一种柔性多状态开关及其控制方法技术

一种柔性多状态开关，包含第一隔离变压器(T1)、第一受控电压源(D11)、直流母线稳压电容(C1)、第二受控电压源(D22)、第二隔离变压器(T2)、中央控制器；所述第一馈线(K11)与第一受控电压源(D11)通过第一隔离变压器(T1)连接；第二馈线(K22)与第二受控电压源(D22)通过第二隔离变压器(T2)连接；第一受控电压源(D11)通过直流母线电容(C1)与第二受控电压源(D22)相连接。通过对柔性多状态开关的第一受控电压源(D11)和第二受控电压源(D22)施加不同的控制方法，可以实现馈线间有功功率双向流动、无功补偿控制、短路电流抑制、潮流优化、电能质量治理等多种功能。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性多状态开关及其控制方法
本专利技术涉及一种电力电子变流器。
技术介绍
在中低压输电馈线网络中，网络结构一般呈开环的放射状，馈线始端和末端电压相差较大，并且带来馈线始端的潮流较大，对于线材的容量要求较高。环状网络可以带来较好的潮流分布，均衡各条线路的负载情况，但是一旦产生单相或者三相接地短路故障，就会对其他线路产生连锁反应，影响其他线路的正常供电。所以，需要找到一种既可以使用环网拓扑结构，又可以保证在电网出现故障时，能够不影响其他线路的装置。随着化石能源的逐渐匮竭，人们在寻找一些可以代替化石能源发电的方法。光伏、风电等新兴发电技术，统称为分布式发电，他们的共同特点是间歇性和波动性，在时间和空间上都存在着不同程度的不平衡。如果直接接入放射状馈线中，不仅对上级保护装置要求较高，对于下级负载的供电电压也会有波动，这对于要求稳定运行的电网来说，是一种挑战。传统的环型电网可以将分布式电源所在馈线进行网络重构，将潮流分流。但是传统方式采用的机械式开关，开关次数有限，并且调节是离散的，所以需要找到一种装置，对分布式电源所在馈线潮流进行连续的、主动的调节。专利CN107104441A提出了一种柔性电力电子开关，解决含直流微电网的低压并联供电系统中，交流系统频率不稳定，无功功率造成的损耗，逆功率运行等问题。提出的柔性电力电子开关连接方式局限于低压配电网，实现功能少。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提出一种柔性多状态开关及其控制方法。本专利技术柔性多状态开关作为一种变流器具有柔性接入电网的能力，并且可以根据馈线状态进行自主调节。本专利技术柔性多状态开关连接到配电网中两条或多条馈线之间。与常规开关相比，本专利技术柔性多状态开关不仅具备通和断两种状态，而且是一个连接度可调的柔性连接，从而实现柔性合环，可以实现网损降低、分布式发电渗透率提高、非故障区域的快速恢复等多重目标。柔性多状态开关具有响应速度快、能频繁动作、控制连续、故障限流等优势，兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点，可避免常规开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量改善，甚至可以实现实时优化，能够有效应对分布式电源和负荷带来的随机性和波动性。本专利技术柔性多状态开关应用在配电网中，部分场合可取代联络开关或者分段开关。当连接不同变电站时，本专利技术可以实现变电站之间潮流互济；当连接在馈线末端时，本专利技术可以实现潮流互补和电能质量治理功能。本专利技术柔性多状态开关在传统背靠背变流器的结构两端增加隔离变压器，可以升高或降低电压等级。本专利技术连接在配电网的不同馈线之间，实现不同电压等级的配电网之间互联互通互济。本专利技术采用复合型的多种控制方法，可以应对区域配电网可能面临的多种情况。本专利技术柔性多状态开关的两端分别连接第一馈线和第二馈线。本专利技术柔性多状态开关包含：第一隔离变压器、第一受控电压源、直流母线稳压电容、第二受控电压源、第二隔离变压器和中央控制器。第一受控电压源通过直流母线稳压电容与第二受控电压源相连接。第一馈线连接第一隔离变压器的一端，第一隔离变压器的另一端连接第一受控电压源的一端，第一受控电压源的另一端连接直流母线稳压电容的一端，直流母线稳压电容的另一端连接第二受控电压源的一端；第二受控电压源的另一端连接第二隔离变压器的一端，第二隔离变压器的另一端连接第二馈线。中央控制器一端连接电压电流采样检测传感器，中央控制器另外一端分别连接第一受控电压源和第二受控电压源。中央控制器检测第一馈线和第二馈线的状态，进行计算和判断后，给第一受控电压源和第二受控电压源发出信号指令，控制第一受控电压源和第二受控电压源工作。第一受控电压源和第二受控电压源采用单相或三相两电平变换器，也可以采用变换器多重化并联，或三电平变换器，或级联H桥，或模块化多电平MMC的结构。