CN105978134B - 一种用于交流配电系统的不间断电力交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于交流配电系统的不间断电力交换器，属于电力电子与配电技术相结合的技术领域。包括小容量VSC、大容量VSC、电子开关以及控制器；小容量VSC的交流侧通过交流断路器与相应的交流变电站相连，其直流侧通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；大容量VSC的交流侧与电子开关的一端相连，而其直流侧与不间断电力交换器的直流母线相连；电子开关的另一端分别通过交流断路器与相应的交流变电站相连；控制器通过信号线分别与电子开关、小容量VSC和大容量VSC相连。本发明电力交换器提高了单台主变的利用效率，减少电压源换流站的总体容量，降低系统的整体损耗，节约设备的总体投资额度，使整体系统更加经济、可靠的运行。

Description

一种用于交流配电系统的不间断电力交换器
技术领域
本发明涉及一种用于交流配电系统的不间断电力交换器，属于电力电子与配电技术相结合的技术领域。
背景技术
近年来，随着城市规模的不断扩大和用电负荷的快速增加，对配电网络的电能质量、供电可靠性和输电容量的要求也日益增加。针对这些要求，配网的发展思路主要有两个：1)发展分布式电源及配套设施，减少配电网络压力；2)加强配电网络建设，提高配电设备利用率。目前，很多专家学者研究分布式电源的灵活接入，常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力机和燃气轮机，这些电源产生的电能均为直流电或者经过简单整流后变为直流电，所以把分布式电源及储能接入直流母线是未来配电网发展方向之一。由于分布式电源往往具有地理分散性、间歇性、随机性和不确定性，所以分布式电源并未有效减少配电网络的建设压力。
在传统交流单向配电网中，为防止产生电磁环网，10kV电压等级供电区域解环运行，如图1所示，区域A和区域B之间由母联开关S连接，为了防止区域A由于变压器A故障而失电，在变压器A故障后，需要合上母联开关S，区域A的电力由变压器B转供，假设供电区域的负荷相同，同为1p.u.，考虑到互为备用，变压器的容量为2p.u.，如果供电区域负荷不均衡，则变压器的容量大于2p.u.，这也是规定110kV变电站容载比为2.2的一个重要原因。由于交流电潮流不可控等原因，造成传统交流配电设备冗余严重，利用率低，尤其在负荷密度较大、土地资源紧张的大城市，需要加强配电网络建设才能满足日益增长的用电负荷的需要，这就会加剧城市土地资源紧张和配电网络设备利用率低的局面。而柔性直流技术能够快速独立地控制有功功率和无功功率，不增加交流系统的短路容量，没有电磁环网问题，所以在中压配电网层面利用柔性直流技术实现传统交流配电网络改造是未来配电网络发展的趋势。而且，通过柔性直流技术可以为配电网提供直流母线，方便分布式电源、储能、电动汽车及直流负荷的接入，利用柔性直流技术功率快速调节功能可以进一步消除分布式电源对电网产生的负面影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有交流配电系统存在的主变的备用容量大、设备利用率低等问题，从配电网建设方面提出一种用于交流配电系统的不间断电力交换器，以有效降低主变的备用容量，提高配电网络设备利用率，实现系统N-1故障下的不间断供电，而且实现系统潮流(功率)的主动优化控制，提高供电质量并能在交流系统发生故障时对其进行灵活的无功补偿。
本发明提出的用于交流配电系统的不间断电力交换器(以下简称UPH)，包括N台小容量电压源换流站(以下简称VSC)、一台大容量电压源换流站、一个电子开关以及一个控制器；所述的N台小容量电压源型换流站的交流侧分别通过N个交流断路器与交流配电系统中相应的交流变电站相连，N台小容量电压源型换流站的直流侧分别通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的大容量电压源换流站的交流侧通过交流断路器与电子开关的一端相连，所述的大容量电压源换流站的直流侧通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的电子开关的多个另一端通过交流断路器与交流配电系统中相应的交流变电站相连；所述的控制器通过信号线分别与电子开关、N台小容量电压源换流站和大容量电压源换流站相连。
上述不间断电力交换器中，所述的大容量电压源换流站由M台小容量电压源换流站组成，M台小容量电压源换流站的交流侧分别通过交流断路器与电子开关的一端相连，M台小容量电压源型换流站的直流侧分别通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连。
