CN107294100A - 一种配电网柔性交流互联装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配电网柔性互联技术领域，具体涉及一种配电网柔性交流互联装置，包括配电网联络通道第一降压变压器T1和第二降压变压器T2，还包括移相变压器、磁控电抗器和故障限流器；移相变压器一端与磁控电抗器一端连接，另一端与故障限流器的一端连接，磁控电抗器的另一端接地；移相变压器与磁控电抗器连接的一端接入第一降压变压器T1线路侧，故障限流器的另一端接入第二降压变压器T2线路侧。该装置能够代替传统基于断路器的馈线联络开关，从而实现馈线间常态化的“软连接”，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化控制。实现了配电网馈线间的潮流优化和故障快速恢复，且电磁式装置成本低，可靠性高。

Description

一种配电网柔性交流互联装置
技术领域
本发明属于配电网柔性互联技术领域，尤其涉及一种配电网柔性交流互联装置。
背景技术
在智能电网中，可控设备日益增多，网络结构和运行方式更加灵活多变，高级配电自动化技术、先进的信息通信技术得以广泛应用，分布式电源、储能、需求侧资源等开始参与配电网的优化与控制。网络重构是改变配电网运行方式的主要手段，其功能主要是在正常情况下提供稳定、可靠的运行优化策略，在故障情况下快速地提供自愈策略支持。现有一次设备调节控制能力的欠缺已成为当前制约配电系统运行水平进一步提升的主要瓶颈。智能软开关(soft normally open point，SNOP)是在上述背景下衍生出的取代传统联络开关的一种新型智能配电装置。SNOP的引入彻底改变了传统配电网闭环设计、开环运行的供电方式，避免了开关变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控制的实时性与快速性，同时给配电网的运行带来了诸多益处。
SNOP技术旨在以可控电力电子变换器代替传统基于断路器的馈线联络开关，从而实现馈线间常态化柔性“软连接”，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化能力。电力电子式的SNOP调节潮流效果好，但由于SNOP是基于电压源型逆变器的装置，其装置不仅体积大，而且成本高,其成本甚至可达常规联络开关的上百倍。由于其结构及控制复杂，存在可靠性低的不足；同时由于其采用电力电子器件，损耗大，并且会带来谐波问题，这使得SNOP不易在配电网中大规模推广应用。而已有的用于配电网柔性互联的装置及方法，存在成本高、控制复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种代替传统基于断路器的馈线联络开关，实现馈线间常态化“软连接”的柔性交流互联装置，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种配电网柔性交流互联装置，包括配电网联络通道第一降压变压器T1和第二降压变压器T2，还包括移相变压器、磁控电抗器和故障限流器；移相变压器一端与磁控电抗器一端连接，另一端与故障限流器的一端连接，磁控电抗器的另一端接地；移相变压器与磁控电抗器连接的一端接入第一降压变压器T1线路侧，故障限流器的另一端接入第二降压变压器T2线路侧。
在上述的配电网柔性交流互联装置中，移相变压器采用一个并联单铁芯三相变压器，用于提供三相补偿电压三相补偿电压包括A相补偿电压B相补偿电压和C相补偿电压其中，A相原边绕组a1连接C相副边绕组c2提供A相补偿电压B相原边绕组b1连接A相副边绕组a2提供B相补偿电压C相原边绕组c1连接B相副边绕组b2提供C相补偿电压且三相补偿电压通过隔离变压器TS耦合到配电网线路上。
在上述的配电网柔性交流互联装置中，磁控电抗器绕组包括同相两个铁心柱上的交流主绕组并联后接至配电网，三相绕组星形连接，中性点接地；三相控制线圈接成双三角形，在三角形的顶点引出直流控制端；三相控制线圈与交流主绕组之间采用电气隔离。
在上述的配电网柔性交流互联装置中，磁控电抗器用于提供高压电抗器、限制工频、操作过电压和抑制单相重合闸过程中线路的潜供电流。
在上述的配电网柔性交流互联装置中，故障限流器采用磁饱和型故障限流器，包含限流绕组、铁芯、超导直流励磁绕组以及直流励磁电源；限流绕组和超导直流励磁绕组分别缠绕于铁芯上，直流励磁电源连接超导直流励磁绕组，为其提供直流励磁电流；限流绕组串联接入配电网。
