柔性多狀態(tài)開關接入對備自投的影響

許 烽，陸 翌，王朝亮，倪曉軍，丁 超

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

分布式電源的大量接入和電動汽車的快速普及成為現今配電網面臨的雙重挑戰(zhàn)，同時配電網普遍存在閉環(huán)設計、開環(huán)運行的現象，導致配電網內饋線功率失衡現象嚴重。柔性多狀態(tài)開關是連接配電網中2條或多條饋線間的電力電子變流器，能夠增強配電網運行控制的靈活性，促進分布式電源消納，提升系統(tǒng)供電可靠性[1-3]。

備自投裝置作為保證電力系統(tǒng)供電可靠性、連續(xù)性的一個重要設備，在整個配電網中得到了廣泛應用，即使在開環(huán)運行條件下電網可靠性也有了較好的保障[4]。為滿足配電網重要負荷不間斷供電，提高系統(tǒng)供電可靠性，柔性多狀態(tài)開關往往配置有孤島運行能力。當主供電源失去后，備自投原本“檢無壓”動作的條件被柔性多狀態(tài)開關孤島運行所提供的交流支撐電壓破壞，繼而備自投裝置無法立即動作，延長了停電時間，影響地區(qū)供電可靠性[5]。

本文以柔性多狀態(tài)開關接入110/10 kV變電供區(qū)為例，分析柔性多狀態(tài)開關的接入對變電站備自投動作時延的影響，并提出相應解決方案。

1 備自投動作原理

備自投裝置需檢測主供電源的電壓是否小于無壓整定值（一般取0.3 p.u.），當主供電源線路的電流為0，且相應的主供電源斷路器已經斷開，此時需要備自投裝置動作，投入備用電源恢復供電。同時為滿足備用電源準同期自動合閘，還需檢測備用電源的電壓是否大于有壓整定值（一般取0.7 p.u.），以及頻率是否滿足要求[5]。

如圖1所示，當進線DL1正常運行、進線DL2備用時，110 kV的Ⅰ母和Ⅱ母均有電壓，斷路器QF1和QF3在合位，QF2在分位，滿足備自投的充電條件，備自投經過延時完成充電。當進線DL1因故障或其他原因被斷開后，110 kV的Ⅰ母和Ⅱ母均失去電壓，進線DL2有壓，進線DL1無電流，此時備自投動作，斷開QF1，合上QF2，進線DL2自動投入運行。

圖1 110 kV變電站典型接線

2 柔性多狀態(tài)開關原理

相對傳統(tǒng)聯絡開關而言，基于全控型電力電子器件的柔性多狀態(tài)開關不僅具備通和斷2種狀態(tài)，而且具有不受動作次數的限制、功率連續(xù)可控、運行模式柔性切換、控制方式靈活多樣等特點。柔性多狀態(tài)開關能夠在其自身容量調節(jié)范圍內實時連續(xù)地調節(jié)流經的功率，促進饋線負載分配的均衡化，滿足分布式電源消納、高供電可靠性等定制電力需求，避免了傳統(tǒng)聯絡開關倒閘操作引起的供電中斷、合環(huán)沖擊等問題，提高了配電網的安全性、穩(wěn)定性、靈活性[2，6-7]。

柔性多狀態(tài)開關在饋線中的連接形式多樣，簡單而言，可安裝于饋線首端、終端和末端，圖2給出了柔性多狀態(tài)開關安裝于饋線末端的場景[8]。饋線1和饋線2可通過柔性多狀態(tài)開關實現功率互轉、電壓波動抑制、電能質量治理等功能。

圖2 柔性多狀態(tài)開關接線示意

在滿足特定場合應用需求的情況下，采用不同拓撲結構時，柔性多狀態(tài)開關所能實現的電壓等級、容量范圍以及運行效率、經濟效益都不相同。文獻[2]總結了六邊形交-交型模塊化多電平變流器、模塊化多電平矩陣變流器、Y型大功率模塊化多電平變流器、二極管鉗位型五電平變流器、模塊化多電平變流器和饋線互聯變流器6種代表性拓撲結構。實際上，無論采用何種結構方式，與饋線相連的端口都具有聯網/孤島運行及相互切換能力。

