CN111614097A - 一种交直流互联的矿山电网供电系统及供电恢复控制方法 - Google Patents

一种交直流互联的矿山电网供电系统及供电恢复控制方法 Download PDF

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Abstract

一种交直流互联的矿山电网供电系统及供电恢复控制方法，适用于矿山电网结构设计领域。在矿山中布设电网时采用直流交流双母线进线，其中交流母线A从1号主变进线，连接矿山交流负载；直流母线B从2号主变进线，经过双向换流器VSC1转换成直流电，再通过DC/DC转换器连接矿山直流负载，直流母线A和直流母线B之间通过双向换流器VSC2和双向换流器VSC3互联；具体的，交流母线A为矿山电网主供电电源线路，连接有主副提升机、通风机和空压机等交流负载；直流母线通过双向DC/DC换流器连接光伏发电设备、风力发电设备和储能电池装置。其供电方式，既能减少能量损失、提高电能质量，又有适应性强、高冗余性、高可靠性的特点。

Description

一种交直流互联的矿山电网供电系统及供电恢复控制方法
技术领域
本发明涉及一种矿山电网供电系统及供电恢复控制方法，尤其适用于矿山电网结构设计领域的一种交直流互联的矿山电网供电系统及供电恢复控制方法。
背景技术
矿井工作环境复杂，大功率设备众多，其供电系统的安全性与可靠性直接影响着煤矿的生产作业与工作人员的人身安全。
若矿山供电发生中断，则会导致水泵停止，易引发水灾，通风机也将停止运行，瓦斯积聚，极易引起瓦斯爆炸。为了保证矿山供电的连续性，《煤矿安全规程》第四百四十一条规定“矿井应该有两回电源线路。当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应能担负矿井全部负荷”。矿山双回供电使供电系统具有了后备，一定程度上保证了现有供电系统的连续可靠性。
然而，随着煤矿的煤炭产量逐渐加大，功率较大的运输设备和采煤机组的不断应用,导致煤矿井下供电系统负荷的大大增加。为了达到增产、降耗和提高效率的目的，煤矿变频器被广泛使用，其带来的谐波污染不容忽视，而增设滤波器又将增大系统的复杂度。此外，为了充分利用矿山的土地资源和太阳能资源，整合采煤深陷区光照、土地、电网等发展要素，可以在采煤深陷区建设光伏发电基地，发展光伏发电；部分矿山因地理位置，拥有良好的风力资源，宜发展风力发电。光伏、风力等分布式电源以及储能设备的接入，使得矿山电网系统的负荷类型更为复杂，在分布式电源与直流母线的连接形式上更易于实现分布式电源间的协调控制,线路成本和损耗低，电网运行可靠性更高。
发明内容
针对上述技术的不组织指出，提供一种在交流供电的基础上加入直流供电进行补充，既能减少能量损失，适应性又强，能够有效提高矿山电网供电方式的运行稳定性、可靠性和连续性的交直流互联的矿山电网供电系统及供电恢复控制方法。
为实现上述目的，本发明的交直流互联的矿山电网供电系统，在矿山中布设电网时采用直流交流双母线进线，其中交流母线A从1号主变进线，连接矿山交流负载；直流母线B从2号主变进线，经过双向换流器VSC1转换成直流电，再通过DC/DC转换器连接矿山直流负载，直流母线A和直流母线B之间通过双向换流器VSC2和双向换流器VSC3互联；具体的，交流母线A为矿山电网主供电电源线路，连接有主副提升机、通风机和空压机等交流负载；直流母线通过双向DC/DC换流器连接光伏发电设备、风力发电设备和储能电池装置。
交流母线A与直流母线B之间设有双向换流器VSC2和双向换流器VSC3之间实现互联，其中，双向换流器VSC2为主换流器，双向换流器VSC3为后备换流器，双向换流器VSC2设置在地面变电所进线处，双向换流器VSC3设置在井下中央变电所进线处，换流器容量SVSC计算公式为：
Figure BDA0002530452180000021
式中，Pfi为设备最大负荷值，Ki为设备需用系数，取值因设备而异，Si为设备容量，λ为容量裕度系数，取值为1.2。
一种交直流互联的矿山电网供电系统的供电恢复控制方法，当直流母线A和直流母线B中任意一条母线的配电网中出现故障，对故障区域进行隔离，优先使用光伏发电设备、风力发电设备和储能电池对无法恢复用电的非故障区域供电，其次直接使用双向换流器VSC2和双向换流器VSC3转供电能；
具体为：
当检测到交流母线A侧P点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成P点部分下游非故障区域LP失电，将此时失电区域容量记为SP0，利用公式：Shac＝SPr1+SPr2+SPr3计算用于供电恢复的分布式电源的总容量Shac，SPr1为光伏发电侧供电的剩余容量，SPr2为风力发电侧供电的剩余容量，SPr3为储能电池侧供电的剩余容量，若满足Shac≥SP0，则优先选用光伏发电系统、风力发电系统和储能系统为失电区域供电，反之则通过直流母线B经由双向换流器VSC2或双向换流器VSC3为交流母线A侧失电区域转供电能，此时最大可转供容量为SVSC；
