用于低电压问题治理的柔性交直流切换配电系统设计_赖振宏.pdf
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1、第 47卷 第 6期 2023年 3月 25日Vol.47 No.6 Mar.25,2023http:/www.aeps-用于低电压问题治理的柔性交直流切换配电系统设计赖振宏,易皓,黄华,卓放,李雨果,张枭(西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市 710049)摘要:为解决用电负荷增加带来的配电系统末端低电压问题,提出了柔性交直流切换配电系统,可在提高电压质量的同时保证系统运行灵活性。该配电方案通过在配电线路首末两端装设变流器和断路器组,按需运行于直流配电模态或者交流配电模态。首先,针对交直流配电模态相互切换过程中负荷供电的可靠性,对变流器控制系统和断路器动作时序进行设计,实现切换过程中负荷电
2、压的平滑过渡。其次,为避免极端工况下断路器组的误动作,提出了基于事件触发和非特征次谐波检测两种判断逻辑,保障系统在极端工况下稳定运行。最后,针对错误切换过程潜在的短路故障,在控制和硬件层面设计了保护措施,避免系统设备损坏。MATLAB/Simulink 仿真以及实验结果验证了切换配电方案和保护方案的有效性。关键词:低电压;柔性直流;交直流配电系统;平滑切换;电压质量;短路保护0 引言随着社会电气化程度提高,电网负荷持续增加。城镇低压配电网中存在某些供电半径长、配电容量小的馈线,重载时线路压降增大,造成配电网末端低电压问题,对用户的生产和生活带来了严重影响1。针对低电压问题,对配电线路进行优化和
3、改造是最直接的方法,但需要较长的施工周期且存在投资大的缺点2。目前,有载调压器、储能设备、分布式电源等装置常被用于调节配电网节点电压,相比于线路改造,增设以上装置能更快捷地缓解配电网低电压问题。文献 3-4 分别研究了安装储能设备和光伏发电设备来治理低电压问题的方案,但光伏储能设备投资回报周期长,而且光伏发电受环境影响较大。无功补偿也是常见的电压调节措施,但仅适用于功率因数不大的场景,解决重载导致的低电压问题效果不佳5-6。有研究将分布式电源、调压器与静止无功发生器协调配合,共同调节配电网节点电压7-9,但以上设备仅能在一定程度上缓解重载下的低电压问题,治理效果并不突出。有学者提出在交流配电线
4、路上进行直流配电以减小线路压降,解决低电压问题,该思路具有施工难度低、低电压治理效果明显、适用范围广等优点10。文献 11-12 分析了将交流配电线路改造为双极式直流配电的方案,但没有充分利用交流线路,存在线路冗余。文献 13-14 分别提出了三线双极结构和三极结构的直流配电系统,充分利用了交流系统的全部线路,同时,文献 15 对这两种结构进行了建模分析,但这两种方案需要多个变流器协调控制,可靠性不高。在直流配电中,电力电子设备的加入使得供电效率降低,并且配电的可靠性受到电力电子设备的影响16。此外,电力载波技术在交流配电网自动抄表领域中的应用已十分成熟,但在直流配电网中尚未得到普及17-18
5、。由此可见,直流配电中电力电子设备的损耗问题、可靠性问题以及如何实现自动抄表是实施的难点。对于交流配电线路改造为直流配电中存在的实际工程问题,文献 19 提出了交直流切换配电系统,重载时采用直流配电以解决配电网低电压问题,轻载时切换为交流配电以避免电力电子设备带来的损耗。但在该交直流切换过程中,存在负荷的短时断电,不利于可靠供电,并且文中没有考虑到极端工况下切换逻辑判断的误触发和切换中可能存在的短路故障。因此,交直流配电系统的平滑切换策略、切换的逻辑判断以及系统的保护技术仍有待进一步研究。针对以上问题,本文针对三相四线交流配电系统提出了柔性交直流切换配电系统,实现了交直流配电模态切换过程中负荷
6、电压的平滑过渡。通过交直流配电模态的相互切换,既能解决配电网低电压DOI:10.7500/AEPS20221030003收稿日期:2022-10-30;修回日期:2023-01-13。上网日期:2023-02-10。国家电网公司科技项目(SGSNKY00DWJS2100278)。1232023,47(6)智能配电网柔性互联与形态演变 问题,又能降低变流器损耗,提高系统可靠性,并且改造前交流配电网的自动抄表系统得以继续使用。此外,本文重点研究了多种切换判断逻辑,实现系统在无通信线的条件下按序动作和自主切换,并且避免了切换过程中判断条件的误触发。本文还针对切换过程中潜在的系统短路,提出了多种保护措
