一种配网变电站柔性互联装置及控制方法与流程

1.本发明涉及一种智能柔性电气开关，尤其涉及一种配网变电站柔性互联装置及控制方法。


背景技术：

2.配网网架结构单一，普遍采用开环运行的方式，供电可靠性较差。采用闭环供电的方式能够在一定程度上改善配电系统的运行经济性与可靠性，但随之可能带来的循环功率、电磁环网，以及扩大故障范围、增大短路电流等负面问题使闭环方式的应用场景受到极大限制。
3.面向配电层面的智能软开关(soft open point，sop)技术正引发新一次的研究热潮。sop技术旨在以可控电力电子变换器代替传统基于断路器的馈线联络开关，从而实现馈线间常态化柔性“软连接”，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制。
4.sop代替常规开关后形成的混合供电方式结合了放射状和环网状供电方式的特点，给配电网运行带来的好处主要包括：
①
故障情况下保障负荷的不间断供电，且阻隔了对侧提供的短路电流；
②
控制馈线上的负载，改善系统整体的潮流分布；
③
进行电压无功控制，改善馈线电压水平；
④
提高配电网对分布式电源的消纳能力。
5.根据对目前应用和研究情况的调研，sop作为配网的新型开关形态多使用于大型示范工程中。其中某示范工程1中的柔性多状态开关示范工程以八端口柔性多状态开关为枢纽构成交直流互联系统，另一个示范工程2中的是含3个交流端口和1个直流接口的柔性多状态开关站，相关工程突破了多端功率互济、电源波动平抑等交直流互联关键技术，但存在应用场景局限性较强、投资较高且占地面积大的问题，难以广泛应用。