当检测到直流母线B侧Q点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成Q点部分下游非故障区域LQ失电，将此时失电区域容量记为SQ0，利用公式：Shdc＝SQr1+SQr2+SQr3计算用于供电恢复的分布式电源的总容量Shdc，SQr1为光伏发电侧的剩余容量，SQr2为风力发电侧的剩余容量，SQr3为储能电池侧的剩余容量，若满足Shdc≥SQ0，则利用光伏发电装置、风力发电装置和储能电池为失电区域供电；反之则由交流母线A侧经双向换流器VSC2或双向换流器VSC3为直流母线B侧失电区域供电，此时最大可转供容量为SVSC。
有益效果：
本发明涉及的双向换流器VSC2和VSC3的安装容量由所在直流线路的最大传输容量决定。由于直流线路不存在集肤效应，因此相较于交流线路，直流电缆的电阻损耗小，传输容量有较大的提升，可达交流线路最大传输容量的1.5至2倍，为矿山负载的扩充以及进一步发展提供了较大的容量空间；直流系统的应用可在一定程度上避免变频器带来的谐波污染；为VSC2和VSC3定容保证了建设的经济性和运行的可靠性；为VSC2和VSC3定容时考虑了容量裕度系数，为矿山后续增添设备提供了运行保障；减少了直流负载经换流器连接交流电的整流步骤，使整个矿山系统的划分更加清晰，降低其电网复杂度，提高了经济性；交流侧与直流侧互为后备，在满足矿山规程的基础上，提升了矿山供电的冗余度和安全性。
附图说明
图1为交直流互联矿山供电方式框架图；
图2为交直流互联矿山供电方式结构组成图；
图3为交流侧故障后供电恢复示意图；
图4为直流侧故障后供电恢复示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种交直流互联的矿山电网供电系统，在矿山中布设电网时采用直流交流双母线进线，其中交流母线A从1号主变进线，连接矿山交流负载；直流母线B从2号主变进线，经过双向换流器VSC1转换成直流电，再通过DC/DC转换器连接矿山直流负载，直流母线A和直流母线B之间通过双向换流器VSC2和双向换流器VSC3互联；具体的，交流母线A为矿山电网主供电电源线路，连接有主副提升机、通风机和空压机等交流负载；直流母线B通过双向DC/DC换流器连接光伏发电设备、风力发电设备和储能电池装置，直流母线B通过双向DC/DC换流器连接直流母线C给井下照明和通信系统供电。
图2为交直流互联矿山供电方式结构组成图。交流母线A为矿山电网主供电电源线路，主要连接主副提升机、通风机和空压机等交流负载；直流母线通过双向DC/DC换流器连接风力发电设备、光伏设备和蓄电池储能装置。交流母线A与直流母线B之间采用换流器VSC2和VSC3互联，其中，VSC2为主换流器，VSC3为后备换流器。VSC2位于地面变电所进线处，VSC3位于井下中央变电所进线处。换流器容量SVSC可计算为：
Figure BDA0002530452180000041
其中，Pfi为设备最大负荷值，Ki为设备需用系数，Si为设备容量，取值因设备而异，λ为容量裕度系数，取值为1.2。
一种交直流互联的矿山电网供电系统的供电恢复控制方法，其步骤为：当直流母线A和直流母线B中任意一条母线的配电网中出现故障，对故障区域进行隔离，优先使用光伏发电设备、风力发电设备和储能电池对无法恢复用电的非故障区域供电，其次直接使用双向换流器VSC2和双向换流器VSC3转供电能；
具体步骤为：
如图3所示，当检测到交流母线A侧P点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成P点部分下游非故障区域LP失电，将此时失电区域容量记为SP0，利用公式：Shac＝SPr1+SPr2+SPr3计算用于供电恢复的分布式电源的总容量Shac，SPr1为光伏发电侧供电的剩余容量，SPr2为风力发电侧供电的剩余容量，SPr3为储能电池侧供电的剩余容量，若满足Shac≥SP0，则优先选用光伏发电系统、风力发电系统和储能系统为失电区域供电，反之则通过直流母线B经由双向换流器VSC2或双向换流器VSC3为交流母线A侧失电区域转供电能，此时最大可转供容量为SVSC；
如图4所示，当检测到直流母线B侧Q点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成Q点部分下游非故障区域LQ失电，将此时失电区域容量记为SQ0，利用公式：Shdc＝SQr1+SQr2+SQr3计算用于供电恢复的分布式电源的总容量Shdc，SQr1为光伏发电侧的剩余容量，SQr2为风力发电侧的剩余容量，SQr3为储能电池侧的剩余容量，若满足Shdc≥SQ0，则利用光伏发电装置、风力发电装置和储能电池为失电区域供电；反之则由交流母线A侧经双向换流器VSC2或双向换流器VSC3为直流母线B侧失电区域供电，此时最大可转供容量为SVSC。
具体实施例：
交直流互联的矿山电网供电系统控制方法为：系统正常运行时，对于交流母线A的地面变电所部分，主副井提升机、空气压缩机和通风机等负荷正常工作运行；其井下中央变电所部分，通过矿用变电器，将所受10kV电压降为660V、380V供给井底车场附近的低压动力设备使用，包括推车机和小水泵等，并向高压设备、整流设备和各采区变电所供电；其采区变电所位于采区用电负荷的中心，将高电压变为低电压，并将此电压分配到采区所有采掘工作面及其他用电设备。对直流母线B，经双向DC/DC换流器连接光伏发电系统，可为直流线路直接供电；经双向DC/DC换流器连接风力发电系统，可为直流线路直接供电；经双向DC/DC换流器连接蓄电池储能系统，作为直流线路的后备电源；同时连接矿井高压直流负载，并经双向DC/DC换流器降压引出低压直流母线，为通信电源等低压直流负载供电。
