一種基于柔性直流技術治理工業園區電壓暫降的方案

蔣 科,蘇 麟,錢 康,閆安心,裴昌盛

（江蘇省電力設計院，江蘇南京,211102）

一種基于柔性直流技術治理工業園區電壓暫降的方案

蔣 科,蘇 麟,錢 康,閆安心,裴昌盛

（江蘇省電力設計院，江蘇南京,211102）

電壓暫降問題不僅會影響到用電設備的正常使用，同時也影響用戶的供電可靠性。本文對電壓暫降治理現狀進行了簡要綜述，并介紹目前電壓暫降常規解決方案。針對某工業園區內的電壓暫降問題進行評估，分析電壓暫降問題產生的原因，研究基于柔性直流技術治理工業園區電壓暫降方案，并定性分析此方案的可行性和有效性。

柔性直流；電壓暫降；可靠性

0　引言

隨著經濟發展和產業結構的調整，囊括了電子工業和先進制造業的高新工業園區已成為地方經濟發展的中心，高新工業園區的建立在帶動經濟發展的同時，也對供電電能質量提出了更高的要求。傳統的電能質量都是基于系統穩態而言的，而且電力系統中的許多傳統用電負荷在相對劣質的電能質量情況下也基本可以維持正常地工作。然而，隨著電網的不斷建設和發展，各類敏感用戶大量接入園區電網，這些敏感用戶對各類型電能質量干擾，尤其是電壓質量非常敏感，相應要求也提高很多。

在各種電能質量問題中，電壓暫降是造成電壓敏感設備不能正常工作的主要原因，通?？烧J為電壓暫降引起70%—90%電能質量問題。據某工業園區企業的電能質量歷史記錄，平均每年出現10-15次電壓暫降事件，其中有5-6次將嚴重影響企業設備的運行，造成巨大的經濟損失。園區生產企業普遍認為，電壓暫降已經上升為最重要的電能質量問題之一。

1　電壓暫降治理現狀

圖1　五星變現有供電方式

國際電氣與電子工程協會（IEEE）將工頻電壓有效值降至0.1~0.9p.u，持續時間在0.5個周波到1min之間的電磁擾動定義為電壓暫降（Voltage dip or Sag）。敏感負荷對電壓凹陷（Sags）、電壓驟升（Swell）和電壓的短時終斷（Interruption）等電能質量擾動非常敏感。

工業和民用建筑中常用的電氣設備，如變頻器、PLC控制器、DDC控制器、接觸器、繼電器等器件對電壓暫降都相當敏感。當電壓下降到其門檻值以下、且持續時間超過1個周波時，就將導致其運行故障。

目前，電壓暫降常規解決方案主要包含：不間斷電源（UPS）、動態電壓恢復器（DVR）和電壓暫降保護裝置（VSP）等。不間斷電源（UPS）僅針對線性、阻抗性等負載供電，如PLC、DCS、PC等，應用十分普及，但對于感性負載、電機和容性負載，UPS會出現許多問題：（a）系統容量要求很大，一般配置要求3-4P，投資成本高；（b）UPS串聯進主電路，一旦出現故障，整個生產線將停止運行；（c）UPS會產生大量諧波，進而對電網產生嚴重的污染，影響電氣設備運行的穩定性。多臺變頻器通過斷路器與UPS連接，相互影響較大。動態電壓恢復器（DVR）串聯于電網側與負荷側之間，正常運行時DVR的旁路電子開關投入，系統損耗很小，當檢測到電網側電壓跌落時，分開電子開關，瞬時投入逆變器，補償電網電壓跌落的電壓差，保證負荷側電壓維持不變，DVR根據負荷容量、電壓跌落深度以及持續時間估算設備容量，配置儲能單元，適用于負荷功率在幾百千瓦范圍內的補償容量需求。電壓暫降保護裝置（VSP）是一種專門針對變頻器等直流負載研發的并聯式直流后備電源系統，是和被保護的負載交流供電線路形成一種冗余式供電，確保負載在降壓至20%殘壓時依然可以正常運行3~60秒，如果配合少量的儲能系統，就可實現斷電維續時間3~60秒，但是VSP只能針對可直流供電的負載，如變頻器、直流調速系統等。

不間斷電源（UPS）、動態電壓恢復器（DVR）、電壓暫降保護裝置（VSP）分別從不同解決電壓暫降問題。UPS、DVR、VSP的思路是補償。在不同的供電系統結構形式下，隔離也可以作為一種治理電壓暫降的思路，即基于柔性直流技術解決方案，應用柔性直流技術隔離交流側故障所帶來的電壓暫降問題。

