方仍存(1980), 男, 博士, 高级工程师, 从事配电网规划、能源经济分析工作(E-mail:
雷何(1985), 男, 博士, 高级工程师, 从事配电网规划、柔性互联技术工作
杨东俊(1975), 男, 博士, 研究员级高级工程师, 从事电网规划、电力系统稳定控制技术工作
分布式新能源渗透率的快速提高,在提升配电网灵活性的同时也加大了其运行调控难度。为此,文中提出一种新型配电网柔性切换开关设备,开关由集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)与并联电压型变流器组成,其中针对并联电压型变流器采取虚拟同步发电机控制,可实现负载在不同馈线间的平稳切换。文中首先将所提柔性切换开关与柔性多状态开关及机械开关的主要特征进行比较;然后,分析柔性切换开关在故障前、故障中和故障后的工作模式,并研究在3种工作模式间进行柔性切换时的切换逻辑;最后,通过基于RT-Lab的控制在环实验模拟开关在不同馈线间切换的过程,获得不同工作模式下和柔性切换过程中的电压电流波形。实验结果表明柔性切换开关具有短时电压支撑能力,在不同馈线间切换的过程中不产生电压电流冲击。
The rapid development of new energy in the distribution network increases its flexibility while making it more complicated to operate and manage the network. For this reason, a novel flexible switch, which is composed of integrated gate- commutated thyristors (IGCT) and parallel voltage converters, is proposed in this paper. Applying virtual synchronous generator (VSG) control on the parallel voltage converterensures smoothness and steadiness while switching from one feeder to another. Firstly, the proposed flexible switch is compared with the flexible multi-state switch and the mechanical switch on their main characteristics. Then, the operating features of the flexible switch before, during, and after feeder fault are analyzed, as well as its switching logic. Finally, the switching process between different feeders is simulated on a control in-the-loop experiment based on RT-Lab. The voltage and current waveforms are obtained under different operating modes and during flexible switching. The experiment resultsshow that the flexible switch has short-term voltage support capability and does not generate voltage and current impulses during the switching process.
大规模分布式新能源电源[
近年来,为提升配电网调控灵活性,国内外学者提出了柔性多状态开关[
基于上述问题,文中提出了基于并联电压型变流器与集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)的柔性切换开关拓扑,相较于柔性多状态开关,其功率变换单元更少、运行损耗更低,因而具有更好的经济性。并联电压型变流器能在IGCT分断时辅助电流换相,实现不同馈线间的切换,稳态时可实现无功、三相不平衡等电能质量问题的补偿,配合大容量储能电池还可实现配电网削峰填谷。文中在并联电压型变流器中引入虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)策略[
现有柔性多状态开关的结构如
柔性多状态开关和柔性切换开关拓扑
Flexible multi-state switch and flexible switch topologies
机械开关、柔性多状态开关和柔性切换开关的主要特征如
3种开关的主要特征
Main characteristics of three types of switches
特征 | 机械开关 | 柔性多状态开关 | 柔性切换开关 |
开关原理 | 机械式分闸合闸动作 | 电力电子半导体开关 | 电力电子半导体开关 |
动作时间 | 时间长、难以频繁倒闸 | 毫秒级 | 毫秒级 |
控制状态 | 仅具备通态及断态 | 通态、断态和连续可控态 | 多条馈线间灵活切换 |
切换过程冲击 | 电流冲击大 | 电流冲击较小 | 平滑过渡、无电流冲击 |
变流器容量 | 无 | 与馈线传输容量一致 | 仅须提供故障暂态下的负载功率 |
运行效率 | 低 | 低 | 高 |
综合对比3种开关的主要特征,可得变流器辅助换流的柔性切换开关具有以下3个特点:
(1) 采用IGCT进行馈线投切,具备响应速度快、容量大、通态损耗低和可靠性高等优点,与采用普通断路器相比,在低频大功率应用领域具有良好的经济性。