本发明的有益效果是：能够代替传统基于断路器的馈线联络开关，从而实现馈线间常态化的“软连接”，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化控制。实现了配电网馈线间的潮流优化和故障快速恢复，且电磁式装置成本低，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一个实施例配电网柔性交流互联装置原理示意图；
图2为本发明一个实施例移相变压器的拓扑结构图；
图3为本发明一个实施例并联磁控电抗器的拓扑结构图；
图4为本发明一个实施例磁饱和型故障限流器的拓扑结构图；
图5为本发明一个实施例磁控电抗器磁饱和示意图；
图6为本发明一个实施例磁控电抗器的基波及谐波电流特性曲线；
图7为本发明一个实施例磁饱和型故障限流器短路前后电压电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实施例采用以下技术方案来实现，一种配电网柔性交流互联装置，包括配电网联络通道第一降压变压器T1和第二降压变压器T2，还包括移相变压器、磁控电抗器和故障限流器；移相变压器一端与磁控电抗器一端连接，另一端与故障限流器的一端连接，磁控电抗器的另一端接地；移相变压器与磁控电抗器连接的一端接入第一降压变压器T1线路侧，故障限流器的另一端接入第二降压变压器T2线路侧。
进一步，移相变压器采用一个并联单铁芯三相变压器，用于提供三相补偿电压三相补偿电压包括A相补偿电压B相补偿电压和C相补偿电压其中，A相原边绕组a1连接C相副边绕组c2提供A相补偿电压B相原边绕组b1连接A相副边绕组a2提供B相补偿电压C相原边绕组c1连接B相副边绕组b2提供C相补偿电压且三相补偿电压通过隔离变压器TS耦合到配电网线路上。
进一步，磁控电抗器绕组包括同相两个铁心柱上的交流主绕组并联后接至配电网，三相绕组星形连接，中性点接地；三相控制线圈接成双三角形，在三角形的顶点引出直流控制端；三相控制线圈与交流主绕组之间采用电气隔离。
进一步，磁控电抗器用于提供高压电抗器、限制工频、操作过电压和抑制单相重合闸过程中线路的潜供电流。
更进一步，故障限流器采用磁饱和型故障限流器，包含限流绕组、铁芯、超导直流励磁绕组以及直流励磁电源；限流绕组和超导直流励磁绕组分别缠绕于铁芯上，直流励磁电源连接超导直流励磁绕组，为其提供直流励磁电流；限流绕组串联接入配电网。
具体实施时，一种配电网柔性交流互联装置，包括在配电网联络通道安装移相变压器和磁控电抗器对联络通道线路有功、无功潮流进行控制。在联络通道串联故障限流器限制故障电流，实现了配电网馈线间的潮流优化和故障快速恢复。且电磁式装置成本低，可靠性高。移相变压器能够在360°范围内调节线路电压的幅值和相角，控制联络通道线路的有功、无功潮流。磁控电抗器起到并联无功补偿的作用，具有独立平滑调节无功的功能。并联磁控电抗器并可作为高压电抗器，限制工频、操作过电压和抑制单相重合闸过程中线路的潜供电流。故障限流器能够在线路发生故障时，限制故障电流，缩小故障范围，实现非故障区域的快速恢复供电。本实施例的柔性交流互联装置为电磁式结构，可靠性高，经济性好。
如图1所示，本实施例配电网柔性交流互联装置的接入位置及拓扑结构图，图中各参数做如下说明：
T1、T2为将变电站220/110kV降压变压器；
MCR为并联磁控电抗器；
FCL为磁饱和型故障限流器；
PST为移相变压器；
ΔPr、ΔQr为联络通道线路改变的有功、无功潮流。
图1中以110kV母线为例绘制了本实施例配电网柔性交流互联装置的拓扑结构图。在配电网的联络通道处安装一个本实施例的柔性交流互联装置。在配电网联络通道安装移相变压器和磁控电抗器对联络通道线路有功、无功潮流进行控制。在联络通道串联故障限流器限制故障电流，实现了配电网馈线间的潮流优化和故障快速恢复，且电磁式装置成本低，可靠性高。
图2所示，本实施例移相变压器的拓扑结构图。图中各参数做如下说明：
为联络通道T1变压器线路侧串联补偿前的三相电压；
为联络通道经移相变压器串联补偿后的三相电压；
为移相变压器的A、B、C相补偿电压；
TS为将串联补偿电压耦合到线路上的隔离变压器；
具体来说，联络通道线路T1端电压用来做一个并联单铁芯三相变压器的原边绕组的励磁电压，如图2所示，为移相变压器的三相原边绕组的输入电压。3个原边绕组的自耦输出部分与3个副边绕组一同组成了电压调节单元，以一定连接方式组成A、B、C相补偿电压和其中A相原边绕组a1和C相副边绕组c2上电压组成A相补偿电压B相原边绕组b1和A相副边绕组a2上电压组成B相补偿电压C相原边绕组c1和B相副边绕组b2上电压组成C相补偿电压A、B、C相补偿电压组成三相补偿电压串联入电网对系统进行电压补偿、潮流控制。
图3所示，本实施例并联磁控电抗器的拓扑结构图。
