主动配电网供电质量控制（PPT54页)

1主动配电网供电质量控制程林[e-mail]清华大学电机工程与电子技术系2016年9月22日2目录2背景意义一供电质量整体控制策略二电压暂降及短时中断的快速检测三残压支撑及切换策略研究四有源快速切换检测试验五主要成果与结论六3主动配电网特征主动配电网(ActiveDistributionNetwork，ADN)，即内部具有分布式或分散式能源且具有控制和运行能力的配电网。输电网络高压配网110kVGGGG中压配网35/10kV低压配网0.4kV负荷负荷主动配电网MG微网光伏储能冷热点三联供风力发电具备一定比例的分布式可控资源网络拓扑可灵活调节的配电网较为完善的可观可控水平实现协调优化管理的管控中心区别于被动配电网的四个主要特征344背景和意义5个“9”，6个“9”是否可以满足负荷连续供电的要求？美国能源部表示“今天的电力可靠性99.97%，仍然有停电和中断，每年至少要花费7500亿美元。”2011年北京电网系统平均停电时间为1.58小时，供电可靠率为99.982%,；2011年新加坡电网停电时间为0.28分钟，供电可靠性指标已达到99.99994673%；2009年日本东京电网停电时间为2分钟，供电可靠性指标已达到99.999619%；2007年法国巴黎电网停电时间为10分钟，供电可靠性指标已达到99.998%。99.97599.9899.98599.9999.9951002011年北京2009年东京2007年巴黎2011年新加坡99.98299.99961999.99899.99994673现代电网的可靠性已达到很高的水平5据LeonardoEnergy（电力文献网站）对欧洲8个国家的电能质量调查，在工业等领域，电能质量每年大概造成损失超过150亿英镑，而其中60%的损失是由于电压暂降或短时停电（shortinterruption）引起的2008.5.3下午4时35分，韩国丽水国家产业园区内五家大型石油化工厂发生了停电两秒钟左右的事故，造成了近200亿韩元的损失。事故原因是韩华石油化工厂内的避雷器故障。电压暂降与短时中断的危害背景与意义电力系统可靠性的定义：向用户提供合格的、连续的电能的能力。当前评估停电范围：分钟级及以上——供电质量=可靠性+电能质量统一考虑——供电质量评估、供电质量控制需要拓展可靠性评估范畴！6IEEEStd1159-2011中，电压骤降（VoltageSag）：电压骤降是供电系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的10%-90%，并在随后的0.5个工频电压周期至1min的短暂持续期后恢复正常的现象。IEEEStd1159-2011中，瞬时中断（MomentaryInterruption）：一相或三相工频电压有效值下降至接近于零（低于额定电压10%），持续时间在0.5个工频电压周期至3s之间的短时变化。IEEEStd1159-2011中，暂时中断（TemporaryInterruption）：一相或三相工频电压有效值下降至至接近于零（低于额定电压10%），持续时间在3s至1min之间的短时变化。GB/T30137-2013对电压暂降与短时中断的定义参照了IEEEStd1159-2011.DL/T836—2012《供电系统用户供电可靠性评价规程》中，短时中断（shortinterruption）：持续停电时间小于等于3min的停电。美国2003年发布的供电可靠性标准(IEEE1366-2012)中将小于5min的供电中断称为短时中断。2001年英国电力监管委员会发布的供电质量监管条例将持续停电的历时标准定为1min，后来为鼓励供电公司采用自动化技术提高供电可靠性，将标准调整为3min，因为在标准定为1min的这段期间内，供电企业因缺少适用的技术而放弃改进措施。背景与意义——相关标准和定义77背景与意义——负荷需求现代负荷分类是根据供电质量波动对其影响程度一般分为普通负荷、敏感负荷、严格负荷3类为了分析研究短时停电对用户负荷的影响，按短时停电持续时间对负荷的影响程度划为4类：一般敏感负荷，分钟级的短时停电就会对用电负荷造成影响和危害；二是敏感负荷，秒级的短时停电就会对用电负荷造成影响和危害；三是特别敏感负荷，（周波级，几十~几百ms）就会对用电负荷造成影响和危害；四是严格负荷，（毫秒级，0.02s内）就会对用电负荷造成影响和危害。788典型敏感负荷电压耐受曲线开关电源：20ms灵敏电压继电器：25ms电动机群：30ms变频设备：20ms可容忍凹陷宽度特别敏感负荷电压耐受曲线99主动配电网对供电质量新需求——背景与意义20ms1s1min严格负荷特别敏感负荷敏感负荷一般敏感负荷停电持续时间0场馆照明半导体行业…石化行业通信行业汽车制造业…橡胶塑料制造业纺织业…玻璃制造工业公共机构…大量的分布式电源接入对电网供电质量提出高要求应对量大面广的迫切需求可以提出接入新标准和新要求主动配电网即插即用、友好接入需要经济的系统级解决方案1010背景与意义20ms1s1min严格负荷特别敏感负荷敏感负荷一般敏感负荷停电持续时间0如何解决？动态电压补偿器（DVR）不间断电源（UPS）采用电力电子固态开关的快速切换装置（SSTS）…用户治理3s电网自愈备自投网侧治理1111背景与意义动态电压补偿器（DVR）不间断电源（UPS）采用电力电子固态开关的快速切换装置（SSTS）…20ms1s1min严格负荷特别敏感负荷敏感负荷一般敏感负荷停电持续时间0优点：可以完美满足负荷个体的需求缺点：储能成本、电力电子在大容量、高电压等级应用瓶颈，无法实现全网的治理——核心的困难：经济性1212背景与意义20ms1s1min严格负荷特别敏感负荷敏感负荷一般敏感负荷停电持续时间03s电网自愈备自投故障检测速度不足普通断路器动作速度有限切换过程中残压支撑缺乏保障面临问题1313研究内容紧迫问题•如何定位电网薄弱环节，确定治理对象及治理方案？