CN118783376B - 一种低压柔性互联成套设备和低压柔性互联系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低压柔性互联成套设备和低压柔性互联系统，其中，低压柔性互联成套设备包括：低压柔性互联装置，内置双向AC/DC变换单元，交流侧与台区变压器相连；直流保护单元，位于所述低压柔性互联装置的直流侧，用于在直流侧的短路电流超过设计阈值时关断低压柔性互联装置与故障点之间的通流路径，完成对故障点的阻断。本发明能够提升柔性互联装置以及以多台区柔性互联为基础网架的交直流混合配电网在直流侧单级故障或是极间短路故障情况下的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及低压交直流混合配电技术领域，特别是涉及一种低压柔性互联成套设备和低压柔性互联系统。
背景技术
在配电台区柔性互联系统中，多台低压柔性互联装置通过共直流母线形式（集中式），或直流母线分段形式（分散式）进行互联以实现负荷具备时空特性互补的台区互联互供。柔性互联装置大多为由全控型电力电子器件组成的电压源型换流器，当互联系统的直流侧接入分布式光伏、储能、直流负荷等多类型直流元素时，直流侧可能存在的故障点相应增多，出现故障的风险也将增大，若系统直流侧发生单极接地故障或是极间短路故障，低压柔性互联装置内的全控型器件会快速闭锁，而直流侧的低压断路器为机械断路器，反应时间和动作时间≥30ms，在全控型器件闭锁但直流断路器未可靠分断期间，装置内与全控型器件反并联的二极管可能因为过流而导致烧毁。对于有直流型分布式电源、储能、充电桩，乃至有220V交、直流负荷接入的场景，当在直流线路发生短路故障时，由于全控型器件的快速闭锁，导致短路电流直接切断，将无法通过分级保护识别并切除故障点，扩大故障范围。
现有专利文献CN219833762U公开了一种应用于直流多支路电网的集中式保护装置，该保护装置只是配合应用于一进多出或者N进N出的直流开关柜，其依然是依靠机械式断路器实现故障电流的分断，无法解决二极管过流损坏以及直流互联系统的上下级保护配合问题。
现有专利文献CN117424194A公开了一种故障阻断型无隔离变压器柔性互联设备及其控制方法，该设备仅考虑了无隔离变压器型的柔性互联装置，且装置的直流侧中点通过电阻接地，在直流侧发生单级接地或是极间短路故障时，都会存在较大的短路电流。另外，该设备将阻断型直流保护单元配置于直流配电柜，无法实现与设备联动，当阻断型配电单元检测到过流，则会快速关断，使得整个互联系统失去故障电流从而无法实现故障定位和分级保护，不具备直流故障穿越能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低压柔性互联成套设备和低压柔性互联系统，提升柔性互联装置以及以多台区柔性互联为基础网架的交直流混合配电网在直流侧单级故障或是极间短路故障情况下的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低压柔性互联成套设备，包括：
低压柔性互联装置，内置双向AC/DC变换单元，交流侧与台区变压器相连；
直流保护单元，位于所述低压柔性互联装置的直流侧，用于在直流侧的短路电流超过设计阈值时关断低压柔性互联装置与故障点之间的通流路径，完成对故障点的阻断。
所述直流保护单元为限流型直流保护单元，所述限流型直流保护单元采用一级电路实现，当直流侧出现故障时，通过限流电抗维持故障电流，并在达到设定时间后实现故障点隔离，完成对故障点的阻断。
