多應用場景低壓配網無縫合環轉電解決方案

李俊林，韓捷，謝聰，劉曉，張旭，王丹

(1.廣東電網有限責任公司廣州供電局, 廣州市 510620;2.華中科技大學電氣與電子工程學院, 武漢市 430074)

0 引言

配電網作為電力系統的末端,承擔著向客戶提供與分配電能的重要任務。 隨著配網儲能的普及,分布式電源的快速發展與大量接入[1],配電網正在逐步向多源復雜、源網荷儲多元協調的主動配電網轉變,這為配電網保證供電可靠性、供電質量帶來了機遇與挑戰。國內的配電網普遍采用“閉環設計、開環運行”的供電方式[2],隨著配電網的改造升級,開環運行不僅會帶來倒閘期間短時停電的問題[3],無法保障重要用戶的持續供電,而且不能充分發揮分布式電源的效能。

由于歐美等國家配電網建設初期就納入了先進的配電自動化系統,饋線或用戶側一旦發生故障,配電自動化設備自動將故障隔離[4]。 世界上一些國家和地區(中國臺灣、新加坡等地)開始考慮采用配電網閉環運行的模式[5-6],當某處電源或饋線故障時通過操縱分段開關隔離故障,通過重合閘技術快速恢復供電。 但是初期國內配電網投資建設規模不大,常開網絡改造為常閉網絡需要一定的時間。 合環轉電作為一種重要的配電網絡重構技術,在提高配電網可靠性方面發揮著重要的作用[7]。 一些地區已經開始通過合環轉電的方式提高供電可靠性[8]。

配電網在合環轉電時,由于合環點兩側存在電壓差、相角差,以及主變容量、兩側負荷的差異,合環操作會產生較大的合環電流[9-10],造成設備過載、繼電保護動作。 因此,合環前需要對合環點兩側的電壓差、相角差進行判斷,提高合環成功率。 已有不少文獻對配電網合環進行理論分析與現場實驗驗證[11-13]。 這些分析都是根據合環等值模型計算合環電流[14-15],進而對合環風險進行評估[16]。 但是不論經濟性評估還是技術性評估,都是對合環電流是否在允許范圍內的一種判斷,無法消除環流。 雖然一些研究機構開發了低壓智能合環轉電箱[17],但它們對不滿足合環條件的臺區無法合環。 此外,考慮到配變高低壓繞組接線形式的不同,兩個臺區可能出現30°甚至60°相角差,已不滿足常規低壓合環轉電的條件。

針對大角度差低壓配網無縫合環轉電的技術難題,本文提出兩種解決方案:1)統一電能質量控制器(unified power quality conditioner,UPQC)型拓撲;2)背靠背雙電壓源型變流器(voltage source converter,VSC)拓撲,從而填補低壓無縫合環轉電的空白。 起初,UPQC 主要應用于配電網敏感負荷的電能質量調節[18],它能夠兼容串聯補償和并聯補償。 背靠背拓撲在柔性直流輸電[19]、交直流混合配網智能軟開關[20]等場景發揮著重要的作用。 本文首先分析低壓配電網的典型轉供場景與合環方式,明確無縫合環轉供裝置的適用場合。 給出兩種方案的接線方式,深入分析每種方案的工作原理與容量參數。 針對低壓配電網廣泛存在的三相不平衡與諧波污染,本文從結構與控制兩方面對方案提出改進措施。 最后通過仿真驗證兩種方案在大角度差無縫合環轉供的有效性。

1 典型轉供場景與基本合環方式

1.1 典型轉供環境

臺區之間建立低壓聯絡能夠提高故障模式的相互支援能力。 按照低壓聯絡方式、轉供電源類型可將低壓配電網合環轉供場景分為3 種類型,分別是相鄰配變低壓母線聯絡、低壓主干線末端聯絡和移動發電車臨時轉供,如圖1 所示。 以廣州地區低壓配網為例,臺區之間的負荷轉供一般通過低壓聯絡柜進行合解環操作,操作的成功率嚴重依賴于當天負荷情況與電網運行方式。 對于移動發電車轉供,安裝準同期的發電車可以做到小沖擊并網,但是,現存大量未安裝準同期的發電車仍然采用先停電后接入發電車的轉供模式。