7、施以避免设备损坏。仿真与实验结果表明,本文提出的柔性交直流切换方案和保护方案具备可行性。1 系统介绍1.1拓扑结构本文所提的交直流切换系统结构如图 1 所示,应用场景为三相四线交流系统。系统被简化为三相交流源经等效线路阻抗连接三相负荷。在线路首末两端均并联电压源变流器(voltage source converter,VSC),可通过断路器的通断组合来实现不同的配电模态。图 1 中有 5 组断路器,其中,S1 和 S2 为直流断路器,需断开直流电流,S3 至 S5 为交流断路器,仅需在电流过零点断开。交流断路器采用反并联的晶闸管,其成本低,可在交流电流过零处实现开断。由于直流电流没有自然过零点
8、,直流断路器采用反并联 的 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)或者金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field-effect transistor,MOSFET),其 导 通 和 关 断 时 间 精 准可控。1.2运行模态1.2.1交流配电模态系统在轻载时处于交流配电模态,S1 和 S2 断开,S3 至 S5 保持闭合。线路两端的变流器并联接入电网,送端变流器稳定其直流电压,而受端变流器则对负荷产生的不平衡电流进行补偿。在交流配电模态下,改造前交流配电网中的自动抄表
9、系统正常运行。1.2.2直流配电模态重载时系统切换为直流配电模态,S4 和 S5 断开,S1 至 S3 保持闭合。送端变流器稳定线路直流电压,选择改造前的 A 相和 C 相配电线路构成双极式直流配电结构。在线路末端,受端变流器稳定负荷电压幅值和频率。此时,配电网的自动抄表系统将采集到的负荷数据进行保存,停止上传数据,等待下一次切换为交流配电模态时将所存储的数据上传。1.3低电压治理能力与经济性分析1.3.1低电压治理能力以截面积 70 mm2、长度 2 km 的铝绞线作为配电线路为例,附录 A 图 A1 展示了负荷有功功率发生变化时,交流配电和直流配电的线路末端电压。由于低压配电线路主要呈感性
10、,直流配电模态下线路的等效电感不会产生线路压降。因此,在满足文献 20 标准要求的条件下,直流配电相比于交流配电有接近 3 倍的容量提升。由此可见,直流配电能有效解决重载引起的配电网低电压问题。1.3.2经济性分析将交直流切换配电系统与双极式直流配电系统的经济性进行对比,后者的结构如附录 A 图 A2 所示。二者的主要区别在于,双极式直流配电无论在轻载或是重载下都采用直流配电,无须安装断路器。将系统的年化综合费用作为经济性分析的量化指标,包括加装设备成本、设备定期维修费用以及设备损耗造成的经济损失21-22。图 A3 给出了两种配电方案下年化综合费用随系统重载率变化的曲线,计算过程详见附录 B
11、。从图 A3中可见,在设定条件下,当重载率不高于 35%时,交直流切换配电相比于双极式直流配电更具经济性。因此,直流配电虽然针对低电压治理效果明显,但在重载率不高时经济性不佳。1.4切换条件与目标从低电压治理能力和经济性两方面分析可知,ABCABC+NABC+NS1S2S3S4S5送端变流器受端变流器三相电网等效线路阻抗负载VSC 1VSC 2图 1柔性交直流切换配电系统结构Fig.1Structure of flexible AC/DC switching distribution system124赖振宏,等 用于低电压问题治理的柔性交直流切换配电系统设计http:/www.aeps-直流
12、配电能有效解决重载造成的配电网低电压问题,而直流配电中电力电子设备运行时造成的能量损耗会导致经济损失。因此,出于对供电效率、实际工程应用以及供电可靠性的考虑,交直流切换配电系统仅在重载下采用直流配电,在轻载或者变流器故障时切换为交流配电模态。配电模态切换实现了系统的灵活运行,可提高运行效率,实施难点在于切换过程中如何保障负荷的供电稳定。因此,切换过程需要实现以下目标:1)保证切换过程中负荷电压平滑过渡;2)避免极端工况引起切换判断逻辑的误触发;3)避免断路器误动作引发短路电流。2 切换过程分析2.1控制系统与切换时序柔性交直流切换配电系统的控制原理如图 2所示。图中,PI 表示比例-积分调节器