所述限流型直流保护单元包括上IGBT管、下IGBT管和直流电抗器，所述上IGBT管和所述下IGBT管相互串联，所述直流电抗器的一端连接在所述上IGBT管和所述下IGBT管的连接端，另一端作为所述限流型直流保护单元的第一输入端，所述下IGBT管未与所述上IGBT管相连的连接端作为所述限流型直流保护单元的第二输入端，串联的所述上IGBT管和所述下IGBT管的两端还并联有一个电容。
所述直流保护单元为阻断型直流保护单元，所述阻断型直流保护单元采用一级IGBT开关实现，当直流侧出现故障时，IGBT开关快速闭锁，隔离故障点和所述低压柔性互联装置之间的电流通路。
所述阻断型直流保护单元包括上IGBT管、下IGBT管和二极管，所述上IGBT管、二极管和下IGBT管依次串联，所述二极管的两端分别作为所述阻断型直流保护单元的第一输入端和第二输入端，串联的上IGBT管、二极管和下IGBT管的两端还并联有一个电容。
所述的低压柔性互联成套设备还包括：
漏电保护监测单元，设置在所述低压柔性互联装置的直流侧，用于对直流单级故障进行预警。
所述低压柔性互联装置的直流侧存在多路出线，且多路出线中连接直流负荷的出线数量超过预设百分比时，所述直流保护单元配置在所述低压柔性互联装置的直流侧的总出线上，且各路出线上的断路器配置有直流线路微机保护装置，所述直流线路微机保护装置用于监测电流信号和/或电压信号，并在所述电流信号或电压信号出现异常时，与所述直流保护单元配合实现故障选线。
所述低压柔性互联装置的直流侧存在多路出线，且多路出线中连接可调节电源和负荷的数量超过预设百分比时，所述直流保护单元配置在所述低压柔性互联装置的直流侧的各路出线上。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低压柔性互联系统，其特征在于，包括多个上述的低压柔性互联成套设备，多个所述低压柔性互联成套设备交流侧与对应的台区相连，直流侧与直流母线相连，所述直流母线通过多路出线与直流源、直流负荷和/或直流储能相连。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过直流保护单元在直流侧发生故障时快速阻断短路电流或将短路断流限制在一定范围内，由此保护低压柔性互联装置内的电力电子元器件不受损坏，同时配合网架的线路保护、设备保护，可以实现精准的故障定位，有效减少故障停电范围，提升系统运行可靠性。
附图说明
图1是典型三台区柔性互联系统示意图；
图2是本发明实施方式中限流型直流保护单元的示意图；
图3是本发明实施方式中阻断型直流保护单元的示意图；
图4是本发明实施方式的非隔离型柔性互联成套设备接入台区的示意图；
图5是本发明实施方式的隔离型柔性互联成套设备接入台区的示意图；
图6是本发明实施方式中直流负荷供电场景下直流保护单元的配置示意图；
图7是本发明实施方式中多资源接入场景下直流保护单元的配置示意图；
图8是隔离型柔性互联装置直流极间短路故障波形图；
图9是隔离型柔性互联装置单级接地故障波形图；
图10是非隔离型柔性互联装置直流极间短路故障波形图；
图11是非隔离型柔性互联装置单级接地故障波形图；
图12是增加阻断型保护单元后直流极间故障波形图；
图13是增加阻断型保护单元后直流单级接地故障波形图；
图14是阻断型保护单元实测图；
图15是限流型型保护单元实测图；
图16是基于柔性互联的两台区交直流混合配电网示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种低压柔性互联成套设备，该设备适用于交流额定电压不大于1000V，直流额定电压不大于1500V的线路和电子系统，其可在直流侧发生故障时快速阻断短路电流或将短路断流限制在一定范围内，由此保护装置内的电力电子元器件不受损坏，同时配合网架的线路保护、设备保护，可以实现实现精准的故障定位，有效减少故障停电范围，提升系统运行可靠性。
