基于UPFC的自愈配电环网及其潮流优化控制技术的研究

摘要

供电可靠性用于表征供电系统持续供电的能力，是衡量电网性能的根本指标。传统的供电可靠性只关注停电时间大于3min的持续停电，对于短时间停电影响不大的传统负荷而言能够满足要求；而随着社会经济的发展，对供电可靠性要求较高的敏感设备得到了广泛应用，停电尤其短时停电引起的负荷损失越来越大。提高供电可靠性尤其解决短时停电问题已成为国内外电网企业乃至整个社会普遍关注的焦点。
　　 配电网处于电力系统的末端，直接面向用户，70％的负荷停电都源于中低压配电网故障，配电网是提高供电可靠性的关键环节。传统配电网一般遵循“闭环设计、开环运行”的原则，即使采用配网自动化等手段，依然无法解决负荷转供引起的短时停电；单电源配电环网配备差动保护技术，能够解决馈线故障引起的停电，但无法应对电源侧故障的影响；若采用双电源配电环网，能够同时应对电源侧以及馈线故障引起的停电问题，但需要采取潮流控制措施以解决循环功率过大导致的两侧电源出力不均甚至功率倒送问题，而传统的配电网潮流控制手段存在着调节次数、调节连续性等方面的弊端，无法及时有效保证配电环网的潮流控制效果。随着现代电力电子技术与先进控制理论的发展，统一潮流控制器(unifiedpower flow controller，UPFC)在电力系统尤其输电系统中得到了成功应用，凭借其强大的潮流控制能力，能够有效提高系统运行稳定性、增强输电能力。若将其应用到配电网解决闭环运行潮流控制问题，技术上不存在难点，但需突破UPFC应用的经济性瓶颈。功率半导体技术的发展使得电力电子设备单位容量成本不断下降；且配电环网电压等级低、潮流调节量有限，所需UPFC容量较小；再者，停电对敏感负荷的损失巨大，用户关注的不仅仅是用电成本而更为关键的是停电损失，诸多因素均为UPFC应用到配电网创造了条件。
　　 本文从社会经济发展对提高供电可靠性的内在需求出发，以解决短时停电为核心目标，分别针对中低压自愈配电环网及其潮流控制技术进行研究。提出了基于中压双电源配电环网的故障无缝自愈供电系统实现方案，为保证环网稳定运行，利用UPFC对环网潮流进行控制，并着重对基于UPFC的中压配电环网潮流优化控制方法进行研究，以确保UPFC应用的经济性；针对低压多源并供系统存在的问题，提出了基于UPFC的低压母线潮流控制方法并初步进行了相关试验。具体研究内容如下：
　　 (1)中压双电源配电环网故障无缝自愈供电系统实现方法的研究。通过分析短时停电产生的原因以及传统供电可靠性提高措施存在的局限性，提出了基于UPFC的中压双电源配电环网故障无缝自愈供电系统实现方案，并与传统短时停电解决措施进行了技术经济性对比；给出了该供电系统的构成环节与关键实现技术，主要包括环网潮流控制技术与快速自愈保护算法两部分，而前者是确保系统稳定运行的前提。
　　 (2)基于UPFC的中压双电源配电环网潮流优化控制策略的研究。在分析中压配电环网潮流分布特征的基础上，得出了配电环网与输电网潮流控制机理之间的区别，给出了选择UPFC进行配电环网潮流控制的原因；为突破UPFC在中压配电网中应用的经济性瓶颈，在满足系统功率调节要求的前提下，分别提出了基于UPFC输出串联补偿电压最小、串联输出有功功率最小以及输出视在功率最小的潮流优化控制策略，从不同角度提高UPFC的应用经济性，建模仿真结果证明了三种优化方法的有效性。
　　 (3)基于UPFC的中压配电环网最优潮流控制策略的研究。推导出双电源配电环网中考虑网络损耗与节点电压偏差的最优潮流控制模型，并将该控制策略应用于含分布式电源的配电环网，仿真结果表明，网络损耗与节点电压能够得到进一步改善；为提高UPFC的经济性，构建了网络损耗、节点电压偏差与UPFC实现成本隶属函数，通过分配不同权值建立了潮流综合优化控制模型，实现了系统优化运行与UPFC应用经济性的有机结合；并对上述两种控制模型下的UPFC经济性进行了对比。
　　 (4)基于UPFC的低压多源并供系统潮流优化控制方法的研究。分析了低压多源并供点状网络的构成及其在提高供电可靠性方面的优势；推导出多个电源并供时各自的出力表达式，得到了电源出力与电压差、系统等值阻抗、低压负荷等诸多因素之间的关系，分析了导致电源出力不均衡甚至引起功率倒送的原因，提出了采用UPFC在低压母线侧进行潮流控制以均衡各电源出力的方法；针对系统参数未知情况，提出了基于扰动信号的阻抗参数在线辨识潮流优化控制方法，给出了参数辨识与潮流控制一体化实现流程；为使退出并供的电源能够及时满足并供操作条件，提出了基于UPFC的并供操作电压控制方法；简单给出了多源并供系统低压侧继电保护与基于UPFC的潮流控制之间的协调配合原则，以确保系统故障时UPFC能够主动配合继电保护动作，及时实现故障隔离；电源恢复正常后，UPFC能够主动进行电压控制，以确保待并入电源及时实现并供运行。
　　 (5)基于UPFC的潮流控制试验系统开发。结合实验室现有条件，设计开发了基于UPFC的物理试验系统，并针对低压多源并供点状网络进行了稳态潮流控制和并供操作电压控制试验，初步试验结果表明，该方式能够有效均衡电源出力、灵活控制并供操作点电压；且利用较小的UPFC容量即可实现大范围的系统潮流调节，并具有较高的调节精度。
　　 总之，本文提出的故障自愈配电环网供电系统能够有效解决短时停电问题；而基于UPFC的潮流优化控制方法在均衡潮流分布、确保环网系统稳定运行的基础上，能够有效提高UPFC应用的经济性。本文的研究为智能电网尤其智能配电网实现故障“无缝自愈”目标，提供了一种新的实现思路和方法。