技术实现要素：

6.发明目的：针对以上问题，本发明提出一种配网变电站柔性互联装置及控制方法，能够实现各馈线与变电站间的灵活合环运行，提高配网电能质量。
7.技术方案：本发明所采用的技术方案是一种配网变电站柔性互联装置，包括柔性开关、柔性互联装置母线与隔离开关，所述柔性互联装置母线以旁路母线方式接入变电站，所述柔性开关用于连接原变电站母线和所述柔性互联装置母线，并实现直流隔离；所述柔性开关包括背靠背串联的换流器，通过母线侧换流器控制直流电压，通过出线侧换流器控制有功功率或交流电压；隔离开关包括分支隔离开关和位于所述柔性开关两侧的出口开关，各馈线经原出线开关通过所述分支隔离开关接于所述柔性互联装置母线。
8.该装置具有闭锁隔离状态、单线路合环运行状态以及多线路合环运行状态；所述闭锁隔离状态，是柔性互联装置的出口开关断开，所有换流器闭锁，此时原变电站母线、各线路上设备运行方式维持原状态不变；所述单线路合环运行状态，是所接入变电站中仅有一条线路通过所述柔性互联装置与对侧变电站合环；所述多线路合环运行状态，是所接入变电站中有两条及以上线路通过所述柔性互联装置与对侧变电站合环；所述对侧变电站是
指可通过联络开关与本变电站进行线路互联的变电站。
9.所述单线路合环运行包括以下控制内容：当某条线路需要合环时，所述柔性开关解锁运行，该线路对应的分支隔离开关闭合，该线路的原出线开关断开，且合环线路上的原联络开关闭合；其他不需要合环的线路则依然接入变电站原母线，即对应的原出线开关闭合，不需要合环的线路与柔性互联装置之间的分支隔离开关断开，且线路上原联络开关的开关状态不变。
10.在所述单线路合环运行状态下，正常运行时，柔性互联装置采用定功率控制模式，两个变电站共同供给单条线路，实现两个变电站间功率互济；当某侧馈线故障后，配网自动化系统或保护装置跳开故障区段首、尾开关以隔离故障，柔性互联装置切换为定交流电压控制模式，为故障点下游提供电源，故障点上游由对侧变电站供给；当故障区段线路消缺后恢复时，需要在所述首、尾开关处完成两侧合环：利用所述柔性互联装置采用定交流电压模式，控制合环的开关两侧电压相等，开关合环后所述柔性互联装置可切换为正常运行的定功率控制模式，避免了常规线路恢复供电方案中的停电倒闸过程。
11.所述多线路合环运行包括以下控制内容：当某几条线路需要和对侧变电站合环时，所述柔性开关解锁运行，需要合环的几条线路对应的分支隔离开关闭合，且原出线开关断开，本侧线路和对侧变电站线路通过所述柔性互联装置和原联络开关实现合环运行，并且通过柔性互联装置实现两侧变电站直流电气隔离；其他不需要合环的线路则依然接入变电站原母线，即对应的出线开关闭合，不需要合环的线路与柔性互联装置之间的分支隔离开关断开，且线路上原联络开关的开闭状态不变。
12.于所述柔性互联装置母线侧换流器至各馈线的分支隔离开关处配置分支电抗器，用于实现所述多线路合环运行状态下多条馈线同时接入配网变电站柔性互联装置时各馈线功率的独立控制。
13.本发明还提出一种基于上述配网变电站柔性互联装置的控制方法，通过控制所述配网变电站柔性互联装置内部的柔性开关和隔离开关，配合控制线路上原联络开关，实现所述配网变电站柔性互联装置在闭锁隔离状态、单线路合环运行状态以及多线路合环运行状态之间的切换；所述闭锁隔离状态，是柔性互联装置的出口开关断开，所有换流器闭锁，此时原变电站母线、各线路上设备运行方式维持原状态不变，通过切换闭锁隔离状态实现配网变电站柔性互联装置无扰动投退，不影响变电站装置正常运行；所述单线路合环运行状态，是所接入变电站中仅有一条线路通过所述柔性互联装置与对侧变电站合环，通过切换单线路合环运行状态实现正常运行时输送功率的控制，以及交流电网故障时，故障下游的负荷转代；所述多线路合环运行状态，是所接入变电站中有两条及以上线路通过所述柔性互联装置与对侧变电站合环。
14.所述多线路合环运行状态，在该状态下(1)若合环点两侧的电压幅值相角或是系统短路阻抗相差较大，则所述柔性合环装置采集各馈线的电流以及线路出口电压，当检测到所述电流超过限值时，根据线路出口电压实测值，所述柔性合环装置计算输出的有功和无功功率，然后通过调整柔性互联装置母线电压将各馈线的电流控制在限值内；(2)若多线路合环时对侧变电站之间存在电压差，则利用所述柔性互联装置控制其母线电压，使柔性互联装置母线电压与新接入馈线的电压相等，降低合环瞬间的扰动。
15.有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：(1)本发明所述的配网变电站
柔性互联装置将智能软开关sop与母线集成，通过拓扑结构设计，将原本同一个变电站出线下的多个sop合环点集成于变电站内的一个sop合环点，除了具备利用sop合环的优势外，还具有运行方式灵活、投资低的特点。此外本发明所述的配网变电站柔性互联装置可与变电站合建，节约占地且环境友好。(2)针对应用地区电网特点，本发明通过对变压器柔直合环装置控制策略的设计，可灵活、快速作用于减小系统电压偏差、抑制系统电压闪变与骤降、改善三相电流不平衡等电能质量治理，有效地解决供区间电能互济、潮流柔性控制、短路电流扩大的问题。(3)本发明所述的配网变电站柔性互联装置可预留直流接口，根据应用地区需求接入储能装置，实现“空间 时间”的能量转移能力，满足配网发展现状并支撑未来发展需求。
附图说明
16.图1是常规智能软开关结构拓扑示意图；