本实施方式的低压柔性互联成套设备可应用于多台柔性互联装置并网的低压柔性互联系统，或应用于以台区柔性互联为基础网架的交直流混合配电网中，以图1所示的三台区柔性互联典型拓扑结构为例，图中包含了典型低压配电台区、低压柔性互联成套设备A、750V直流母线及直流侧光伏等源、荷、储功能单元。其中，低压柔性互联成套设备包括：低压柔性互联装置和直流保护单元，低压柔性互联装置内置双向AC/DC变换单元，其交流侧与台区变压器相连；直流保护单元位于低压柔性互联装置的直流侧，用于在直流侧的短路电流超过设计阈值时关断低压柔性互联装置与故障点之间的通流路径，完成对故障点的阻断。
直流保护单元根据拓扑设计可分为限流型直流保护单元和阻断型直流保护单元。
如图2所示，限流型直流保护单元采用一级电路实现，例如采用一级Buck/Boost电路，其主要电路元器件为上IGBT管、下IGBT管、二极管及直流电抗器，上IGBT管和下IGBT管相互串联，直流电抗器的一端连接在上IGBT管和下IGBT管的连接端，另一端作为限流型直流保护单元的第一输入端，下IGBT管未与上IGBT管相连的连接端作为限流型直流保护单元的第二输入端，串联的所述上IGBT管和所述下IGBT管的两端还并联有一个电容，当直流侧出现故障时，通过限流电抗维持故障电流，并在达到设定时间后实现故障点隔离，完成对故障点的阻断。
如图3所示，阻断型直流保护单元采用一级IGBT开关实现，其主要电路元器件为上IGBT管、下IGBT管和二极管，其中，上IGBT管、二极管和下IGBT管依次串联，二极管的两端分别作为阻断型直流保护单元的第一输入端和第二输入端，串联的上IGBT管、二极管和下IGBT管的两端还并联有一个电容，当直流侧出现故障时，IGBT开关快速闭锁，隔离故障点和所述低压柔性互联装置之间的电流通路。
图4所示的是非隔离型柔性互联成套设备接入台区的示意图，对于非隔离型柔性互联成套设备接入配电台区系统，若在直流侧发生单级接地故障，将联通台区变压器的接地排形成电流回路，从而形成漏电流或者短路电流。因此为保证系统运行可靠性及人身安全性，本实施方式在柔性互联装置的直流侧配置了漏电保护监测单元，该漏电保护监测单元用于对直流单级故障进行预警，同时在直流侧配置了直流保护单元，防止直流极间短路对互联装置造成冲击，进而影响直流微电网的运行稳定性。
图5所示的是隔离型互联成套设备接入台区的示意图，对于隔离型柔性互联装置接入配电台区系统，若在直流侧发生单级接地故障，因隔离变压器的存在无法直接联通台区变压器的接地排，因此也不存在电流回路，单级接地时故障级的对地电压下降为0，但不影响极间电压，系统仍能短时运行，漏电保护监测单元可选配。但为防止直流极间短路对低压柔性互联装置造成冲击，进而影响直流侧接入设备的可靠供电及微电网的运行稳定性，仍需在直流侧配置直流保护单元。
以单台互联装置直流侧具备多路出线的情况为例，从供电可靠性角度出发，为防止单一直流出线发生故障导致装置整体保护，本实施方式在每条直流出线考虑保护措施，便于实现分级保护。
如图6所示，对于直流侧存在多路出线且主要为负荷（即低压柔性互联装置的直流侧存在多路出线，且多路出线中连接直流负荷的出线数量超过预设百分比）的供电场景，可在低压柔性互联装置的直流总出线上配置限流型直流保护单元，各路出线上的断路器配置直流线路微机保护装置，该直流线路微机保护装置包含电流速断保护、复合电压过流保护、过电压保护、欠电压保护、漏电流保护、直流线路绝缘监测等功能，其能够监测各路出线上的电流信号和/或电压信号，并通过故障电流限幅阈值、时间阈值、及微机保护过流阈值和延时配合，可实现故障选线，精确隔离线路故障，提高系统供电可靠性。
