多应用场景低压配网无缝合环转电解决方案

2022-07-04李俊林韩捷谢聪刘晓张旭王丹

电力建设 2022年7期

李俊林，韩捷，谢聪，刘晓，张旭，王丹

(1.广东电网有限责任公司广州供电局, 广州市 510620;2.华中科技大学电气与电子工程学院, 武汉市 430074)

0 引言

配电网作为电力系统的末端,承担着向客户提供与分配电能的重要任务。随着配网储能的普及,分布式电源的快速发展与大量接入[1],配电网正在逐步向多源复杂、源网荷储多元协调的主动配电网转变,这为配电网保证供电可靠性、供电质量带来了机遇与挑战。国内的配电网普遍采用“闭环设计、开环运行”的供电方式[2],随着配电网的改造升级,开环运行不仅会带来倒闸期间短时停电的问题[3],无法保障重要用户的持续供电,而且不能充分发挥分布式电源的效能。

由于欧美等国家配电网建设初期就纳入了先进的配电自动化系统,馈线或用户侧一旦发生故障,配电自动化设备自动将故障隔离[4]。世界上一些国家和地区(中国台湾、新加坡等地)开始考虑采用配电网闭环运行的模式[5-6],当某处电源或馈线故障时通过操纵分段开关隔离故障,通过重合闸技术快速恢复供电。但是初期国内配电网投资建设规模不大,常开网络改造为常闭网络需要一定的时间。合环转电作为一种重要的配电网络重构技术,在提高配电网可靠性方面发挥着重要的作用[7]。一些地区已经开始通过合环转电的方式提高供电可靠性[8]。

配电网在合环转电时,由于合环点两侧存在电压差、相角差,以及主变容量、两侧负荷的差异,合环操作会产生较大的合环电流[9-10],造成设备过载、继电保护动作。因此,合环前需要对合环点两侧的电压差、相角差进行判断,提高合环成功率。已有不少文献对配电网合环进行理论分析与现场实验验证[11-13]。这些分析都是根据合环等值模型计算合环电流[14-15],进而对合环风险进行评估[16]。但是不论经济性评估还是技术性评估,都是对合环电流是否在允许范围内的一种判断,无法消除环流。虽然一些研究机构开发了低压智能合环转电箱[17],但它们对不满足合环条件的台区无法合环。此外,考虑到配变高低压绕组接线形式的不同,两个台区可能出现30°甚至60°相角差,已不满足常规低压合环转电的条件。

针对大角度差低压配网无缝合环转电的技术难题,本文提出两种解决方案:1)统一电能质量控制器(unified power quality conditioner,UPQC)型拓扑;2)背靠背双电压源型变流器(voltage source converter,VSC)拓扑,从而填补低压无缝合环转电的空白。起初,UPQC 主要应用于配电网敏感负荷的电能质量调节[18],它能够兼容串联补偿和并联补偿。背靠背拓扑在柔性直流输电[19]、交直流混合配网智能软开关[20]等场景发挥着重要的作用。本文首先分析低压配电网的典型转供场景与合环方式,明确无缝合环转供装置的适用场合。给出两种方案的接线方式,深入分析每种方案的工作原理与容量参数。针对低压配电网广泛存在的三相不平衡与谐波污染,本文从结构与控制两方面对方案提出改进措施。最后通过仿真验证两种方案在大角度差无缝合环转供的有效性。

1 典型转供场景与基本合环方式

1.1 典型转供环境

台区之间建立低压联络能够提高故障模式的相互支援能力。按照低压联络方式、转供电源类型可将低压配电网合环转供场景分为3 种类型,分别是相邻配变低压母线联络、低压主干线末端联络和移动发电车临时转供,如图1 所示。以广州地区低压配网为例,台区之间的负荷转供一般通过低压联络柜进行合解环操作,操作的成功率严重依赖于当天负荷情况与电网运行方式。对于移动发电车转供,安装准同期的发电车可以做到小冲击并网,但是,现存大量未安装准同期的发电车仍然采用先停电后接入发电车的转供模式。