第一受控电压源和第二受控电压源采用单相或三相两电平变换器，或者采用变换器多重化并联，或者采用三电平变换器，或者采用级联H桥。采用级联H桥结构时，至少有一端需要通过隔离变压器实现柔性多状态开关与配电网的隔离；采用不具有直流故障隔离能力的模块化多电平MMC拓扑时，至少有一端需要增加隔离变压器实现柔性多状态开关与配电网的隔离。本专利技术柔性多状态开关含有各相的电压电流检测传感器。电压电流检测传感器连接在中央控制器与第一馈线和第二馈线之间，用于检测馈线的电压和电流，并送给中央控制器计算和处理，中央控制器将控制指令发给第一受控电压源和第二受控电压源。所述的中央控制器含有通讯接口，能够接收配电管理系统的调度指令，根据配电管理系统发出的指令控制本专利技术柔性多状态开关的运行状态。当本专利技术柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，柔性多状态开关连接在第一馈线和第二馈线之间，由中央控制器自主判断柔性多状态开关当前的运行状态和当前需要实现的功能。当第一馈线和第二馈线线路工作正常时，柔性多状态开关的中央控制器通过检测第一馈线和第二馈线的电压电流信号，自主判断当前馈线不平衡度和需要无功补偿的量，并给第一受控电压源和第二受控电压源发出控制指令，进行馈线不平衡度调整和无功补偿功能。当第一馈线或第二馈线线路工作故障时，柔性多状态开关的中央控制器通过检测第一馈线和第二馈线的电压电流信号，自主判断当前馈线故障程度，并给第一受控电压源和第二受控电压源发出控制指令，通过封锁第一受控电压源或者第二受控电压源脉冲的方式隔离第一馈线或者第二馈线的故障。当本专利技术柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，通过对本专利技术第一受控电压源和第二受控电压源运行状态控制来实现有功功率在第一馈线和第二馈线之间双向流动。当第一馈线经过第一隔离变压器，通过第一受控电压源向直流母线输送功率，直流母线稳压电容在接收功率的同时通过第二受控电压源向第二馈线输送功率，当输送功率与接收功率相等时，直流母线稳压电容电压保持恒定。或者，当第二馈线通过第二受控电压源向直流母线稳压电容输送功率，直流母线电容在接收功率的同时向第一馈线输送功率，当输送功率与接收功率相等时，直流母线稳压电容电压保持恒定。通过上述过程，可以实现柔性多状态开关对两侧馈线的潮流控制。当本专利技术柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，第一受控电压源与第二受控电压源在旋转坐标系下dq轴可以解耦控制，通过d轴控制实现有功功率在第一馈线和第二馈线之间的双向流动，通过q轴控制同时实现每端馈线的无功补偿功能。通过上述控制，同时实现柔性多状态开关的潮流控制和无功补偿功能。当本专利技术柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，第一受控电压源或第二受控电压源检测各自连接的馈线ABC三相之间电流的均衡度，在相间不均衡度大于10％时，中央控制器计算达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后将信号发送给第一受控电压源或第二受控电压源并驱动其动作，将不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相，最后达到网侧三相电流平衡状态。当本专利技术柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，第一受控电压源采用电压-频率V-f控制，第二受控电压源采用采用恒功率P-Q控制，同时检测三相电流与三相电压是否运行在额定区间；若第二馈线出现永久单相接地短路或者三相接地短路故障时，柔性多状态开关中央控制器检测到故障，立即封锁故障侧受控电压源的脉冲，阻止故障电流通过柔性多状态开关流向另外一侧馈线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性多状态开关，其特征在于：所述的柔性多状态开关包含第一隔离变压器(T1)、第一受控电压源(D11)、直流母线稳压电容(C1)、第二受控电压源(D22)、第二隔离变压器(T2),以及中央控制器；第一受控电压源(D11)通过直流母线电容(C1)与第二受控电压源(D22)相连接；第一馈线(K11)连接第一隔离变压器(T1)的一端，第一隔离变压器(T1)的另一端连接第一受控电压源(D11)的一端，第一受控电压源(D11)的另一端连接直流母线稳压电容(C1)的一端，直流母线稳压电容(C17)的另一端连接第二受控电压源(D22)的一端；第二受控电压源(D22)的另一端连接第二隔离变压器(T2)的一端，第二隔离变压器(T2)的另一端连接第二馈线(K22)；中央控制器的一端连接电压电流采样检测传感器，中央控制器另外一端分别连接第一受控电压源(T1)和第二受控电压源(T2)。