如图7所示，对于直流侧存在多路出线且存在大量分布式光伏、储能、充电桩等可调节电源、负荷接入（即低压柔性互联装置的直流侧存在多路出线，且多路出线中连接可调节点源和负荷的数量超过预设百分比）的场景，可在各路出线上配置阻断型直流保护单元；当某一路出行的线路出现直流单级故障或极间故障时，对应出线的阻断型直流保护单元会快速闭锁阻隔短路电流，直接隔离故障区域而不影响其他分支及低压柔性互联装置的正常运行。
为验证本实施方式的有效性，搭建了直流中点未引出N线的带隔离的低压柔性互联装置模型、直流中点引出但不隔离的低压柔性互联装置模型、以及以柔性互联为基础网架的直流侧有分布式电源、负荷接入的交直流混合配电网模型。
对于电容中点未引出N线的隔离型低压柔性互联装置，隔离变压器的角侧连接AC/DC功率模块，星接侧连电网，出现直流母线正负极间短路时，暂态电容对故障点放电，稳态交流电压经桥臂二极管不控整流对故障点放电。典型故障电流如图8所示，直流电流在0.002s故障点位置迅速上升，达到峰值后衰减，稳态时持续有不控整流电流。当出现单级（正极或者负极）对地短路时，无短路电流出现，仅在故障极出现微小的漏电流，典型故障波形如图9所示。
对于非隔离型柔性互联装置，台区变压器N线直接连接电容中点，当出现直流母线正负极间短路时，暂态电容对故障点放电，稳态交流电压经桥臂二极管不控整流对故障点放电。典型故障电流与隔离型装置基本相同，如图10所示。当出现单级（正极或者负极）对地短路时，非故障极无过流，暂态时故障极的过流状态与极间短路基本相同，进入稳态后，故障极的有持续的故障电流，故障电流通路主要为交流电压半周波经对应二极管和交流电感形成回路，典型故障波形如图11所示。
在非隔离性柔性互联装置直流侧配置阻断型保护单元时，短路故障回路中正负直流母线线路电感1μH，电阻1mΩ。控制器低通滤波器截至频率300kHz，过流阈值设置为1500A，0.002s故障发生后，电流迅速上升至1700A，后IGBT闭锁，电流经续流二极管续流，波形如图12所示。若发生单级接地故障，电流迅速上升至1600A，后IGBT闭锁，响应时间5us。短路电流如图13所示。
对比图10-11和图12-13可知，在装置直流侧配置阻断型保护单元，当短路电流超过保护单元过流阈值，IGBT可在10us内关断，由此阻断短路电流，减少对互联装置以及系统的冲击。
当在柔性互联装置直流侧配置阻断型保护单元，将直流侧直接短接后测得直流侧电流及电压波形如图14所示。当短路故障发生时，直流电压快速下降，同时电容向故障点放电，短路电流上升至440A后达到IGBT设定阈值，此时IGBT闭锁，切断短路电流。
在柔性互联装置直流侧接入限流型保护单元，配置限流电抗器选型为150A，设定限流阈值为120A，在直流加压100V的工况下，将直流侧短接，故障发生后，电流迅速上升至140A，此时霍尔传感器检测电流触发电流保护值，输出过流告警信号（低电平有效），送入限流模块控制器，控制器迅速封锁上管IGBT，电感电流缓慢下降至保护值，过流告警信号恢复至正常（高电平）后下个开关周期继续开通上管IGBT，此时电流再次爬升至保护值，再次触发保护封锁上管IGBT，电感电流再次下降至保护值，下个开关周期再次导通上管IGBT，如此重复，电感电流始终保持在一个保护值附近波动，达到限流效果，参见图15。
以图16所示的系统拓扑为例来说明限流型保护单元结合微机保护方式在系统实际运行的可行性，图示网架为两台区互联系统，两台互联装置在直流侧均配置了限流型直流保护单元。
台区1为直流化台区，台变低压侧经低压柔性互联装置实现AC/DC变换后接入直流配电柜，直流配电柜内配置微机保护装置，其中配置4路出线，其中，两路用于户用逆变器供电，一路接入储能装置，另一路接入下一级直流分接箱，为充电桩及直流负荷提供接口。限流型保护单元设计限流阈值为320A，持续时间200ms，微机保护装置采用复合电压过流保护。其中，各参数设置如下：
