220kV地區(qū)變電所電氣一次初步設(shè)計梁慧媛

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-[3]。例如，當傳輸系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時，可以通過相關(guān)的分布式發(fā)電系統(tǒng)給本地負載供電。分布式發(fā)電系統(tǒng)可以減少傳輸中電能損耗和高電壓設(shè)備的費用。他們還可以通過使用可再生能源，例如風(fēng)能，太陽能，生物量或熱量，而不是化石燃料來保護環(huán)境。此外，如果逆變器接口與分布式發(fā)電配合，它可以有效的提高電能質(zhì)量，因為與旋轉(zhuǎn)發(fā)電機相比，逆變器的接口可以有效的控制輸出電壓和電流的波形[4] [5]。 大部分分布發(fā)電系統(tǒng)為了克服自己發(fā)電能力的缺陷，便與電力系統(tǒng)（EPS）互聯(lián)配合使用。與電力系統(tǒng)互聯(lián)分布式發(fā)電系統(tǒng)與獨立的發(fā)電系統(tǒng)相比，可以提供具有穩(wěn)定的頻率和電壓的更加可靠的電能。然而，當電力系統(tǒng)或者當?shù)氐墓╇娤到y(tǒng)發(fā)生故障時，分布式發(fā)電可能會影響繼電器動作，工作人員的安全和大部分用戶[6] [7]。 幾項研究提出了接口逆變器，因為它對分布式發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能力的提高有多種功效。這些系統(tǒng)通常使用并聯(lián)逆變器，有效地使電力系統(tǒng)受到小的波動時還能提供電能。而且，當用來處理最頻繁發(fā)生的電壓驟降問題時，該系列變頻器比并聯(lián)逆變器更有效。因此，使用并聯(lián)和串聯(lián)逆變器一起配合使用來提高分布式發(fā)電的性能。 本文介紹了由變頻器和并聯(lián)逆變器構(gòu)成的逆變的分布式發(fā)電系統(tǒng)，稱之為優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)。此外，本文提出了優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的整體工作模式，包括逆變器的控制和保護。擬議工作模式的績效是通過PSCAD/EMTDC來進行模擬和評估的。 二．優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)配置 優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)有兩個主要目標：一是即使發(fā)生故障時也能給用戶提供可靠的電能，二是　有效的控制諧波和電壓波動，提高站點負荷的電能質(zhì)量。該系統(tǒng)可以提供給其站點負荷可靠的電能和正弦電壓。 圖１描繪了所提出的優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的配置，其包括電源，交流到直流整流器，直流母線，跨系固態(tài)斷路器（單邊帶），串并聯(lián)逆變器，及其相應(yīng)的變頻器旁路開關(guān)。 此系統(tǒng)可以利用不同種類的能源，如風(fēng)力或太陽能，燃料電池，內(nèi)燃機等。本文采用柴油發(fā)電機作為能量來源，它是最便宜的備用能源之一。 ?電功率電源產(chǎn)生的能量儲存在大容量的直流母線中。直流母線還可以用來緩沖柴油發(fā)電機和逆變器。 該優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的整體功能是實現(xiàn)是通過控制串并聯(lián)逆變器。該串聯(lián)變頻器可以補償像電壓驟降和中斷一樣的電壓變化。由于電源，該串聯(lián)變頻器可有效地恢復(fù)電壓事件，而像動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）等串聯(lián)補償器在電壓和額定功率方面是有限制的。因此，并聯(lián)逆變器的連接點電壓總是可以保持穩(wěn)定的 并聯(lián)逆變器可以將電能供應(yīng)給客戶，并且補償諧波電流。 該優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)具有兩個開關(guān)，跨系固態(tài)斷路器開關(guān)和串聯(lián)變頻器旁路開關(guān)?？缦倒虘B(tài)斷路器之間安裝有兩個逆變器。如果電力系統(tǒng)發(fā)生了嚴重故障，則跨系固態(tài)斷路器將會打開，以防止任何電能的衰減和意外孤島的產(chǎn)生。 在正常條件下，該串聯(lián)變頻器的旁路開關(guān)斷開串聯(lián)變頻器，通過關(guān)閉旁路電路，來便減少串聯(lián)變頻器和注入變壓器的電能損失。只有當電力系統(tǒng)發(fā)生電壓波動時，旁路開關(guān)才打開。 三．優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的運行模式 例如，在某一時刻，如果分布式發(fā)電總的輸出功率比它的站點的負載大，那么多余的電力可以流入電力系統(tǒng)。如果設(shè)備允許反向功率流入，并根據(jù)功率的大小支付合理的價格，這將對那些擁有小型發(fā)電設(shè)備的獨立發(fā)電商有很大的幫助。 然而，當線路和變壓器發(fā)生故障時，并聯(lián)運行將會給電力系統(tǒng)帶來一些問題，如干擾保護設(shè)備的協(xié)調(diào)動作和給送電系統(tǒng)帶來不可預(yù)知的麻煩。因此，需要確定對各種穩(wěn)健的運行策略以適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)。 要確定運行方式，本文對其假設(shè)條件如下。 1).電壓和頻率是正常的，并且正常狀態(tài)時穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。也就是說，整個系統(tǒng)運行在正常狀態(tài)下沒有異常狀態(tài)。 2).分布式發(fā)電在正常情況下，可以提供反向功率給電力系統(tǒng)。 