CN112448388A - 基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法 - Google Patents

基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，系统包括智能软开关、联络开关、第一配电网和第二配电网；联络开关与智能软开关并联后两端分别连接第一第二配电网，智能软开关包括第一变流器和第二变流器；智能软开关收到故障信号后判断故障位置，故障在第一配电网时，第一变流器由有功控制切换为低电压穿越控制，第二变流器保持直流电压控制；收到已隔离信号后，检测配电网电压，判断第一配电网任一相电压是否大于额定值，当大于额定值时，切换第一变流器为过渡孤岛控制；启动电压相位平滑预同步控制；第一配电网相位频率与非故障侧相同时合闸联络开关；置零智能软开关有功输出，两端启动无功补偿控制，降低了所需容量。

Description

基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，尤其是涉及基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法。
背景技术
配电网考虑设备、保护和控制的具体特点，一般都按照开环方式运行，因此当发生永久性故障停电时，故障隔离停电区会包含非故障段，传统的配电网通过断路器开关动作进一步地隔离故障停电区，再通过联络开关以带电区域为电源恢复对非故障停电区的供电。
随着分布式发电、储能和可控负载可预期地在配电网的大量接入，其明显的随机性和波动性会带来诸多问题，如电压越限、网络阻塞等，传统配电网调节手段有限，难以避免非故障区的供电中断，而且传统配电网在转供电时联络开关合闸会因为电压相位差形成冲击。因此衍生出取代联络开关的智能软开关，但是智能软开关的实现主要基于全控型电力电子器件，其投资成本较高，即使通过合理规划优化了智能软开关的接入位置和容量，在配电网故障转供电时也需要比正常运行大得多的容量，从长期考虑，智能软开关预留的这部分容量造成了严重的浪费，大大增加了智能软开关的投资成本。
发明内容
本发明实施例提供了基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，以解决传统转供电模式下联络开关合闸时因电位相位差形成的冲击以及采用智能软开关替代联络开关所导致的容量裕度需求量过大的技术问题，避免了联络开关合闸时因电压相位差形成的冲击，有效降低应用于配电网的智能软开关在故障发生时转供电所需的容量。
为了解决上述问题，本发明提供了基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，所述转供电系统包括：智能软开关、联络开关、第一配电网和第二配电网；
所述联络开关第一端与所述第一配电网相连接，所述联络开关第二端与所述第二配电网相连接，所述智能软开关与所述联络开关并联；
所述智能软开关包括第一变流器和第二变流器，所述第一变流器交流侧与所述联络开关的第一端相连接，所述第一变流器直流侧与所述第二变流器直流侧相连接，所述第二变流器交流侧与所述联络开关第二端相连接。
所述转供电系统的控制方法包括：
所述智能软开关在接收到配电网故障信号时，对故障发生的位置进行判断；
当故障发生在所述第一配电网时，将所述第一变流器由有功控制切换为低电压穿越控制，所述第二变流器保持直流电压控制；
当收到故障已隔离信号时，检测所述第一配电网和所述第二配电网的电压和电流，判断所述第一配电网任一相电压是否大于额定值；
当所述第一配电网任一相电压大于额定值时，将所述第一变流器由低电压穿越控制切换为过渡孤岛控制；或者，当所述第一配电网任一相电压不大于额定值时，所述第一变流器保持低电压穿越控制；
对所述第一配电网的电压相位启动电压相位平滑预同步控制；
当所述第一配电网的相位和频率均与所述第二配电网相同时，将联络开关合闸；
将所述智能软开关有功输出置零，两端启动无功补偿控制。
作为上述方案的改进，当故障发生在所述第二配电网时，将所述第一变流器由有功控制切换为直流电压控制；
