許 烽，陸 翌，王朝亮，倪曉軍，丁 超

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

分布式電源的大量接入和電動(dòng)汽車的快速普及成為現(xiàn)今配電網(wǎng)面臨的雙重挑戰(zhàn)，同時(shí)配電網(wǎng)普遍存在閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的現(xiàn)象，導(dǎo)致配電網(wǎng)內(nèi)饋線功率失衡現(xiàn)象嚴(yán)重。柔性多狀態(tài)開關(guān)是連接配電網(wǎng)中2條或多條饋線間的電力電子變流器，能夠增強(qiáng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制的靈活性，促進(jìn)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(gè)重要設(shè)備，在整個(gè)配電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，即使在開環(huán)運(yùn)行條件下電網(wǎng)可靠性也有了較好的保障[4]。為滿足配電網(wǎng)重要負(fù)荷不間斷供電，提高系統(tǒng)供電可靠性，柔性多狀態(tài)開關(guān)往往配置有孤島運(yùn)行能力。當(dāng)主供電源失去后，備自投原本“檢無壓”動(dòng)作的條件被柔性多狀態(tài)開關(guān)孤島運(yùn)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(dòng)作，延長了停電時(shí)間，影響地區(qū)供電可靠性[5]。

本文以柔性多狀態(tài)開關(guān)接入110/10 kV變電供區(qū)為例，分析柔性多狀態(tài)開關(guān)的接入對(duì)變電站備自投動(dòng)作時(shí)延的影響，并提出相應(yīng)解決方案。

1 備自投動(dòng)作原理

備自投裝置需檢測(cè)主供電源的電壓是否小于無壓整定值（一般取0.3 p.u.），當(dāng)主供電源線路的電流為0，且相應(yīng)的主供電源斷路器已經(jīng)斷開，此時(shí)需要備自投裝置動(dòng)作，投入備用電源恢復(fù)供電。同時(shí)為滿足備用電源準(zhǔn)同期自動(dòng)合閘，還需檢測(cè)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(dāng)進(jìn)線DL1正常運(yùn)行、進(jìn)線DL2備用時(shí)，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(jīng)過延時(shí)完成充電。當(dāng)進(jìn)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(jìn)線DL2有壓，進(jìn)線DL1無電流，此時(shí)備自投動(dòng)作，斷開QF1，合上QF2，進(jìn)線DL2自動(dòng)投入運(yùn)行。

圖1 110 kV變電站典型接線

2 柔性多狀態(tài)開關(guān)原理

相對(duì)傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)而言，基于全控型電力電子器件的柔性多狀態(tài)開關(guān)不僅具備通和斷2種狀態(tài)，而且具有不受動(dòng)作次數(shù)的限制、功率連續(xù)可控、運(yùn)行模式柔性切換、控制方式靈活多樣等特點(diǎn)。柔性多狀態(tài)開關(guān)能夠在其自身容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)時(shí)連續(xù)地調(diào)節(jié)流經(jīng)的功率，促進(jìn)饋線負(fù)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(lián)絡(luò)開關(guān)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(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、靈活性[2，6-7]。

柔性多狀態(tài)開關(guān)在饋線中的連接形式多樣，簡(jiǎn)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(guān)安裝于饋線末端的場(chǎng)景[8]。饋線1和饋線2可通過柔性多狀態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)功率互轉(zhuǎn)、電壓波動(dòng)抑制、電能質(zhì)量治理等功能。

圖2 柔性多狀態(tài)開關(guān)接線示意

在滿足特定場(chǎng)合應(yīng)用需求的情況下，采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，柔性多狀態(tài)開關(guān)所能實(shí)現(xiàn)的電壓等級(jí)、容量范圍以及運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)效益都不相同。文獻(xiàn)[2]總結(jié)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(lián)變流器6種代表性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際上，無論采用何種結(jié)構(gòu)方式，與饋線相連的端口都具有聯(lián)網(wǎng)/孤島運(yùn)行及相互切換能力。

柔性多狀態(tài)開關(guān)安裝于10 kV等中壓配電網(wǎng)層面，容量可取1～10 MW，用于滿足所連饋線上全部負(fù)荷或部分負(fù)荷的電能轉(zhuǎn)供。柔性多狀態(tài)開關(guān)在孤島運(yùn)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(dāng)無源系統(tǒng)負(fù)荷的容量小于柔性多狀態(tài)開關(guān)可提供的最大容量時(shí)，柔性多狀態(tài)開關(guān)能夠有效維持無源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)無源系統(tǒng)負(fù)荷的容量大于柔性多狀態(tài)開關(guān)時(shí)，由于流過柔性多狀態(tài)開關(guān)的電流受到設(shè)備本身的限制，柔性多狀態(tài)開關(guān)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(duì)于無源系統(tǒng)的負(fù)荷而言，限定功率的方式表現(xiàn)在對(duì)交流電壓的控制。因此，在無源負(fù)荷容量較大的情況下，柔性多狀態(tài)開關(guān)只能將交流電壓穩(wěn)定于某個(gè)低于額定電壓的值之下，且無源負(fù)荷容量與柔性多狀態(tài)開關(guān)的容量比越大，交流電壓越低。

