CN111769557B - 一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置及方法，包括负载控制装置，所述负载控制装置连接于原配电变压器与其出口配电线路之间，通过输出窄脉宽直流方波来给用户供电。在灾害发生前，在每个配网区域配置适当数量的分布式发电和储能设施；在灾害发生后，将配电变压器及输电线路和负荷从变电站的降压变压器断开，构成微网；同时将分布式发电和储能设施产生的电力通过配电变压器升压后，传递到配电线路上；在没有分布式电源的节点，在配电变压器出口安装负荷控制装置，将配电变压器输出的交流电整流为直流电，再通过电力电子装置输出个数随频率变化的窄脉宽方波来给用户供电。该装置及方法有利于在危急时为居民提供最低的用电保障。

Description

一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统应急供电技术领域，具体涉及一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置及方法。

背景技术

随着文明的发展，越来越多的人定居于大中型城市。城市在给他们提供便利的同时，也带来了很多问题。在危机发生时，为上百万人提供水、食物和燃料，需要水泵、管网、供应链、交通指挥、燃油和通信协调才能完成。如果灾害发生后不能保证电力供应，这个体系就会失效，带来非常严峻的问题。进入二十一世纪后，大规模自然灾害频繁发生，例如2004年印度洋海啸、2005年新奥尔良飓风、2008年中国雪灾等。灾害发生后，首要的问题往往都是恢复电力供应。不过，灾害发生时往往会破坏输电网和电源，并且这种破坏可能规模巨大，长时间无法恢复。这时人们赖以生存的很多体系就会崩溃。为此，灾害发生后的当务之急就是恢复供电，不过，目前多数应急供电方案都是在配电网中接入移动应急电源，并对接入进行了优化配置与调度的研究，但是这种供电方案仅能短时（几天）给少数重要负荷（如水厂、重要通信中心等）供电，而不能长时间给居民使用。问题在于，灾害发生后居民供电和关键负荷一样重要，如果没有基本电力保障，城市可能会很快陷入混乱。

随着技术的进步，近年来分布式电源获得了长足的进展，光伏和风电成本稳步下降，且能方便的部署于城市之中。此外，微网的运行理论也逐步成熟，世界上和国内都有独立运行的小规模微网示范工程。将分布式电源部署到配电网的有源配网也取得了不少研究成果。在灾害或大电网事故发生时，微网也可为区域内的用户提供应急电力供应，这对防灾减灾具有重要的意义。

不过，目前的微网在部署时一般都经过预先设计，在设计阶段仅考虑满足有限的用户需求，并根据具体情况选择网络结构和线路，选择控制策略和电源/储能设施。这种模式在短期灾害时为少量用户供电并不存在问题，但是大规模灾害后，需要利用极为有限的分布式电源，利用现有的配电线路（而不仅仅是微网线路），来为广大区域的众多客户同时提供有限电力供应。此时预先设计的方案就不再可行。因而就必须设计相应的应急供电方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置及方法，该装置及方法有利于在危急时为居民提供最低的用电保障。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，包括负载控制装置，所述负载控制装置连接于原配电变压器与其出口配电线路之间，通过输出窄脉宽直流方波来给用户供电。

进一步地，所述负载控制装置将配电变压器输出的三相交流电整流为直流电，再通过电力电子装置输出个数随输电线路上的频率变化而变化的窄脉宽方波来给用户供电。

进一步地，所述负载控制装置采用三相PWM整流，并通过控制导通角，将三相交流电整流为电容上的直流电。

进一步地，还包括故障处理模块，所述故障处理模块包括过流检测模块、电力电子旁路器件和旁路控制器，所述过流检测模块连接于负荷控制装置的输出端，当其检测到出口过流时，所述旁路控制器控制负荷控制装置停止工作，并控制电力电子旁路器件将负荷控制装置旁路，转而给出口提供配电变压器输出的220V/380V交流电。

进一步地，所述方波频率为50Hz，脉冲宽度范围在1-10ms之间。

本发明还提供了一种大范围延续灾害时可用的应急供电方法，在灾害发生前，在每个配网区域配置适当数量的分布式发电和储能设施，以在灾害发生后，能够将配网中的分布式电源作为电源为配网供电；

在灾害发生后，将10kV配电变压器及输电线路和负荷从变电站的降压变压器断开，构成微网；同时将分布式发电和储能设施产生的电力通过220V/10kV配电变压器升压后，传递到10kV配电线路上；在没有分布式电源的节点，在配电变压器出口安装负荷控制装置，将配电变压器输出的三相交流电整流为直流电，再通过电力电子装置输出个数随频率变化的窄脉宽方波来给用户供电。

进一步地，所述分布式发电和储能设施的容量由所属配网区域中供水水泵容量和所有手机应急所需电量的容量累加估算得到。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置及方法，该应急供电方案没有任何电能质量、可靠性或经济性的考虑，利用分布式电源和现有配网，在没有网络等现代通信条件、电能极为匮乏的前提下，为居民在危急时提供最低的用电保障。本发明通过在原配电变压器与其出口配电线路之间设置负载控制装置，输出窄脉宽直流方波来给用户供电，从而防止用户超预期用电，并实现根据频率影响负载用电量，保证电力的有限供应。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的应急供电方法的拓扑图。