将所述第二变流器由直流电压控制切换为低电压穿越控制；
当收到故障已隔离信号时，检测所述第一配电网和所述第二配电网的电压和电流，判断所述第二配电网任一相电压是否大于额定值；
当所述第二配电网任一相电压大于额定值时，将所述第二变流器由低电压穿越控制切换为过渡孤岛控制；否则，所述第二变流器保持低电压穿越控制；
对所述第二配电网的电压相位启动电压相位平滑预同步控制；
当所述第二配电网的相位和频率均与所述第一配电网相同时，将所述联络开关合闸；
将所述智能软开关有功输出置零，两端启动无功补偿控制。
本发明对比现有技术有如下有益效果，本发明实施例提供了基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，智能软开关与联络开关并联接入配电网，当故障发生时，通过切换智能软开关中两个模块化多电平交流器的控制方式，同时对故障侧电压相位和频率进行调整以实现故障侧配电网电压相位平滑预同步，并在故障侧配电网电压相位和频率与非故障侧配电网一致时，联络开关合闸，从而消除联络开关合闸时的冲击以及有效降低了智能软开关容量裕度需求量，降低了成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统故障示意图；
图3是本发明实施例提供的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制原理图；
图5是本发明实施例提供的从故障发生到联络开关合闸过程的智能软开关(SoftOpen Points，SOP)两端三相电压波形变化图；
图6是本发明实施例提供的从故障发生到联络开关合闸过程的SOP故障侧电流电压波形变化图；
图7是本发明实施例提供的含联络开关的智能软开关故障前后状态变化图；
图8是本发明实施例提供的从故障发生到联络开关合闸过程的SOP状态变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，参见图1，转供电系统包括：智能软开关SOP、联络开关S、第一配电网DN1和第二配电网DN2；
联络开关S第一端与第一配电网DN1相连接，联络开关S第二端与第二配电网DN2相连接，智能软开关SOP与联络开关S并联；
智能软开关SOP包括第一变流器MMC1和第二变流器MMC2，第一变流器MMC1交流侧与联络开关S的第一端相连接，第一变流器MMC1直流侧与第二变流器MMC2直流侧相连接，第二变流器MMC2交流侧与联络开关S第二端相连接。
图2是本发明实施例提供的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统故障示意图，参见图3，转供电系统的控制方法，包括：
智能软开关SOP在接收到配电网故障信号时，对故障发生的位置进行判断；
当故障发生在图2的故障M1所在位置，将第一变流器MMC1由有功控制切换为低电压穿越控制，第二变流器MMC2保持直流电压控制；
当收到故障已隔离信号时，检测第一配电网DN1和第二配电网DN2的电压和电流，判断第一配电网DN1任一相电压是否大于额定值；
当第一配电网DN1任一相电压大于额定值时，将第一变流器MMC1由低电压穿越控制切换为过渡孤岛控制；或者，当第一配电网DN1任一相电压不大于额定值时，第一变流器MMC1保持低电压穿越控制；
对第一配电网DN1的电压相位启动电压相位平滑预同步控制；
当第一配电网DN1的相位和频率均与第二配电网DN2相同时，将联络开关S合闸；
将智能软开关SOP有功输出置零，两端启动无功补偿控制。
作为上述方案的改进，当故障发生在图2的故障M2所在位置，将第一变流器MMC1由有功控制切换为直流电压控制；
将第二变流器MMC2由直流电压控制切换为低电压穿越控制；
当收到故障已隔离信号时，检测第一配电网DN1和第二配电网DN2的电压和电流，判断第二配电网DN2任一相电压是否大于额定值；
当第二配电网DN2任一相电压大于额定值时，将第二变流器MMC2由低电压穿越控制切换为过渡孤岛控制；否则，第二变流器MMC2保持低电压穿越控制；
