一種基于柔性直流技術(shù)治理工業(yè)園區(qū)電壓暫降的方案

蔣 科,蘇 麟,錢 康,閆安心,裴昌盛

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京,211102）

一種基于柔性直流技術(shù)治理工業(yè)園區(qū)電壓暫降的方案

蔣 科,蘇 麟,錢 康,閆安心,裴昌盛

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京,211102）

電壓暫降問(wèn)題不僅會(huì)影響到用電設(shè)備的正常使用，同時(shí)也影響用戶的供電可靠性。本文對(duì)電壓暫降治理現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述，并介紹目前電壓暫降常規(guī)解決方案。針對(duì)某工業(yè)園區(qū)內(nèi)的電壓暫降問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估，分析電壓暫降問(wèn)題產(chǎn)生的原因，研究基于柔性直流技術(shù)治理工業(yè)園區(qū)電壓暫降方案，并定性分析此方案的可行性和有效性。

柔性直流；電壓暫降；可靠性

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，囊括了電子工業(yè)和先進(jìn)制造業(yè)的高新工業(yè)園區(qū)已成為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，高新工業(yè)園區(qū)的建立在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)供電電能質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量都是基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)而言的，而且電力系統(tǒng)中的許多傳統(tǒng)用電負(fù)荷在相對(duì)劣質(zhì)的電能質(zhì)量情況下也基本可以維持正常地工作。然而，隨著電網(wǎng)的不斷建設(shè)和發(fā)展，各類敏感用戶大量接入園區(qū)電網(wǎng)，這些敏感用戶對(duì)各類型電能質(zhì)量干擾，尤其是電壓質(zhì)量非常敏感，相應(yīng)要求也提高很多。

在各種電能質(zhì)量問(wèn)題中，電壓暫降是造成電壓敏感設(shè)備不能正常工作的主要原因，通?？烧J(rèn)為電壓暫降引起70%—90%電能質(zhì)量問(wèn)題。據(jù)某工業(yè)園區(qū)企業(yè)的電能質(zhì)量歷史記錄，平均每年出現(xiàn)10-15次電壓暫降事件，其中有5-6次將嚴(yán)重影響企業(yè)設(shè)備的運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。園區(qū)生產(chǎn)企業(yè)普遍認(rèn)為，電壓暫降已經(jīng)上升為最重要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。

1　電壓暫降治理現(xiàn)狀

圖1　五星變現(xiàn)有供電方式

國(guó)際電氣與電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）將工頻電壓有效值降至0.1~0.9p.u，持續(xù)時(shí)間在0.5個(gè)周波到1min之間的電磁擾動(dòng)定義為電壓暫降（Voltage dip or Sag）。敏感負(fù)荷對(duì)電壓凹陷（Sags）、電壓驟升（Swell）和電壓的短時(shí)終斷（Interruption）等電能質(zhì)量擾動(dòng)非常敏感。

工業(yè)和民用建筑中常用的電氣設(shè)備，如變頻器、PLC控制器、DDC控制器、接觸器、繼電器等器件對(duì)電壓暫降都相當(dāng)敏感。當(dāng)電壓下降到其門檻值以下、且持續(xù)時(shí)間超過(guò)1個(gè)周波時(shí)，就將導(dǎo)致其運(yùn)行故障。

目前，電壓暫降常規(guī)解決方案主要包含：不間斷電源（UPS）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）和電壓暫降保護(hù)裝置（VSP）等。不間斷電源（UPS）僅針對(duì)線性、阻抗性等負(fù)載供電，如PLC、DCS、PC等，應(yīng)用十分普及，但對(duì)于感性負(fù)載、電機(jī)和容性負(fù)載，UPS會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題：（a）系統(tǒng)容量要求很大，一般配置要求3-4P，投資成本高；（b）UPS串聯(lián)進(jìn)主電路，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)生產(chǎn)線將停止運(yùn)行；（c）UPS會(huì)產(chǎn)生大量諧波，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，影響電氣設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。多臺(tái)變頻器通過(guò)斷路器與UPS連接，相互影響較大。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）串聯(lián)于電網(wǎng)側(cè)與負(fù)荷側(cè)之間，正常運(yùn)行時(shí)DVR的旁路電子開(kāi)關(guān)投入，系統(tǒng)損耗很小，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)側(cè)電壓跌落時(shí)，分開(kāi)電子開(kāi)關(guān)，瞬時(shí)投入逆變器，補(bǔ)償電網(wǎng)電壓跌落的電壓差，保證負(fù)荷側(cè)電壓維持不變，DVR根據(jù)負(fù)荷容量、電壓跌落深度以及持續(xù)時(shí)間估算設(shè)備容量，配置儲(chǔ)能單元，適用于負(fù)荷功率在幾百千瓦范圍內(nèi)的補(bǔ)償容量需求。電壓暫降保護(hù)裝置（VSP）是一種專門針對(duì)變頻器等直流負(fù)載研發(fā)的并聯(lián)式直流后備電源系統(tǒng)，是和被保護(hù)的負(fù)載交流供電線路形成一種冗余式供電，確保負(fù)載在降壓至20%殘壓時(shí)依然可以正常運(yùn)行3~60秒，如果配合少量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)斷電維續(xù)時(shí)間3~60秒，但是VSP只能針對(duì)可直流供電的負(fù)載，如變頻器、直流調(diào)速系統(tǒng)等。