柔性多狀態(tài)開關安裝于10 kV等中壓配電網層面，容量可取1～10 MW，用于滿足所連饋線上全部負荷或部分負荷的電能轉供。柔性多狀態(tài)開關在孤島運行模式下，常用的控制策略為控制無源系統(tǒng)交流電壓幅值和頻率穩(wěn)定[9]。當無源系統(tǒng)負荷的容量小于柔性多狀態(tài)開關可提供的最大容量時，柔性多狀態(tài)開關能夠有效維持無源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當無源系統(tǒng)負荷的容量大于柔性多狀態(tài)開關時，由于流過柔性多狀態(tài)開關的電流受到設備本身的限制，柔性多狀態(tài)開關從交流電壓幅值控制模式過渡至交流電流限幅控制模式，將交流電流（交流功率）限制于整定值之下。對于無源系統(tǒng)的負荷而言，限定功率的方式表現在對交流電壓的控制。因此，在無源負荷容量較大的情況下，柔性多狀態(tài)開關只能將交流電壓穩(wěn)定于某個低于額定電壓的值之下，且無源負荷容量與柔性多狀態(tài)開關的容量比越大，交流電壓越低。

目前，110/10 kV主變壓器（以下簡稱“主變”）的容量范圍為6.3～63 MVA[10]。對于一個發(fā)展成熟的10 kV供區(qū)而言，供區(qū)總負荷總是高于單個柔性多狀態(tài)開關的最大容量，在不考慮供區(qū)內分布式電源的情況下，當供區(qū)因主變進線側故障等導致整個供區(qū)停電時，單靠柔性多狀態(tài)開關將難以維系負荷需求，從而導致交流電壓只能穩(wěn)定在較低水平。

3 對備自投的影響分析

如圖1所示，在未接入柔性多狀態(tài)開關的情況下，當進線DL1斷開后，Ⅰ母、Ⅱ母失壓，備自投裝置“檢無壓”迅速啟動，斷開QF1，合上QF2，恢復對供區(qū)的供電。整個停電恢復時間基本由備自投啟動整定時間決定。

柔性多狀態(tài)開關接入后，當進線DL1斷開后，整個供區(qū)處于無源狀態(tài)，柔性多狀態(tài)開關切換至無源控制模式，但由于供電容量受限，交流電壓只能維持在較低水平。但是，對于備自投而言，此時Ⅰ母和Ⅱ母不再是之前的無壓狀態(tài)，不滿足備自投啟動條件，備自投無法動作，而配電網長期欠壓和嚴重低壓的狀態(tài)不利于負荷的可靠供電，是應該極力避免的。若柔性多狀態(tài)開關不能將無源網絡電壓穩(wěn)定控制住，柔性多狀態(tài)開關將會閉鎖，而后交流電壓跌落，備自投啟動，供區(qū)恢復正常供電。但是，柔性多狀態(tài)開關的接入推遲了備自投的啟動時間。

4 應對策略及對比分析

4.1 策略方法

從上述分析可以看出，由于柔性多狀態(tài)開關具備的無源網絡運行能力，導致供區(qū)變電站母線不再具備鮮明的零壓特性，進而影響了備自投的正常啟動，致使系統(tǒng)供電出現一系列問題。實際上，分布式電源的接入也存在上述類似現象[11-12]。

為有效解決上述問題，可以從兩方面入手。方法1：當主變失壓后，直接閉鎖柔性多狀態(tài)開關（或采用分斷特征開關的方式），使其不再繼續(xù)向變電站母線提供電壓支撐，進而不影響備自投的正常投入，待電源切換成功，供區(qū)電壓恢復正常后，再解鎖柔性多狀態(tài)開關，恢復至原先的供電狀態(tài)。方法2：改變備自投的動作邏輯，使其在柔性多狀態(tài)無源運行下能夠正確動作，實現備用電源和柔性多狀態(tài)開關復用效果，如此，即可實現無源負荷不停電情況下的備用電源切換，提高供電可靠性。

對于方法1而言，首先需要區(qū)分供區(qū)發(fā)生孤島的范圍，只有變電站失電時，才能執(zhí)行方法1；否則，若是圖2所示的變電站出線斷路器分斷引起的饋線孤島，柔性多狀態(tài)開關應繼續(xù)運行，為所連饋線上的負荷不間斷供電。因此，需要向柔性多狀態(tài)開關引入變電站的母線電壓Ub和進線電流IL，其中IL=IL1+IL2，圖3給出了Ub以及IL1和IL2的正方向。若Ub小于額定電壓Ub0或者IL小于某一小電流整定值IL0，變電站進線功率方向為變電站指向進線且柔性多狀態(tài)開關交流出口電壓Ufms與Ub同相位，則可判定變電站進線已斷開（失電），具體邏輯示意如圖4所示。