图2是本发明实施例中负载控制装置的电路原理图。

图3为本发明实施例中负载控制装置供电脉冲示意图。

图4为本发明实施例中触发脉冲随频率变化的示意表格。

图5为本发明实施例中具有负荷下垂特性的运行点分析示意图。

图6为本发明实施例中故障处理模块的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种大范围延续灾害时可用的应急供电方法，具体为：

在灾害发生前，在每个配网区域配置适当数量的分布式发电和储能设施，以在灾害发生后，能够将配网中的分布式电源作为电源为配网供电。分布式发电和储能设施的容量由所属配网区域中供水水泵容量和所有手机应急所需电量（如平时用电量的5%，或者按每人20W估计）的容量累加估算得到。也就是说，除了供水水泵和手机上的应急功能，如照明、收音机等，其他用电器均不考虑。

在灾害发生后，将10kV配电变压器及输电线路和负荷从变电站的降压变压器断开，构成微网；同时将分布式发电和储能设施产生的电力通过220V/10kV配电变压器升压后，传递到10kV配电线路上；在没有分布式电源的节点，在配电变压器出口安装负荷控制装置，将配电变压器输出的380V三相交流电整流为311V直流电，再通过电力电子装置输出个数随频率变化的311V窄脉宽方波来给用户供电。图1给出了本发明的应急供电方案的拓扑图。图中，4，9两个节点接入了分布式电源，其他节点均接入负荷控制装置。

本发明中，分布式电源、变压器等都是常规设备，而负荷控制装置是本发明的关键设备。通过负荷控制装置，防止用户超预期用电（除了手机充电器之外其他电器都无法使用），同时，通过控制脉冲的有无和比例来实现根据频率影响负载用电量，从而为P/f下垂提供负荷侧支持。

相应地，本发明提供了一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，包括负载控制装置，所述负载控制装置的输入接于配电变压器出口（一般为10kV三相配电变压器），输出接到原配电变压器出口的三根220V配电线路，即装置连接于原配电变压器与其出口的220V配电线路之间，通过输出窄脉宽直流方波来给用户供电。

图2给出了负荷控制装置的原理图。如图2所示，所述负载控制装置采用三相H桥进行PWM整流，并通过控制导通角，将10kV配电变压器输出的380V三相交流电整流为储能电容上的311V直流电，再通过电力电子装置输出个数随10kV输电线路上的频率变化而变化的311V窄脉宽方波来给用户供电。在本实施例中，通过负荷控制装置内右侧三个IGBT的触发脉冲，可以使输出线上出现频率为50Hz的方波。也就是说，原来提供给用户的正弦波被方波替代。图3给出了相应输出电压波形（触发脉冲与波形相同，故不再给出）。

之所以将220V交流电改为方波输出，是为了要达到限制用户用电的目的。如前所述，规划的用户用电器主要为水泵和手机USB充电器。因为现代大功率电器多数为电动机驱动或需要大电流连续工作，这些在脉冲电源下不可能工作，而手机的USB充电器却不受影响。当然，除了手机充电器之外，小功率的LED灯等设备也可以接于插座上工作，但这也是可以允许的。

在输出方波时，需要注意，方波的脉冲宽度不能太窄，否则下一次脉冲到达用户充电器时充电器内电容已经放电完毕，此时会给电容以极大的电流充电，反复重复这个过程会导致充电器过热烧毁。为避免这一现象，推荐将脉冲宽度设置到1ms以上。另一方面，为了限电的目的，这一宽度又不能太宽，所以同时推荐将脉冲宽度限制在10ms以下。

此外，该装置可实现负荷侧的P/f下垂控制，即在10kV交流侧频率变化时，使负荷功率按照下面公式变化：

P=P0+k(f-50)

公式中，P0为未加削减时负荷的总有功需求，f是10kV交流侧频率，k则为下垂系数，单位为W/Hz。系数越大，频率变化时削减的用户需求越多。实现时则通过削减脉冲个数来实现，系数越大，削减的脉冲个数越多。也就是说，此时输出方波不是连续的，而是按照频率变化的断续方波。如果认为用户充电器在每个脉冲消耗同样的能量，无脉冲时没有能量消耗，则可通过控制脉冲的多少控制用户的用电量。不过，由于在实现时，方波只能在有/无之间切换，所以不能做到完全无级平滑的实现这一公式，而只能近似实现。

图4给出了本发明的触发脉冲随频率变化的一个示意表格。假设每1s的150个脉冲为一组，并根据10kV线路上的正弦波频率，每0.05Hz为一段进行控制，则可得到图4的脉冲/频率对应表，图中1表示有10个脉冲而0表示没有。

