CN107887906A - 一种不间断电力交换器的运行方式管理方法 - Google Patents

一种不间断电力交换器的运行方式管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种不间断电力交换器(UPH)的运行方式管理方法，包括三类运行方式：正常无故障时的联网方式、当主变发生N‑1故障(一台主变故障)时的负荷转供方式及电压源换流器(VSC)故障时的冗余替换；四类切换控制策略：主变发生N‑1故障时，投入备用VSC的控制策略；主变故障排除，需要恢复时，退出备用VSC、投入主变的控制策略；联网VSC故障时，投入备用VSC的切换控制策略；联网VSC故障排除，需要恢复时，退出备用VSC、投入联网VSC的切换控制策略。本发明可实现根据运行工况经四类切换控制策略，快速自动平滑切换运行方式，每类运行方式及切换控制策略可采用统一的控制策略，可有效降低控制器硬件性能要求，减少投资，提高控制效率。

Description

一种不间断电力交换器的运行方式管理方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术与交流配电技术相结合的领域，尤其是涉及一种不间断电力交换器的运行方式管理方法。
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。
目前，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，已经有专家学者提出用于交流配电系统的不间断电力交换系统，该系统可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。
发明内容
本发明的目的是提供针对不间断电力交换器存在的换流站数量多，涉及多种运行工况及各运行方式间的自动平滑切换等问题，从控制层面提供了一种不间断电力交换器运行方式管理方法，以有效管理多个换流器，实现稳态时，主动优化控制系统潮流(功率)；故障时，自动平滑切入备用换流站，保证负荷不断电；故障恢复后，无扰退出备用换流站；所有切换过程自动平滑，短时间内(ms级)完成切换，不影响负荷供电，实现负荷供电不间断。
为实现上述目的，本发明提供了一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，包括三类运行方式定义及四类切换控制策略；
所述三类运行方式定义包括：
联网方式：即各VSC经交流断路器跟对应的变电站相连，电子开关断开，备用VSC不投入，各VSC及主变正常运行并无故障的系统运行状态；
负荷转供方式：即主变发生N-1故障后，故障主变退出，母联开关闭合，电子开关闭合，备用VSC投入，UPH经备用VSC给故障主变下的负荷供电的系统运行状态；
冗余替换方式：即VSC故障后，与故障VSC相连的交流断路器断开，电子开关闭合，备用VSC投入替换故障VSC的系统运行状态；
所述四类切换控制策略包括：
主变发生N-1故障时，系统从联网方式切换至负荷转供方式的切换控制策略；
主变故障恢复时，系统从负荷转供方式切换回联网方式的切换控制策略；
VSC发生故障时，系统从联网方式切换至冗余替换方式的切换控制策略；
VSC故障恢复时，系统从冗余替换方式切换回联网方式的切换控制策略。
优选的，所述的联网方式定义为：各VSC经交流断路器跟对应的变电站相连，同时电子开关断开，备用的VSC不投入，各VSC及主变正常运行，无故障的系统运行状态。
优选的，所述负荷转供方式定义为：主变发生N-1故障后，故障主变退出，母联开关闭合，电子开关闭合，备用VSC投入，UPH经备用VSC给故障主变下的负荷供电的系统运行状态。
优选的，所述冗余替换方式定义为：联网的VSC故障后，与故障VSC相连的交流断路器断开，电子开关闭合，备用VSC投入替换故障VSC的系统运行状态。
优选的，所述系统从联网方式切换至负荷转供方式切换控制策略为：系统运行在联网方式，当主变发生N-1故障时，UPH控制器快速闭合母联开关，同时快速下发电子开关触发脉冲，导通与故障主变相连的电子开关，解锁投入的备用VSC的过程。
优选的，所述系统从负荷转供方式切换回联网方式切换控制策略为：当故障主变故障排除，需要恢复时，UPH控制器先断开母联开关，同时闭锁与所需恢复主变相连的VSC及已投入的备用VSC，快速下发电子开关闭锁脉冲，关断与所需恢复主变相连的电子开关，投入所需恢复主变，解锁跟所需恢复主变相连的VSC的过程。
优选的，所述的系统从联网方式切换至冗余替换方式切换控制策略为：当联网VSC发生故障时，UPH控制器断开与故障VSC相连的交流断路器，快速下发电子开关触发脉冲，导通与故障VSC相连的电子开关并解锁投入的备用VSC的过程。
优选的，所述的系统从冗余替换方式切换回联网方式切换控制策略为：当故障的联网VSC故障排除后，需要恢复时，UPH控制器闭锁已投入的备用VSC，快速下发电子开关闭锁脉冲，关断与所需恢复VSC相连的电子开关，并闭合跟所需恢复VSC相连的交流断路器的过程。
因此，本发明提出的用于不间断电力交换器的运行方式管理方法，其优点是：本发明定义的三类运行方式功能明确，覆盖多种工况。每类运行方式下的具体运行方式因系统结构功能相似，控制目标一致，同时各VSC又是采用模块化设计，规格统一，故针对每类运行方式下的各具体运行方式可设计统一的控制策略与控制模式，避免因工况不同，需要针对每一种具体运行方式设置具体的控制模式，避免了控制算法的重复设计，从工程应用角度降低对控制器硬件的性能要求，可减少设备投资，有效提高系统控制效率。
