摘 要： 以10 kV消弧线圈接地方式下的配电网接入无联接 变压器的智能软开关（soft normally open point ，SNOP）为 背景，通过电路分析和序分量分解的方式，建立了交流故障 时正负零序分量下的数学模型，分析了无变压器情况下，故 障侧零序电压引发直流电压波动和非故障侧交流电压波动的 内在机理，并以配电网较为关注的单相接地故障为例，详细 定量地推导了直流电压和交流电压的波动公式。基于理论分 析，提出了零序控制策略和模块化多电平换流器（ modular multilevel converter ，MMC）子模块改进策略。在PSCAD/ EMTDC内建立了一个背靠背型SNOP仿真模型，仿真结果验证了交流故障下理论分析的准确性、零序控制和MMC拓扑改 进策略的正确性。
关键词： 无联接变压器；智能软开关；模块化多电平换流 器；零序分量；全桥子模块
引 言
配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用 户。当前，配电网存在网架结构薄弱、 自动化水平低 等问题；同时，光伏、风电等新型电源，以及电动汽 车等新型负荷的接入，使得配电网内电压波动越限、 馈线功率失衡等现象日趋严重[1-2] 。常规配电网调控手 段无法有效解决以上问题。
智能软开关（soft normally open point ，SNOP） 就是在上述背景下衍生出的安装于传统联络开关处的 电力电子装置，它能够准确控制其所连接馈线的有功 功率与无功功率，从而有效应对分布式电源和负荷 带来的随机性和波动性[3-4] 。SNOP的引入彻底改变了 传统配电网闭环设计、开环运行的供电方式，避免 了开关变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控 制的实时性与快速性，同时给配电网的运行带来了 诸多益处[5]。
基于模块化多电平换流器（ modular multilevel converter ，MMC）的背靠背型两端/多端柔性直流配 电系统是SNOP其中一种实现形式。MMC采用子模块 级联实现多电平输出，无需器件直接串联，具有损耗 低、可靠性高等优点，在国内外得到了广泛应用[6-7]。MMC通常采用联接变压器与交流系统相连。联接变 压器可以实现交直流系统的故障隔离，提高系统运行 的可靠性。但是，联接变压器的配置使得柔性直流配 电系统的成本和占地大幅度增加。SNOP离城市负荷 中心较近，对紧凑化设计的要求较高，因此，SNOP 需要考虑无联接变压器的设计方案[8-10]。
SNOP在无变压器的情况下，交流系统的零序分 量将不能被天然隔离，一个交流系统的零序分量将通 过SNOP传递至其他相连的交流系统，扩大系统影响 范围。文献[8]提出了双换流变、单换流变和无换流变 三种柔性环网控制器拓扑结构，结合交直流故障特性 分析，综合比较了三者优缺点。文献[9] 根据柔性环 网控制器的技术特点提出了平波电抗器、联接变压器 等设备的紧凑化方法，以减小设备占地面积及投资， 适应不同场合需求。文献[10]针对分区互联装置单变 压器的拓扑结构，分析了桥臂闪络故障的故障特性， 提出了基于闭合子模块旁路开关的保护动作策略，确 保交流断路器可靠动作。文献[11]研究了单变压器分区 互联装置交流系统单相接地故障和直流系统单极接地 故障的相关特性，分别提出了零序电压策略和基于切 除子模块和闭合子模块旁路开关的保护动作策略。文 献[12]分析了无变压器柔性环网控制装置的交、直流故 障特性，推导了故障后换流器在不同工作模式下故障 电流的解析方程。然而，现有研究缺少对无变压器情 况下交流系统发生不对称接地故障时，SNOP系统本质 特性的分析和理论推导，以及相应控制策略设计。关键词： 无联接变压器；智能软开关；模块化多电平换流 器；零序分量；全桥子模块
引 言
配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用 户。当前，配电网存在网架结构薄弱、 自动化水平低 等问题；同时，光伏、风电等新型电源，以及电动汽 车等新型负荷的接入，使得配电网内电压波动越限、 馈线功率失衡等现象日趋严重[1-2] 。常规配电网调控手 段无法有效解决以上问题。
智能软开关（soft normally open point ，SNOP） 就是在上述背景下衍生出的安装于传统联络开关处的 电力电子装置，它能够准确控制其所连接馈线的有功 功率与无功功率，从而有效应对分布式电源和负荷 带来的随机性和波动性[3-4] 。SNOP的引入彻底改变了 传统配电网闭环设计、开环运行的供电方式，避免 了开关变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控 制的实时性与快速性，同时给配电网的运行带来了 诸多益处[5]。