第一方面，本发明提供了一种交直流互联的矿山电网供电系统，包括：该供电方式包含两条母线进线，其中交流母线A从1号主变进线，给矿山交流负载供电；直流母线B从2号主变进线，经过AC/DC双向换流器VSC1转换成直流给矿山直流负载供电，两条母线A、B之间通过AC/DC双向换流器VSC2和VSC3互联。
可选地，交流母线A为矿山电网主供电电源线路，主要连接主副提升机、通风机和空压机等交流负载；直流母线通过双向DC/DC换流器连接光伏发电设备、风力发电设备和蓄电池储能装置。
可选地，交流母线A与直流母线B之间采用VSC2和VSC3两个换流器互联，其中，VSC2为主换流器，VSC3为后备换流器。VSC2位于地面变电所进线处，VSC3位于井下中央变电所进线处。
第二方面，本发明提供了一种交直流互联的矿山电网供电系统控制方法，包括：为保证所提供电方式能够在正常以及故障状态下可靠运行，首先对换流器VSC2和VSC3进行定容。换流器容量SVSC可计算为：
Figure BDA0002530452180000051
其中，Pfi为设备最大负荷值，Ki为设备需用系数，取值因设备而异，Si为设备容量，λ为容量裕度系数，取值为1.2。综合调研并整合矿山负荷分布情况如表1：
表1矿山负荷分布情况统计
Figure BDA0002530452180000061
在此情况下，经计算可得SVSC定容为3MW。
系统正常运行时：对于交流母线A的地面变电所部分，主副井提升机、空气压缩机和通风机等负荷正常工作运行；其井下中央变电所部分，通过矿用变电器，将所受10kV电压降为660V、380V供给井底车场附近的低压动力设备使用，包括推车机和小水泵等，并向高压设备、整流设备和各采区变电所供电；其采区变电所位于采区用电负荷的中心，将高电压变为低电压，并将此电压分配到采区所有采掘工作面及其他用电设备。对直流母线B，经双向DC/DC换流器连接光伏发电系统，可为直流线路直接供电；经双向DC/DC换流器连接风力发电系统，可为直流线路直接供电；经双向DC/DC换流器连接蓄电池储能系统，作为直流线路的后备电源；同时连接矿井高压直流负载，并经双向DC/DC换流器降压引出低压直流母线，为通信电源等低压直流负载供电。
系统发生故障时情况一：
当交流母线A侧发生故障时：直流侧通过VSC2或VSC3向交流侧提供有功功率和无功功率的紧急支撑，提高其功角稳定性和电压稳定性。其响应速度远大于断路器响应速度，具有较高可靠性，保证了矿山系统连续供电；所提控制方法优先使用光伏发电设备、风力发电设备和储能电池恢复供电，其次使用换流器VSC2和VSC3转供电能。
交流侧故障供电恢复具体流程：如图3所示，当检测到交流母线A侧P点发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成其下游非故障区域LP失电。将此时失电区域容量记为SP0。可用于供电恢复的分布式电源的总容量Shac为：
Shac＝SPr1+SPr2+SPr3
其中，SPr1为光伏发电侧供电的剩余容量，SPr2为风力发电侧供电的剩余容量，SPr3为储能电池侧供电的剩余容量。LP区域恢复供电的控制方法为：若满足
Shac≥SP0
则优先选用光伏发电系统、风力发电系统和储能系统为失电区域供电；反之，则由直流母线B经由双向换流器VSC2或VSC3为失电区域转供电能，此时最大可转供容量为SVSC；
在交流侧故障恢复供电过程中，由于存在后备换流器VSC3，所述直流侧剩余容量与双向换流器容量足以补足交流侧故障失电区域容量，当光伏发电侧、风力发电侧和储能电池侧剩余容量无法补足故障失电侧容量时，换流器可以稳定实现电能转供。
情况二：
当直流母线B侧发生故障时：交流侧通过VSC2或VSC3整流，给直流侧提供功率和电压支撑。此外，大容量的直流侧线路接入的光伏、风力和储能系统也可作为直流侧备用电源。
直流侧故障供电恢复具体流程：如图4所示，直流侧Q处发生故障导致LQ区域失电，当检测到直流母线B侧Q点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成其下游非故障区域LQ失电。将此时失电区域容量记为SQ0。可用于供电恢复的分布式电源的总容量Shdc为：
Shdc＝SQr1+SQr2+SQr3
其中，SQr1为光伏发电侧的剩余容量，SQr2为风力发电侧的剩余容量，SQr3为储能电池侧的剩余容量。若满足
Shdc≥SQ0
则利用光伏发电装置、风力发电装置和储能电池为失电区域供电；反之，则由交流母线A侧经双向换流器给直流母线B失电区域供电，此时最大可转供容量为SVSC。
在交流侧故障恢复供电过程中，由于存在后备换流器VSC3，所述交流侧剩余容量与双向换流器容量足以补足交流侧故障失电区域容量，当光伏发电侧、风力发电侧和储能电池侧剩余容量无法补足故障失电侧容量时，换流器可以稳定实现电能转供。

