一种基于柔性直流技术治理工业园区电压暂降的方案

蒋 科,苏 麟,钱 康,闫安心,裴昌盛

（江苏省电力设计院，江苏南京,211102）

一种基于柔性直流技术治理工业园区电压暂降的方案

蒋 科,苏 麟,钱 康,闫安心,裴昌盛

（江苏省电力设计院，江苏南京,211102）

电压暂降问题不仅会影响到用电设备的正常使用，同时也影响用户的供电可靠性。本文对电压暂降治理现状进行了简要综述，并介绍目前电压暂降常规解决方案。针对某工业园区内的电压暂降问题进行评估，分析电压暂降问题产生的原因，研究基于柔性直流技术治理工业园区电压暂降方案，并定性分析此方案的可行性和有效性。

柔性直流；电压暂降；可靠性

0　引言

随着经济发展和产业结构的调整，囊括了电子工业和先进制造业的高新工业园区已成为地方经济发展的中心，高新工业园区的建立在带动经济发展的同时，也对供电电能质量提出了更高的要求。传统的电能质量都是基于系统稳态而言的，而且电力系统中的许多传统用电负荷在相对劣质的电能质量情况下也基本可以维持正常地工作。然而，随着电网的不断建设和发展，各类敏感用户大量接入园区电网，这些敏感用户对各类型电能质量干扰，尤其是电压质量非常敏感，相应要求也提高很多。

在各种电能质量问题中，电压暂降是造成电压敏感设备不能正常工作的主要原因，通常可认为电压暂降引起70%—90%电能质量问题。据某工业园区企业的电能质量历史记录，平均每年出现10-15次电压暂降事件，其中有5-6次将严重影响企业设备的运行，造成巨大的经济损失。园区生产企业普遍认为，电压暂降已经上升为最重要的电能质量问题之一。

1　电压暂降治理现状

图1　五星变现有供电方式

国际电气与电子工程协会（IEEE）将工频电压有效值降至0.1~0.9p.u，持续时间在0.5个周波到1min之间的电磁扰动定义为电压暂降（Voltage dip or Sag）。敏感负荷对电压凹陷（Sags）、电压骤升（Swell）和电压的短时终断（Interruption）等电能质量扰动非常敏感。

工业和民用建筑中常用的电气设备，如变频器、PLC控制器、DDC控制器、接触器、继电器等器件对电压暂降都相当敏感。当电压下降到其门槛值以下、且持续时间超过1个周波时，就将导致其运行故障。

目前，电压暂降常规解决方案主要包含：不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）和电压暂降保护装置（VSP）等。不间断电源（UPS）仅针对线性、阻抗性等负载供电，如PLC、DCS、PC等，应用十分普及，但对于感性负载、电机和容性负载，UPS会出现许多问题：（a）系统容量要求很大，一般配置要求3-4P，投资成本高；（b）UPS串联进主电路，一旦出现故障，整个生产线将停止运行；（c）UPS会产生大量谐波，进而对电网产生严重的污染，影响电气设备运行的稳定性。多台变频器通过断路器与UPS连接，相互影响较大。动态电压恢复器（DVR）串联于电网侧与负荷侧之间，正常运行时DVR的旁路电子开关投入，系统损耗很小，当检测到电网侧电压跌落时，分开电子开关，瞬时投入逆变器，补偿电网电压跌落的电压差，保证负荷侧电压维持不变，DVR根据负荷容量、电压跌落深度以及持续时间估算设备容量，配置储能单元，适用于负荷功率在几百千瓦范围内的补偿容量需求。电压暂降保护装置（VSP）是一种专门针对变频器等直流负载研发的并联式直流后备电源系统，是和被保护的负载交流供电线路形成一种冗余式供电，确保负载在降压至20%残压时依然可以正常运行3~60秒，如果配合少量的储能系统，就可实现断电维续时间3~60秒，但是VSP只能针对可直流供电的负载，如变频器、直流调速系统等。

不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）、电压暂降保护装置（VSP）分别从不同解决电压暂降问题。UPS、DVR、VSP的思路是补偿。在不同的供电系统结构形式下，隔离也可以作为一种治理电压暂降的思路，即基于柔性直流技术解决方案，应用柔性直流技术隔离交流侧故障所带来的电压暂降问题。

2　某工业园区电压暂降问题的分析

2.1某工业园区电网概况

目前某工业园区主要由110kV五星变负责供电，五星变包含1台80MVA主变和1台100MVA主变，电压等级110/20/10kV，110kV进线4回，单母线分段接线。20kV出现24回，单母线三分段接线，主要供电可成科技、可功科技、长电科技三家用户。20kV出线为架空电缆混合接线、全电缆接线方式为主，架空线路型号规格为JKLYJ-240，电缆型号为YJV-3*400。五星变现状主接线如图1所示。