上述不间断电力交换器中，所述的直流断路元件为直流隔离开关、负荷开关或直流断路器。
上述不间断电力交换器中，所述的电子开关由N组三相反并联晶闸管组成，每组三相反并联晶闸管的一端分别与交流配电系统中相应交流变电站出线端的三相交流断路器相连，每组三相反并联晶闸管的另一端同时与交流断路器相连。
本发明提出的用于交流配电系统的不间断电力交换器，其优点是：
本发明结构简单，功能强大。各小容量的电压源换流站由于规格统一，便于设备的模块化设计、工业化生产和周期化建设及调试；UPH的应用使得系统各处功率可控，减小了交流配电网主变的备用容量，降低了整体配网的运行成本，提高了系统整体运行效率；当交流变电站中的主变发生N-1故障时，通过控制电子开关，可在短时间内(ms级)利用UPH联网系统内其他正常运行的主变不间断供电；当交流系统发生故障导致系统电压跌落时，UPH还可通过与之相连的交流线路对交流系统进行动态无功补偿。
本发明的不间断电力交换器结构简单、层次分明且易于实现，UPH的使用首先可以减小变电站主变的备用容量，提高其利用效率，降低设备投资额度；其次，所有VSC均集中在一个站内，空间地理位置很近，VSC直流侧几乎不会发生故障，UPH变传统直流互联的分散控制为同一区域集中控制，降低了VSC间的通讯要求及控制难度，同时，变传统的分散用地为集中用地，提高了土地利用效率，便于系统的规划和建设；最后，UPH可以方便的实现系统N-1故障下的不间断供电和对交流系统的动态无功补偿，提高了整体系统的供电可靠性。该装置具有完备的功能、广泛的适应性和灵活的扩展性。
附图说明
图1是已有技术中的交流配电网结构示意图。
图2是本发明提出的用于交流配电系统的不间断电力交换器的电路原理图。
图3是图2所示的不间断电力交换器中大容量电压源换流站的一个实施例的电路图。
图4是图2所示的不间断电力交换器中电子开关的电路原理图。
图5是本发明一个实施例的电路原理图。
图6是本发明一个实施例的电子开关的电路原理图。
图7是本发明的不间断电力交换器在N-1故障下不间断供电示意图。
具体实施方式
本发明提出的用于交流配电系统的不间断电力交换器，其电路图如图2所示，包括N台小容量电压源换流站、一台大容量电压源换流站、一个电子开关以及一个控制器；所述的N台小容量电压源型换流站的交流侧分别通过N个交流断路器与交流配电系统中相应的交流变电站相连，N台小容量电压源型换流站的直流侧分别通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的大容量电压源换流站的交流侧通过交流断路器与电子开关的一端相连，所述的大容量电压源换流站的直流侧通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的电子开关的多个另一端通过交流断路器与交流配电系统中相应的交流变电站相连；所述的控制器通过信号线分别与电子开关、N台小容量电压源换流站和大容量电压源换流站相连。
上述不间断电力交换器中，所述的大容量电压源换流站也可由M台小容量电压源换流站组成，M台小容量电压源换流站的交流侧分别通过交流断路器与电子开关的一端相连，M台小容量电压源型换流站的直流侧分别通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连，其电路图如图3所示。
上述不间断电力交换器中，所述的直流断路元件为直流隔离开关、负荷开关或直流断路器。
上述不间断电力交换器中，所述的电子开关由N组三相反并联晶闸管组成，每组三相反并联晶闸管(Sia/Sib/Sic，i＝1，2…N)的一端分别与交流配电系统中相应交流变电站出线端的三相交流断路器(ACBi1，i＝1，2…N)相连，每组三相反并联晶闸管的另一端同时与交流断路器相连，其电路图如图4所示。
以下结合附图，详细介绍本发明不间断电力交换器的工作原理：
当系统稳态运行时，UPH主要起联网作用，各电压源换流站的直流侧由于通过直流母线相连，从而使联网系统内各交流变电站中的主变互为“热备用”，大大节省单台主变的备用容量。控制器通过下发各电压源换流站的工作模式(定直流电压控制、定有功/无功功率控制和定交流电压控制)及功率参考指令，主动调节系统中各节点功率的大小及流向，实现系统潮流的主动控制，并能在交流系统发生故障时提供一定的无功功率支援，加快故障恢复，提高电压质量；其中电压源换流站的定直流电压控制可包含主从控制、电压裕度控制和下垂控制等各类先进控制方法。
当系统主变发生N-1故障时(一台主变故障)，UPH主要起负荷转供作用，UPH控制器根据系统功率缺额，通过双向信号线产生电子开关的控制信号即各晶闸管的触发脉冲，在0.02s内实现大容量VSC与某一个交流变电站相连，随后通过由UPH联网系统内其他正常运行的主变实现不间断供电。