目前，110/10 kV主變壓器（以下簡(jiǎn)稱“主變”）的容量范圍為6.3～63 MVA[10]。對(duì)于一個(gè)發(fā)展成熟的10 kV供區(qū)而言，供區(qū)總負(fù)荷總是高于單個(gè)柔性多狀態(tài)開關(guān)的最大容量，在不考慮供區(qū)內(nèi)分布式電源的情況下，當(dāng)供區(qū)因主變進(jìn)線側(cè)故障等導(dǎo)致整個(gè)供區(qū)停電時(shí)，單靠柔性多狀態(tài)開關(guān)將難以維系負(fù)荷需求，從而導(dǎo)致交流電壓只能穩(wěn)定在較低水平。

3 對(duì)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(guān)的情況下，當(dāng)進(jìn)線DL1斷開后，Ⅰ母、Ⅱ母失壓，備自投裝置“檢無壓”迅速啟動(dòng)，斷開QF1，合上QF2，恢復(fù)對(duì)供區(qū)的供電。整個(gè)停電恢復(fù)時(shí)間基本由備自投啟動(dòng)整定時(shí)間決定。

柔性多狀態(tài)開關(guān)接入后，當(dāng)進(jìn)線DL1斷開后，整個(gè)供區(qū)處于無源狀態(tài)，柔性多狀態(tài)開關(guān)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(duì)于備自投而言，此時(shí)Ⅰ母和Ⅱ母不再是之前的無壓狀態(tài)，不滿足備自投啟動(dòng)條件，備自投無法動(dòng)作，而配電網(wǎng)長期欠壓和嚴(yán)重低壓的狀態(tài)不利于負(fù)荷的可靠供電，是應(yīng)該極力避免的。若柔性多狀態(tài)開關(guān)不能將無源網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定控制住，柔性多狀態(tài)開關(guān)將會(huì)閉鎖，而后交流電壓跌落，備自投啟動(dòng)，供區(qū)恢復(fù)正常供電。但是，柔性多狀態(tài)開關(guān)的接入推遲了備自投的啟動(dòng)時(shí)間。

4 應(yīng)對(duì)策略及對(duì)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(guān)具備的無源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能力，導(dǎo)致供區(qū)變電站母線不再具備鮮明的零壓特性，進(jìn)而影響了備自投的正常啟動(dòng)，致使系統(tǒng)供電出現(xiàn)一系列問題。實(shí)際上，分布式電源的接入也存在上述類似現(xiàn)象[11-12]。

為有效解決上述問題，可以從兩方面入手。方法1：當(dāng)主變失壓后，直接閉鎖柔性多狀態(tài)開關(guān)（或采用分?jǐn)嗵卣鏖_關(guān)的方式），使其不再繼續(xù)向變電站母線提供電壓支撐，進(jìn)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(fù)正常后，再解鎖柔性多狀態(tài)開關(guān)，恢復(fù)至原先的供電狀態(tài)。方法2：改變備自投的動(dòng)作邏輯，使其在柔性多狀態(tài)無源運(yùn)行下能夠正確動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)備用電源和柔性多狀態(tài)開關(guān)復(fù)用效果，如此，即可實(shí)現(xiàn)無源負(fù)荷不停電情況下的備用電源切換，提高供電可靠性。

對(duì)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(shí)，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?jǐn)嘁鸬酿伨€孤島，柔性多狀態(tài)開關(guān)應(yīng)繼續(xù)運(yùn)行，為所連饋線上的負(fù)荷不間斷供電。因此，需要向柔性多狀態(tài)開關(guān)引入變電站的母線電壓Ub和進(jìn)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(jìn)線功率方向?yàn)樽冸娬局赶蜻M(jìn)線且柔性多狀態(tài)開關(guān)交流出口電壓Ufms與Ub同相位，則可判定變電站進(jìn)線已斷開（失電），具體邏輯示意如圖4所示。