不間斷電源（UPS）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、電壓暫降保護(hù)裝置（VSP）分別從不同解決電壓暫降問(wèn)題。UPS、DVR、VSP的思路是補(bǔ)償。在不同的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式下，隔離也可以作為一種治理電壓暫降的思路，即基于柔性直流技術(shù)解決方案，應(yīng)用柔性直流技術(shù)隔離交流側(cè)故障所帶來(lái)的電壓暫降問(wèn)題。

2　某工業(yè)園區(qū)電壓暫降問(wèn)題的分析

2.1某工業(yè)園區(qū)電網(wǎng)概況

目前某工業(yè)園區(qū)主要由110kV五星變負(fù)責(zé)供電，五星變包含1臺(tái)80MVA主變和1臺(tái)100MVA主變，電壓等級(jí)110/20/10kV，110kV進(jìn)線4回，單母線分段接線。20kV出現(xiàn)24回，單母線三分段接線，主要供電可成科技、可功科技、長(zhǎng)電科技三家用戶。20kV出線為架空電纜混合接線、全電纜接線方式為主，架空線路型號(hào)規(guī)格為JKLYJ-240，電纜型號(hào)為YJV-3*400。五星變現(xiàn)狀主接線如圖1所示。

其中20kV五古II線（242）、20kV五古I線（232）、20kV五建線（215）、20kV五霞線（223）、20kV五倫線（226）、10kV五勇II線（982）為公用線路，其他20kV出現(xiàn)為用戶專線。

圖2　20kV五霞線故障錄波

圖3　20kV長(zhǎng)電線故障錄波

2.2電壓暫降現(xiàn)象分析

以此工業(yè)園可成科技公司為代表，在其所供專線并未故障的前提下，出現(xiàn)公司設(shè)備閃斷現(xiàn)象，降低了可成科技等公司的供電可靠性。從2013年9月~2016年1月，由于外線短路造成可成科技閃斷的次數(shù)達(dá)到14次，設(shè)備停機(jī)至復(fù)機(jī)時(shí)間在1min~2h，很短時(shí)間的斷電可以使設(shè)備關(guān)斷幾個(gè)小時(shí)，并造成生產(chǎn)線的產(chǎn)品出現(xiàn)大量次品。

根據(jù)可成科技電壓暫降歷史記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于長(zhǎng)電公司線路（20kV五電線（236））發(fā)生相間短路或單相接地短路，造成可成科技設(shè)備閃斷的次數(shù)達(dá)到4次；由于公用線路（20kV五古II線（242）、20kV五古I線（232）、20kV五建線（215）、10kV五進(jìn)I線（983）、10kV五進(jìn)II線（984）、20kV五霞線（223）、20kV五倫線（226）、10kV五勇II線（982）、20kV星可II線（227））發(fā)生三相短路、相間短路或單相接地短路，造成可成科技設(shè)備閃斷的次數(shù)達(dá)到9次。正常情況下，可成科技供電配線和發(fā)生故障線路屬于同一段母線或同一臺(tái)主變供電，有4次由于五星變110kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)710合環(huán)運(yùn)行，擴(kuò)大了故障范圍。

因與其接在同一段母線上的公用線路出線故障，致使五星變20kV側(cè)II段母線電壓降低，待故障切除后（重合閘成功），母線電壓恢復(fù)正常。

以2015年1月22日的故障錄波為例。此次電壓暫降是由于20kV五霞線（222）故障造成五成線（231）、可成II線（233）低電壓，根據(jù)波形分析故障過(guò)程如下：

故障性質(zhì)：三相短路故障。

綜合分析：T1：0ms發(fā)生三相短路故障；20kV進(jìn)線電壓跌落至原有電壓的50%。T2： 300ms后開(kāi)關(guān)跳開(kāi)；故障切除，20kV進(jìn)線電壓恢復(fù)正常。T3：2350ms重合成功。