除此之外，电子开关的进出口均接有交流断路器，用于跳开故障线路和对电子开关进行检修。VSC的交流侧和直流侧也皆有交流断路器和直流断路元件，用于隔离故障的VSC。
为使本技术领域的人员更好的理解不间断电力交换器，下面将结合本申请实施例对具体的技术实施方式介绍如下：
本发明旨在优化和加强现有交流配电网的建设，由图5可知，该实施例中的不间断电力交换器包括6台统一规格的小容量电压源换流站、一个电子开关以及一个控制器。UPH中的VSC1-VSC4通过4路10kV交流线路经交流断路器ACB1-ACB4与4个110kV交流变电站相连，每个交流变电站包含两台主变T1和T2，每台主变额定容量50MW，运行功率40MW，备用容量10MW；VSC5和VSC6通过交流断路器ACB5和ACB6与电子开关的一端相连。不考虑容量裕度，每台VSC的额定容量均为10MW，直流侧通过直流隔离开关与±10kV直流母线相连，从而使联网系统内各个主变互为“热备用”，其中VSC5和VSC6亦可由一容量为20MW的大容量VSC替代。如图6所示，电子开关采用双向反并联晶闸管构成，共分为4组，分别连接交流断路器ACB11、ACB21、ACB31、ACB41、ACB5和ACB6，通过控制电子开关中晶闸管的导通/关断信号，可在一个周波内实现VSC5和VSC6与任何一个交流变电站相连。控制器基于通用的工业级控制器开发(例如美国国家仪器有限公司的PXI)，控制器通过双向高速信号线分别与UPH中的6台电压源换流站及电子开关连接，完成系统状态的检测和控制指令的下发。
UPH系统的运行工况可分为稳态运行工况和暂态运行工况；其中，当系统稳态运行时UPH主要起联网作用，实现以下两种功能：
1)潮流主动控制
UPH根据能量管理指令下发各电压源换流站的工作模式(定直流电压控制、定有功/无功功率控制和定交流电压控制)及功率参考指令，快速控制VSC实现功率潮流双向流动，优化区域内潮流分布，以达到系统经济运行或高稳定裕度运行等目的。
2)动态无功补偿
当与UPH相连交流系统发生故障引起电压跌落时，UPH控制器控制VSC快速调节与交流电网交换的无功功率，对交流系统进行动态补偿，提高配电网的电压质量，加快系统故障后的恢复速度。
当系统暂态运行时UPH主要起负荷转供作用，具体工作原理如下：
如图7所示，假设系统满载运行，每台主变下所带负载最大为40MW，现交流变电站2中主变T1掉电，最大功率缺额40MW，此时闭合交流变电站2中的母联开关，本站主变T2向T1下的负载提供10MW功率，同时，由于通过UPH互联的主变互为“热备用”，UPH控制器快速下发电子开关触发脉冲，在0.02s内导通变电站2与VSC5和VSC6之间的电子开关(S2a/2b/2c)，同时UPH控制器下发各VSC的工作模式和功率控制指令，变电站1、3和4利用主变的备用容量通过UPH中的VSC1、VSC3和VSC4分别提供功率P1、P3和P4，而这些提供的功率又通过VSC2、VSC5和VSC6最终传输给变电站2，从而实现掉电主变的负荷由UPH联网系统内其他正常运行的主变不间断供电，若不计系统损耗，则有P1＝P2＝P3＝P4＝P5＝P6＝10MW，P＝P5+P6，P1＝P3＝P4＝P2＝P5＝P6。

Claims (1)

1.一种用于交流配电系统的不间断电力交换器，其特征在于包括N台小容量电压源换流站、一台大容量电压源换流站、一个电子开关以及一个控制器；所述的N台小容量电压源型换流站的交流侧分别通过N个交流断路器与交流配电系统中相应的交流变电站相连，N台小容量电压源型换流站的直流侧分别通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的大容量电压源换流站的交流侧通过交流断路器与电子开关的一端相连，所述的大容量电压源换流站的直流侧通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的电子开关的多个另一端分别通过交流断路器与交流配电系统中相应的交流变电站相连；所述的控制器通过信号线分别与电子开关、N台小容量电压源换流站和大容量电压源换流站相连；所述的大容量电压源换流站由M台小容量电压源换流站组成，M台小容量电压源换流站的交流侧分别通过交流断路器与电子开关的输出端相连，M台小容量电压源型换流站的直流侧分别通过直流断路元件与不间断电力交换器的直流母线相连；所述的直流断路元件为直流隔离开关、负荷开关或直流断路器；所述的电子开关由N组三相反并联晶闸管组成，每组三相反并联晶闸管的一端分别与交流配电系统中相应交流变电站出线端的三相交流断路器相连，每组三相反并联晶闸管的另一端同时与交流断路器相连。
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