多應(yīng)用場(chǎng)景低壓配網(wǎng)無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電解決方案

李俊林，韓捷，謝聰，劉曉，張旭，王丹

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局, 廣州市 510620;2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 武漢市 430074)

0 引言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的末端,承擔(dān)著向客戶提供與分配電能的重要任務(wù)。 隨著配網(wǎng)儲(chǔ)能的普及,分布式電源的快速發(fā)展與大量接入[1],配電網(wǎng)正在逐步向多源復(fù)雜、源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)調(diào)的主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變,這為配電網(wǎng)保證供電可靠性、供電質(zhì)量帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)的配電網(wǎng)普遍采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的供電方式[2],隨著配電網(wǎng)的改造升級(jí),開(kāi)環(huán)運(yùn)行不僅會(huì)帶來(lái)倒閘期間短時(shí)停電的問(wèn)題[3],無(wú)法保障重要用戶的持續(xù)供電,而且不能充分發(fā)揮分布式電源的效能。

由于歐美等國(guó)家配電網(wǎng)建設(shè)初期就納入了先進(jìn)的配電自動(dòng)化系統(tǒng),饋線或用戶側(cè)一旦發(fā)生故障,配電自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)將故障隔離[4]。 世界上一些國(guó)家和地區(qū)(中國(guó)臺(tái)灣、新加坡等地)開(kāi)始考慮采用配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的模式[5-6],當(dāng)某處電源或饋線故障時(shí)通過(guò)操縱分段開(kāi)關(guān)隔離故障,通過(guò)重合閘技術(shù)快速恢復(fù)供電。 但是初期國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)投資建設(shè)規(guī)模不大,常開(kāi)網(wǎng)絡(luò)改造為常閉網(wǎng)絡(luò)需要一定的時(shí)間。 合環(huán)轉(zhuǎn)電作為一種重要的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù),在提高配電網(wǎng)可靠性方面發(fā)揮著重要的作用[7]。 一些地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)合環(huán)轉(zhuǎn)電的方式提高供電可靠性[8]。

配電網(wǎng)在合環(huán)轉(zhuǎn)電時(shí),由于合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)存在電壓差、相角差,以及主變?nèi)萘俊蓚?cè)負(fù)荷的差異,合環(huán)操作會(huì)產(chǎn)生較大的合環(huán)電流[9-10],造成設(shè)備過(guò)載、繼電保護(hù)動(dòng)作。 因此,合環(huán)前需要對(duì)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差、相角差進(jìn)行判斷,提高合環(huán)成功率。 已有不少文獻(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)合環(huán)進(jìn)行理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[11-13]。 這些分析都是根據(jù)合環(huán)等值模型計(jì)算合環(huán)電流[14-15],進(jìn)而對(duì)合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[16]。 但是不論經(jīng)濟(jì)性評(píng)估還是技術(shù)性評(píng)估,都是對(duì)合環(huán)電流是否在允許范圍內(nèi)的一種判斷,無(wú)法消除環(huán)流。 雖然一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了低壓智能合環(huán)轉(zhuǎn)電箱[17],但它們對(duì)不滿足合環(huán)條件的臺(tái)區(qū)無(wú)法合環(huán)。 此外,考慮到配變高低壓繞組接線形式的不同,兩個(gè)臺(tái)區(qū)可能出現(xiàn)30°甚至60°相角差,已不滿足常規(guī)低壓合環(huán)轉(zhuǎn)電的條件。

針對(duì)大角度差低壓配網(wǎng)無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電的技術(shù)難題,本文提出兩種解決方案:1)統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unified power quality conditioner,UPQC)型拓?fù)?2)背靠背雙電壓源型變流器(voltage source converter,VSC)拓?fù)?從而填補(bǔ)低壓無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電的空白。 起初,UPQC 主要應(yīng)用于配電網(wǎng)敏感負(fù)荷的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)[18],它能夠兼容串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。 背靠背拓?fù)湓谌嵝灾绷鬏旊奫19]、交直流混合配網(wǎng)智能軟開(kāi)關(guān)[20]等場(chǎng)景發(fā)揮著重要的作用。 本文首先分析低壓配電網(wǎng)的典型轉(zhuǎn)供場(chǎng)景與合環(huán)方式,明確無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)供裝置的適用場(chǎng)合。 給出兩種方案的接線方式,深入分析每種方案的工作原理與容量參數(shù)。 針對(duì)低壓配電網(wǎng)廣泛存在的三相不平衡與諧波污染,本文從結(jié)構(gòu)與控制兩方面對(duì)方案提出改進(jìn)措施。 最后通過(guò)仿真驗(yàn)證兩種方案在大角度差無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)供的有效性。