圖1 典型轉供場景Fig.1 Typical load transfer scenarios

1.2 基本合環方式

配電網的網絡結構方式以環式、輻射型等網絡結構方式居多。 不同的配電網網絡結構方式不同,合環方式也不同。 對于220 kV 電源的0.4 kV 配網合環轉電,按照合環點10 kV 側電源來源的不同,可將合環方式分為3 類。 類型I:同一片網相同10 kV 線路饋線間聯絡;類型II:同一片網不同10 kV 線路饋線間聯絡;類型III:不同片網各自的10 kV 線路饋線間聯絡。 這3 類合環方式的示意圖如圖2 所示。 不同的合環方式主要影響合環點兩側電壓的相角差。 對于類型II,兩條10 kV 進線分別來自不同的220 kV 變電站主變,由于兩主變的中壓、低壓側繞組接線方式的不同,合環點可能會出現30°或60°相角差。 而不同片網的兩個低壓合環母線的相角差可能具有任意數值。

圖2 基本合環方式Fig.2 Basic loop closing modes

2 無縫合環轉電解決方案

2.1 基于UPQC 的無縫合環方案

UPQC 型無縫合環轉電裝置接入配電系統的示意圖如圖3 所示,它由兩個背靠背連接的電壓源型換流器VSC1 和VSC2、三個輔助開關、工頻變壓器構成。 單個VSC 的拓撲結構如圖4 所示。 VSC1 為裝置提供能量,VSC2 通過工頻變壓器串聯在兩個臺區之間,工頻變壓器能夠提供輸入與輸出之間的電隔離,限制電網故障的短路電流。 K3是兩個臺區之間的低壓聯絡開關,一般處于常開狀態。 該裝置通過兩個合環開關與系統進行連接,具有接線方便、結構簡單、可靠性高的優點。 當采用移動化設計時,可實現“即插即用、插拔便捷、臺區共享”等功能。

圖3 UPQC 型無縫合環轉電裝置拓撲結構Fig.3 Topology of seamless closed-loop load transfer based on UPQC structure

圖4 VSC 的拓撲結構Fig.4 Schematic structure of a VSC

該拓撲面向大角度差(0° ～30°)電網間無縫合環轉電等應用場景,解決普通合環產生沖擊、適用范圍狹窄的問題。 假設主變T2需要檢修,通過該裝置實現待停電臺區負荷的不停電轉供,轉供電流程分為3 步:

1)無縫合環:VSC2 通過串聯變壓器向線路注入一個可以四象限調節的耦合電壓,以補償兩個低壓臺區之間的電壓幅值差和相角差,以滿足無縫合環的條件。

2)負荷轉移:在合環成功后,將負荷功率緩慢轉移至聯絡線,轉移完成后,斷開斷路器BRK2,主變T2退出運行。

3)裝置退出:控制VSC2 輸出電壓緩慢減小至0,閉合K3使裝置旁路,實現無縫退出運行。

2.2 基于背靠背變流器的無縫合環方案

基于背靠背結構的無縫合環轉電裝置的拓撲結構如圖5 所示。 在圖5 中,2 個VSC 與3 個輔助開關配合,就能夠實現無縫合環轉電。 3 個開關的作用與圖3 所示拓撲一致。 與K3串聯的小電感L 用來抑制旁路背靠背拓撲瞬間產生的沖擊電流。 對于待停電的臺區而言,發電車、電池等都可以為其提供轉供電源。 除了連接電網,背靠背拓撲更主要的是還能面向發電車、電池等轉供電場景,解決接入時間長、接入需停電、恢復運行方式再停電的普遍現象。

圖5 背靠背型無縫合環轉電裝置拓撲結構Fig.5 Topology of seamless closed-loop load transfer based on back-to-back structure

仍然以主變T2檢修為例,與UPQC 型拓撲工作原理類似,背靠背型拓撲的工作流程也分為合環、轉電和退出3 個過程。

1)無縫合環:調節VSC2 的輸出電壓,使得合環開關K2兩側的電壓幅值差、相角差為0,閉合K2即可實現無縫合環。

2)負荷轉移:在合環成功后,將負荷功率緩慢轉移至聯絡線,轉移完成后,斷開斷路器BRK2, 主變T2退出運行。

3)裝置退出:背靠背拓撲的退出過程分為兩步。第1 步是控制B-2 與B-1 處的電壓幅值相位相同,旁路開關將裝置旁路。 第2 步是控制VSC2 的輸出電流緩慢減小至0,從而實現裝置的無縫退出。

3 兩種無縫合環轉電方案特點分析

3.1 容量分析

1)UPQC 型拓撲容量。

無縫合環轉電裝置在運行期間承載的功率不斷發生變化,在負荷轉移完畢時達到最大。 如果忽略損耗,串聯VSC 和并聯VSC 流過的有功功率相等,并聯VSC 做單位功率因數運行時,其無功消耗為0。UPQC 型無縫合環裝置用一個串聯在線路中的電壓源等效,便得到用于容量計算的穩態等效電路,如圖6 所示。