(2) 变流器以并联形式与电网相连,仅须按照功率平衡关系在故障暂态提供负载功率。此外,还可根据不同的电压等级选择变流器拓扑,在运行效率方面远高于以串联形式接入电网的柔性多状态开关。
(3) 变流器采用VSG控制,为独立电压源,在IGCT强迫关断过程及馈线切换过程中辅助换流,提供短时电压及功率支撑,有利于实现馈线间平滑、快速切换,在应对馈线故障、实现快速故障隔离方面有着卓越表现。
馈线发生故障后,变流器辅助换流的柔性切换开关在馈线切换的过程中存在
故障前、中和后柔性切换开关的工作模式
The working modes of the flexible switch before, during and after a feeder fault
故障前柔性切换开关的工作模式见
在馈线1发生故障后,柔性切换开关快速切除馈线1,IGCT1和IGCT2均处于断开状态,变流器从空载并网运行模式过渡到独立供电运行模式,此时变流器输出功率由负载决定,如
采用VSG控制的变流器只能作为短期的供电电源,因此必须重新接入馈线向负载供电。投入馈线2后,IGCT1保持断开,变流器过渡到与模式Ⅰ相同的空载并网运行模式,如
在3种不同运行状态下,为保证负载的供电可靠性,馈线1、馈线2和变流器需要在不同时段内向负载提供功率。根据功率平衡关系,分别列出馈线1、馈线2和变流器在不同状态下的功率流动模式,如
不同运行状态下的功率平衡关系
The power balance relationship under different modes
运行状态 | 馈线1 | 馈线2 | 变流器 |
故障前 | 提供有功、无功功率 | 断开 | 提供无功功率 |
故障中 | 断开 | 断开 | 提供有功、无功功率 |
故障后 | 断开 | 提供有功、无功功率 | 提供无功功率 |
柔性切换开关的总体控制策略如
柔性切换开关的总体控制策略
The overall control strategy of the flexible switch
在变流器辅助换流的柔性切换开关中,变流器以并联形式接入交流系统,并对交流侧端口特性进行VSG控制。文中采用有功-频率控制以实现一次调频和有功输出控制,并结合转子运动方程,引入虚拟惯量及阻尼系数,如式(1)所示。在系统负荷发生变化时,变流器输出频率不会发生突变且频率变化范围较小,确保了系统的稳定运行。
式中:Δ
无功-电压控制通过模拟同步发电机的无功功率下垂特性,实现对变流器输出无功功率和调节变流器端口电压幅值,具体公式为:
式中:Δ
通过VSG控制将并联电压型变流器模拟成具有物理同步发电机惯量、阻尼特性的VSG,使得故障过程中变流器可作为独立的电压源,同时具备电压和功率支撑能力,以确保柔性切换开关在工作模式切换过程中的稳定运行。
将上述VSG控制得到的变流器端口电压幅值和相位进行组合,经坐标变换得到以变流器端口电压相位为参考的
交流电压电流环控制框图
The control block of the AC voltage and current loop
在1.2节所述的3种工作模式之间存在2段切换过程,如
柔性切换开关切换过程及逻辑
The switching process and logic of the flexible switch
故障发生前,变流器处于空载并网状态,不提供有功功率,交流母线上负载功率仅由馈线1提供。因此在功率控制环节对变流器输出功率进行跟踪,设定有功功率指令为0,按照需求设定无功功率指令,此时预同步控制环节闭锁,即
柔性切换开关切除馈线1后,变流器进入独立供电运行模式,其输出功率由负载决定,有功功率、无功功率控制环节闭锁,预同步控制环节保持闭锁,即
变流器独立供电一段时间后,柔性切换开关启动预同步控制,对变流器输出电压幅值、频率和相位进行修正,此时功率控制环节仍处于闭锁状态,即
确保馈线电压
具体预同步过程为:以VSG输出电压相位为坐标变换基准角,分别对IGCT两侧电压
经过上述预同步过程,当变流器输出电压与馈线2的电压幅值、相位、频率均满足合闸条件时,IGCT2导通,实现并网,变流器进入空载并网运行模式。过程中为抑制
待并网稳定后,闭锁预同步控制环节,
为验证所提拓扑及控制策略的正确性,文中对所提拓扑及控制系统的模型进行RT-Lab控制在环实验。实验平台由基于TMS320F28335的主控板、电脑、RT-Lab仿真器与示波器构成。其中主控板负责根据控制策略生成SPWM信号;RT-Lab负责主电路仿真,并通过IO接口输出电压电流模拟信号,以用于信号反馈与示波器观察。实验参数如下:线电压
为验证控制策略的可行性,设置馈线1在2 s时发生故障,3 ms后IGCT1切除故障,变流器进入独立运行模式。
各过程电压电流实验波形
Voltage and current waveforms in each process
改进前后整体运行的电压电流实验波形
Experimental waveforms of voltage and current for overall operation before and after improvement
上述实验表明,柔性切换开关拓扑能在文中所提控制策略下稳定运行,且能实现馈线间的柔性切换与母线的电压支撑功能,与理论分析一致。
文中提出了一种基于并联电压型变流器与IGCT相配合的柔性切换开关拓扑,该拓扑具有器件使用量少、控制简单、效率高的优点。文中详细阐述了柔性切换开关在应对馈线故障时的切换逻辑及不同运行状态下的控制策略。以2组馈线为例,通过基于RT-Lab的控制在环实验验证了所提拓扑及其控制策略在故障隔离后具有功率支撑的优异表现,且经由预同步控制后,变流器与馈线2并网的过程中不会产生冲击电流。该拓扑及其控制策略的应用场景不限于文中所述的双馈线系统,在多馈线接入的配电网系统中同样具有良好的适用性。文中所提柔性切换开关也适用于对供电可靠性和成本要求高的配电网系统。
本文得到国网湖北省电力有限公司科学技术项目(52153820000H)资助, 谨此致谢!
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