一种用于调节压差角差的配电网合环调电装置及方法

技术领域

本申请涉及配电网装备技术领域，尤其涉及一种用于调节压差角差的配电网合环调电装置及方法。

背景技术

考虑到短路电流对系统和设备运行的影响，现阶段，我国配电网普遍实行合环设计，开环运行。当某个母线、开关或馈线需要检修或者发生故障时，通过合环调电操作，可以将负荷转移到与之相连的其他母线或馈线上，实现不停电倒负荷。合环调电可以减少用户的停电时间，提高供电的可靠性和供电质量，提高公众对电力服务的满意度。伴随电力负荷密度增大，电网结构愈加复杂，双电源供电或多电源供电越来越多，通过合环调电操作实现不停电倒负荷成为一种必然趋势。

跨多电压等级的配网合环调电，或属于两个不同分区的变电站进行合环调电，受系统运行状况和电网参数影响，往往导致合环开关或联络开关的两侧母线在合环前存在一定的压差和角差，此种情况下进行合环操作，容易引起的合环潮流变化、合环电流过大导致一次设备过载、保护误动、短路电流超标等问题，影响电网安全。

因此，合环电源间的压差和角差是影响安全合环调电的关键制约因素，要保证安全合环，必须最大限度减小合环电源间压差和角差，将合环电流冲击电流和稳态电流控制在设备和系统可以承受的范围内，不损坏设备，不引起保护误动。

目前，最常规的做法是调整电网运行方式，通过调节上级电源合环，将跨多电压等级的合环调整成连续电压等级的合环，如通过35kV合环，将220kV/10kV合环，调整成35kV/10kV合环，保证10kV来自同一个35kV电源，减小压差和角差。但是该方法往往受上级电源合环情况的限制，需要进行大量的操作和计算，在增大了计算工作量的同时往往也会带来繁重的现场操作。另外，需要投入并联电抗器、电容器等无功设备来调节母线电压差和相角差。然而该方法受系统设备分布情况制约，调节能力有限，效果往往不理想。

发明内容

本申请提供了一种用于调节压差角差的配电网合环调电装置及方法，用于解决跨多电压等级的配网合环调电存在的由于合环开关两端电压幅值相角偏差大，引起的合环潮流变化、合环电流过大导致一次设备过载、保护误动、短路电流超标等问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种用于调节压差角差的配电网合环调电装置，所述装置连接在合环的第一母线和第二母线之间，所述装置包括母联断路器，所述母联断路器设置在所述第一母线和第二母线之间；

所述装置还包括串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器及控制保护设备；

所述串联变压器的一次侧串联在所述第一母线和第二母线之间并与所述母联断路器并联；

所述串联变流器，一端与所述串联变压器的二次侧连接，另一端连接所述并联整流器；

所述并联变压器，一端通过开关与所述第一母线和第二母线连接，另一端连接所述并联整流器；

所述并联整流器，一端与所述并联变压器连接，另一端与所述串联变流器连接，串联变流器与并联变流器共用直流母线；

所述串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器以及所述母联断路器之间均通过开关连接；

所述控制保护设备，与串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器及开关通过二次控制线缆连接，通过检测第一母线和第二母线的电压电流信号、装置开关位置信号以及串联变压器和并联变压器档位信号，对所述串联变压器和并联变压器档位、并联整流器、串联变流器以及开关进行控制，实现合环调电的顺序控制。