图1 典型转供场景Fig.1 Typical load transfer scenarios

1.2 基本合环方式

配电网的网络结构方式以环式、辐射型等网络结构方式居多。不同的配电网网络结构方式不同,合环方式也不同。对于220 kV 电源的0.4 kV 配网合环转电,按照合环点10 kV 侧电源来源的不同,可将合环方式分为3 类。类型I:同一片网相同10 kV 线路馈线间联络;类型II:同一片网不同10 kV 线路馈线间联络;类型III:不同片网各自的10 kV 线路馈线间联络。这3 类合环方式的示意图如图2 所示。不同的合环方式主要影响合环点两侧电压的相角差。对于类型II,两条10 kV 进线分别来自不同的220 kV 变电站主变,由于两主变的中压、低压侧绕组接线方式的不同,合环点可能会出现30°或60°相角差。而不同片网的两个低压合环母线的相角差可能具有任意数值。

图2 基本合环方式Fig.2 Basic loop closing modes

2 无缝合环转电解决方案

2.1 基于UPQC 的无缝合环方案

UPQC 型无缝合环转电装置接入配电系统的示意图如图3 所示,它由两个背靠背连接的电压源型换流器VSC1 和VSC2、三个辅助开关、工频变压器构成。单个VSC 的拓扑结构如图4 所示。 VSC1 为装置提供能量,VSC2 通过工频变压器串联在两个台区之间,工频变压器能够提供输入与输出之间的电隔离,限制电网故障的短路电流。 K3是两个台区之间的低压联络开关,一般处于常开状态。该装置通过两个合环开关与系统进行连接,具有接线方便、结构简单、可靠性高的优点。当采用移动化设计时,可实现“即插即用、插拔便捷、台区共享”等功能。

图3 UPQC 型无缝合环转电装置拓扑结构Fig.3 Topology of seamless closed-loop load transfer based on UPQC structure

图4 VSC 的拓扑结构Fig.4 Schematic structure of a VSC

该拓扑面向大角度差(0° ～30°)电网间无缝合环转电等应用场景,解决普通合环产生冲击、适用范围狭窄的问题。假设主变T2需要检修,通过该装置实现待停电台区负荷的不停电转供,转供电流程分为3 步:

1)无缝合环:VSC2 通过串联变压器向线路注入一个可以四象限调节的耦合电压,以补偿两个低压台区之间的电压幅值差和相角差,以满足无缝合环的条件。

2)负荷转移:在合环成功后,将负荷功率缓慢转移至联络线,转移完成后,断开断路器BRK2,主变T2退出运行。

3)装置退出:控制VSC2 输出电压缓慢减小至0,闭合K3使装置旁路,实现无缝退出运行。

2.2 基于背靠背变流器的无缝合环方案

基于背靠背结构的无缝合环转电装置的拓扑结构如图5 所示。在图5 中,2 个VSC 与3 个辅助开关配合,就能够实现无缝合环转电。 3 个开关的作用与图3 所示拓扑一致。与K3串联的小电感L 用来抑制旁路背靠背拓扑瞬间产生的冲击电流。对于待停电的台区而言,发电车、电池等都可以为其提供转供电源。除了连接电网,背靠背拓扑更主要的是还能面向发电车、电池等转供电场景,解决接入时间长、接入需停电、恢复运行方式再停电的普遍现象。

图5 背靠背型无缝合环转电装置拓扑结构Fig.5 Topology of seamless closed-loop load transfer based on back-to-back structure

仍然以主变T2检修为例,与UPQC 型拓扑工作原理类似,背靠背型拓扑的工作流程也分为合环、转电和退出3 个过程。

1)无缝合环:调节VSC2 的输出电压,使得合环开关K2两侧的电压幅值差、相角差为0,闭合K2即可实现无缝合环。

2)负荷转移:在合环成功后,将负荷功率缓慢转移至联络线,转移完成后,断开断路器BRK2, 主变T2退出运行。

3)装置退出:背靠背拓扑的退出过程分为两步。第1 步是控制B-2 与B-1 处的电压幅值相位相同,旁路开关将装置旁路。第2 步是控制VSC2 的输出电流缓慢减小至0,从而实现装置的无缝退出。