1 典型轉(zhuǎn)供場(chǎng)景與基本合環(huán)方式

1.1 典型轉(zhuǎn)供環(huán)境

臺(tái)區(qū)之間建立低壓聯(lián)絡(luò)能夠提高故障模式的相互支援能力。 按照低壓聯(lián)絡(luò)方式、轉(zhuǎn)供電源類型可將低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供場(chǎng)景分為3 種類型,分別是相鄰配變低壓母線聯(lián)絡(luò)、低壓主干線末端聯(lián)絡(luò)和移動(dòng)發(fā)電車臨時(shí)轉(zhuǎn)供,如圖1 所示。 以廣州地區(qū)低壓配網(wǎng)為例,臺(tái)區(qū)之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)供一般通過(guò)低壓聯(lián)絡(luò)柜進(jìn)行合解環(huán)操作,操作的成功率嚴(yán)重依賴于當(dāng)天負(fù)荷情況與電網(wǎng)運(yùn)行方式。 對(duì)于移動(dòng)發(fā)電車轉(zhuǎn)供,安裝準(zhǔn)同期的發(fā)電車可以做到小沖擊并網(wǎng),但是,現(xiàn)存大量未安裝準(zhǔn)同期的發(fā)電車仍然采用先停電后接入發(fā)電車的轉(zhuǎn)供模式。

圖1 典型轉(zhuǎn)供場(chǎng)景Fig.1 Typical load transfer scenarios

1.2 基本合環(huán)方式

配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式以環(huán)式、輻射型等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式居多。 不同的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式不同,合環(huán)方式也不同。 對(duì)于220 kV 電源的0.4 kV 配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)電,按照合環(huán)點(diǎn)10 kV 側(cè)電源來(lái)源的不同,可將合環(huán)方式分為3 類。 類型I:同一片網(wǎng)相同10 kV 線路饋線間聯(lián)絡(luò);類型II:同一片網(wǎng)不同10 kV 線路饋線間聯(lián)絡(luò);類型III:不同片網(wǎng)各自的10 kV 線路饋線間聯(lián)絡(luò)。 這3 類合環(huán)方式的示意圖如圖2 所示。 不同的合環(huán)方式主要影響合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓的相角差。 對(duì)于類型II,兩條10 kV 進(jìn)線分別來(lái)自不同的220 kV 變電站主變,由于兩主變的中壓、低壓側(cè)繞組接線方式的不同,合環(huán)點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)30°或60°相角差。 而不同片網(wǎng)的兩個(gè)低壓合環(huán)母線的相角差可能具有任意數(shù)值。

圖2 基本合環(huán)方式Fig.2 Basic loop closing modes

2 無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電解決方案

2.1 基于UPQC 的無(wú)縫合環(huán)方案

UPQC 型無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電裝置接入配電系統(tǒng)的示意圖如圖3 所示,它由兩個(gè)背靠背連接的電壓源型換流器VSC1 和VSC2、三個(gè)輔助開(kāi)關(guān)、工頻變壓器構(gòu)成。 單個(gè)VSC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。 VSC1 為裝置提供能量,VSC2 通過(guò)工頻變壓器串聯(lián)在兩個(gè)臺(tái)區(qū)之間,工頻變壓器能夠提供輸入與輸出之間的電隔離,限制電網(wǎng)故障的短路電流。 K3是兩個(gè)臺(tái)區(qū)之間的低壓聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān),一般處于常開(kāi)狀態(tài)。 該裝置通過(guò)兩個(gè)合環(huán)開(kāi)關(guān)與系統(tǒng)進(jìn)行連接,具有接線方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)采用移動(dòng)化設(shè)計(jì)時(shí),可實(shí)現(xiàn)“即插即用、插拔便捷、臺(tái)區(qū)共享”等功能。

