关承担供电恢复功能，功率变换器仅处理部分转供功率，且故障清除后通过控制馈线间交换功率全部流经功率变换器时，流经负荷开关功率为零，即实现了负荷开关零电流开断，所述功率变换器为非全功率背靠背电力变换器。

2.如权利要求1所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，混合型背靠背智能软开关拓扑结构，包括三种模式，分别是：软连接工作模式、故障隔离与供电恢复工作模式、零电流开断负荷开关工作模式，将正常情形下，基于SOP的多目标优化调控的运行模式定义为软连接工作模式，其中，工作模式的切换是通过功率变换器控制器与负荷开关相配合操作实现的。

3.如权利要求2所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，软连接工作模式时，负荷开关保持开断状态，由功率变换器调控配网潮流及电压分布，通过优化功率变换器的输出功率最小化目标函数，实现配网电压和损耗的综合管理，功率变换器多目标优化控制函数：

其中分别为电力电子变换器VSC1、VSC2输出功率；f，g为配网损耗和节点电压评估函数；α、β分别为配网损耗、节点电压权重系数，其中W为功率变换器多目标优化控制函数。

4.如权利要求2所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，故障隔离与供电恢复模式，配电管理系统对馈线终端装置监测到的故障信息进行逻辑判断，判断故障所在位置，并操作开关进行故障隔离和供电恢复；

故障发生后，混合型SOP立即退出软连接工作模式，工作至故障隔离与恢复模式，背靠背电力变换器阻断短路电流流向未故障的馈线，避免故障范围扩大化；

故障隔离期间，故障侧电力电子变换器输出功率降为零，故障隔离期间，故障侧变换器具备故障穿越能力，保持故障期间不脱网；

故障恢复阶段，闭合并联负荷开关，电能由非故障线路经负荷开关传输到故障线路。

5.如权利要求4所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，故障恢复阶段需要满足的支路容量、电压约束为：

其中，V_max、V_min为节点i电压V_i的上限、下限值；S_i、S_max为支路i流过功率及其上限值。

6.如权利要求4所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，供电恢复运行状态下，功率变换器输出无功功率为Q_SOP，线路各节点电压幅值为：

其中，l_1k为节点1k至线路首端长度；X₀为单位长度线路电抗值；V′_1k，V′_2j表示功率变换器输出无功功率为Q'_SOP时，节点1k、2j的电压幅值；m为第一馈线中节点的个数，k为m个节点中的第k个，n为第二馈线中节点的个数，h为n个节点中的第h个。

7.如权利要求6所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，线路各节点电压目标函数λ最小值表示为：

其中，V_N为额定电压；功率变换器通过实时控制输出无功功率Q_SOP大小以优化节点电压水平，功率变换器向线路提供无功支撑以改善电网电压水平。

8.如权利要求1所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构，其特征是，零电流开断负荷开关工作模式，故障清除后，切换至软连接工作模式，通过控制馈线间交换功率全部流经功率变换器，流经并联负荷开关功率为零，实现并联负荷开关零电流关断控制。

9.混合型背靠背智能软开关拓扑结构的控制系统，其特征是，包括控制器，所述控制器控制与上述权利要求1-8任一所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构相连，控制功率变换器及负荷开关的工作状态。

10.如权利要求9所述的混合型背靠背智能软开关拓扑结构的控制系统的控制方法，其特征是，包括：

将混合型背靠背智能软开关拓扑结构分为三种模式，分别是：软连接工作模式、故障隔离与供电恢复工作模式、零电流开断负荷开关工作模式，将正常情形下，基于SOP的多目标优化调控的运行模式定义为软连接工作模式，其中，工作模式的切换是通过功率变换器控制器与负荷开关相配合操作实现的；

正常工作模式下，仅由功率变换器调控配网系统潮流及电压分布；线路故障模式下，由负荷开关承担供电恢复功能，功率变换器仅处理部分转供功率，且故障清除后通过控制馈线间交换功率全部流经功率变换器时，流经负荷开关功率为零，即实现了负荷开关零电流开断，所述功率变换器为非全功率背靠背电力变换器。