圖6 UPQC 型拓撲穩態等效電路Fig.6 Steady-state equivalent circuit of the topology based on UPQC

在圖6 中,假設系統三相對稱,電壓、電流都是以標幺值表示的電氣量,假設V1的相位為δ,V2的相位為0,X1,X2分別是兩臺配變的短路阻抗,負荷用一個基波電流源和一個諧波電流源相并聯模擬,圖中I1和I2為基波源,Ih1和Ih2為諧波源。 兩個負荷的功率因數角分別設為φ1和φ2。

由于低壓配變的漏抗數值非常小,通常為幾十μH,這里可以假設i,j節點的母線電壓與V1和V2一致。 根據基爾霍夫電壓定律,串聯補償電壓相量為:

所以,串聯變流器VSC2 的最大容量為:

并聯變流器VSC1 的最大容量為:

通過式(3)可以發現,串聯變流器通過的功率只占負荷功率的一小部分,因此具有較高的功率密度。考慮到實際情況,此拓撲不能夠做到對相差任意角度差的兩個臺區的合環轉電。

2)背靠背型拓撲容量。

背靠背拓撲是全功率變流器,需要輸送全額的負荷功率,這意味著相同補償容量下背靠背拓撲的成本更加昂貴。 VSC2 的最大容量等于轉電側負荷的視在功率,根據有功功率平衡,VSC1 的最大容量等于負荷的有功功率。 因此,VSC2 的最大容量為:

VSC1 的最大容量為:

由式(5)、(6)可知,背靠背型拓撲的容量與負荷電壓、電流有關,與兩個臺區的相角差無關,因此,該拓撲可以適應兩個臺區任意相角差的無縫合環轉電。

為了比較兩種拓撲在不同角度下的容量大小,需要確定一個臨界角度。 假設如下場景:兩側電網線電壓有效值均為400 V,負荷電流有效值為250 A,直流側電壓為800 V。 圖7 給出了兩種拓撲的容量隨著相角差的變化情況。 當δ＜60°時,UPQC 型拓撲的容量較小;當δ＞60°時,背靠背型拓撲的容量較小。另外,由于UPQC 型拓撲直流側電壓的限制,串聯補償電壓的幅值是有限的,也即很難做到0° ～180°范圍內的補償。 反映在圖7 中,UPQC 型拓撲提供的最大補償角度是75°。

圖7 兩種拓撲的容量與相角差的關系Fig.7 Relationship between capacity and phase angle difference of two topologies

3.2 負載電流不對稱和諧波的影響

由于負荷在時間和空間上隨機分布,以及非線性負荷的滲透,這將造成現有低壓配電系統三相不對稱、諧波含量大的現狀。 無縫合環轉電裝置在三相不對稱和有諧波的電網中的正常工作是一項重要的考核指標。 考慮到低壓配電網采用三相四線制接線,電網電壓的不對稱度非常小,而負荷電流主要包含3 次和5 次諧波。 定義負荷電流不對稱度dubi如下。

式中:ILi(i= A, B, C)為三相負荷電流有效值;IN為負荷電流額定值。

對于UPQC 型拓撲,當負荷電流三相不對稱時,需要維持轉電側負荷電壓的平衡,因此,控制策略需要考慮負荷三相電壓的平衡問題。 當負荷電流含有諧波時,諧波電流通過裝置,會增加裝置的損耗和無功容量,降低裝置的效率。 同樣,隔離變壓器的漏感要承擔一部分諧波電壓,負荷電壓的電能質量要下降。 一方面,由于負荷電流中三次諧波含量最大,當UPQC 型拓撲自帶的隔離變壓器閥側采用三角接法時,可以有效避免三次諧波電流流過變流器本身。 另一方面,可以通過加入一些阻尼電阻或改善控制算法來抑制諧波放大。

對于背靠背型拓撲,為了確保逆變器向無源負荷供電時三相電壓的對稱性,有3 種途徑可供選擇。 一是在直流側引入分裂電容,構成三相四線制輸出,二是采用三相四橋臂拓撲,三是逆變器側安裝隔離變壓器,采用DYg 接法,使得輸出側構成三相四線制。 第1 種途徑成本低、實現簡單,但是,諧波電流直接通過變流器,引起裝置的額外損耗與發熱。 此外,需要采取較大的電容并考慮2 個電容的均壓問題。 第2 種途徑只增加一對橋臂,成本比第1 種途徑稍高,但是對第4 橋臂的控制十分復雜。 第3 種途徑雖然可以限制三次諧波電流的傳遞,但是會增加裝置的體積和重量。 對于以上3 種途徑,當負荷電流dubi值很大時,將引起逆變器輸出電壓不平衡加重,需要添加負序或零序控制器來抑制逆變器輸出電壓的零序或負序分量。