17.图2是本发明配网变电站柔性互联装置结构和接入方式示意图；
18.图3是常规智能软开关应用结构示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
20.变电站柔性互联成套装置是基于可关断电力电子器件的连续可调配网变电站母线“联络线”，是智能软开关(sop)在功能上的拓展和应用场景上的延伸。sop的概念最早由英国学者提出，其可由大功率全控型电力电子元件组成的背靠背型ac/dc/ac变流器来描述，其结构拓扑见图1。
21.本发明所述的配网变电站柔性互联装置由sop、电抗器与母线集成，其结构和接入方式如图2所示。
22.其sop作为柔性互联装置母线与变电站原母线的联络开关，在变电站馈线处配置转换刀闸，通过倒闸操作使开环运行的馈线接于原母线运行，需合环的馈线接于柔性互联装置母线。外部馈线与本地馈线相接(联络开关闭合)，通过柔性互联装置与本变电站完成合环。于母线侧换流器至各馈线的分支隔离开关处配置分支电抗器，即图2中位于k1和k2下方的电抗器，用于实现所述多线路合环运行状态下多条馈线同时接入配网变电站柔性互联装置时各馈线功率的独立控制。
23.现有的利用智能软开关sop进行合环的方案，结构示意图如图3所示，包括背靠背型ac/dc/ac变流器以及两端的隔离开关，sop中存在感性部分。对比图3所示的现有互联方案，本发明提出的配网变电站柔性互联装置仅需要两端换流器，即可将原本同一个变电站出线下的多个合环点集成于变电站内的一个合环点。其除了具备利用sop合环的功率互济、故障电流隔离的作用外，还具有运行方式灵活、投资低和节约占地的特点。此外，其配网变电站柔性互联装置以旁路母线的方式接入变电站，充分考虑了配网变电站母线及出线开关柜的实际结构，其接入对现有交流设备改造量较小。
24.利用配网变电站柔性互联装置对配网合环的运行方式主要有两类：
25.(一)单线路合环运行状态
26.以变电站1的出线中仅馈线1需要合环为例进行说明。该种运行方式下s2、k1闭合，
s1、k2打开，联络开关s3闭合，联络开关s4保持无柔性互联装置时的开闭状态。即：馈线1接入配网变电站柔性互联装置母线(图2中p母)，馈线2接入变电站原母线(下简称“i母”)。s1闭合，k2打开，联络开关s3闭合，s4打开，配网变电站柔性互联装置解锁运行。
27.正常运行时，配网变电站柔性互联装置采用定功率控制模式，变电站1通过其与变电站2共同供给馈线1和馈线3，实现两个变电站间功率互济。
28.馈线1或馈线3某处故障时，配网自动化系统或保护装置跳开故障区段首、尾开关以隔离故障，配网变电站柔性互联装置迅速切换为定交流电压控制模式，为故障点至馈线1出线处的负荷提供电源，故障点至馈线3出线处的负荷由变电站2供给。
29.由于配网变电站柔性互联装置的存在隔离了故障电流，馈线1或馈线3某处故障时，此接入方式下的短路容量不大于开环运行方式下的短路容量。
30.当故障区段线路消缺后恢复时，需要在所述首、尾开关处完成两侧合环：首先利用所述柔性互联装置采用定交流电压模式，控制合环的开关两侧电压相等，开关合环后所述柔性互联装置可切换为正常运行的定功率控制模式，避免了常规线路恢复供电方案中的停电倒闸过程。
31.(二)多线路合环运行
32.以变电站内有2条馈线需要合环运行为例进行说明。
33.传统配网采用闭环设计、开环运行的方式，以馈线1为例，馈线1通过出线开关s1带电，在馈线1和馈线3间设置联络开关s3。正常运行时，为避免形成电磁环网，联络开关s3保持断开，馈线1和馈线3独立运行。
34.加装配网变电站柔性互联装置后，可实现馈线1和馈线3互联运行，馈线2和馈线4互联运行。该方式下，k1、k2闭合，s1、s2打开，配网变电站柔性互联装置解锁运行。馈线1和馈线3间联络开关s3闭合，两者合环运行；馈线2和馈线4间联络开关s4闭合，两者合环运行。在切换所述多线路合环运行状态前需要预先验证该运行状态的可行性。
35.此种运行方式下，由于配网变电站柔性互联装置的存在，变电站1与变电站2、变电站3之间不存在电磁环网，而变电站2与变电站3之间通过配网变电站柔性互联装置的p母形成了电磁环网。针对这种情况，设计配网变电站柔性互联装置控制策略，解决电磁环网存在的环流和合环压差等问题。
36.(1)若合环点两侧的电压幅值相角或是系统短路阻抗相差较大，则采用合环操作方式，可能造成负荷大量通过一侧线路转移，在稳态下超过线路允许最大运行电流，而导致保护误动。
37.对此，配网变电站柔性互联装置采集馈线1、馈线2的电流i1、i2，以及两线路出口电压。当检测到i1或i2超过限值时，根据u1、u2实测值，配网变电站柔性互联装置计算输出的有功和无功功率，通过调整p母电压将线路电流i1、i2控制在限值内。为保证整条回路电流满足要求，根据i1、i2流动方向的不同应设有两套限值。
38.(2)对于合环时两侧存在电压差，可能产生扰动的问题，利用配网变电站柔性互联装置控制变电站1的p母电压，与新接入馈线的电压相等，降低合环瞬间的扰动。
39.(三)柔性互联装置的闭锁状态
40.柔性互联装置的出口开关断开，所有换流器闭锁，此时原变电站母线、各线路上设备运行方式维持原状态不变。闭锁后柔性互联装置就没有调节作用了。
41.针对应用地区电网特点，本发明通过对变压器柔直合环装置控制策略的设计，可灵活、快速作用于减小系统电压偏差、抑制系统电压闪变与骤降、改善三相电流不平衡等电能质量治理。