圖3 UPQC 型無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of seamless closed-loop load transfer based on UPQC structure

圖4 VSC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic structure of a VSC

該拓?fù)涿嫦虼蠼嵌炔?0° ～30°)電網(wǎng)間無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電等應(yīng)用場(chǎng)景,解決普通合環(huán)產(chǎn)生沖擊、適用范圍狹窄的問(wèn)題。 假設(shè)主變T2需要檢修,通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)待停電臺(tái)區(qū)負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)供,轉(zhuǎn)供電流程分為3 步:

1)無(wú)縫合環(huán):VSC2 通過(guò)串聯(lián)變壓器向線路注入一個(gè)可以四象限調(diào)節(jié)的耦合電壓,以補(bǔ)償兩個(gè)低壓臺(tái)區(qū)之間的電壓幅值差和相角差,以滿足無(wú)縫合環(huán)的條件。

2)負(fù)荷轉(zhuǎn)移:在合環(huán)成功后,將負(fù)荷功率緩慢轉(zhuǎn)移至聯(lián)絡(luò)線,轉(zhuǎn)移完成后,斷開(kāi)斷路器BRK2,主變T2退出運(yùn)行。

3)裝置退出:控制VSC2 輸出電壓緩慢減小至0,閉合K3使裝置旁路,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫退出運(yùn)行。

2.2 基于背靠背變流器的無(wú)縫合環(huán)方案

基于背靠背結(jié)構(gòu)的無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。 在圖5 中,2 個(gè)VSC 與3 個(gè)輔助開(kāi)關(guān)配合,就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電。 3 個(gè)開(kāi)關(guān)的作用與圖3 所示拓?fù)湟恢隆?與K3串聯(lián)的小電感L 用來(lái)抑制旁路背靠背拓?fù)渌查g產(chǎn)生的沖擊電流。 對(duì)于待停電的臺(tái)區(qū)而言,發(fā)電車、電池等都可以為其提供轉(zhuǎn)供電源。 除了連接電網(wǎng),背靠背拓?fù)涓饕氖沁€能面向發(fā)電車、電池等轉(zhuǎn)供電場(chǎng)景,解決接入時(shí)間長(zhǎng)、接入需停電、恢復(fù)運(yùn)行方式再停電的普遍現(xiàn)象。

圖5 背靠背型無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of seamless closed-loop load transfer based on back-to-back structure

仍然以主變T2檢修為例,與UPQC 型拓?fù)涔ぷ髟眍愃?背靠背型拓?fù)涞墓ぷ髁鞒桃卜譃楹檄h(huán)、轉(zhuǎn)電和退出3 個(gè)過(guò)程。

1)無(wú)縫合環(huán):調(diào)節(jié)VSC2 的輸出電壓,使得合環(huán)開(kāi)關(guān)K2兩側(cè)的電壓幅值差、相角差為0,閉合K2即可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫合環(huán)。

2)負(fù)荷轉(zhuǎn)移:在合環(huán)成功后,將負(fù)荷功率緩慢轉(zhuǎn)移至聯(lián)絡(luò)線,轉(zhuǎn)移完成后,斷開(kāi)斷路器BRK2, 主變T2退出運(yùn)行。

3)裝置退出:背靠背拓?fù)涞耐顺鲞^(guò)程分為兩步。第1 步是控制B-2 與B-1 處的電壓幅值相位相同,旁路開(kāi)關(guān)將裝置旁路。 第2 步是控制VSC2 的輸出電流緩慢減小至0,從而實(shí)現(xiàn)裝置的無(wú)縫退出。

3 兩種無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電方案特點(diǎn)分析

3.1 容量分析

1)UPQC 型拓?fù)淙萘俊?/p>

無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電裝置在運(yùn)行期間承載的功率不斷發(fā)生變化,在負(fù)荷轉(zhuǎn)移完畢時(shí)達(dá)到最大。 如果忽略損耗,串聯(lián)VSC 和并聯(lián)VSC 流過(guò)的有功功率相等,并聯(lián)VSC 做單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí),其無(wú)功消耗為0。UPQC 型無(wú)縫合環(huán)裝置用一個(gè)串聯(lián)在線路中的電壓源等效,便得到用于容量計(jì)算的穩(wěn)態(tài)等效電路,如圖6 所示。

