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适用于主动配电网的多功能串联补偿器研究

日期:2016年1月30日 13:40

湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心的研究人员姜飞、涂春鸣等,在2015年第23期《电工技术学报》上撰文,提出一种适用于主动配电网(ADN)的多功能串联补偿器(MFSC),可作为分布式能源系统与公共交流配电网的连接接口,实现动态电压补偿及故障限流的双功能。分别分析电网正常运行及发生短路故障下,MFSC的工作原理和直流系统能量平衡原理,并建立MFSC电压补偿及故障限流数学模型。

 

此外,提出MFSC的电压补偿模式、故障限流模式、分布式电源与储能单元协调模式的控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件上验证了所提新拓扑的有效性,并搭建实验室平台验证了其电压补偿功能及限流功能的正确性。

 

随着各级政府及居民环境保护意识的逐步提升,分布式能源(如太阳能、风能等)发电技术(DistributedGeneration,DG)获得了蓬勃发展,传统配电网需逐步转变为主动配电网(ActiveDistributionNetwork,ADN),以满足对分布式能源的主动控制及主动管理等要求。

 

然而,DG大量接入对ADN系统的电压、短路容量等造成显著影响[3];ADN中的各种类别故障(短路故障、电压跌落等)也将对电网设备安全及高效运行产生潜在危害。因此,设计一种同时具备电压补偿与故障限流功能的新拓扑,对传统配电网向ADN快速转变以及ADN的安全、稳定运行具有重要意义。

 

近年来,文献已提出了利用电力电子变换器作为新能源发电并网接口,同时具备改善电能质量功能的拓扑结构。提出了将传统串、并联变换器结构与分布式能源、能量存储进行结合再配置,能够更好的适用于分布式发电系统。此外,串、并联变换器的直流侧均可采用独立分布式能源供电,维持直流侧电压稳定,提高变换器运行效率。

 

故障限流器的主流研究方向为基于电力电子技术的固态限流器和基于超导技术的超导限流器,主要集中在限流模块的拓扑优化、控制策略及其对电网的影响。文献提出了一种能够控制电网正常运行下的电压补偿深度及电网短路故障下的电流限制程度的拓扑结构。

 

文献提出了一种耦合法固态限流器,能够实现电网短路故障电流限制的功能。提出了一种适用于谐振型高频交流母线新型固态短路限流器的驱动电源。

 

传统固态限流器运行机理是通过对多个电力电子器件的通断来实现限流模块投切功能,因此,本文考虑将固态限流器与相近似拓扑的电能质量调节拓扑复用,单独控制限流模块,达到实现多种电能质量调节装置的功能。

 

文献[建立了带限流模块的统一潮流控制拓扑结构(UnifiedPowerFlowController,UPFC),具有常规UPFC和三相桥式固态限流器的多种功能。分析了基于磁通补偿原理的固态限流器拓扑及原理。提出了串联型有源电力滤波器(SeriesActivePowerFilter,SAPF)的串联变压器二次侧,并联变阻器和反并联二极管支路方法,能够实现保护变换器的作用,但由于额外增加支路复杂,且控制难度大,易造成配合失效[19]。

 

由此可知,通过对电力电子设备拓扑结构的简单改进或复用实现所需额外功能是可行的。经调研,动态电压恢复器(DynamicVoltageRestorer,DVR)拓扑与固态限流器拓扑存在一定的相似性,考虑将固态限流器与动态电压恢复器相同结构复用[22],作为主动配电网内分布式能源系统与公共交流配电网的一个连接端口。

 

本文提出了一种适用于主动配电网的多功能串联补偿器(Multi-FunctionSeriesCompensator,MFSC),其交流侧串联接入公共交流配电网,分布式能源系统的直流母线通过DC-DC双向变换器与MFSC的直流侧电容连接,可为MFSC提供稳定的直流侧电压。

 

当电网未发生短路故障时,MFSC实现对交流配电网的电压暂升、暂降调节;当公共交流配电网负载侧发生短路故障时,MFSC能有效隔离交流系统与直流系统,并实现对交流系统故障电流的限制功能。

 

本文细致分析了MFSC的拓扑结构、工作机理及控制策略,并在PSCAD/EMTDC仿真软件上验证了所提新拓扑功能的有效性,搭建实验室样机平台重点验证了MFSC的电压补偿及故障限流功能可行。

图1基于多功能串联补偿器的主动配电网结构

 

结论

 

本文提出了一种多功能串联补偿器,其直流侧能量由分布式电源与储能单元通过直流母线可靠供给,当公共交流配电网未发生短路故障时,可实现对电压跌落、抬升的可靠补偿;当公共交流配电网负载侧发生短路故障时,能够快速分离分布式能源系统与公共交流配网,并对交流系统中的短路电流进行迅速限制。

 

1)所提MFSC系统采用拓扑结构复用技术,可将其作为分布式能源系统与公共交流配电网的一种连接装置。其直流侧通过分布式电源提供可靠能量,解决了原有电网补偿装置在深度电压补偿时能量不足的问题。

 

2)MFSC系统可根据实际情况应用于需同时考虑优化电能质量及故障电流限制的复杂配网系统,也可在交直流混合配网系统中发挥一定作用。本文重点研究了MFSC多功能实现的可行性,但对于分布式能源系统与公共交流配电网的交互影响仍需深入研究。

所属类别: 电能质量

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