对第二配电网DN2的电压相位启动电压相位平滑预同步控制；
当第二配电网DN2的相位和频率均与第一配电网DN1相同时，将联络开关S合闸；
将智能软开关SOP有功输出置零，两端启动无功补偿控制。
为了更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明实施例提供的一种转供电系统的原理进行介绍，具体如下：
智能软开关对系统进行电压、电流进行测量，测量变量包含了直流电压Udc、两端口配电网的电压Uabc,1和Uabc,2、电流Iabc,1和Iabc,2、输出有功Pcon,1和Pcon,2、无功Qcon,1和Qcon,2以及经过锁相环获取的电压相角θ1和θ2，将测量变量电压、电流经过派克变换得到dq坐标系下的两端电压Ud,1、Uq,1、Ud,2、Uq,2和两端电流Id,1、Iq,1、Id,2、Iq,2；
智能软开关根据测量变量生成控制变量，控制变量有d轴电压参考值Ud,ref,1和Ud,ref,2、q轴电压参考值Uq,ref,1和Uq,ref,2以及两端控制电压的相角θref,1和θref,2，再经过反派克变换后得到两端三相电压参考值Ua,ref,1、Ub,ref,1、Uc,ref,1和Ua,ref,2、Ub,ref,2、Uc,ref,2，根据三相参考电压生成两个模块化多电平交流器的控制信号，实现系统的转供电。
其中，智能软开关根据测量变量生成控制变量的原理如下：
智能软开关的两个模块化多电平变流器都包含直流电压控制模块、有功控制模块、无功补偿控制模块、低电压穿越控制模块、过渡孤岛控制模块和电压相位平滑预同步控制模块。
其中过渡孤岛控制模块直接输出dq轴电压参考值Ud,ref,island和Uq,ref,island，如表达式(1)所示：
Figure BDA0002761383650000071
其中Uabc,RMS和Uabc,RMS,ref分别是网侧三相电压有效值及其参考值，Ud,ref,hold和Uq,ref,hold是切换为过渡孤岛控制瞬间记录的dq轴电压参考值，可实现控制电压的平滑过渡。
直流电压控制、有功控制、低电压穿越控制、无功补偿控制模块输出的是dq轴电流参考值Id,ref和Iq,ref。
低电压穿越控制模块输出电流参考值Id,LVRT和Iq,LVRT，如表达式(2)所示：
Figure BDA0002761383650000072
其中，ISOP,max和ISOP,nom分别为智能软开关的最大电流和额定电流，URMS,nom为额定电压有效值。
直流电压控制模块、有功控制模块以及无功补偿控制模块都是常规传统的控制模块，分别是通过直流电压偏差、有功功率偏差和并网端电压有效值偏差输入PI控制器中获得电流参考值，本发明不再赘述。
通过当前的电流参考值与测量电流的作差，再输入电流内环PI控制器，结合相应的前馈项获得dq轴电压参考值Ud,ref和Uq,ref，其表达式如下：
Figure BDA0002761383650000081
其中，Kp、Ki是PI控制器的参数，ω是电网额定频率，Lcon是变流器等效电感，公式(3)是经拉普拉斯变换后的公式，s是复变量。
在常规运行工况下，采用锁相环获得的相角作为控制电压的相角；在故障隔离后，控制电压的相角切换为PI控制器的输出与故障隔离瞬间故障侧锁相环所得相角之和，故障侧锁相环获得相角与非故障侧锁相环相角作差作为PI控制器的输入。这样就使得并联联络开关合闸前，故障侧电压相角平滑变换至与非故障侧相同，减小了合闸带来的冲击。
当故障发生在直流电压控制侧的电网时，需要将非故障侧有功控制切换为直流电压控制，同样需要采用平滑切换的方式；平滑切换的方式为，切换瞬间记录有功控制模块输出的电流参考值，并将该值与重置了PI控制器的直流电压控制模块输出电流参考值求和，作为最终的电流参考值，同时赋予有功控制模块输出电流参考值一个0到1的权重，以一定的变化率减小到0，实现了有功控制与直流电压控制的平滑过渡，不会造成智能软开关直流电压的大幅波动或失稳。
为了更好地说明本发明的技术方案能够消除联络开关合闸时的冲击，取其中两种工况的实验仿真结果进行进一步说明，具体如下：