3). 當分布式發(fā)電添加到線路上時，電力系統(tǒng)供電絕不能出現(xiàn)任何降落，并且分布型發(fā)電不得供應(yīng)故障電流。 4). 分布型發(fā)電不能給電能功率損失嚴重的能量孤島供電。 特別是，如果發(fā)電廠使用自動重合器，分布式發(fā)電系統(tǒng)通電合閘操作前應(yīng)停止向電力系統(tǒng)供電。 在這種情況下，本文提出三種工作模式：并行運作模式，獨立運作模式和過渡模式。 1).并行操作模式：當電力系統(tǒng)不發(fā)生故障時，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)互聯(lián)并行并且共同發(fā)送負載所需求的功率。在這種模式下，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)除了給其站點的負載供電，還可以提供多余的電力到電力系統(tǒng)。此外，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)還可以解決電壓不平衡、諧波等問題，從而提高電能質(zhì)量。 2).獨立操作模式：當電力系統(tǒng)發(fā)生一些嚴重的永久性故障或上級保護裝置跳閘時，回造成永久的孤島，為了保護和安全優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)不應(yīng)該給電力系統(tǒng)供電。在這種模式下，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)通過斷開與電力系統(tǒng)分離并且負責(zé)向其電網(wǎng)負荷送電。 3).過渡模式：該轉(zhuǎn)換模式是在并行和獨立運行模式之間進行調(diào)整。如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)在這個模式下運行，而不是獨立運作模式直接動作。如果故障持續(xù)時間超過某一固定時間即過渡臨界時間（Ttr），運行模式將切換到獨立運作模式。在過渡模式，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)使跨系固態(tài)斷路器保持在關(guān)閉狀態(tài)，并通過串聯(lián)變頻器恢復(fù)損耗的電壓。它提供給站點負荷所需要的精確的功率，并防止逆功率流入的電力系統(tǒng)。即使地區(qū)電力系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并聯(lián)運行， 但在這種模式下，通過相互配合的斷路器，可以保證優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的公共點電壓和電力系統(tǒng)不受影響。但是，如果優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)提供的電能和電網(wǎng)的負載功率的要求不一樣，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的電能可能會流入電力系統(tǒng)線路上。因此，如果故障持續(xù)不斷，因此，如果故障持續(xù)不斷，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)在過渡臨界時間之后 切換到獨立的運作模式。 獨立運作模式和過渡模式的主要區(qū)別在于當?shù)仉娏W(wǎng)絡(luò)的是否從電力系統(tǒng)分離開。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如果不瞬時切除對負載電路是有利的。首先，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換模式下，只能提供正常電壓和下降電壓之間的電壓差，而應(yīng)該系統(tǒng)在獨立運行模式下會供應(yīng)全部的正常電壓。這實際上意味著，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)可以節(jié)省電能。 其次，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)可以減少跨系固態(tài)斷路器動作時其切換開關(guān)的噪聲。特別是，由于保護裝置的自動重合閘動作，配電系統(tǒng)會有一個短暫電壓波動 。當有短暫波動時，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)需要保持與當?shù)仉娋W(wǎng)的連接，因為保護裝置可以瞬時解除這些干擾。 從理論上講，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的逆變器可控制分流逆變器接口的電壓和電流，以防止故障電流入電力系統(tǒng)。因此，在過渡模式，可以使優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的逆變器對電力系統(tǒng)沒有影響。然而，在保護裝置重合閘動作前，將優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)從電力系統(tǒng)中分離出去是安全的。目前，最大分離時間已被確定為0.5秒[8]。?在這個文件中，最大分離時間定義過渡臨界時間。 優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的運行模式如圖2所示。優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運行在 并聯(lián)運行模式，如果有些電壓事件發(fā)生，其運行模式切換到過渡模式。為了防止電能逆流流入電力系統(tǒng)的電源，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)該不斷的衡量所有站點的負載功率。如果電壓問題在過渡臨界時間內(nèi)不能被清除，它的模式將切換到獨立運作模式。 有一種像孤島的運行模式，在這種模式下系統(tǒng)可以從并行運作模式直接切換到獨立的運作模式。