圖3 電壓電流標(biāo)識(shí)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(guān)再檢測(cè)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(dāng)前配電網(wǎng)的負(fù)荷容量與柔性多狀態(tài)開關(guān)并未相差許多，柔性多狀態(tài)開關(guān)能夠?yàn)楣﹨^(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(shí)停電。若是，表明當(dāng)前配電網(wǎng)的負(fù)荷容量與柔性多狀態(tài)開關(guān)相差較大，柔性多狀態(tài)開關(guān)在孤島運(yùn)行模式下難以提供滿足負(fù)荷要求的電壓，因此，可以立即閉鎖柔性多狀態(tài)開關(guān)或者分?jǐn)嗍孪纫鸭s束好的特征開關(guān)。該特征開關(guān)分?jǐn)嗪?，柔性多狀態(tài)開關(guān)可繼續(xù)為饋線上的部分負(fù)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(guān)一般指與變電站母線相連的饋線首端開關(guān)，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(dòng)作。

對(duì)于方法2而言，在進(jìn)線分?jǐn)嗥陂g，柔性多狀態(tài)開關(guān)一直處于無源運(yùn)行狀態(tài)，能夠?yàn)樨?fù)荷提供持續(xù)的電力，即使部分時(shí)候電壓不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由于失去了原本“檢無壓”的條件，備自投的啟動(dòng)判斷邏輯需要重新設(shè)計(jì)。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(jìn)線斷路器動(dòng)作信息、進(jìn)線電流等，對(duì)進(jìn)線故障等引起的變電站失電進(jìn)行判定。其中，利用線路等故障引起的保護(hù)動(dòng)作和斷路器分、合位置變動(dòng)及進(jìn)線電流di/dt的邏輯判斷是最為典型的設(shè)計(jì)方案。

4.2 對(duì)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(jìn)線電流信號(hào)，結(jié)合自身采集的交流出口電壓，實(shí)現(xiàn)變電站狀態(tài)判斷和柔性多狀態(tài)開關(guān)動(dòng)作，進(jìn)而大大減少小對(duì)備自投啟動(dòng)時(shí)間的影響，供區(qū)能夠及時(shí)恢復(fù)供電。方法1基于獨(dú)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(qiáng)。未來，當(dāng)同一個(gè)供區(qū)引入更多的柔性多狀態(tài)開關(guān)或類似電力電子裝置時(shí)，可采用相同的控制策略，配電網(wǎng)無需作變更。

方法2由于需要對(duì)備自投邏輯進(jìn)行改進(jìn)，因此，所有相關(guān)電壓等級(jí)的備自投裝置都要作相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，已使用幾十年且十分成熟的基于“檢無壓”的備自投啟動(dòng)邏輯被新的邏輯替代，需要一段時(shí)間的實(shí)踐檢驗(yàn)，會(huì)給配電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，備自投在合上斷路器的瞬間，由于備用電源和孤島網(wǎng)絡(luò)之間的電壓差（幅值、相位等），會(huì)導(dǎo)致柔性多狀態(tài)開關(guān)等電力電子裝置出現(xiàn)瞬時(shí)過流等問題，需要合同期技術(shù)和過流抑制技術(shù)的配合來優(yōu)化備自投過程。

實(shí)際上，從配電網(wǎng)電力電子滲透率的角度來看，方法1和2各有側(cè)重點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)配電網(wǎng)中柔性多狀態(tài)開關(guān)等電力電子設(shè)備的容量相比于配電網(wǎng)負(fù)荷容量較小時(shí)（配電網(wǎng)現(xiàn)狀），方法1較為適用。一是不需要大范圍地改變備自投的動(dòng)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(guān)處于無源運(yùn)行狀態(tài)，但是與負(fù)荷間的容量差將導(dǎo)致孤島交流電壓幅值遠(yuǎn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，電能質(zhì)量差。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)柔性多狀態(tài)開關(guān)等電力電子設(shè)備總?cè)萘砍^配電網(wǎng)負(fù)荷容量時(shí)，方法2更為適用。當(dāng)變電站失電后，電力電子設(shè)備能夠完全支撐起整個(gè)供區(qū)的負(fù)荷供電，相比于備自投恢復(fù)供電所需的停電時(shí)間（3～5 s），不會(huì)引起供區(qū)負(fù)荷停電，從而可以充分利用柔性多狀態(tài)開關(guān)提高供區(qū)供電可靠性。

5 結(jié)語

針對(duì)柔性多狀態(tài)開關(guān)接入配電網(wǎng)后可能會(huì)造成備自投不動(dòng)作的情況，提出了2種解決方案，可根據(jù)配電網(wǎng)具體情況進(jìn)行選擇。從分析結(jié)果來看，現(xiàn)階段配電網(wǎng)內(nèi)柔性多狀態(tài)開關(guān)個(gè)數(shù)較少情況下，當(dāng)主變失壓后，采用直接閉鎖柔性多狀態(tài)開關(guān)的方式更加合適。