2　某工業園區電壓暫降問題的分析

2.1某工業園區電網概況

目前某工業園區主要由110kV五星變負責供電，五星變包含1臺80MVA主變和1臺100MVA主變，電壓等級110/20/10kV，110kV進線4回，單母線分段接線。20kV出現24回，單母線三分段接線，主要供電可成科技、可功科技、長電科技三家用戶。20kV出線為架空電纜混合接線、全電纜接線方式為主，架空線路型號規格為JKLYJ-240，電纜型號為YJV-3*400。五星變現狀主接線如圖1所示。

其中20kV五古II線（242）、20kV五古I線（232）、20kV五建線（215）、20kV五霞線（223）、20kV五倫線（226）、10kV五勇II線（982）為公用線路，其他20kV出現為用戶專線。

圖2　20kV五霞線故障錄波

圖3　20kV長電線故障錄波

2.2電壓暫降現象分析

以此工業園可成科技公司為代表，在其所供專線并未故障的前提下，出現公司設備閃斷現象，降低了可成科技等公司的供電可靠性。從2013年9月~2016年1月，由于外線短路造成可成科技閃斷的次數達到14次，設備停機至復機時間在1min~2h，很短時間的斷電可以使設備關斷幾個小時，并造成生產線的產品出現大量次品。

根據可成科技電壓暫降歷史記錄統計數據，由于長電公司線路（20kV五電線（236））發生相間短路或單相接地短路，造成可成科技設備閃斷的次數達到4次；由于公用線路（20kV五古II線（242）、20kV五古I線（232）、20kV五建線（215）、10kV五進I線（983）、10kV五進II線（984）、20kV五霞線（223）、20kV五倫線（226）、10kV五勇II線（982）、20kV星可II線（227））發生三相短路、相間短路或單相接地短路，造成可成科技設備閃斷的次數達到9次。正常情況下，可成科技供電配線和發生故障線路屬于同一段母線或同一臺主變供電，有4次由于五星變110kV母聯開關710合環運行，擴大了故障范圍。

因與其接在同一段母線上的公用線路出線故障，致使五星變20kV側II段母線電壓降低，待故障切除后（重合閘成功），母線電壓恢復正常。

以2015年1月22日的故障錄波為例。此次電壓暫降是由于20kV五霞線（222）故障造成五成線（231）、可成II線（233）低電壓，根據波形分析故障過程如下：

故障性質：三相短路故障。

綜合分析：T1：0ms發生三相短路故障；20kV進線電壓跌落至原有電壓的50%。T2： 300ms后開關跳開；故障切除，20kV進線電壓恢復正常。T3：2350ms重合成功。

對2015年12月25日的故障錄波進行分析。此次電壓暫降是由于20kV長電線故障造成低電壓，根據波形分析故障過程如下：

故障類型：相間短路轉為三相短路故障。

綜合分析：T1:0ms發生相間相短路故障，200ms后轉為三相短路故障；20kV進線電壓跌落至原有電壓的30%。T2:過電流保護動作340ms后開關跳開；故障切除，20kV進線電壓恢復正常。T3:2050ms重合成功。

根據上述典型錄波以及整理其他20kV出線故障錄波分析可得以下結論：

（1）故障類型包括三相短路、單相接地短路以及相間短路。

（2）故障切除時間約為300-350ms，該時間決定了電壓暫降持續時間。

（3）故障線路的電壓跌落幅度較大，平均可跌落至額定電壓的30%-50%。

（4）重要負荷與易發生故障負荷在同段母線。

（5）20kV各出線之間阻抗小，因此故障線路電壓與重要負荷線路電壓接近，都會受到低電壓影響。

圖4　電壓暫降解決方案

圖5　方案電網連接示意圖

圖6　換流器對稱單極接線示意圖

3　某工業園區電壓暫降治理方案

3.1方案概述

根據工業園區概況、可成科技現場調研情況，選擇合理的電壓暫降解決方案，如圖4所示：

造成可成科技易受故障影響的原因在于可成科技與其他線路同掛在相同母線。為了解決可成科技供電可靠性問題，可采用柔性直流輸電系統供電方式。柔性直流輸電包括整流側和逆變側。整流側連接電網，逆變側連接負荷，當電網側發生低電壓故障時，由于柔性直流輸電系統具有直流環節，電網側低電壓故障不會直接影響到負荷側，逆變側可以通過控制策略的調整在一定時間內維持逆變電壓保持不變，實現了負荷側的故障穿越。可解決由于其它線路故障導致其母線電壓跌落而發生閃斷故障的問題。如果可成科技自身線路發生故障該方案無法解決問題。

由于每個重要用戶都是采用雙電源供電，本方案將可成科技、可功科技、長電科技雙電源供電的第一路20千伏出線調整至20千伏母線III段，可成科技、可功科技、長電科技雙電源供電的第二路20千伏出線調整至20千伏母線I段，并將五星變原有20千伏母線III段的公用線路調整至其他母線。