13、;PR 表示比例-谐振调节器;Vdc为 VSC 直流侧总电压;Smod为系统运行模态标志位,直流配电模态时为 0,交流配电模态时为 1。送端变流器始终保持为稳定直流电压控制,而受端变流器根据系统配电模态对控制系统进行切换。在交流配电模态下,控制受端变流器稳定其直流侧电压,并对负荷产生的不平衡电流进行补偿(电流源控制模式);在直流配电模态下,则稳定负荷交流电压(电压源控制模式)。为保障交直流配电模态切换前后负荷电压平滑过渡,受端变流器控制系统需实现两种模态下负荷电压的同步。在交流配电时,受端变流器控制系统对负荷 B相电压进行采样,并通过式(1)得到等效三相电压;在直流配电时,B 相配电线路处于悬
14、空状态,由于采用固态断路器,其断开状态下可视作阻值很大的电阻,故依旧可在断路器 S4前检测电网 B 相电压,同样可通过式(1)得到等效的三相电压。|vA()t=vB()t-23TvC()t=vB()t-13T(1)式中:vB(t)为采样得到的 B 相电压;vA(t)和 vC(t)分别为等效 A 相和 C 相电压;T 为工频周期;t 为时间变量。将等效三相电压锁相得到的相位作为受端变流器控制系统的参考相位,实现在交直流配电模态切换前后负荷电压相位的连续。2.1.1交流配电切换为直流配电系统从交流配电模态切换为直流配电模态的各状态顺序如下:1)状态 1:S3保持闭合,S5断开,受端变流器从补偿不平
15、衡电流转变为稳定负荷电压。在此期间,受端变流器直流电容存储的能量供给负荷。该状态下的系统结构如附录 A图 A4(c)所示。2)状态 2:向 S4 发送开断指令,在检测 S4 断开后将 S1 闭合,此后线路电压变为额定直流电压,在 电网电压;送端变流器输出电压和电流;直流总电压与上、下电压 配电线路电压;受端变流器输出电压和电流;负载电压反派克变换派克变换PIPIPR负序、零序电流分离+变流器输出交流电压电压d轴指令值电压q轴指令值负载电流变流器输出电流按照式(1)得到三相电压锁相环配电线路B相电压负荷PI锁相环PR+直流上电压直流下电压直流总电压直流电压指令电网电压2Vdc变流器输出电流01m
16、odS直流稳压环+S3S2S5S1S4PI图 2控制系统框图Fig.2Block diagram of control system1252023,47(6)智能配电网柔性互联与形态演变 该状态下的系统结构如附录 A图 A4(d)所示。3)状态 3:闭合 S2,闭合完成后系统完成了从交流配电模态到直流配电模态的切换。为实现切换过程中负荷不出现停电现象,状态1期间,在向 S5发送开断指令的同时,受端变流器转变为电压源控制,时序如附录 A 图 A5(a)所示。从图中可见,S5闭合状态与受端变流器稳定负荷电压共存,可保证负荷电压不停电。同时,由于受端变流器输出电压相位时刻跟踪电网电压相位,切换过程负
17、荷电压连续。2.1.2直流配电切换为交流配电系统从直流配电模态切换为交流配电模态的各状态顺序如下:1)状态 1:S2断开,该状态中受端变流器依靠直流电容存储的能量支撑负荷电压,此状态如附录 A图 A4(d)所示。2)状态 2:向 S1发送开断指令,在确保其完全断开后闭合 S4,此后线路电压变为工频交流,如附录A图 A4(c)所示。3)状态 3:闭合 S5,受端变流器从电压源控制转变为电流源控制。为避免切换中的暂态过程造成控制系统的不稳定,此时断开 S3,待系统稳定后将受端变流器接入系统,进行不平衡治理。在状态 3中,为避免负荷停电,需要在检测到 S5完全闭合后再停止受端变流器支撑负荷电压,其时
18、序如附录 A 图 A5(b)所示。由于受端变流器时刻检测电网相位,切换过程中负荷电压平滑过渡。2.2切换判断逻辑在模态切换的各状态之间,需要配电线路首末两端的变流器和断路器交替动作,但架设通信线需要较高的成本且受到环境影响较大,故本文提出的配电系统采用无通信线的设计。2.2.1基于设备本地信息检测文献 19 提出了基于设备本地信息检测的切换判断逻辑。该方案中,配电线路首末两端的设备通过检测本地电压和电流,进而判断是否进行状态切换动作。切换过程中各状态之间切换的判断逻辑如表 1所示。在实际运行中存在负荷几乎为零的极端工况,导致交流模态切换为直流模态的判断逻辑存在误触动。在交流配电时,若负荷几乎为
19、零,受端变流器并没有进入切换为直流配电的逻辑,而送端变流器检测到线路电流过低,则误触发将 S4断开而闭合 S2,使得交流回路和直流回路短路。因此,文献 19 提出的交-直切换判断逻辑在极端工况下并不适用。2.2.2基于事件触发检测在受端变流器直流侧出线端串联电感,在切换过程中构建短路回路,产生异常电流,通过检测该异常电流对状态切换进行判断。经过改造的系统从交流配电模态切换为直流配电模态时,在状态 1下,受端变流器投入运行后同时将 S2 闭合,此时系统结构如附录 A 图 A6 所示。送端变流器检测到该回路产生的异常电流后,进入状态 2,在 S1和 S4动作完成后结束切换过程。从附录 A 图 A6