磁控电抗器的绕组接线方式见图3，同相两个铁心柱上的交流主绕组并联后接至电网，三相绕组星形连接，中性点直接接地。三相控制线圈接成双三角形，在三角形的顶点引出直流控制端。控制线圈与主绕组电气隔离，保证了装置工作的安全性和可靠性。
图4所示，磁饱和型故障限流器的拓扑结构图。
磁饱和型故障限流器主要包含限流绕组、铁芯、超导直流励磁绕组以及直流励磁电源几个部分。电力系统正常工作时，直流电源为超导绕组提供直流励磁电流，导致铁芯深度饱和，限流绕组的阻抗也较低，不影响系统的正常工作；短路故障发生后，巨大的短路电流使得铁芯在一个周期内退出饱和，限流绕组电抗迅速増加，从而限制短路电流。
本实施例的配电网柔性交流互联装置为电磁式装置，其包含移相变压器、磁控电抗器和故障限流器。其故障限流器采用磁饱和型故障限流器，与磁控电抗器在结构原理上相似。以下通过分析本实施例柔性交流互联装置运行的基本运行原理来验证本实施例的运行效果。
(1)移相变压器运行原理
经过移相变压器串联补偿后，联络通道的线路端电压表达式如下：
其中，k1、k2通过调节有载调压开关的位置，其大小都是正负可调的，其潮流调节公式为：
其中，由移相变压器补偿后输出电压为VS′∠δ+β，联络通道T1变压器侧电压相位为δ，T2侧端电压相位为0，首末端电压相位差为δ，X∑为联络通道线路总电抗，ΔPr、ΔQr是联络通道线路改变的有功、无功潮流。
(2)磁控电抗器原理
磁控电抗器的基本结构如图3所示，该装置采用控制铁芯磁饱和度的方式实现励磁电抗的调节。
磁控电抗器在额定电压下，当直流励磁电流为0时，磁阀处于临界饱和状态，如图5中虚线所示；当直流励磁电流不为0时，铁心磁感应强度B1的最大值大于Bs1，如图5中实线所示，此时磁阀段在一个工频周期内会存在一个磁饱和区间β。这个磁饱和区间β即被定义为磁阀磁饱和度，其计算公式如下：
根据傅里叶分析，可以计算出励磁电流的基波分量，各次谐波分量以及直流励磁电流，分别如下：
取β＝2π时的基波电流为基准值，励磁电抗的基波及谐波电流特性如图6所示。随磁饱和度增加，励磁电流基波分量按正弦关系增大，谐波分量则存在两个峰值，在磁饱和度为π和2π时，谐波电流最小。在谐波峰值处，谐波含量可达基波分量额定值的7％，不能满足耐压试验谐波要求，因此，磁控电抗器必须进行相应的谐波优化以满足谐波要求。
(3)磁饱和型故障限流器
磁饱和型故障限流器，其具有正常情况下损耗低，响应速度快、可重复投切、限流效果好，能够很好地对系统故障电流进行限制。
如图7所示，为本实施例10kV磁饱和型故障限流器短路前后两端电压和电流仿真波形图。当系统正常运行时，限流器正常运行压降峰值为165V(1.92％)，满足系统运行要求。而当发生短路故障时，最大短路电流峰值被限制到了8kA(限流系数为72.4％)，限流器的动作时间在0.5ms以内，因此磁饱和型故障限流器具有正常电压运行时损耗低，限流效果好和响应速度快等优点。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种配电网柔性交流互联装置，包括配电网联络通道第一降压变压器T1和第二降压变压器T2，其特征是，还包括移相变压器、磁控电抗器和故障限流器；移相变压器一端与磁控电抗器一端连接，另一端与故障限流器的一端连接，磁控电抗器的另一端接地；移相变压器与磁控电抗器连接的一端接入第一降压变压器T1线路侧，故障限流器的另一端接入第二降压变压器T2线路侧。
2.如权利要求1所述的配电网柔性交流互联装置，其特征是，移相变压器采用一个并联单铁芯三相变压器，用于提供三相补偿电压三相补偿电压包括A相补偿电压B相补偿电压和C相补偿电压其中，A相原边绕组a1连接C相副边绕组c2提供A相补偿电压B相原边绕组b1连接A相副边绕组a2提供B相补偿电压C相原边绕组c1连接B相副边绕组b2提供C相补偿电压且三相补偿电压通过隔离变压器TS耦合到配电网线路上。
3.如权利要求1所述的配电网柔性交流互联装置，其特征是，磁控电抗器绕组包括同相两个铁心柱上的交流主绕组并联后接至配电网，三相绕组星形连接，中性点接地；三相控制线圈接成双三角形，在三角形的顶点引出直流控制端；三相控制线圈与交流主绕组之间采用电气隔离。
4.如权利要求3所述的配电网柔性交流互联装置，其特征是，磁控电抗器用于提供高压电抗器、限制工频、操作过电压和抑制单相重合闸过程中线路的潜供电流。
5.如权利要求1所述的配电网柔性交流互联装置，其特征是，故障限流器采用磁饱和型故障限流器，包含限流绕组、铁芯、超导直流励磁绕组以及直流励磁电源；限流绕组和超导直流励磁绕组分别缠绕于铁芯上，直流励磁电源连接超导直流励磁绕组，为其提供直流励磁电流；限流绕组串联接入配电网。
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