【技术特征摘要】
1.一种柔性多状态开关，其特征在于：所述的柔性多状态开关包含第一隔离变压器(T1)、第一受控电压源(D11)、直流母线稳压电容(C1)、第二受控电压源(D22)、第二隔离变压器(T2),以及中央控制器；第一受控电压源(D11)通过直流母线电容(C1)与第二受控电压源(D22)相连接；第一馈线(K11)连接第一隔离变压器(T1)的一端，第一隔离变压器(T1)的另一端连接第一受控电压源(D11)的一端，第一受控电压源(D11)的另一端连接直流母线稳压电容(C1)的一端，直流母线稳压电容(C17)的另一端连接第二受控电压源(D22)的一端；第二受控电压源(D22)的另一端连接第二隔离变压器(T2)的一端，第二隔离变压器(T2)的另一端连接第二馈线(K22)；中央控制器的一端连接电压电流采样检测传感器，中央控制器另外一端分别连接第一受控电压源(T1)和第二受控电压源(T2)。2.权利要求1所述的柔性多状态开关的控制方法，其特征在于：所述的控制方法为：对第一受控电压源(D11)采用有功功率、无功功率作为反馈控制外环；内环采用解耦后的电流d轴与q分量负反馈，辅以q轴d轴电流前馈和网侧电压补偿；对第二受控电压源(D22)采用有功功率、变换器外侧交流电压作为反馈控制外环；内环采用解耦后的电流d轴与q分量负反馈，辅以q轴d轴电流前馈和网侧电压补偿。3.根据权利要求2所述的柔性多状态开关的控制方法，其特征在于：在电网不同运行工况下，对所述的柔性多状态开关的控制方法如下：(1)在正常运行情况下，第一受控电压源(D11)和第二受控电压源(D22)采用P-Q控制或者V-f控制；P-Q控制调节节点的有功功率潮流与柔性多状态开关发出的无功功率，保证直流母线电压稳定及无功功率的提供；(2)单相或三相接地暂态短路时，将正常线路侧的第一受控电压源(D11)调节为P-Q控制，并采用恒功率控制，以降低电压的方式防止因短路电流过大烧毁变换器和变压器，同时对正常工作的第二受控电压源(D22)采用V-f控制，V-f控制调节输出电压和频率，实现对故障区域的供电恢复；(3)单相或三相接地永久短路故障时，第一受控电压源(D11)向第一馈线(K11)提供电压与频率支撑，使用标准正弦电压信号作为给定值；通过Park变换，将给定标准正弦电压幅值变为网侧电压基波幅值的赋给电压环直轴控制分量，并将电压交轴分量置零；将给定标准正弦电压反Park变换后，经锁相环固定相位角和频率。4.根据权利要求2或3所述的柔性多状态开关的控制方法，其特征在于：当所述的柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，柔性多状态开关连接在第一馈线和第二馈线之间，由中央控制器自主判断柔性多状态开关当前的运行状态和当前需要实现的功能；(1)当第一馈线(K11)和第二馈线线路(K22)工作正常时，柔性多状态开关的中央控制器通过检测第一馈线(K11)和第二馈线(K22)的电压电流信号，自主判断当前馈线不平衡度和需要无功补偿的量，并向第一受控电压源(D11)和第二受控电压源(D22)发出控制指令，进行馈线不平衡度调整和无功补偿；当第一馈线(K11)或第二馈线(K22)线路工作故障时，柔性多状态开关的中央控制器通过检测第一馈线(K11)和第二馈线(K22)的电压电流信号，自主判断当前馈线故障程度，并向第一受控电压源(D11)和第二受控电压源(D22)发出控制指令，通过封锁第一受控电压源(D11)或者第二受控电压源(D22)脉冲的方式隔离第一馈线(K11)或者第二馈线(K22)的故障；(2)中央控制器通过对第一受控电压源(D11)和第二受控电压源(D22)运行状态控制，使有功功率在第一馈线(K11)和第二馈线(K22)之间双向流动，实现柔性多状态开关对两侧馈线的潮流控制；当第一馈线(K11)经过第一隔离变压器(T1)，通过对第一受控电压源(D11)向直流母线输送功率，直流母线稳压电容(C1)在接收功率的同时通过第二受控电压源(D22)向第二馈线(K22)输送功率；当输送功率与接收功率相等时，直流母线稳压电容(C1)的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍群海，郭心铭，陆翌，尹靖元，许烽，朱晋，吴理心，张桐硕，韦统振，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，国网浙江省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11