3 两种无缝合环转电方案特点分析

3.1 容量分析

1)UPQC 型拓扑容量。

无缝合环转电装置在运行期间承载的功率不断发生变化,在负荷转移完毕时达到最大。如果忽略损耗,串联VSC 和并联VSC 流过的有功功率相等,并联VSC 做单位功率因数运行时,其无功消耗为0。UPQC 型无缝合环装置用一个串联在线路中的电压源等效,便得到用于容量计算的稳态等效电路,如图6 所示。

图6 UPQC 型拓扑稳态等效电路Fig.6 Steady-state equivalent circuit of the topology based on UPQC

在图6 中,假设系统三相对称,电压、电流都是以标幺值表示的电气量,假设V1的相位为δ,V2的相位为0,X1,X2分别是两台配变的短路阻抗,负荷用一个基波电流源和一个谐波电流源相并联模拟,图中I1和I2为基波源,Ih1和Ih2为谐波源。两个负荷的功率因数角分别设为φ1和φ2。

由于低压配变的漏抗数值非常小,通常为几十μH,这里可以假设i,j节点的母线电压与V1和V2一致。根据基尔霍夫电压定律,串联补偿电压相量为:

所以,串联变流器VSC2 的最大容量为:

并联变流器VSC1 的最大容量为:

通过式(3)可以发现,串联变流器通过的功率只占负荷功率的一小部分,因此具有较高的功率密度。考虑到实际情况,此拓扑不能够做到对相差任意角度差的两个台区的合环转电。

2)背靠背型拓扑容量。

背靠背拓扑是全功率变流器,需要输送全额的负荷功率,这意味着相同补偿容量下背靠背拓扑的成本更加昂贵。 VSC2 的最大容量等于转电侧负荷的视在功率,根据有功功率平衡,VSC1 的最大容量等于负荷的有功功率。因此,VSC2 的最大容量为:

VSC1 的最大容量为:

由式(5)、(6)可知,背靠背型拓扑的容量与负荷电压、电流有关,与两个台区的相角差无关,因此,该拓扑可以适应两个台区任意相角差的无缝合环转电。

为了比较两种拓扑在不同角度下的容量大小,需要确定一个临界角度。假设如下场景:两侧电网线电压有效值均为400 V,负荷电流有效值为250 A,直流侧电压为800 V。图7 给出了两种拓扑的容量随着相角差的变化情况。当δ＜60°时,UPQC 型拓扑的容量较小;当δ＞60°时,背靠背型拓扑的容量较小。另外,由于UPQC 型拓扑直流侧电压的限制,串联补偿电压的幅值是有限的,也即很难做到0° ～180°范围内的补偿。反映在图7 中,UPQC 型拓扑提供的最大补偿角度是75°。

图7 两种拓扑的容量与相角差的关系Fig.7 Relationship between capacity and phase angle difference of two topologies

3.2 负载电流不对称和谐波的影响

由于负荷在时间和空间上随机分布,以及非线性负荷的渗透,这将造成现有低压配电系统三相不对称、谐波含量大的现状。无缝合环转电装置在三相不对称和有谐波的电网中的正常工作是一项重要的考核指标。考虑到低压配电网采用三相四线制接线,电网电压的不对称度非常小,而负荷电流主要包含3 次和5 次谐波。定义负荷电流不对称度dubi如下。

式中:ILi(i= A, B, C)为三相负荷电流有效值;IN为负荷电流额定值。

对于UPQC 型拓扑,当负荷电流三相不对称时,需要维持转电侧负荷电压的平衡,因此,控制策略需要考虑负荷三相电压的平衡问题。当负荷电流含有谐波时,谐波电流通过装置,会增加装置的损耗和无功容量,降低装置的效率。同样,隔离变压器的漏感要承担一部分谐波电压,负荷电压的电能质量要下降。一方面,由于负荷电流中三次谐波含量最大,当UPQC 型拓扑自带的隔离变压器阀侧采用三角接法时,可以有效避免三次谐波电流流过变流器本身。另一方面,可以通过加入一些阻尼电阻或改善控制算法来抑制谐波放大。