•如何从网侧经济、可靠地满足停电承受时间要求在20ms-3s间的用户的需求？如何提升切换方案的故障检测速度？如何在切换过程中维持母线电压？应采取怎样的切换策略？•供电质量整体控制策略•电压暂降及短时中断风险评估•基于快速切换的治理措施•电压暂降及短时中断的快速检测•故障区域识别•电压幅值快速检测•残压支撑及切换策略研究•残压支撑特性•切换策略研究内容14目录14背景意义一供电质量整体控制策略二电压暂降及短时中断的快速检测三残压支撑及切换策略研究四有源快速切换检测试验五主要成果与结论六1515供电质量整体控制策略控制流程1616供电质量整体控制策略残压幅值70%80%90%20ms0.5s10s持续时间0%(tmin1,𝑉max1,𝑐𝑜𝑠𝑡1)(tmin2,𝑉max2,𝑐𝑜𝑠𝑡2)(tmin3,𝑉max3,𝑐𝑜𝑠𝑡3)拐点时间拐点电压暂降损失数据需求负荷正常运行负荷受到影响负荷需求调研𝛿=[(𝑉sag𝑉min1)∧(𝑡sag𝑡max1)]∨[(𝑉sag𝑉min2)∧(𝑡sag𝑡max2)]∨[(𝑉sag𝑉min3)∧(𝑡sag𝑡max3)停运判据：1717供电质量整体控制策略调研参数：敏感负荷关联故障直接故障短时中断无关故障无影响电压暂降设备类型变压器母线线路故障数据单相接地频率故障隔离时间相间短路三相短路两相接地暂降及中断调研调研范围：10kV-220kV运行方式发生变化时，也会与敏感负荷存在电气联系1818供电质量整体控制策略30%50%80%电压凹陷域残压幅值30%50%80%持续时间0%电压凹陷域计算作用：通过故障扫描，获得对敏感负荷的工作造成影响的故障设备集1919供电质量整体控制策略评估指标：敏感负荷停运频率（次/年）：期望负荷损失价值（万元/年）：,,,*vsivsivsiES=Fcost,,,,,,,,,,vsidownjkcriticalljkdownjbusdownjtrfljkbusjtrfjFFLFF线路故障引起停运频率母线故障引起停运频率变压器故障引起停运频率敏感负荷单次停运损失电压暂降与短时中断可靠性评估2020供电质量整体控制策略电压暂降与短时中断可靠性评估软件开发：电压暂降与短时中断可靠性评估2121供电质量整体控制策略治理后的电压幅值100%80%50%0%20ms持续时间0.1s1s固态开关快速切换双快开快分普合逆变器支撑快分普合同步机支撑普分普合同步机支撑普分普合逆变器支撑普通断路器快速切换特别敏感负荷严格负荷敏感负荷治理方案治理效果评估2222供电质量整体控制策略一般负荷治理等效10持续时间可治理敏感负荷快速切换治理效果电压幅值10持续时间快速切换治理效果可局部治理敏感负荷电压幅值10持续时间敏感负荷10持续时间不可治理敏感负荷快速切换治理效果电压幅值10持续时间敏感负荷电压幅值有源快速切换等效电压耐受曲线电压幅值不可治理可治理治理等效治理等效治理方案治理效果评估2323治理方案典型成本UPS$500/kVADVR（设计点电压50%）$300/kVA固态开关（10MVA）$600,000快速转换开关（10MVA）$150,000适合kVA级敏感负荷适合MVA级敏感负荷供电质量整体控制策略[1]DuganRC,McGranaghanMF,SantosoS,etal.Electricalpowersystemsquality.3rded.,McGrawHillProfessional,2012.治理成本治理方案经济性评估2424供电质量整体控制策略敏感负荷拐点编号拐点时间（ms）拐点幅值（p.u.）1100.22500.43900.8敏感负荷拐点编号拐点时间（ms）拐点幅值（p.u.）1500.622000.8固态开关快速开关DVR，普通开关固态/快速开关DVR(部分治理)严格负荷，5MW特别敏感负荷，5MW治理方案选择最佳方案最佳方案25目录25背景意义一供电质量整体控制策略二电压暂降及短时中断的快速检测三残压支撑及切换策略研究四有源快速切换检测试验五主要成果与结论六2626电压暂降和短时中断的快速检测故障区域识别区内故障仅隔离，不切换区外故障隔离+切换系统提供短路电流分布式能源倒送短路电流区内区外故障的差异分布式能源倒送短路电流系统提供短路电流分布式能源倒送短路电流与系统提供短路电流相近区外故障：过流区外故障：无过流电流幅值检测方向检测U𝐼区外故障U𝐼区内故障区内区外故障识别方法27直接故障系统关联故障系统正常运行系统直接故障与关联故障28电流检测方法基于最小二乘法的电流拟合000()2sin()2sin()2()cos()itItItIttt*111000012**111122*201()1...2cos()...2(sin()cos())......()1()......A=[]11...1()(kkkkTkitttItItIttitttittttAAAittI其中2212110),cos()22tI泰勒一阶展开最小二乘拟合29短时傅里叶变换00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.810.5-1s发生0.5p.u.的电压暂降电压暂降和短时中断的快速检测电压幅值快速检测暂降起始检测时间暂降结束检测时间4.7ms16ms30瞬时电压dq分解（延时构造法）00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.810.5-1s发生0.5p.u.的电压暂降电压暂降和短时中断的快速检测电压幅值快速检测暂降起始检测时间暂降结束检测时间2.8ms