在五星變110千伏母線與20千伏母線III段之間新建柔性直流輸電系統，正常運行時，#2主變20千伏側主變開關處于常開狀態，由柔性直流輸電系統負責給20千伏母線III段供電，可成科技、可功科技、長電科技采用雙電源的第一路電源供電。柔性直流輸電系統檢修狀態時，#2主變20千伏側主變開關閉合，滿足供電方式“N-1”校核。

正常運行時，用戶供電方式為五星變20千伏母線III段為主，五星變20千伏母線I段為輔?？蛊?、交直流場開關、直流線路、閥基控制系統（VBC）和換流站控制系統等。換流站按功能區劃分可分為交流場區、換流閥區、直流場區、控制保護室等部分。

3.3故障場景分析

場景一（交流線路故障）：當柔直背靠背系統正常運行時，20kV母線III段獨立運行。與柔直背靠背連接110kV母線電壓正序電壓大于0.9p.u.，持續時間小于350ms，背靠背系統可以傳輸額定功率，20kV母線III段電壓和頻率均能維持穩定，不會出現電壓暫降。

場景二（柔直線路故障）：110kV母線電壓正序電壓小于0.9p.u.，背靠背系統傳輸功率需要等比例回將，例如110kV母線電壓正序電壓0.66p.u.（單極金屬接地故障），背靠背系統傳輸功率為0.66p.u.。110kV母線電壓出現暫降時，20kV母線III段負荷小于背靠背系統的傳送功率，該20kV母線電壓和頻率穩定，不會出現電壓暫降。當20kV母線III段負荷大于背靠背系統的傳送功率，根據故障持續的時間和功率情況，會出現短時電壓暫降。

4　結語

綜上所述，柔性直流輸電整流側連接電網，逆變側連接負荷，當電網側發生低電壓故障時，由于柔性直流輸電系統具有直流環節，電網側低電壓故障不會直接影響到負荷側，逆變側可以通過控制策略的調整在一定時間內維持逆變電壓保持不變，實現了負荷側的故障穿越，可解決由于其它線路故障導致其母線電壓跌落而發生閃斷故障的問題。

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蔣科（1987），男，碩士，主要從事智能配網設計工作，。

蘇麟（1980），男，碩士，主要從事智能配網設計工作。

錢康（1977），男，碩士，主要從事電力系統規劃工作。

閆安心（1986），男，碩士，主要從事智能配網設計工作。

裴昌盛（1990），男，本科，主要從事智能配網設計工作。

3.2基于MMC柔性直流技術設計規模

從110kV母線建設柔性直流輸電系統為重要敏感負荷供電?；谀K化多電平換流器的柔性輸電系統無需開關器件直接串聯，可以運用在較低的開關頻率得到較優的輸出電壓波形，具有換流閥開關頻率低，系統損耗小（約為1%），效率高的優點。

本方案采用模塊化多電平換流器（MMC）作為柔性直流輸電的主換流器。

（1）具有模塊化特點，設計靈活，易擴展到不同電壓、功率等級，滿足不同工程需要

（2）具有較強的故障保護能力，采用冗余設計，提高系統的可靠性

（3）低電平臺階的多電平輸出，具有較優的電能質量，甚至可取消濾波器使用，降低系統成本，節省空間。

（4）緊湊化結構設計，占地面積小

方案中所采用的MMC方案采用換流器對稱單極接線形式，如圖6所示。

每個換流閥由6個橋臂單元組成，采用支撐式閥塔結構。換流閥采用環抱式閥塔結構，換流閥的設計集合了電氣接線設計，閥廳布置、抗震設計、靜電場研究等多方面因素，形成了最優的設計方案。換流閥以閥塔的形式進行緊湊式布置，共包括4個換流閥閥塔。

柔性直流輸電系統主要設備包括換流閥、連接變壓器、閥電

Scheme for Controlling Voltage Sag of Industrial Park Baes on Flexible DC Technology

Jiang Ke,Su Lin,Qian Kang,Yan Anxin,Pei Changsheng
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute,Nanjing,211102,China)

Voltage sag problem not only affect the normal work of electrical equipment,but also related to the reliability.Here,the current status of voltage sag control is briefly reviewed,and the current solution of voltage sag is introduced. In view of the problem of voltage sag in an industrial park,the reason of voltage sag is analyzed.The scheme of voltage sag control based on the flexible DC technology is studied in this paper,and the feasibility and effectiveness of the scheme are analyzed qualitatively.

Flexible DC；Voltage Sag；Reliability

國家電網科技項目“交直流配電網設計關鍵技術研究”