圖6 UPQC 型拓?fù)浞€(wěn)態(tài)等效電路Fig.6 Steady-state equivalent circuit of the topology based on UPQC

在圖6 中,假設(shè)系統(tǒng)三相對(duì)稱,電壓、電流都是以標(biāo)幺值表示的電氣量,假設(shè)V1的相位為δ,V2的相位為0,X1,X2分別是兩臺(tái)配變的短路阻抗,負(fù)荷用一個(gè)基波電流源和一個(gè)諧波電流源相并聯(lián)模擬,圖中I1和I2為基波源,Ih1和Ih2為諧波源。 兩個(gè)負(fù)荷的功率因數(shù)角分別設(shè)為φ1和φ2。

由于低壓配變的漏抗數(shù)值非常小,通常為幾十μH,這里可以假設(shè)i,j節(jié)點(diǎn)的母線電壓與V1和V2一致。 根據(jù)基爾霍夫電壓定律,串聯(lián)補(bǔ)償電壓相量為:

所以,串聯(lián)變流器VSC2 的最大容量為:

并聯(lián)變流器VSC1 的最大容量為:

通過(guò)式(3)可以發(fā)現(xiàn),串聯(lián)變流器通過(guò)的功率只占負(fù)荷功率的一小部分,因此具有較高的功率密度。考慮到實(shí)際情況,此拓?fù)洳荒軌蜃龅綄?duì)相差任意角度差的兩個(gè)臺(tái)區(qū)的合環(huán)轉(zhuǎn)電。

2)背靠背型拓?fù)淙萘俊?/p>

背靠背拓?fù)涫侨β首兞髌?需要輸送全額的負(fù)荷功率,這意味著相同補(bǔ)償容量下背靠背拓?fù)涞某杀靖影嘿F。 VSC2 的最大容量等于轉(zhuǎn)電側(cè)負(fù)荷的視在功率,根據(jù)有功功率平衡,VSC1 的最大容量等于負(fù)荷的有功功率。 因此,VSC2 的最大容量為:

VSC1 的最大容量為:

由式(5)、(6)可知,背靠背型拓?fù)涞娜萘颗c負(fù)荷電壓、電流有關(guān),與兩個(gè)臺(tái)區(qū)的相角差無(wú)關(guān),因此,該拓?fù)淇梢赃m應(yīng)兩個(gè)臺(tái)區(qū)任意相角差的無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電。

為了比較兩種拓?fù)湓诓煌嵌认碌娜萘看笮?需要確定一個(gè)臨界角度。 假設(shè)如下場(chǎng)景:兩側(cè)電網(wǎng)線電壓有效值均為400 V,負(fù)荷電流有效值為250 A,直流側(cè)電壓為800 V。 圖7 給出了兩種拓?fù)涞娜萘侩S著相角差的變化情況。 當(dāng)δ＜60°時(shí),UPQC 型拓?fù)涞娜萘枯^小;當(dāng)δ＞60°時(shí),背靠背型拓?fù)涞娜萘枯^小。另外,由于UPQC 型拓?fù)渲绷鱾?cè)電壓的限制,串聯(lián)補(bǔ)償電壓的幅值是有限的,也即很難做到0° ～180°范圍內(nèi)的補(bǔ)償。 反映在圖7 中,UPQC 型拓?fù)涮峁┑淖畲笱a(bǔ)償角度是75°。

圖7 兩種拓?fù)涞娜萘颗c相角差的關(guān)系Fig.7 Relationship between capacity and phase angle difference of two topologies

3.2 負(fù)載電流不對(duì)稱和諧波的影響

由于負(fù)荷在時(shí)間和空間上隨機(jī)分布,以及非線性負(fù)荷的滲透,這將造成現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)三相不對(duì)稱、諧波含量大的現(xiàn)狀。 無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電裝置在三相不對(duì)稱和有諧波的電網(wǎng)中的正常工作是一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。 考慮到低壓配電網(wǎng)采用三相四線制接線,電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱度非常小,而負(fù)荷電流主要包含3 次和5 次諧波。 定義負(fù)荷電流不對(duì)稱度dubi如下。