對(duì)2015年12月25日的故障錄波進(jìn)行分析。此次電壓暫降是由于20kV長(zhǎng)電線故障造成低電壓，根據(jù)波形分析故障過(guò)程如下：

故障類型：相間短路轉(zhuǎn)為三相短路故障。

綜合分析：T1:0ms發(fā)生相間相短路故障，200ms后轉(zhuǎn)為三相短路故障；20kV進(jìn)線電壓跌落至原有電壓的30%。T2:過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作340ms后開(kāi)關(guān)跳開(kāi)；故障切除，20kV進(jìn)線電壓恢復(fù)正常。T3:2050ms重合成功。

根據(jù)上述典型錄波以及整理其他20kV出線故障錄波分析可得以下結(jié)論：

（1）故障類型包括三相短路、單相接地短路以及相間短路。

（2）故障切除時(shí)間約為300-350ms，該時(shí)間決定了電壓暫降持續(xù)時(shí)間。

（3）故障線路的電壓跌落幅度較大，平均可跌落至額定電壓的30%-50%。

（4）重要負(fù)荷與易發(fā)生故障負(fù)荷在同段母線。

（5）20kV各出線之間阻抗小，因此故障線路電壓與重要負(fù)荷線路電壓接近，都會(huì)受到低電壓影響。

圖4　電壓暫降解決方案

圖5　方案電網(wǎng)連接示意圖

圖6　換流器對(duì)稱單極接線示意圖

3　某工業(yè)園區(qū)電壓暫降治理方案

3.1方案概述

根據(jù)工業(yè)園區(qū)概況、可成科技現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，選擇合理的電壓暫降解決方案，如圖4所示：

造成可成科技易受故障影響的原因在于可成科技與其他線路同掛在相同母線。為了解決可成科技供電可靠性問(wèn)題，可采用柔性直流輸電系統(tǒng)供電方式。柔性直流輸電包括整流側(cè)和逆變側(cè)。整流側(cè)連接電網(wǎng)，逆變側(cè)連接負(fù)荷，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生低電壓故障時(shí)，由于柔性直流輸電系統(tǒng)具有直流環(huán)節(jié)，電網(wǎng)側(cè)低電壓故障不會(huì)直接影響到負(fù)荷側(cè)，逆變側(cè)可以通過(guò)控制策略的調(diào)整在一定時(shí)間內(nèi)維持逆變電壓保持不變，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷側(cè)的故障穿越?？山鉀Q由于其它線路故障導(dǎo)致其母線電壓跌落而發(fā)生閃斷故障的問(wèn)題。如果可成科技自身線路發(fā)生故障該方案無(wú)法解決問(wèn)題。

由于每個(gè)重要用戶都是采用雙電源供電，本方案將可成科技、可功科技、長(zhǎng)電科技雙電源供電的第一路20千伏出線調(diào)整至20千伏母線III段，可成科技、可功科技、長(zhǎng)電科技雙電源供電的第二路20千伏出線調(diào)整至20千伏母線I段，并將五星變?cè)?0千伏母線III段的公用線路調(diào)整至其他母線。

在五星變110千伏母線與20千伏母線III段之間新建柔性直流輸電系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)，#2主變20千伏側(cè)主變開(kāi)關(guān)處于常開(kāi)狀態(tài)，由柔性直流輸電系統(tǒng)負(fù)責(zé)給20千伏母線III段供電，可成科技、可功科技、長(zhǎng)電科技采用雙電源的第一路電源供電。柔性直流輸電系統(tǒng)檢修狀態(tài)時(shí)，#2主變20千伏側(cè)主變開(kāi)關(guān)閉合，滿足供電方式“N-1”校核。

正常運(yùn)行時(shí)，用戶供電方式為五星變20千伏母線III段為主，五星變20千伏母線I段為輔?？蛊?、交直流場(chǎng)開(kāi)關(guān)、直流線路、閥基控制系統(tǒng)（VBC）和換流站控制系統(tǒng)等。換流站按功能區(qū)劃分可分為交流場(chǎng)區(qū)、換流閥區(qū)、直流場(chǎng)區(qū)、控制保護(hù)室等部分。

3.3故障場(chǎng)景分析

場(chǎng)景一（交流線路故障）：當(dāng)柔直背靠背系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，20kV母線III段獨(dú)立運(yùn)行。與柔直背靠背連接110kV母線電壓正序電壓大于0.9p.u.，持續(xù)時(shí)間小于350ms，背靠背系統(tǒng)可以傳輸額定功率，20kV母線III段電壓和頻率均能維持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)電壓暫降。