可选的，所述开关包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关；

所述第一母线与串联变压器之间连接所述第一开关，所述第二母线与串联变压器之间连接所述第二开关，所述串联变压器与串联变流器之间连接所述第五开关；

所述第一母线与并联变压器之间连接所述第三开关，所述第二母线与并联变压器之间连接所述第四开关。

可选的，所述串联变流器为全控性的变流器，包括设置有两电平VSC结构或MMC结构逆变器的柔性变流器。

可选的，所述并联整流器为采用晶闸管构成的整流器，或电力二极管组成的整流桥。

可选的，所述并联变压器为可调压的变压器。

可选的，所述串联变压器为可调压的变压器。

一种用于调节压差角差的配电网合环调电方法，包括以下步骤：

采集第一母线和第二母线两侧电压，根据电压相角幅值差，计算得到串联变压器需要输出电压，即得到串联变压器目标电压；

根据所述目标电压，确定串联变压器、串联变流器、并联整流器、并联变压器的控制信号；

通过控制信号调节串联变压器、串联变流器、并联整流器、并联变压器，使串联变压器上的输出电压达到目标值，即母线两侧电压向量差值；

当第一母线或第二母线的单侧电压与输出电压之和等于第二母线或第一母线的单侧电压时，串联变压器任一侧的开关压差角差为零，即执行合环调电。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供的一种用于调节压差角差的配电网合环调电装置和方法，装置设置在合环的第一母线和第二母线之间，包括串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器、开关及控制保护设备。并联变压器取能，串联变压器提供电压调节量，串联整流器与并联变换器共用直流母线。执行合环调电时，通过带调压功能的并联变压器和并联整流器，在并联整流器的直流侧建立合适的直流电压，通过控制串联变流器器输出灵活可控的电压，再经串联变压器串联接入交流系统，补偿两侧电压差和角差，实现安全合环调电。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的用于调节压差角差的配电网合环调电装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参考附图1，附图1为本申请实施例提供的用于调节压差角差的配电网合环调电装置的结构示意图，虚线框内的部件即表示用于调节压差角差的配电网合环调电装置的主要结构。

如图1所示，本申请实施例提供的用于调节压差角差的配电网合环调电装置，连接在合环的第一母线和第二母线之间，所述装置包括母联断路器，所述母联断路器设置在所述第一母线和第二母线之间，所述装置还包括串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器及控制保护设备，该装置各个主要结构之间的连接方式如下：

所述串联变压器的一次侧串联在所述第一母线和第二母线之间并与所述母联断路器并联；

所述串联变流器，一端与所述串联变压器的二次侧连接，另一端连接所述并联整流器；

所述并联变压器，一端通过开关与所述第一母线和第二母线连接，另一端连接所述并联整流器；

所述并联整流器，一端与所述并联变压器连接，另一端与所述串联变流器连接，串联变流器与并联变流器共用直流母线；

所述串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器以及所述母联断路器之间均通过开关连接；

所述控制保护设备，与串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器及开关通过二次控制线缆连接，通过检测第一母线和第二母线的电压电流信号、装置开关位置信号以及串联变压器和并联变压器档位信号，对所述串联变压器和并联变压器档位、并联整流器、串联变流器以及开关进行控制，实现合环调电的顺序控制。

作为一种实施方式，所述开关包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4和第五开关K5；

所述第一母线与串联变压器之间连接所述第一开关K1，所述第二母线与串联变压器之间连接所述第二开关K2，所述串联变压器与串联变流器之间连接所述第五开关K5；

所述第一母线与并联变压器之间连接所述第三开关K3，所述第二母线与并联变压器之间连接所述第四开关K4。

本申请实施例提供的装置是一种包括串联变压器、并联变压器、并联整流器、串联变流器、若干开关及控制保护设备的成套装置。由并联变压器取能，串联变压器提供电压调节量，串联整流器与并联变换器共用直流母线。如图1所示，该装置连接在两段10kV电源即电源1和电源2的母联之间，电源1的出线口和第一母线之间连接有断路器QF101，电源2的出线口和第二母线之间连接有断路器QF102，控制保护设备分别与断路器QF101和断路器QF102连接。执行合环调电时，通过带调压功能的并联变压器和并联整流器，在并联整流器的直流侧建立合适的直流电压，通过控制串联变流器器输出灵活可控的电压，再经串联变压器串联接入交流系统，补偿两侧电压差和角差，实现安全合环调电。图1同样示出了该装置的结构原理，以下对主要组成部分进行详细说明：

串联变压器：串联在两段母联之间，将串联变流器输出的电压线性的耦合到单侧电压上，形成叠加电压向量V。串联变压器一方面进行交流电压变换，隔离高压系统，使串联变流器承受的电压较小，避免了过高的交流电压造成的绝缘设计和成本的增加，另一方面隔离了交流系统，防止10kV系统短路电流损坏串联变流器。为了提高电压调节的广泛性和合环调电装置的适应性，此处选择变比k为可调节的变压器。

串联变流器：串联变压器是调节电压差的关键，此处的串联变流器实质上是个逆变器，主要根据控制保护设备计算电源1和电源2两侧电压得到的压差和角差，将并联变压器和并联整流器提供的直流电压逆变成产生与之匹配的交流电压向量V/k，k为可调节的变压器变比，使V1+V＝V2或V2+V＝V1，其中，V1为电源1侧电压，V2为电源1侧电压。因此，需要串联变流器能输出灵活可控的电压，因此，串联变流器可设置为全控性的变流器，包括设置有两电平VSC结构或MMC结构逆变器的柔性变流器。

