柔性多状态开关接入对备自投的影响

2019-04-02王朝亮倪晓军

浙江电力 2019年3期

许烽，陆翌，王朝亮，倪晓军，丁超

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

分布式电源的大量接入和电动汽车的快速普及成为现今配电网面临的双重挑战，同时配电网普遍存在闭环设计、开环运行的现象，导致配电网内馈线功率失衡现象严重。柔性多状态开关是连接配电网中2条或多条馈线间的电力电子变流器，能够增强配电网运行控制的灵活性，促进分布式电源消纳，提升系统供电可靠性[1-3]。

备自投装置作为保证电力系统供电可靠性、连续性的一个重要设备，在整个配电网中得到了广泛应用，即使在开环运行条件下电网可靠性也有了较好的保障[4]。为满足配电网重要负荷不间断供电，提高系统供电可靠性，柔性多状态开关往往配置有孤岛运行能力。当主供电源失去后，备自投原本“检无压”动作的条件被柔性多状态开关孤岛运行所提供的交流支撑电压破坏，继而备自投装置无法立即动作，延长了停电时间，影响地区供电可靠性[5]。

本文以柔性多状态开关接入110/10 kV变电供区为例，分析柔性多状态开关的接入对变电站备自投动作时延的影响，并提出相应解决方案。

1 备自投动作原理

备自投装置需检测主供电源的电压是否小于无压整定值（一般取0.3 p.u.），当主供电源线路的电流为0，且相应的主供电源断路器已经断开，此时需要备自投装置动作，投入备用电源恢复供电。同时为满足备用电源准同期自动合闸，还需检测备用电源的电压是否大于有压整定值（一般取0.7 p.u.），以及频率是否满足要求[5]。

如图1所示，当进线DL1正常运行、进线DL2备用时，110 kV的Ⅰ母和Ⅱ母均有电压，断路器QF1和QF3在合位，QF2在分位，满足备自投的充电条件，备自投经过延时完成充电。当进线DL1因故障或其他原因被断开后，110 kV的Ⅰ母和Ⅱ母均失去电压，进线DL2有压，进线DL1无电流，此时备自投动作，断开QF1，合上QF2，进线DL2自动投入运行。

图1 110 kV变电站典型接线

2 柔性多状态开关原理

相对传统联络开关而言，基于全控型电力电子器件的柔性多状态开关不仅具备通和断2种状态，而且具有不受动作次数的限制、功率连续可控、运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点。柔性多状态开关能够在其自身容量调节范围内实时连续地调节流经的功率，促进馈线负载分配的均衡化，满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求，避免了传统联络开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，提高了配电网的安全性、稳定性、灵活性[2，6-7]。

柔性多状态开关在馈线中的连接形式多样，简单而言，可安装于馈线首端、终端和末端，图2给出了柔性多状态开关安装于馈线末端的场景[8]。馈线1和馈线2可通过柔性多状态开关实现功率互转、电压波动抑制、电能质量治理等功能。

图2 柔性多状态开关接线示意

在满足特定场合应用需求的情况下，采用不同拓扑结构时，柔性多状态开关所能实现的电压等级、容量范围以及运行效率、经济效益都不相同。文献[2]总结了六边形交-交型模块化多电平变流器、模块化多电平矩阵变流器、Y型大功率模块化多电平变流器、二极管钳位型五电平变流器、模块化多电平变流器和馈线互联变流器6种代表性拓扑结构。实际上，无论采用何种结构方式，与馈线相连的端口都具有联网/孤岛运行及相互切换能力。

柔性多状态开关安装于10 kV等中压配电网层面，容量可取1～10 MW，用于满足所连馈线上全部负荷或部分负荷的电能转供。柔性多状态开关在孤岛运行模式下，常用的控制策略为控制无源系统交流电压幅值和频率稳定[9]。当无源系统负荷的容量小于柔性多状态开关可提供的最大容量时，柔性多状态开关能够有效维持无源系统稳定运行。当无源系统负荷的容量大于柔性多状态开关时，由于流过柔性多状态开关的电流受到设备本身的限制，柔性多状态开关从交流电压幅值控制模式过渡至交流电流限幅控制模式，将交流电流（交流功率）限制于整定值之下。对于无源系统的负荷而言，限定功率的方式表现在对交流电压的控制。因此，在无源负荷容量较大的情况下，柔性多状态开关只能将交流电压稳定于某个低于额定电压的值之下，且无源负荷容量与柔性多状态开关的容量比越大，交流电压越低。

目前，110/10 kV主变压器（以下简称“主变”）的容量范围为6.3～63 MVA[10]。对于一个发展成熟的10 kV供区而言，供区总负荷总是高于单个柔性多状态开关的最大容量，在不考虑供区内分布式电源的情况下，当供区因主变进线侧故障等导致整个供区停电时，单靠柔性多状态开关将难以维系负荷需求，从而导致交流电压只能稳定在较低水平。

3 对备自投的影响分析

如图1所示，在未接入柔性多状态开关的情况下，当进线DL1断开后，Ⅰ母、Ⅱ母失压，备自投装置“检无压”迅速启动，断开QF1，合上QF2，恢复对供区的供电。整个停电恢复时间基本由备自投启动整定时间决定。