圖3 電壓電流標識示意

圖4 變電站失電判斷邏輯

判定為變電站失電后，柔性多狀態(tài)開關再檢測交流出口電壓是否低于電壓整定值（如0.9 p.u.）。若不是，表明當前配電網的負荷容量與柔性多狀態(tài)開關并未相差許多，柔性多狀態(tài)開關能夠為供區(qū)提供可承受的供電電壓，可持續(xù)為供區(qū)供電，但要使得備自投投入，仍需短時停電。若是，表明當前配電網的負荷容量與柔性多狀態(tài)開關相差較大，柔性多狀態(tài)開關在孤島運行模式下難以提供滿足負荷要求的電壓，因此，可以立即閉鎖柔性多狀態(tài)開關或者分斷事先已約束好的特征開關。該特征開關分斷后，柔性多狀態(tài)開關可繼續(xù)為饋線上的部分負荷供電，但變電站母線電壓不再有電壓支撐。本文中，特征開關一般指與變電站母線相連的饋線首端開關，如圖2所示的斷路器QF1及QF2。變電站交流母線無壓后，備自投可正常動作。

對于方法2而言，在進線分斷期間，柔性多狀態(tài)開關一直處于無源運行狀態(tài)，能夠為負荷提供持續(xù)的電力，即使部分時候電壓不滿足標準要求。由于失去了原本“檢無壓”的條件，備自投的啟動判斷邏輯需要重新設計。為提升判斷的正確性，可以引入變電站斷路器位置信息、變電站進線斷路器動作信息、進線電流等，對進線故障等引起的變電站失電進行判定。其中，利用線路等故障引起的保護動作和斷路器分、合位置變動及進線電流di/dt的邏輯判斷是最為典型的設計方案。

4.2 對比分析

由上述分析可知，方法1僅需從變電站引入母線電壓和進線電流信號，結合自身采集的交流出口電壓，實現變電站狀態(tài)判斷和柔性多狀態(tài)開關動作，進而大大減少小對備自投啟動時間的影響，供區(qū)能夠及時恢復供電。方法1基于獨立控制思想，不依賴于供區(qū)整體通信，通信要求低，可拓展性強。未來，當同一個供區(qū)引入更多的柔性多狀態(tài)開關或類似電力電子裝置時，可采用相同的控制策略，配電網無需作變更。

方法2由于需要對備自投邏輯進行改進，因此，所有相關電壓等級的備自投裝置都要作相應調整。同時，已使用幾十年且十分成熟的基于“檢無壓”的備自投啟動邏輯被新的邏輯替代，需要一段時間的實踐檢驗，會給配電網安全運行帶來一定風險。與此同時，備自投在合上斷路器的瞬間，由于備用電源和孤島網絡之間的電壓差（幅值、相位等），會導致柔性多狀態(tài)開關等電力電子裝置出現瞬時過流等問題，需要合同期技術和過流抑制技術的配合來優(yōu)化備自投過程。

實際上，從配電網電力電子滲透率的角度來看，方法1和2各有側重點。當一個配電網中柔性多狀態(tài)開關等電力電子設備的容量相比于配電網負荷容量較小時（配電網現狀），方法1較為適用。一是不需要大范圍地改變備自投的動作邏輯，改造范圍和工作量??；二是即使變電站失電期間柔性多狀態(tài)開關處于無源運行狀態(tài)，但是與負荷間的容量差將導致孤島交流電壓幅值遠不滿足標準要求，電能質量差。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和應用，當柔性多狀態(tài)開關等電力電子設備總容量超過配電網負荷容量時，方法2更為適用。當變電站失電后，電力電子設備能夠完全支撐起整個供區(qū)的負荷供電，相比于備自投恢復供電所需的停電時間（3～5 s），不會引起供區(qū)負荷停電，從而可以充分利用柔性多狀態(tài)開關提高供區(qū)供電可靠性。

5 結語

針對柔性多狀態(tài)開關接入配電網后可能會造成備自投不動作的情況，提出了2種解決方案，可根據配電網具體情況進行選擇。從分析結果來看，現階段配電網內柔性多狀態(tài)開關個數較少情況下，當主變失壓后，采用直接閉鎖柔性多狀態(tài)開關的方式更加合適。