并联整流器：与串联变流器共直流母线，为串联变流器提供合适的直流电压。并联整流器可以是工作在整流模式的任何形式的柔性变流器，也可以晶闸管构成的常规整流器或二极管构成的整流桥配合简单的滤波器，因此，综合考虑技术经济性选用晶闸管构成的整流器，或电力二极管组成的整流桥等其他电力电子整流装置。

并联变压器：主要给并联整流器提供适当的交流电压器，便于其建立合适的直流电压，为了达到此目的，采用了可调压的变压器。

断路器和开关：主要用于执行对合环调电装置各设备和两交流电源的分合控制，实现合环调电顺序控制。

控制保护设备：通过检查第一母线和第二母线的电压电流信号、装置开关位置信号、串联变压器和并联变压器档位信号，实现对串联变压器和并联变压器档位、并联整流器、串联变流器以及相关开关的控制，使装置输出准确的电压调节量V/ks，实现合环调电的顺序控制。

本申请实施例中还提供了一种用于调节压差角差的配电网合环调电方法，所述方法应用于上述用于调节压差角差的配电网合环调电装置，包括以下步骤：

采集第一母线和第二母线两侧电压，根据电压相角幅值差，计算得到串联变压器需要输出电压，即得到串联变压器目标电压；

根据所述目标电压，确定串联变压器、串联变流器、并联整流器、并联变压器的控制信号；

通过控制信号调节串联变压器、串联变流器、并联整流器、并联变压器，使串联变压器上的输出电压达到目标值，即母线两侧电压向量差值；

当第一母线或第二母线的单侧电压与输出电压之和等于第二母线或第一母线的单侧电压时，串联变压器任一侧的开关压差角差为零，即执行合环调电。

简而言之，本申请中的技术方案主要通过串联变流器配合串联变压器输出一电压向量V，叠加到单侧电源上，使其与另一侧电源电压完全相同，V1+V＝V2或V2+V＝V1，其中，V1为电源1侧电压，V2为电源2侧电压。从而，实现近似同一电源合闸，保证将合环电流控制到最小，实现合环调电。具体实施流程如下：

以图1中的结构为例，正常状况下，10kV配网开环运行，即开关QF101、QF102处于合闸状态，开关QF103及合环调电装置开关K1、K2、K3、K4、K5处于分闸状态，10kV两段母线各供自己的负载1和负载2。

需要执行合环操作时，由装置控制保护设备根据采集到的合环开关两侧电压V1和V2，计算电压相角幅值差值，并同时采集开关QF101、QF102、QF103及装置开关K1、K2、K3、K4、K5分合闸位置信号。

1)根据电源检修情况，合上对应的开关。以下以检修V2电源2为例，进行操作流程说明。对电源2进行检修时，先闭合开关K1、K3、K5。

2)控制保护设备采集合环开关两侧电压V1和V2，根据电压相角幅值差，计算得到串联变压器需要输出电压V，即可得到串联变流器输出目标电压V/ks，ks为串联变压器变比。从而确定串联变流器、并联整流器、并联变压器的控制信号α、β、kp。

3)通过控制信号ks、α、β、kp，调节串联变压器、串联变流器、并联整流器、并联变压器，使其配合在串联变压器上输出电压V。

4)当V1+V＝V2时，开关K2两侧压差角差为零，合闸开关K2，实现合环调电。

5)断开电源2，即断开断路器QF102，实现电源1对负载2供电。

6)通过控制信号ks、α、β、kp，缓慢调节串联变压器、串联变流器、并联整流器、并联变压器，使其配合在串联变压器上输出电压为V＝0。

7)合上QF103母联开关。

8)依次断开开关K2、K3、K5、K1，退出合环调电装置，实现电源1和电源2之间通过母联开关QF103合环调电。

综上，本申请实施例中提供的用于调节压差角差的配电网合环调电装置及方法，为一种不依赖系统调节，能独立改变合环两端电压压差和角差的技术方法。以移相变压器为基础，串联限流电抗器，通过母线电压幅值相角的解耦控制，调节单侧电压与另一端电压幅值相角差到可以接受的范围内，从而实现安全合环调电，解决了跨多电压等级的配网合环调电存在的由于合环开关两端电压幅值相角偏差大，引起的合环潮流变化、合环电流过大导致一次设备过载、保护误动、短路电流超标等问题。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。