式中:ILi(i= A, B, C)為三相負(fù)荷電流有效值;IN為負(fù)荷電流額定值。

對(duì)于UPQC 型拓?fù)?當(dāng)負(fù)荷電流三相不對(duì)稱時(shí),需要維持轉(zhuǎn)電側(cè)負(fù)荷電壓的平衡,因此,控制策略需要考慮負(fù)荷三相電壓的平衡問(wèn)題。 當(dāng)負(fù)荷電流含有諧波時(shí),諧波電流通過(guò)裝置,會(huì)增加裝置的損耗和無(wú)功容量,降低裝置的效率。 同樣,隔離變壓器的漏感要承擔(dān)一部分諧波電壓,負(fù)荷電壓的電能質(zhì)量要下降。 一方面,由于負(fù)荷電流中三次諧波含量最大,當(dāng)UPQC 型拓?fù)渥詭У母綦x變壓器閥側(cè)采用三角接法時(shí),可以有效避免三次諧波電流流過(guò)變流器本身。 另一方面,可以通過(guò)加入一些阻尼電阻或改善控制算法來(lái)抑制諧波放大。

對(duì)于背靠背型拓?fù)?為了確保逆變器向無(wú)源負(fù)荷供電時(shí)三相電壓的對(duì)稱性,有3 種途徑可供選擇。 一是在直流側(cè)引入分裂電容,構(gòu)成三相四線制輸出,二是采用三相四橋臂拓?fù)?三是逆變器側(cè)安裝隔離變壓器,采用DYg 接法,使得輸出側(cè)構(gòu)成三相四線制。 第1 種途徑成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是,諧波電流直接通過(guò)變流器,引起裝置的額外損耗與發(fā)熱。 此外,需要采取較大的電容并考慮2 個(gè)電容的均壓?jiǎn)栴}。 第2 種途徑只增加一對(duì)橋臂,成本比第1 種途徑稍高,但是對(duì)第4 橋臂的控制十分復(fù)雜。 第3 種途徑雖然可以限制三次諧波電流的傳遞,但是會(huì)增加裝置的體積和重量。 對(duì)于以上3 種途徑,當(dāng)負(fù)荷電流dubi值很大時(shí),將引起逆變器輸出電壓不平衡加重,需要添加負(fù)序或零序控制器來(lái)抑制逆變器輸出電壓的零序或負(fù)序分量。

4 仿真分析

為了研究?jī)煞N方案在不同轉(zhuǎn)供場(chǎng)景下的運(yùn)行特性,在Matlab/Simulink 平臺(tái)分別搭建了圖3 所示的UPQC 型和圖5 所示的背靠背型無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電仿真模型,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略。 UPQC 型拓?fù)涞淖畲笱a(bǔ)償角度為30°,最大通流為250 A,背靠背型拓?fù)渥畲笸鳛?50 A。 配電系統(tǒng)主要參數(shù)如下:兩臺(tái)配變?nèi)萘繛?30 kV·A,兩側(cè)電壓的相位差為10°。UPQC 型拓?fù)涞姆抡鎱?shù)為:濾波電感為2 mH,濾波電容為150 μF,隔離變壓器變比為460 V/230 V,直流電壓為800 V,直流側(cè)電容為4700 μF,開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz。 背靠背型拓?fù)涞姆抡鎱?shù)為:濾波電感為1 mH,濾波電容為150 μF,直流電壓為800 V,直流側(cè)電容為4700 μF,限流電感為100 μH,開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz。

仿真主要包括兩種應(yīng)用場(chǎng)景:1)合環(huán)類型I;2)移動(dòng)發(fā)電車并網(wǎng)。 針對(duì)場(chǎng)景1)設(shè)置兩種電網(wǎng)工況:線性平衡負(fù)載和非線性不平衡負(fù)載。

1)線性平衡負(fù)載。

兩種方案在工況1 的仿真波形如圖8 所示,圖8分別給出了轉(zhuǎn)電側(cè)的負(fù)荷電壓和裝置流過(guò)的電流波形。 從圖中可以看出,UPQC 型拓?fù)湓谕蝗煌度胴?fù)荷后負(fù)荷電壓呈現(xiàn)10%的降落,在2 個(gè)周波內(nèi)恢復(fù)正常;而背靠背型拓?fù)湄?fù)荷電壓有接近25%的降落,大約在4 個(gè)周波恢復(fù)正常。