Claims (3)

1.一种交直流互联的矿山电网供电系统，其特征在于：在矿山中布设电网时采用直流交流双母线进线，其中交流母线A从1号主变进线，连接矿山交流负载；直流母线B从2号主变进线，经过双向换流器VSC1转换成直流电，再通过DC/DC转换器连接矿山直流负载，直流母线A和直流母线B之间通过双向换流器VSC2和双向换流器VSC3互联；具体的，交流母线A为矿山电网主供电电源线路，连接有主副提升机、通风机和空压机等交流负载；直流母线通过双向DC/DC换流器连接光伏发电设备、风力发电设备和储能电池装置。
2.根据权利要求书1所述的一种交直流互联的矿山电网供电系统，其特征在于：交流母线A与直流母线B之间设有双向换流器VSC2和双向换流器VSC3之间实现互联，其中，双向换流器VSC2为主换流器，双向换流器VSC3为后备换流器，双向换流器VSC2设置在地面变电所进线处，双向换流器VSC3设置在井下中央变电所进线处，换流器容量SVSC计算公式为：
Figure FDA0002530452170000011
式中，Pfi为设备最大负荷值，Ki为设备需用系数，取值因设备而异，Si为设备容量，λ为容量裕度系数，取值为1.2。
3.一种应用于上述权利要求所述交直流互联的矿山电网供电系统的供电恢复控制方法，其特征在于步骤如下：当直流母线A和直流母线B中任意一条母线的配电网中出现故障，对故障区域进行隔离，优先使用光伏发电设备、风力发电设备和储能电池对无法恢复用电的非故障区域供电，其次直接使用双向换流器VSC2和双向换流器VSC3转供电能；
具体步骤为：
当检测到交流母线A侧P点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成P点部分下游非故障区域LP失电，将此时失电区域容量记为SP0，利用公式：Shac＝SPr1+SPr2+SPr3计算用于供电恢复的分布式电源的总容量Shac，SPr1为光伏发电侧供电的剩余容量，SPr2为风力发电侧供电的剩余容量，SPr3为储能电池侧供电的剩余容量，若满足Shac≥SP0，则优先选用光伏发电系统、风力发电系统和储能系统为失电区域供电，反之则通过直流母线B经由双向换流器VSC2或双向换流器VSC3为交流母线A侧失电区域转供电能，此时最大可转供容量为SVSC；
当检测到直流母线B侧Q点处发生故障时，切断相应故障线路的同时会造成Q点部分下游非故障区域LQ失电，将此时失电区域容量记为SQ0，利用公式：Shdc＝SQr1+SQr2+SQr3计算用于供电恢复的分布式电源的总容量Shdc，SQr1为光伏发电侧的剩余容量，SQr2为风力发电侧的剩余容量，SQr3为储能电池侧的剩余容量，若满足Shdc≥SQ0，则利用光伏发电装置、风力发电装置和储能电池为失电区域供电；反之则由交流母线A侧经双向换流器VSC2或双向换流器VSC3为直流母线B侧失电区域供电，此时最大可转供容量为SVSC。
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