本实验设置故障位于图2所示的故障M2处，即智能软开关SOP的直流电压控制侧，并设正常时有功流向为直流控制侧到有功控制侧，同时分别仿真了隔离故障后，剩余孤岛负荷大于智能软开关SOP容量以及小于SOP容量两种情况。
当孤岛负荷大于SOP容量时，图5为故障发生到联络开关合闸过程的SOP两端三相电压波形变化图，由图5可看出，本发明控制方法使得SOP两端电压平滑过渡，并联联络开关S合闸时无冲击；图6为故障发生到联络开关S合闸过程的SOP故障侧电流电压波形变化图，由图6可看出，本发明控制方法使得切换过程无过电流产生，电压相角平滑完成预同步，联络开关S合闸时几乎无相角差；图7为含联络开关的智能软开关故障前后状态变化图，由图7可看出，本发明控制方法使得切换过程直流电压保持稳定，在SOP的无功补偿控制下故障侧电压可恢复故障前水平。
当孤岛负荷小于SOP容量时，图8为故障发生到联络开关合闸的SOP状态，在故障隔离后电压存在2～3个周期的约1.2倍工频过电压，但随着过渡孤岛控制启动，电压快速调节至额定水平。由此可见，两种工况均可完成平滑切换。
本发明实施例提供了基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，智能软开关与联络开关并联接入配电网，当故障发生时，通过切换智能软开关中两个模块化多电平交流器的控制方式，同时故障侧电压相位和频率进行调整以实现故障侧配电网电压相位平滑预同步，并在故障侧配电网电压相位和频率与非故障侧配电网一致时，联络开关合闸，从而消除联络开关合闸时的冲击以及有效降低了智能软开关容量裕度需求量。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，其特征在于，所述转供电系统包括：智能软开关、联络开关、第一配电网和第二配电网；
所述联络开关第一端与所述第一配电网相连接，所述联络开关第二端与所述第二配电网相连接，所述智能软开关与所述联络开关并联；
所述智能软开关包括第一变流器和第二变流器，所述第一变流器交流侧与所述联络开关的第一端相连接，所述第一变流器直流侧与所述第二变流器直流侧相连接，所述第二变流器交流侧与所述联络开关第二端相连接；
所述基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法包括：
所述智能软开关在接收到配电网故障信号时，对故障发生的位置进行判断；
当故障发生在所述第一配电网时，将所述第一变流器由有功控制切换为低电压穿越控制，所述第二变流器保持直流电压控制；
当收到故障已隔离的信号时，检测所述第一配电网和所述第二配电网的电压和电流，判断所述第一配电网任一相电压是否大于额定值；
当所述第一配电网任一相电压大于额定值时，将所述第一变流器由低电压穿越控制切换为过渡孤岛控制；或者，当所述第一配电网任一相电压不大于额定值时，所述第一变流器保持低电压穿越控制；
对所述第一配电网的电压相位启动电压相位平滑预同步控制；
当所述第一配电网的相位和频率均与所述第二配电网相同时，将联络开关合闸；
将所述智能软开关有功输出置零，两端启动无功补偿控制。
2.如权利要求1所述的基于智能软开关与联络开关并联的转供电系统的控制方法，其特征在于，还包括：
当故障发生在所述第二配电网时，将所述第一变流器由有功控制切换为直流电压控制，将所述第二变流器由直流电压控制切换为低电压穿越控制；
当收到故障已隔离的信号时，检测所述第一配电网和所述第二配电网的电压和电流，判断所述第二配电网任一相电压是否大于额定值；
当所述第二配电网任一相电压大于额定值时，将所述第二变流器由低电压穿越控制切换为过渡孤岛控制；或者，当第二配电网任一相电压不大于额定值时，所述第二变流器保持低电压穿越控制；
对所述第二配电网的电压相位启动电压相位平滑预同步控制；
当所述第二配电网的相位和频率均与所述第一配电网相同时，将所述联络开关合闸；
将所述智能软开关有功输出置零，两端启动无功补偿控制。
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