复合电压设置：复压低电压定值=90%额定电压=675V设置；
时间定值：低压柔性互联装置故障限流器故障持续时间200ms/可靠系数-断路器分断时间，暂定为170ms；
分断时间：故障限流器故障持续时间200ms/可靠系数=190ms；
AC/DC馈线（直流侧总进线）过流阈值：短路电流/可靠系数=305A；
储能回路过流阈值：按储能DC/DC额定功率200kW/0.75kV×1.05倍过载/可靠系数设置，暂定266A；
充电桩回路过流阈值：按充电桩+办公室总功率90kW/0.75kV×1.05倍过载/可靠系数设置，暂定120A；
负荷馈线（目前只有户用逆变器）过流阈值：按200kW/0.75kV×1.05倍过载/可靠系数设置，暂定266A；
备用回路过流阈值：按1户动力户+1户照明户功率60kW/0.75kV*1.05倍过载÷可靠系数，暂按80A设置。
在上述限流单元的电流阈值、持续时间、微机保护支路过流阈值、时间定值的配合作用下，在直流配电柜任一直流出线发生故障时，仅分断对应出线断路器，而不影响互联装置正常运行，由此有效缩减了故障停电范围，提高系统供电可靠性。
不难发现，本发明通过直流保护单元在直流侧发生故障时快速阻断短路电流或将短路断流限制在一定范围内，由此保护低压柔性互联装置内的电力电子元器件不受损坏，同时配合网架的线路保护、设备保护，可以实现精准的故障定位，有效减少故障停电范围，提升系统运行可靠性。
Claims (3)
1.一种低压柔性互联成套设备，其特征在于，包括：
低压柔性互联装置，内置双向AC/DC变换单元，交流侧与台区变压器相连；
直流保护单元，位于所述低压柔性互联装置的直流侧，用于在直流侧的短路电流超过设计阈值时关断低压柔性互联装置与故障点之间的通流路径，完成对故障点的阻断；所述直流保护单元为限流型直流保护单元，所述限流型直流保护单元采用一级电路实现，当直流侧出现故障时，通过限流电抗维持故障电流，并在达到设定时间后实现故障点隔离，完成对故障点的阻断；
在非隔离低压柔性互联装置接入配电台区系统时，还包括：漏电保护监测单元，设置在所述低压柔性互联装置的直流侧，用于对直流单级故障进行预警；
所述低压柔性互联装置的直流侧存在多路出线，且多路出线中连接直流负荷的出线数量超过预设百分比时，所述直流保护单元配置在所述低压柔性互联装置的直流侧的总出线上，且各路出线上的断路器配置有直流线路微机保护装置，所述直流线路微机保护装置用于监测各路出线上的电流信号和/或电压信号，并在所述电流信号或电压信号出现异常时，与所述直流保护单元配合实现故障选线；
所述低压柔性互联装置的直流侧存在多路出线，且多路出线中连接可调节电源和负荷的数量超过预设百分比时，所述直流保护单元配置在所述低压柔性互联装置的直流侧的各路出线上。
2.根据权利要求1所述的低压柔性互联成套设备，其特征在于，所述限流型直流保护单元包括上IGBT管、下IGBT管和直流电抗器，所述上IGBT管和所述下IGBT管相互串联，所述直流电抗器的一端连接在所述上IGBT管和所述下IGBT管的连接端，另一端作为所述限流型直流保护单元的第一输入端，所述下IGBT管未与所述上IGBT管相连的连接端作为所述限流型直流保护单元的第二输入端，串联的所述上IGBT管和所述下IGBT管的两端还并联有一个电容。
3.一种低压柔性互联系统，其特征在于，包括多个如权利要求1-2中任一所述的低压柔性互联成套设备，多个所述低压柔性互联成套设备交流侧与对应的台区相连，直流侧与直流母线相连，所述直流母线通过多路出线与直流源、直流负荷和/或直流储能相连。
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