其中20kV五古II线（242）、20kV五古I线（232）、20kV五建线（215）、20kV五霞线（223）、20kV五伦线（226）、10kV五勇II线（982）为公用线路，其他20kV出现为用户专线。

图2　20kV五霞线故障录波

图3　20kV长电线故障录波

2.2电压暂降现象分析

以此工业园可成科技公司为代表，在其所供专线并未故障的前提下，出现公司设备闪断现象，降低了可成科技等公司的供电可靠性。从2013年9月~2016年1月，由于外线短路造成可成科技闪断的次数达到14次，设备停机至复机时间在1min~2h，很短时间的断电可以使设备关断几个小时，并造成生产线的产品出现大量次品。

根据可成科技电压暂降历史记录统计数据，由于长电公司线路（20kV五电线（236））发生相间短路或单相接地短路，造成可成科技设备闪断的次数达到4次；由于公用线路（20kV五古II线（242）、20kV五古I线（232）、20kV五建线（215）、10kV五进I线（983）、10kV五进II线（984）、20kV五霞线（223）、20kV五伦线（226）、10kV五勇II线（982）、20kV星可II线（227））发生三相短路、相间短路或单相接地短路，造成可成科技设备闪断的次数达到9次。正常情况下，可成科技供电配线和发生故障线路属于同一段母线或同一台主变供电，有4次由于五星变110kV母联开关710合环运行，扩大了故障范围。

因与其接在同一段母线上的公用线路出线故障，致使五星变20kV侧II段母线电压降低，待故障切除后（重合闸成功），母线电压恢复正常。

以2015年1月22日的故障录波为例。此次电压暂降是由于20kV五霞线（222）故障造成五成线（231）、可成II线（233）低电压，根据波形分析故障过程如下：

故障性质：三相短路故障。

综合分析：T1：0ms发生三相短路故障；20kV进线电压跌落至原有电压的50%。T2： 300ms后开关跳开；故障切除，20kV进线电压恢复正常。T3：2350ms重合成功。

对2015年12月25日的故障录波进行分析。此次电压暂降是由于20kV长电线故障造成低电压，根据波形分析故障过程如下：

故障类型：相间短路转为三相短路故障。

综合分析：T1:0ms发生相间相短路故障，200ms后转为三相短路故障；20kV进线电压跌落至原有电压的30%。T2:过电流保护动作340ms后开关跳开；故障切除，20kV进线电压恢复正常。T3:2050ms重合成功。

根据上述典型录波以及整理其他20kV出线故障录波分析可得以下结论：

（1）故障类型包括三相短路、单相接地短路以及相间短路。

（2）故障切除时间约为300-350ms，该时间决定了电压暂降持续时间。

（3）故障线路的电压跌落幅度较大，平均可跌落至额定电压的30%-50%。

（4）重要负荷与易发生故障负荷在同段母线。

（5）20kV各出线之间阻抗小，因此故障线路电压与重要负荷线路电压接近，都会受到低电压影响。

图4　电压暂降解决方案

图5　方案电网连接示意图

图6　换流器对称单极接线示意图

3　某工业园区电压暂降治理方案

3.1方案概述

根据工业园区概况、可成科技现场调研情况，选择合理的电压暂降解决方案，如图4所示：

造成可成科技易受故障影响的原因在于可成科技与其他线路同挂在相同母线。为了解决可成科技供电可靠性问题，可采用柔性直流输电系统供电方式。柔性直流输电包括整流侧和逆变侧。整流侧连接电网，逆变侧连接负荷，当电网侧发生低电压故障时，由于柔性直流输电系统具有直流环节，电网侧低电压故障不会直接影响到负荷侧，逆变侧可以通过控制策略的调整在一定时间内维持逆变电压保持不变，实现了负荷侧的故障穿越。可解决由于其它线路故障导致其母线电压跌落而发生闪断故障的问题。如果可成科技自身线路发生故障该方案无法解决问题。

由于每个重要用户都是采用双电源供电，本方案将可成科技、可功科技、长电科技双电源供电的第一路20千伏出线调整至20千伏母线III段，可成科技、可功科技、长电科技双电源供电的第二路20千伏出线调整至20千伏母线I段，并将五星变原有20千伏母线III段的公用线路调整至其他母线。

在五星变110千伏母线与20千伏母线III段之间新建柔性直流输电系统，正常运行时，#2主变20千伏侧主变开关处于常开状态，由柔性直流输电系统负责给20千伏母线III段供电，可成科技、可功科技、长电科技采用双电源的第一路电源供电。柔性直流输电系统检修状态时，#2主变20千伏侧主变开关闭合，满足供电方式“N-1”校核。