本发明提出的四类切换策略功能清晰，逻辑严谨且易于实现。UPH经N台VSC经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，当交流变电站中的主变发生N-1故障或是UPH自身的VSC发生故障时，就会有退出故障部分、投入备用VSC的切换过程；故障排除后，系统重新恢复时，会有退出备用VSC、投入恢复后的主变或是VSC的切换过程。本发明将系统中涉及到的所有切换归纳为四类，每类切换的切换过程相似，控制目标一致，故针对每类切换可设计统一的切换策略，减少切换时间，提高程序运行效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是现有技术中的交流配电网结构示意图；
图2是已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是本发明一个实施例的电路原理图；
图4是本发明一个实施例的电子开关的电路原理图；
图5是本发明提出的四类切换策略流程图；
图6是本发明一个实施例的四类切换控制策略流程图；
图7是本发明一个实施例的正常联网运行方式示意图；
图8是本发明一个实施例的负荷转供运行方式示意图；
图9是本发明一个实施例的冗余替换运行方式示意图。
具体实施方式
实施例
本发明提出一种不间断电力交换器的运行方式管理方法如图5-9所示，包括三类运行方式定义及四类切换控制策略；
所述三类运行方式包括
联网方式：即各电压源换流器(VSC)经交流断路器跟对应的变电站相连，电子开关断开，备用VSC不投入，各VSC及主变正常运行，无故障发生的系统运行状态；
负荷转供方式：即主变发生N-1故障(一台主变故障)后，故障主变退出，母联开关闭合，电子开关闭合，备用VSC投入，UPH(不间断电力交换器)经备用VSC给故障主变下的负荷供电的系统运行状态；
冗余替换方式：即VSC故障后，与故障VSC相连的交流断路器断开，电子开关闭合，备用VSC投入替换故障VSC的系统运行状态。
所述四类切换控制策略包括：
主变发生N-1故障时，系统从联网方式切换至负荷转供方式；
主变故障恢复时，系统从负荷转供切换回联网方式；
VSC发生故障时，系统从联网方式切换至冗余替换方式；
VSC故障恢复时，系统从冗余替换方式切换回联网方式。
以下结合附图，详细介绍本发明一种不间断电力交换器的运行方式管理方法工作原理：
联网方式：即各电压源换流器(VSC)经交流断路器跟对应的变电站相连，同时电子开关断开，备用的VSC不投入，各VSC及主变正常运行、无故障的系统运行状态。该方式下各电压源换流站的直流侧经直流母线相连，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。
负荷转供方式：即主变发生N-1故障(一台主变故障)后，故障主变退出，母联开关闭合，电子开关闭合，备用VSC投入，UPH经备用VSC给故障主变下的负荷供电的系统运行状态。该方式下故障主变下的负荷由备用变压器经母联开关及联网的其他主变供电，实现负荷不断电。
冗余替换：即VSC故障后，与之相连的交流断路器断开，电子开关闭合，备用VSC投入替换故障VSC的系统运行状态。该方式下故障的VSC由备用VSC替换，保证系统联网不停运，负荷不间断供电。
系统从联网方式切换至负荷转供方式：系统运行在联网方式，当主变发生N-1故障时，UPH控制器快速闭合母联开关，同时快速下发电子开关触发脉冲，导通与故障主变相连的电子开关，解锁投入的备用VSC，系统切换至负荷转供方式；
系统从负荷转供方式切换回联网方式：当主变故障排除，需要恢复时，UPH控制器先断开母联开关，同时闭锁与所需恢复主变相连的VSC及已投入的备用VSC，快速下发电子开关闭锁脉冲，关断与所需恢复主变相连的电子开关，投入所需恢复主变，解锁跟所需恢复主变相连的VSC，系统切换回联网方式；
系统从联网方式切换至冗余替换方式：当联网VSC发生故障时，断开跟故障VSC相连的交流断路器，快速下发电子开关触发脉冲，导通与故障VSC相连的电子开关并解锁投入的备用VSC，系统切换至冗余替换方式；
系统从冗余替换方式切换回联网方式：当联网VSC故障恢复时，UPH控制器闭锁已投入的备用VSC，快速下发电子开关闭锁脉冲，关断与所需恢复VSC相连的电子开关，并闭合跟所需恢复VSC相连的交流断路器，系统从切换回联网方式。
为使本技术领域的人员更好的理解本发明提出的用于交流配电系统不间断电力交换器的运行方式划分及切换控制策略，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：
本发明旨在合理高效的发挥UPH不间断电力交换器的优势，优化和加强现有交流配电网的建设，由图3可知，该实施例中的不间断电力交换器包括5台统一规格的电压源换流站(VSC)、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；VSC5通过交流断路器ACB5与电子开关的一端相连。每台VSC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”。如图4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、和ACB5，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5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：
1、当主变发生N-1故障时，UPH控制系统自动从联网方式切换至负荷转供方式运行，具体工作原理如下：
如图6及图8所示，假设系统满载运行，现交流变电站2中主变T1掉电，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，快速导通变电站2与VSC5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，而这些提供的功率又通过VSC2和VSC5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。