4 仿真分析

為了研究兩種方案在不同轉供場景下的運行特性,在Matlab/Simulink 平臺分別搭建了圖3 所示的UPQC 型和圖5 所示的背靠背型無縫合環轉電仿真模型,并設計了相應的控制策略。 UPQC 型拓撲的最大補償角度為30°,最大通流為250 A,背靠背型拓撲最大通流為250 A。 配電系統主要參數如下:兩臺配變容量為630 kV·A,兩側電壓的相位差為10°。UPQC 型拓撲的仿真參數為:濾波電感為2 mH,濾波電容為150 μF,隔離變壓器變比為460 V/230 V,直流電壓為800 V,直流側電容為4700 μF,開關頻率為5 kHz。 背靠背型拓撲的仿真參數為:濾波電感為1 mH,濾波電容為150 μF,直流電壓為800 V,直流側電容為4700 μF,限流電感為100 μH,開關頻率為5 kHz。

仿真主要包括兩種應用場景:1)合環類型I;2)移動發電車并網。 針對場景1)設置兩種電網工況:線性平衡負載和非線性不平衡負載。

1)線性平衡負載。

兩種方案在工況1 的仿真波形如圖8 所示,圖8分別給出了轉電側的負荷電壓和裝置流過的電流波形。 從圖中可以看出,UPQC 型拓撲在突然投入負荷后負荷電壓呈現10%的降落,在2 個周波內恢復正常;而背靠背型拓撲負荷電壓有接近25%的降落,大約在4 個周波恢復正常。

圖8 工況1 的仿真結果Fig.8 Simulation results of operating condition 1

2)非線性不平衡負載。

負荷電流不對稱度設置為10%,并添加15%的三次諧波和7%的五次諧波,仿真結果如圖9 所示。仿真結果表明,在裝置投入期間,負荷電壓也出現了一定程度的不對稱和畸變,對負荷電壓在裝置投入期間做傅里葉分析。 在圖9(a)中,負荷電壓的總諧波畸變率(total harmonic disorder,THD)值為16.6%,三次諧波含有率為15.9%,五次諧波含有率為4.6%。 在圖9(b)中,負荷電壓THD 值為8.1%,三次諧波含有率為6.7%,五次諧波含有率為3.0%。相比之下,背靠背拓撲具有更優質的電能質量。 裝置退出之后,負荷電壓均恢復為三相對稱正弦電壓。

圖9 工況2 的仿真結果Fig.9 Simulation results of operating condition 2

(3)移動發電車并網。

采用背靠背拓撲實現發電車無縫合環轉電,仿真模型如圖1(c)所示。 發電車采用柴油發電機模型,三相不對稱負荷電流設為216、236、189 A,仿真結果如圖10 所示,圖中給出了負載電壓、逆變側電流、發電車機端電壓與機端電流波形。 在0.12 s 發電車并入電網,0.12 ～0.30 s 期間,發電車通過背靠背換流器向負荷供電,在0.35 s 背靠背并網裝置退出運行。由于柴油發電機的動態響應速度較慢,負荷電壓呈現短暫的跌落。 在背靠背裝置退出運行后,由發電車為負荷單獨供電,負荷電壓保持三相對稱。

圖10 移動發電車并網仿真結果Fig.10 Simulation results of grid-connection of mobile generator

5 結論

本文通過對實際合環場景無縫轉供的建模仿真分析,得出以下結論:

1)由于直流電壓的限制,UPQC 型拓撲的補償角度是有限的。 當合環點兩側電壓相角差低于60°,UPQC 型拓撲合環有較大容量優勢。 背靠背拓撲更適合于移動電源、電池等轉供形式。 兩種方案的相互配合可以滿足任意復雜環境的合環轉電。

2)這兩種方案在適當的控制策略下都能快速、安全地完成合環轉電操作,消除了合環沖擊。 它們都具備帶不平衡、非線性負載的能力。 即使出現一相空載,兩種拓撲都能維持負載電壓的三相對稱。

3)背靠背拓撲在移動發電車并網方面具有很大的應用潛力,它能夠平滑柴油發電機的電壓波動,使負載獲得更穩定的電壓。

以上結論都是根據廣州配電網實際合環案例仿真分析和計算得出的,對于解決實際工程問題有重要的參考價值。 同時,兩種方案都具有潛在的應用價值,如加以推廣,不僅能提高配電網不停電轉供的安全性和可靠性,而且還能帶來一定的經濟效益。