柔性多状态开关接入后，当进线DL1断开后，整个供区处于无源状态，柔性多状态开关切换至无源控制模式，但由于供电容量受限，交流电压只能维持在较低水平。但是，对于备自投而言，此时Ⅰ母和Ⅱ母不再是之前的无压状态，不满足备自投启动条件，备自投无法动作，而配电网长期欠压和严重低压的状态不利于负荷的可靠供电，是应该极力避免的。若柔性多状态开关不能将无源网络电压稳定控制住，柔性多状态开关将会闭锁，而后交流电压跌落，备自投启动，供区恢复正常供电。但是，柔性多状态开关的接入推迟了备自投的启动时间。

4 应对策略及对比分析

4.1 策略方法

从上述分析可以看出，由于柔性多状态开关具备的无源网络运行能力，导致供区变电站母线不再具备鲜明的零压特性，进而影响了备自投的正常启动，致使系统供电出现一系列问题。实际上，分布式电源的接入也存在上述类似现象[11-12]。

为有效解决上述问题，可以从两方面入手。方法1：当主变失压后，直接闭锁柔性多状态开关（或采用分断特征开关的方式），使其不再继续向变电站母线提供电压支撑，进而不影响备自投的正常投入，待电源切换成功，供区电压恢复正常后，再解锁柔性多状态开关，恢复至原先的供电状态。方法2：改变备自投的动作逻辑，使其在柔性多状态无源运行下能够正确动作，实现备用电源和柔性多状态开关复用效果，如此，即可实现无源负荷不停电情况下的备用电源切换，提高供电可靠性。

对于方法1而言，首先需要区分供区发生孤岛的范围，只有变电站失电时，才能执行方法1；否则，若是图2所示的变电站出线断路器分断引起的馈线孤岛，柔性多状态开关应继续运行，为所连馈线上的负荷不间断供电。因此，需要向柔性多状态开关引入变电站的母线电压Ub和进线电流IL，其中IL=IL1+IL2，图3给出了Ub以及IL1和IL2的正方向。若Ub小于额定电压Ub0或者IL小于某一小电流整定值IL0，变电站进线功率方向为变电站指向进线且柔性多状态开关交流出口电压Ufms与Ub同相位，则可判定变电站进线已断开（失电），具体逻辑示意如图4所示。

图3 电压电流标识示意

图4 变电站失电判断逻辑

判定为变电站失电后，柔性多状态开关再检测交流出口电压是否低于电压整定值（如0.9 p.u.）。若不是，表明当前配电网的负荷容量与柔性多状态开关并未相差许多，柔性多状态开关能够为供区提供可承受的供电电压，可持续为供区供电，但要使得备自投投入，仍需短时停电。若是，表明当前配电网的负荷容量与柔性多状态开关相差较大，柔性多状态开关在孤岛运行模式下难以提供满足负荷要求的电压，因此，可以立即闭锁柔性多状态开关或者分断事先已约束好的特征开关。该特征开关分断后，柔性多状态开关可继续为馈线上的部分负荷供电，但变电站母线电压不再有电压支撑。本文中，特征开关一般指与变电站母线相连的馈线首端开关，如图2所示的断路器QF1及QF2。变电站交流母线无压后，备自投可正常动作。

对于方法2而言，在进线分断期间，柔性多状态开关一直处于无源运行状态，能够为负荷提供持续的电力，即使部分时候电压不满足标准要求。由于失去了原本“检无压”的条件，备自投的启动判断逻辑需要重新设计。为提升判断的正确性，可以引入变电站断路器位置信息、变电站进线断路器动作信息、进线电流等，对进线故障等引起的变电站失电进行判定。其中，利用线路等故障引起的保护动作和断路器分、合位置变动及进线电流di/dt的逻辑判断是最为典型的设计方案。

4.2 对比分析

由上述分析可知，方法1仅需从变电站引入母线电压和进线电流信号，结合自身采集的交流出口电压，实现变电站状态判断和柔性多状态开关动作，进而大大减少小对备自投启动时间的影响，供区能够及时恢复供电。方法1基于独立控制思想，不依赖于供区整体通信，通信要求低，可拓展性强。未来，当同一个供区引入更多的柔性多状态开关或类似电力电子装置时，可采用相同的控制策略，配电网无需作变更。

方法2由于需要对备自投逻辑进行改进，因此，所有相关电压等级的备自投装置都要作相应调整。同时，已使用几十年且十分成熟的基于“检无压”的备自投启动逻辑被新的逻辑替代，需要一段时间的实践检验，会给配电网安全运行带来一定风险。与此同时，备自投在合上断路器的瞬间，由于备用电源和孤岛网络之间的电压差（幅值、相位等），会导致柔性多状态开关等电力电子装置出现瞬时过流等问题，需要合同期技术和过流抑制技术的配合来优化备自投过程。

实际上，从配电网电力电子渗透率的角度来看，方法1和2各有侧重点。当一个配电网中柔性多状态开关等电力电子设备的容量相比于配电网负荷容量较小时（配电网现状），方法1较为适用。一是不需要大范围地改变备自投的动作逻辑，改造范围和工作量小；二是即使变电站失电期间柔性多状态开关处于无源运行状态，但是与负荷间的容量差将导致孤岛交流电压幅值远不满足标准要求，电能质量差。随着电力电子技术的不断发展和应用，当柔性多状态开关等电力电子设备总容量超过配电网负荷容量时，方法2更为适用。当变电站失电后，电力电子设备能够完全支撑起整个供区的负荷供电，相比于备自投恢复供电所需的停电时间（3～5 s），不会引起供区负荷停电，从而可以充分利用柔性多状态开关提高供区供电可靠性。