基于模块化多电平换流器（ modular multilevel converter ，MMC）的背靠背型两端/多端柔性直流配 电系统是SNOP其中一种实现形式。MMC采用子模块 级联实现多电平输出，无需器件直接串联，具有损耗 低、可靠性高等优点，在国内外得到了广泛应用[6-7]。MMC通常采用联接变压器与交流系统相连。联接变 压器可以实现交直流系统的故障隔离，提高系统运行 的可靠性。但是，联接变压器的配置使得柔性直流配 电系统的成本和占地大幅度增加。SNOP离城市负荷 中心较近，对紧凑化设计的要求较高，因此，SNOP 需要考虑无联接变压器的设计方案[8-10]。
SNOP通常连接于馈线末端，本文以接入交流10 kV 配电系统的±10 kV基于无变压器MMC型的SNOP为研 究对象，结合10 kV配网中性点经消弧线圈接地的系统 特征，通过理论推导的方式，揭示零序分量在交直流之 间的传递特性，然后，从抑制零序分量的角度出发，提 出有效的系统拓扑及相应控制策略，满足无变压器型 SNOP交流故障穿越要求，提高系统运行可靠性。
图2给出了MMC的结构示意图。桥臂电感的电感 值记为2L ，桥臂等值电阻记为2R 。外部交流系统的 三相输入电压分别用ua 、ub 和uc 来表示，外部交流系 统的三相输入电流分别用ia 、ib 和ic 来表示。直流侧输 出电压和输出电流分别用 Ud 和Id 来表示，正极直流 电压和负极直流电压分别用Udp 和Udn 表示，“o ”点表 示直流侧的虚拟中性点。j相（j=a, b, c）上桥臂和下 桥臂电流分别用ijp 和ijn 来表示，ujp 和ujn 分别是j 相上 桥臂和下桥臂串联子模块组的输出端电压，uo是直流 侧中性点的对地电压。半桥子模块（half-bridge sub- module, HBSM）的结构如图2（c）所示。
图 2 MMC结构示意图
Fig. 2 Schematic diagram of MMC
1 系统接线及数学模型
SNOP具有多种系统接线形式，图1给出三种典 型方式。SNOP1 ：连接同一个10 kV供区内的两条不 同馈线；SNOP2 ：连接两个不同10 kV供区的两条馈 线；SNOP3 ：连接三（多）个不同供区的三（多）条 馈线。三个供区都采用中性点经消弧线圈接地方式， MMC与交流供区直接相连，共用接地支路。下文以 SNOP2为例进行研究。
根据文献[13]的公式推导结果，有
2 传统正负序控制下的故障响应特性
为实现交流故障穿越，根据正负序数学模型所建 立的正负序系统下的内外环控制策略也已十分成熟[14]， 在此不再赘述。无论是控制正负序下的功率还是电 流，控制环节生成的最终指令都是通过调节图2所示 的 ujp 和 ujn 实现。而仅考虑正序分量和负序分量控制 的控制器，实际输出的 ujp 和 ujn 必然仅包含正序分量 和负序分量，ej也只包含有正负序分量，而无零序分 量，即e0 = 0。
因此，在传统仅具有正负序分量控制的策略下， 不对称故障时，式（4）可改写为
............ 略 ............
图9给出了MMC2侧三相交流电压、交流零序电 压、交流零序电流的响应曲线。从图中可以看出，零 序附加控制投入后，零序电压分量和零序电流分量被 有效抑制，MMC2所在供区的交流电压迅速恢复至三 相对称稳定状态，表明MMC1侧供区发生的故障不再 影响MMC2所在供区，故障范围被有效限制。
6 结语
本文通过理论分析和公式推导揭示了SNOP在不 安装联接变压器情况下，交流故障侧零序电压引发直 流电压和非故障侧交流电压波动的内在机理，提出了 相应策略以抑制零序分量在交直流之间的传递，并得 出以下结论。
（1）当发生单相接地等不对称故障引发交流系统 产生零序电压后，该零序分量会直接叠加于正负极直 流电压上，引起正负极直流电压工频波动，但极间电 压维持不变。同时，该零序分量通过SNOP传递至非 故障供区，引发非故障系统的交流电压波动，非故障 供区的电压特性与系统参数以及供区间的电压幅值和 相位差相关。
（2）本文根据公式推导，提出了基于PR控制器 的零序控制环和增加FBSM的混合型MMC拓扑改进方 案。针对本文所描述问题的特殊性，对零序控制环和 混合型MMC都进行了针对性设计。仿真结果证实了 所提方法能够有效抑制供区内交流不对称故障所引发 的直流电压波动和正常供区交流电压波动现象，能够 将故障影响区域限制在一定范围内，有效提升配网供 电可靠性。
参考文献
