编者按：柔性多状态开关将配电网从传统单向变成了双向，从开关两种状态变成了连续柔性，增加了配电网的可控性。随着成本降低，未来可以获得更广泛的普及，发挥更大作用。上海大周提供背靠背及三端口变流器开发平台，对电力电子端口及系统调度端口进行适当开放，便于用户进行装置和系统层面的算法开发。
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柔性多状态开关是一种安装在配电网中、连接两条或多条馈线并调整馈线间功率流动的新型电力电子装置。柔性多状态开关作为提升配电网运行控制效能的重要调控手段，其关键技术的突破将促进配电网更为有效的应对用电需求多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等严峻挑战。
配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户，承担着分配电能、服务客户的重任。当前，配电网正日益面临用电需求多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等多重严峻挑战。然而现有配电网自动化水平低、结构不合理、调控手段有限，制约了配电网运行控制的灵活性，造成了馈线负荷不均衡、供电恢复时间长等问题；另一方面，配电网内非线性、冲击性负荷比重的增加，以及分布式电源渗透率的不断提高，对配电网电能质量和供电可靠性的调控手段提出了更高要求，采用常规开关等传统调控手段已难以有效解决这些问题。
柔性多状态开关作为一种安装在配电网中、连接两条或多条馈线并调整馈线间功率流动的新型电力电子装置，为未来智能配电网的实现提供了关键技术支撑与灵活调控手段。与常规开关相比（见图1），柔性多状态开关不仅具备通和断两种状态，而且增加了功率连续可控状态，兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点，可避免常规开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，还能缓解电压骤降、三相不平衡现象，促进馈线负荷分配的均衡化和电能质量的改善。
英国配电网运营商英国电网公司（UK Power Networks）与帝国理工学院等研究机构合作，2016年率先在伦敦、布莱顿等城市的400伏低压电网中开展了柔性多状态开关的研究与试验测试。2017年，中国国家重点研发计划“智能电网技术与装备”专项设立了“智能配电柔性多状态开关技术、装备及示范应用”项目，拟通过柔性多状态开关实现中压配电网供区的柔性互联，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、高供电可靠性等定制化电力需求，满足恒电压、恒功率模式下的控制精度、馈线负荷均衡度等多项指标的考核要求。项目团队由国网浙江省电力有限公司、浙江大学、南京南瑞继保电气有限公司等11家单位组成，集产、学、研、用于一体。项目团队拥有新能源电力系统等4个国家重点实验室、电力电子应用等2个国家工程研究中心、高压直流输电等2个国家能源研发中心，部分参研单位是国际大电网组织（CIGRE）B4高压直流输电和电力电子技术专委会、全国电能质量与柔性输电行业标委会的挂靠单位。
项目启动3年来，项目团队针对柔性多状态开关的拓扑、接入、调控、测试与集成进行了全方位的探索与研究，已取得显著成果（见图2）。围绕拓扑构造与紧凑化技术、需求评估与接入模式、调控理论与优化技术3个核心难题，项目团队提出了适应不同应用场景的柔性多状态开关拓扑选型和参数优化方法，研制了紧凑化、模块化、可灵活配置预制舱式装置样机，有效提升装置故障自清除能力和功率密度，减少占地面积2/3以上；提出了基于负荷矢量聚类和网络等值的配电网灵活性评价体系，创建了复杂配电网基于灵活性分区的柔性多状态开关接入方式集生成以及计及运行于一体的联合优化配置方法，实现了复杂配电网柔性多状态开关选址范围的全覆盖，优化决策时间减少了45%以上；提出了基于多端潮流灵活调控和多状态平滑切换的柔性多状态开关稳态、暂态和集群调控策略，攻克了配电网柔性互联调控技术难题，实现了配电网常态化闭环运行，线路可用率提高到100%。
当前，柔性多状态开关装置已经在浙江省杭州市大江东产业集聚区成功并网试运行（见图3），解决了因电压幅值和相位差异，相邻供区无法直连互供的实际瓶颈问题。该三端/10兆瓦柔性多状态开关示范工程仅通过一个标准模块化、集装箱式的柔性多状态开关站，实现了3条馈线功率的主动精准控制，有效提升两个10千伏供区与20千伏供区之间相互支援的潮流转供能力。
满足了所在供区高新科技企业对供电可靠性、电能质量的定制化需求，节省了新增交流馈线与调整供区设置的扩容投资与征地成本（见图4）。
2019年4月，项目团队将部分关键技术在第47届日内瓦国际发明展览会进行了现场展示（见图5），得到了国际评委的普遍认可，一举获得日内瓦国际发明展的大会金奖。
柔性多状态开关装置应用于配电网时，可以有效提升配电网运行控制效能，但同时也存在成本较高的问题。目前，装置依然以模块化多电平为主流拓扑，其中的大容量功率模块占用了较高成本。此外，柔性多状态开关装置需要依靠完善精确的控制与保护系统，以实现与其他配网设备之间的协调运行，为实现进一步的优化，减少柔性多状态开关对通信的要求，需深入研究少通信或无通信情况下的运行控制方式，便于系统扩展，抵御通讯故障风险。
接下来，项目团队将在突破柔性多状态开关拓扑选型、接入模式、优化调控、装置研制等几个方面的基础上，结合电力电子器件及其串并联技术的最新发展，从交交变换、交直交变换等功率变换方式出发，研究集小体积、低成本、高效率于一体，具有多端口、高电压、大容量特性的柔性多状态开关装置，进一步促进柔性多状态开关的推广和普及，提升配电网运行控制效能，使之成为未来配电网供区柔性互联的“枢纽站”。
致谢：感谢国家重点研发计划项目“智能配电柔性多状态开关技术、装备及示范应用”（项目编号：2017YFB0903100）的支持。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年2月刊。
专家简介
杨欢：浙江大学电气工程学院教授，浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室副主任。
杨勇：国网浙江省电力有限公司总经理。
周自强：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院副院长。
许烽：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院高级工程师。
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