場(chǎng)景二（柔直線路故障）：110kV母線電壓正序電壓小于0.9p.u.，背靠背系統(tǒng)傳輸功率需要等比例回將，例如110kV母線電壓正序電壓0.66p.u.（單極金屬接地故障），背靠背系統(tǒng)傳輸功率為0.66p.u.。110kV母線電壓出現(xiàn)暫降時(shí)，20kV母線III段負(fù)荷小于背靠背系統(tǒng)的傳送功率，該20kV母線電壓和頻率穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)電壓暫降。當(dāng)20kV母線III段負(fù)荷大于背靠背系統(tǒng)的傳送功率，根據(jù)故障持續(xù)的時(shí)間和功率情況，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)電壓暫降。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，柔性直流輸電整流側(cè)連接電網(wǎng)，逆變側(cè)連接負(fù)荷，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生低電壓故障時(shí)，由于柔性直流輸電系統(tǒng)具有直流環(huán)節(jié)，電網(wǎng)側(cè)低電壓故障不會(huì)直接影響到負(fù)荷側(cè)，逆變側(cè)可以通過(guò)控制策略的調(diào)整在一定時(shí)間內(nèi)維持逆變電壓保持不變，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷側(cè)的故障穿越，可解決由于其它線路故障導(dǎo)致其母線電壓跌落而發(fā)生閃斷故障的問(wèn)題。

[1] Gomez J C,Morcos M M.Voltage Sages and Recovery Time in Repetitive Events[J].IEEE Transactions on Power Delivery ,2002, 17(4):1037-1043.

[2] BOLLEN M H J，ZHANG Li-dong，Analysis of voltage tolerance of AC adjustable-speed drivers for three-phase balanced and unbalanced sags[J]. IEEE Transaction on Power Delivery,2000,36(3):110-118.

[3]陳眾勵(lì),許維勝.電壓中斷與電壓暫降的成因其及防治[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(1):518-520.

蔣科（1987），男，碩士，主要從事智能配網(wǎng)設(shè)計(jì)工作，。

蘇麟（1980），男，碩士，主要從事智能配網(wǎng)設(shè)計(jì)工作。

錢康（1977），男，碩士，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作。

閆安心（1986），男，碩士，主要從事智能配網(wǎng)設(shè)計(jì)工作。

裴昌盛（1990），男，本科，主要從事智能配網(wǎng)設(shè)計(jì)工作。

3.2基于MMC柔性直流技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)模

從110kV母線建設(shè)柔性直流輸電系統(tǒng)為重要敏感負(fù)荷供電?；谀K化多電平換流器的柔性輸電系統(tǒng)無(wú)需開(kāi)關(guān)器件直接串聯(lián)，可以運(yùn)用在較低的開(kāi)關(guān)頻率得到較優(yōu)的輸出電壓波形，具有換流閥開(kāi)關(guān)頻率低，系統(tǒng)損耗?。s為1%），效率高的優(yōu)點(diǎn)。

本方案采用模塊化多電平換流器（MMC）作為柔性直流輸電的主換流器。

（1）具有模塊化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)靈活，易擴(kuò)展到不同電壓、功率等級(jí)，滿足不同工程需要

（2）具有較強(qiáng)的故障保護(hù)能力，采用冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性

（3）低電平臺(tái)階的多電平輸出，具有較優(yōu)的電能質(zhì)量，甚至可取消濾波器使用，降低系統(tǒng)成本，節(jié)省空間。

（4）緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，占地面積小

方案中所采用的MMC方案采用換流器對(duì)稱單極接線形式，如圖6所示。

每個(gè)換流閥由6個(gè)橋臂單元組成，采用支撐式閥塔結(jié)構(gòu)。換流閥采用環(huán)抱式閥塔結(jié)構(gòu)，換流閥的設(shè)計(jì)集合了電氣接線設(shè)計(jì)，閥廳布置、抗震設(shè)計(jì)、靜電場(chǎng)研究等多方面因素，形成了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。換流閥以閥塔的形式進(jìn)行緊湊式布置，共包括4個(gè)換流閥閥塔。

柔性直流輸電系統(tǒng)主要設(shè)備包括換流閥、連接變壓器、閥電

Scheme for Controlling Voltage Sag of Industrial Park Baes on Flexible DC Technology

Jiang Ke,Su Lin,Qian Kang,Yan Anxin,Pei Changsheng
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute,Nanjing,211102,China)

Voltage sag problem not only affect the normal work of electrical equipment,but also related to the reliability.Here,the current status of voltage sag control is briefly reviewed,and the current solution of voltage sag is introduced. In view of the problem of voltage sag in an industrial park,the reason of voltage sag is analyzed.The scheme of voltage sag control based on the flexible DC technology is studied in this paper,and the feasibility and effectiveness of the scheme are analyzed qualitatively.

Flexible DC；Voltage Sag；Reliability

國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目“交直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”