20、 可见,切换过程中三相交流电网与受端变流器直流电容构成回路,其等效电路如图 A7 所示。列写等效电路的微分方程见式(2),求解得到线路异常电流表达式见式(3)。选择合适的串联电感,可对异常电流的峰值进行限制。d2uCdt2+RL+L1duCdt+1(L+L1)CuC=A()L+L1Csin(t+)(2)uC=|C1e-()-2-2t+C2e-()+2-2tL偏小C3e-tsin()2-2t+C4L偏大(3)式中:L1为串联电感;L 为线路等效电感;R 为线路等效电阻;C 为受端变流器直流电容;A 为交流电源的电压幅值;和分别为交流电源的角频率和相位;uC为电容电压;C1、C2、C3和 C4为常
21、数,其数值 与 式(2)的 初 值 相 关;=R2(L+L1);=1(L+L1)C。基于事件触发检测的切换判断逻辑可以避免极端工况下的误触发,但会产生过流,存在安全隐患,并且在此期间直流侧电压快速波动将造成受端变流器交流输出电压幅值的波动,不利于切换过程中负荷电压的稳定。2.2.3基于非特征次谐波检测设备通过注入和检测线路的非特征次谐波来判断切换状态以及是否进行切换动作。在需要进行模态切换时,首先进入准备阶段,控制受端变流器输出表 1基于本地信息检测的交-直和直-交切换判断逻辑条件Table 1Judgement logical conditions of AC/DC and DC/AC sw
22、itching based on local information detection模态切换交-直直-交条件轻载配电线路电流降为零线路电压变为工频交流重载配电线路电流降为零线路电压变为直流动作状态 1状态 2状态 3状态 1状态 2状态 3126赖振宏,等 用于低电压问题治理的柔性交直流切换配电系统设计http:/www.aeps-电网非特征次谐波电流,设其频率为 f1。送端变流器检测到频率为 f1的谐波后,注入频率为 f2的非特征次谐波,受端变流器检测到频率为 f2的谐波后确认送端变流器准备就绪,即可进入模态切换过程,并持续输出频率为 f1的谐波电流。在切换过程中,由于断路器 S4 的断
23、开,送端变流器将无法检测到频率为 f1的谐波电流,进而可依据本条件进入模态切换过程。基于非特征次谐波检测 的 交-直 切 换 过 程 中,详 细 的 判 断 逻 辑 如 表 2所示。注入谐波的频率应满足易提取的要求。考虑到电力系统中奇次谐波十分常见,并且间谐波和分谐波含量要求严格,故选择偶次谐波。受到控制系统带宽以及输出滤波器的限制,谐波频率不宜太高,最终选择 4次谐波和 6次谐波,即受端变流器注入 4次谐波电流,送端变流器检测到后注入 6次谐波电流。考虑到提取谐波信号的精度以及谐波含量对电能质量 的 影 响,谐 波 幅 值 选 择 为 基 波 幅 值 的 0.5%2.0%,同时满足检测要求与
24、电能质量标准。2.3断路器误动作保护在模态切换过程中,传感器的检测误差或者环境因素可能引起断路器误动作,导致直流回路与交流回路之间短路,引发故障电流。因此,需要对切换过程中潜在的短路回路进行分析,并设计相应的保护措施。2.3.1设备本地交直流回路短路在交直流配电模态相互切换过程中,S1 和 S4同时导通将造成送端变流器的直流电容与交流电网直接连接,如图 3(a)所示。图中,红色虚线表示短路回路。因此,在向其中一个断路器发送关断指令后,控制系统延迟一段时间,并检测线路电压是否降低为零,同时满足后再向另一断路器发送闭合指令,以避免 S1和 S4同时处于导通状态。S1 采 用 全 固 态 直 流 断
25、 路 器,其 开 断 时 间 在100 ns 左右。为确保足够的延时,在直流模态切换为交流模态过程中,在向 S1发送开断指令后可选择延时 1 ms。由于 S4采用反并联晶闸管,其在电流过零点处关断,最大开断时间为半个工频周期。因此,在直流模态切换为交流模态过程中,向 S4发送开断指令后选择延时 10 ms。交直流配电模态相互切换的流程如附录 A 图A8所示。从图中可见,为避免短路而设置的延时会增加受端变流器单独带载的时长,故需要容值更大的直流电容。直流侧电容与负荷功率以及单独带载时长的关系式为:12C(U2rated-U2min)=Pt(4)式中:Urated为直流侧额定电压;Umin为维持负
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