对于背靠背型拓扑,为了确保逆变器向无源负荷供电时三相电压的对称性,有3 种途径可供选择。一是在直流侧引入分裂电容,构成三相四线制输出,二是采用三相四桥臂拓扑,三是逆变器侧安装隔离变压器,采用DYg 接法,使得输出侧构成三相四线制。第1 种途径成本低、实现简单,但是,谐波电流直接通过变流器,引起装置的额外损耗与发热。此外,需要采取较大的电容并考虑2 个电容的均压问题。第2 种途径只增加一对桥臂,成本比第1 种途径稍高,但是对第4 桥臂的控制十分复杂。第3 种途径虽然可以限制三次谐波电流的传递,但是会增加装置的体积和重量。对于以上3 种途径,当负荷电流dubi值很大时,将引起逆变器输出电压不平衡加重,需要添加负序或零序控制器来抑制逆变器输出电压的零序或负序分量。

4 仿真分析

为了研究两种方案在不同转供场景下的运行特性,在Matlab/Simulink 平台分别搭建了图3 所示的UPQC 型和图5 所示的背靠背型无缝合环转电仿真模型,并设计了相应的控制策略。 UPQC 型拓扑的最大补偿角度为30°,最大通流为250 A,背靠背型拓扑最大通流为250 A。配电系统主要参数如下:两台配变容量为630 kV·A,两侧电压的相位差为10°。UPQC 型拓扑的仿真参数为:滤波电感为2 mH,滤波电容为150 μF,隔离变压器变比为460 V/230 V,直流电压为800 V,直流侧电容为4700 μF,开关频率为5 kHz。背靠背型拓扑的仿真参数为:滤波电感为1 mH,滤波电容为150 μF,直流电压为800 V,直流侧电容为4700 μF,限流电感为100 μH,开关频率为5 kHz。

仿真主要包括两种应用场景:1)合环类型I;2)移动发电车并网。针对场景1)设置两种电网工况:线性平衡负载和非线性不平衡负载。

1)线性平衡负载。

两种方案在工况1 的仿真波形如图8 所示,图8分别给出了转电侧的负荷电压和装置流过的电流波形。从图中可以看出,UPQC 型拓扑在突然投入负荷后负荷电压呈现10%的降落,在2 个周波内恢复正常;而背靠背型拓扑负荷电压有接近25%的降落,大约在4 个周波恢复正常。

图8 工况1 的仿真结果Fig.8 Simulation results of operating condition 1

2)非线性不平衡负载。

负荷电流不对称度设置为10%,并添加15%的三次谐波和7%的五次谐波,仿真结果如图9 所示。仿真结果表明,在装置投入期间,负荷电压也出现了一定程度的不对称和畸变,对负荷电压在装置投入期间做傅里叶分析。在图9(a)中,负荷电压的总谐波畸变率(total harmonic disorder,THD)值为16.6%,三次谐波含有率为15.9%,五次谐波含有率为4.6%。在图9(b)中,负荷电压THD 值为8.1%,三次谐波含有率为6.7%,五次谐波含有率为3.0%。相比之下,背靠背拓扑具有更优质的电能质量。装置退出之后,负荷电压均恢复为三相对称正弦电压。

图9 工况2 的仿真结果Fig.9 Simulation results of operating condition 2

(3)移动发电车并网。

采用背靠背拓扑实现发电车无缝合环转电,仿真模型如图1(c)所示。发电车采用柴油发电机模型,三相不对称负荷电流设为216、236、189 A,仿真结果如图10 所示,图中给出了负载电压、逆变侧电流、发电车机端电压与机端电流波形。在0.12 s 发电车并入电网,0.12 ～0.30 s 期间,发电车通过背靠背换流器向负荷供电,在0.35 s 背靠背并网装置退出运行。由于柴油发电机的动态响应速度较慢,负荷电压呈现短暂的跌落。在背靠背装置退出运行后,由发电车为负荷单独供电,负荷电压保持三相对称。