過去已經(jīng)有一些關(guān)于如何檢測孤島案件的研究[8][9]。本文采用優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)獲取上級保護裝置狀態(tài)信息這種直接的方法。 四. 優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)部件的控制方案 優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的控制對象見表1。每種模式的主要職能的執(zhí)行可以由優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的組成部分復(fù)合控制。 表1.每個運行模式的控制對象 運行模式 主要功能 并行運行模式 控制電能 控制電能質(zhì)量 過渡模式 抑制逆功率 控制電能質(zhì)量 獨立運行模式 控制電壓 控制降落 當直流母線上的兩個用逆變器中儲存的能量來完成的優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的功能時，直流母線電壓下降。電源的主要作用是提供電能給直流母線。如果電源供給的直流母線電壓不斷下降，兩個逆變器將可以對其控制的對象進行控制。圖。3描述了逆變器控制電路的配置和相互間的斷路器的配合。 該串聯(lián)變頻器的主要功能當連接點的電壓突然變化時補償負載電壓。具體來說，該串聯(lián)逆變器注入負載的參考電壓和故障電壓的電壓差。因此，負載電壓可以一直保持平衡的正弦波。 在并聯(lián)運行方式，分流逆變器應(yīng)根據(jù)用戶需要控制輸出功率應(yīng)和消除諧波電流。在過渡模式，分流逆變器應(yīng)該禁止逆功率進入電力系統(tǒng)以及消除諧波電流。在獨立工作模式下，并聯(lián)逆變器應(yīng)控制負載電壓并按照電力負荷需求供電。本文采用瞬時功率理論來控制并聯(lián)逆變器。該串并聯(lián)逆變器的詳細控制原理如圖10所示。 該連接繼電器的基本功能有欠壓保護（27），過壓保護（59），高頻保護（81/ U）和超高頻保護（81/ 0）等，繼電器功能如3圖所示。?除了基本保護功能外，它有一種可以改變時間延遲函數(shù)的模式，其運行模式說明如圖2所示。 五.模擬結(jié)果 對于配電系統(tǒng)模擬測試如圖4所示，它是通過利用PSCAD / EMTDC仿真的。測試系統(tǒng)的參數(shù)列于表2。 具體情況如下。 1).0.0~5.0秒：電力系統(tǒng)供應(yīng)所有的負載，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)不工作。 2).5.0~6.0秒：優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)開始運行在并聯(lián)運行模式下供應(yīng)20千瓦的電能。由于網(wǎng)站負荷功率需求為10千瓦，因此有10千瓦的逆功率將流入電力系統(tǒng)。 3). 6.0秒：電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相對地故障。這時，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)將遭受電壓驟降并改變其運作模式到過渡模式。 4). 6.0?6.3秒：優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)恢復(fù)丟失的電壓，以保持負載電壓。 為了防止逆功率產(chǎn)生，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)降低輸出功率到站點負荷需要的10千瓦。 5). 6.3秒：保護裝置在6.3秒時切除故障。因此，可以清除故障并使優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)回到并聯(lián)運行方式。 表二.分配系統(tǒng)的參數(shù) 組件 參數(shù) 變壓器 繞線比：22.9kV/380V 額定容量：lMVA 阻抗：10％ 線（鋼芯鋁絞線） 正序阻抗： 3.86+ j7.42歐姆/公里 零序阻抗： 9.87+ j22.68歐姆/公里 （基數(shù)100MVA） 直流母線 電容：3300uF 額定電壓：700V 柴油發(fā)電機 額定容量：30千瓦 額定電壓：380V 負荷 線性負載：10kW，3.3kVar 非線性負載：5kVA（只案例三） 圖5（c）和圖6（c）中優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)提供恒定功率。在故障時，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)防止逆功率流入，并補償負荷電壓。因此，保證了有可靠的電能輸送到該網(wǎng)站負荷。 六.結(jié)論 為了維護電能質(zhì)量和提供替代能源，本文提出了利用逆變器接口的分布式發(fā)電稱為優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)。優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)使逆變器和柴油發(fā)電機等部件相互配合，以致整個系統(tǒng)可以有效地控制了當?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)。 本文提出的運行模式，包括并聯(lián)運行模式，過渡模式和獨立的運作模式。根據(jù)這種運行作和控制方案，優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)將可以給用戶提供高品質(zhì)的電能并且對電力系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何不良影響。優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)系統(tǒng)的運行和主要功能是通過仿真驗證的。 鳴謝 這項工作得到了隸屬于韓國電氣工程與科學(xué)研究院，且由韓國電力公司資助的00-JEON-01分部 的支持。 12