圖8 工況1 的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of operating condition 1

2)非線性不平衡負(fù)載。

負(fù)荷電流不對(duì)稱度設(shè)置為10%,并添加15%的三次諧波和7%的五次諧波,仿真結(jié)果如圖9 所示。仿真結(jié)果表明,在裝置投入期間,負(fù)荷電壓也出現(xiàn)了一定程度的不對(duì)稱和畸變,對(duì)負(fù)荷電壓在裝置投入期間做傅里葉分析。 在圖9(a)中,負(fù)荷電壓的總諧波畸變率(total harmonic disorder,THD)值為16.6%,三次諧波含有率為15.9%,五次諧波含有率為4.6%。 在圖9(b)中,負(fù)荷電壓THD 值為8.1%,三次諧波含有率為6.7%,五次諧波含有率為3.0%。相比之下,背靠背拓?fù)渚哂懈鼉?yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量。 裝置退出之后,負(fù)荷電壓均恢復(fù)為三相對(duì)稱正弦電壓。

圖9 工況2 的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of operating condition 2

(3)移動(dòng)發(fā)電車并網(wǎng)。

采用背靠背拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)發(fā)電車無(wú)縫合環(huán)轉(zhuǎn)電,仿真模型如圖1(c)所示。 發(fā)電車采用柴油發(fā)電機(jī)模型,三相不對(duì)稱負(fù)荷電流設(shè)為216、236、189 A,仿真結(jié)果如圖10 所示,圖中給出了負(fù)載電壓、逆變側(cè)電流、發(fā)電車機(jī)端電壓與機(jī)端電流波形。 在0.12 s 發(fā)電車并入電網(wǎng),0.12 ～0.30 s 期間,發(fā)電車通過(guò)背靠背換流器向負(fù)荷供電,在0.35 s 背靠背并網(wǎng)裝置退出運(yùn)行。由于柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢,負(fù)荷電壓呈現(xiàn)短暫的跌落。 在背靠背裝置退出運(yùn)行后,由發(fā)電車為負(fù)荷單獨(dú)供電,負(fù)荷電壓保持三相對(duì)稱。

圖10 移動(dòng)發(fā)電車并網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of grid-connection of mobile generator

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)實(shí)際合環(huán)場(chǎng)景無(wú)縫轉(zhuǎn)供的建模仿真分析,得出以下結(jié)論:

1)由于直流電壓的限制,UPQC 型拓?fù)涞难a(bǔ)償角度是有限的。 當(dāng)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓相角差低于60°,UPQC 型拓?fù)浜檄h(huán)有較大容量?jī)?yōu)勢(shì)。 背靠背拓?fù)涓m合于移動(dòng)電源、電池等轉(zhuǎn)供形式。 兩種方案的相互配合可以滿足任意復(fù)雜環(huán)境的合環(huán)轉(zhuǎn)電。

2)這兩種方案在適當(dāng)?shù)目刂撇呗韵露寄芸焖?、安全地完成合環(huán)轉(zhuǎn)電操作,消除了合環(huán)沖擊。 它們都具備帶不平衡、非線性負(fù)載的能力。 即使出現(xiàn)一相空載,兩種拓?fù)涠寄芫S持負(fù)載電壓的三相對(duì)稱。

3)背靠背拓?fù)湓谝苿?dòng)發(fā)電車并網(wǎng)方面具有很大的應(yīng)用潛力,它能夠平滑柴油發(fā)電機(jī)的電壓波動(dòng),使負(fù)載獲得更穩(wěn)定的電壓。

以上結(jié)論都是根據(jù)廣州配電網(wǎng)實(shí)際合環(huán)案例仿真分析和計(jì)算得出的,對(duì)于解決實(shí)際工程問(wèn)題有重要的參考價(jià)值。 同時(shí),兩種方案都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,如加以推廣,不僅能提高配電網(wǎng)不停電轉(zhuǎn)供的安全性和可靠性,而且還能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。