从图4可以看出，通过调整脉冲的多少，可以在频率变化时影响用户的用电量。由于每150个脉冲为一组，每次减少或增加10个脉冲，所以调整步长为6.66%。考虑到多个不同的负荷控制装置测频结果存在差异，在频率变化时装置不会同时启动，再加上电容的平滑作用，即可实现用户总体用电量的平滑变化，为系统P/f运行提供有利条件。

图5示出了本发明应急供电方案的下垂控制特性。图中不仅画出了负载控制装置的下垂特性，还画出了电源的下垂特性。由图可见，如果负荷增加需求，从实线特性转入虚线特性，则随着频率下降，电源固然会增加出力，负荷还会以更快的速度减少需求，结果就可以通过微小的发电出力增量（a-b间横向差异），来满足大的多的负荷增量需求。也就是说，通过这种手段，可以确保在没有旋转备用之类储备的情况下电源和负荷间的平衡。

此外还应注意，在这种下垂模式下工作时，无需也不应该使用二次调频将频率恢复到额定值。这是因为首先，在灾害情况下不应对电能质量再作要求。其次，如果频率恢复则负荷需求也会随之提高，前述负荷控制的效果就会消失，而电源又不可能满足全部的负荷需求。不仅如此，在不顾及频率质量的前提下，电源侧还可进一步主动利用前述负荷控制特性，来延长供电时间。假设场景为连续阴雨，分布式电源储能快要耗尽，此时电源即可主动将发电曲线下移（而非二次调频的上移），从而将运行点从b转移到c，达到减少用户耗电，延长后续供电天数的作用。

在P/f下垂方面，本发明的负荷控制装置还有两个额外的好处。首先：图4中列出了3s的450个脉冲，而缺脉冲的位置在三相间顺序变化。这意味着配电变压器出口的三根相线上的用户，将轮流负担缺脉冲对应的功率缺额。也就是说，本发明的减载功能是在各个装置内同时实现，而且由三相均衡的承担。这就避免了划分不同减载轮导致的不平等现象。

其次：从装置原理图还可看出，即使最终配电时三相的负载不平衡，但装置的原理却能保证对10kV系统来说三相是平衡的。这对逆变器的运行也非常有益。

本发明的应急控制装置还可进一步包括一故障处理模块，如图6所示，所述故障处理模块包括过流检测模块、电力电子旁路器件（在本实施例中为三对双向晶闸管）和旁路控制器。所述过流检测模块连接于负荷控制装置的输出端，当其检测到出口过流时，所述旁路控制器控制负荷控制装置停止工作（提供方波），并控制电力电子旁路器件将负荷控制装置旁路，转而给出口提供配电变压器输出的220V/380V交流电，以便下面的断路器跳闸，如果一段时间过流还没消除（用户开关没跳闸）则将用户线路完全切除，否则给负荷控制装置发信号使其恢复正常工作。

本发明的应急供电方法及装置，可以在大规模连续灾害时为用户提供最低用电保障。本发明给出的负荷控制装置则可以在防止用户超预期用电的同时，通过控制脉冲的有无和比例来实现根据频率影响负载用电量，为P/f下垂提供负荷侧支持。此外，该装置还可以避免分轮减载带来的扰动和不公平，并保证分布式电源的三相平衡。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，其特征在于，包括负荷控制装置，所述负荷控制装置连接于原配电变压器与其出口配电线路之间，通过输出窄脉宽直流方波来给用户供电；

在灾害发生前，在每个配网区域配置适当数量的分布式发电和储能设施，以在灾害发生后，能够将配网中的分布式电源作为电源为配网供电；

在灾害发生后，将10kV配电变压器及输电线路和负荷从变电站的降压变压器断开，构成微网；同时将分布式发电和储能设施产生的电力通过220V/10kV配电变压器升压后，传递到10kV配电线路上；在没有分布式电源的节点，在配电变压器出口安装负荷控制装置，将配电变压器输出的三相交流电整流为直流电，再通过电力电子装置输出个数随频率变化的窄脉宽方波来给用户供电。

2.根据权利要求1所述的一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，其特征在于，所述负荷控制装置将配电变压器输出的三相交流电整流为直流电，再通过电力电子装置输出个数随输电线路上的频率变化而变化的窄脉宽方波来给用户供电。

3.根据权利要求2所述的一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，其特征在于，所述负荷控制装置采用三相PWM整流，并通过控制导通角，将三相交流电整流为电容上的直流电。

4.根据权利要求1所述的一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，其特征在于，还包括故障处理模块，所述故障处理模块包括过流检测模块、电力电子旁路器件和旁路控制器，所述过流检测模块连接于负荷控制装置的输出端，当其检测到出口过流时，所述旁路控制器控制负荷控制装置停止工作，并控制电力电子旁路器件将负荷控制装置旁路，转而给出口提供配电变压器输出的220V/380V交流电。

5.根据权利要求1所述的一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，其特征在于，所述方波频率为50Hz，脉冲宽度范围在1-10ms之间。

6.根据权利要求1所述的一种大范围延续灾害时可用的应急供电装置，其特征在于，所述分布式发电和储能设施的容量由所属配网区域中供水水泵容量和所有手机应急所需电量的容量累加估算得到。

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