2、当故障主变故障排除，需要恢复时，UPH控制系统自动从负荷转供方式切换回联网方式，具体工作原理如下：
如图8所示，系统运行在交流变电站2中主变T1掉电，T1下的负载功率由T2及联网的其他主变经VSC2和VSC5提供，实现掉电主变T1的负荷不间断供电。当T1故障排除，需要恢复时，断开交流变电站2中的母联开关，UPH控制器闭锁VSC2、和VSC5，快速下发电子开关闭锁脉冲，在短时间内断开变电站2与VSC5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，投入T1，解锁VSC2，T1的负荷恢复供电，系统从负荷转供方式切换回联网方式。
3、当任一联网VSC发生故障时，控制系统从联网方式运行切换至冗余替换方式，具体工作原理如下：
如图6及图9所示，假设系统正常联网运行，现连接交流变电站2的VSC2出现故障退出运行，UPH控制器断开跟故障VSC2相连的交流断路器ACB2，同时快速下发电子开关触发脉冲，导通变电站2与VSC5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，VSC2的功能由VSC5完成，从而实现UPH的冗余替换功能，保证UPH装置正常运行。系统从联网方式运行切换至冗余替换方式运行。
4、当联网VSC故障排除，需要恢复时，控制系统从冗余替换方式切换回联网方式运行，具体工作原理如下：
如图9所示，假设系统满载运行，现系统运行在VSC2故障、VSC5替换VSC2的冗余替换方式。当VSC2故障排除，需要恢复时，UPH控制器首先闭锁VSC5，同时快速下发电子开关闭锁脉冲，关断变电站2与VSC5之间的电子开关(S2a/2b/2c)，闭合跟VSC2相连的交流断路器ACB2，解锁VSC2系统。系统从冗余替换方式切换回联网方式。
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，包括三类运行方式定义及四类切换控制策略；
所述三类运行方式定义包括：
联网方式：即各VSC经交流断路器跟对应的变电站相连，电子开关断开，备用VSC不投入，各VSC及主变正常运行并无故障的系统运行状态；
负荷转供方式：即主变发生N-1故障后，故障主变退出，母联开关闭合，电子开关闭合，备用VSC投入，UPH经备用VSC给故障主变下的负荷供电的系统运行状态；
冗余替换方式：即VSC故障后，与故障VSC相连的交流断路器断开，电子开关闭合，备用VSC投入替换故障VSC的系统运行状态；
所述四类切换控制策略包括：
主变发生N-1故障时，系统从联网方式切换至负荷转供方式的切换控制策略；
主变故障恢复时，系统从负荷转供方式切换回联网方式的切换控制策略；
VSC发生故障时，系统从联网方式切换至冗余替换方式的切换控制策略；
VSC故障恢复时，系统从冗余替换方式切换回联网方式的切换控制策略。
2.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述的联网方式定义为：各VSC经交流断路器跟对应的变电站相连，同时电子开关断开，备用的VSC不投入，各VSC及主变正常运行，无故障的系统运行状态。
3.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述负荷转供方式定义为：主变发生N-1故障后，故障主变退出，母联开关闭合，电子开关闭合，备用VSC投入，UPH经备用VSC给故障主变下的负荷供电的系统运行状态。
4.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述冗余替换方式定义为：联网的VSC故障后，与故障VSC相连的交流断路器断开，电子开关闭合，备用VSC投入替换故障VSC的系统运行状态。
5.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述系统从联网方式切换至负荷转供方式切换控制策略为：系统运行在联网方式，当主变发生N-1故障时，UPH控制器快速闭合母联开关，同时快速下发电子开关触发脉冲，导通与故障主变相连的电子开关，解锁投入的备用VSC的过程。
6.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述系统从负荷转供方式切换回联网方式切换控制策略为：当故障主变故障排除，需要恢复时，UPH控制器先断开母联开关，同时闭锁与所需恢复主变相连的VSC及已投入的备用VSC，快速下发电子开关闭锁脉冲，关断与所需恢复主变相连的电子开关，投入所需恢复主变，解锁跟所需恢复主变相连的VSC的过程。
7.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述的系统从联网方式切换至冗余替换方式切换控制策略为：当联网VSC发生故障时，UPH控制器断开与故障VSC相连的交流断路器，快速下发电子开关触发脉冲，导通与故障VSC相连的电子开关并解锁投入的备用VSC的过程。
8.如权利要求1所述的一种不间断电力交换器的运行方式管理方法，其特征在于，所述的系统从冗余替换方式切换回联网方式切换控制策略为：当故障的联网VSC故障排除后，需要恢复时，UPH控制器闭锁已投入的备用VSC，快速下发电子开关闭锁脉冲，关断与所需恢复VSC相连的电子开关，并闭合跟所需恢复VSC相连的交流断路器的过程。
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