正常运行时，用户供电方式为五星变20千伏母线III段为主，五星变20千伏母线I段为辅。抗器、交直流场开关、直流线路、阀基控制系统（VBC）和换流站控制系统等。换流站按功能区划分可分为交流场区、换流阀区、直流场区、控制保护室等部分。

3.3故障场景分析

场景一（交流线路故障）：当柔直背靠背系统正常运行时，20kV母线III段独立运行。与柔直背靠背连接110kV母线电压正序电压大于0.9p.u.，持续时间小于350ms，背靠背系统可以传输额定功率，20kV母线III段电压和频率均能维持稳定，不会出现电压暂降。

场景二（柔直线路故障）：110kV母线电压正序电压小于0.9p.u.，背靠背系统传输功率需要等比例回将，例如110kV母线电压正序电压0.66p.u.（单极金属接地故障），背靠背系统传输功率为0.66p.u.。110kV母线电压出现暂降时，20kV母线III段负荷小于背靠背系统的传送功率，该20kV母线电压和频率稳定，不会出现电压暂降。当20kV母线III段负荷大于背靠背系统的传送功率，根据故障持续的时间和功率情况，会出现短时电压暂降。

4　结语

综上所述，柔性直流输电整流侧连接电网，逆变侧连接负荷，当电网侧发生低电压故障时，由于柔性直流输电系统具有直流环节，电网侧低电压故障不会直接影响到负荷侧，逆变侧可以通过控制策略的调整在一定时间内维持逆变电压保持不变，实现了负荷侧的故障穿越，可解决由于其它线路故障导致其母线电压跌落而发生闪断故障的问题。

[1] Gomez J C,Morcos M M.Voltage Sages and Recovery Time in Repetitive Events[J].IEEE Transactions on Power Delivery ,2002, 17(4):1037-1043.

[2] BOLLEN M H J，ZHANG Li-dong，Analysis of voltage tolerance of AC adjustable-speed drivers for three-phase balanced and unbalanced sags[J]. IEEE Transaction on Power Delivery,2000,36(3):110-118.

[3]陈众励,许维胜.电压中断与电压暂降的成因其及防治[J].电工技术学报,2015,30(1):518-520.

蒋科（1987），男，硕士，主要从事智能配网设计工作，。

苏麟（1980），男，硕士，主要从事智能配网设计工作。

钱康（1977），男，硕士，主要从事电力系统规划工作。

闫安心（1986），男，硕士，主要从事智能配网设计工作。

裴昌盛（1990），男，本科，主要从事智能配网设计工作。

3.2基于MMC柔性直流技术设计规模

从110kV母线建设柔性直流输电系统为重要敏感负荷供电。基于模块化多电平换流器的柔性输电系统无需开关器件直接串联，可以运用在较低的开关频率得到较优的输出电压波形，具有换流阀开关频率低，系统损耗小（约为1%），效率高的优点。

本方案采用模块化多电平换流器（MMC）作为柔性直流输电的主换流器。

（1）具有模块化特点，设计灵活，易扩展到不同电压、功率等级，满足不同工程需要

（2）具有较强的故障保护能力，采用冗余设计，提高系统的可靠性

（3）低电平台阶的多电平输出，具有较优的电能质量，甚至可取消滤波器使用，降低系统成本，节省空间。

（4）紧凑化结构设计，占地面积小

方案中所采用的MMC方案采用换流器对称单极接线形式，如图6所示。

每个换流阀由6个桥臂单元组成，采用支撑式阀塔结构。换流阀采用环抱式阀塔结构，换流阀的设计集合了电气接线设计，阀厅布置、抗震设计、静电场研究等多方面因素，形成了最优的设计方案。换流阀以阀塔的形式进行紧凑式布置，共包括4个换流阀阀塔。

柔性直流输电系统主要设备包括换流阀、连接变压器、阀电

Scheme for Controlling Voltage Sag of Industrial Park Baes on Flexible DC Technology

Jiang Ke,Su Lin,Qian Kang,Yan Anxin,Pei Changsheng
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute,Nanjing,211102,China)

Voltage sag problem not only affect the normal work of electrical equipment,but also related to the reliability.Here,the current status of voltage sag control is briefly reviewed,and the current solution of voltage sag is introduced. In view of the problem of voltage sag in an industrial park,the reason of voltage sag is analyzed.The scheme of voltage sag control based on the flexible DC technology is studied in this paper,and the feasibility and effectiveness of the scheme are analyzed qualitatively.

Flexible DC；Voltage Sag；Reliability

国家电网科技项目“交直流配电网设计关键技术研究”