主动配电网供电质量控制

tk 1
1
2
AAT
i*(t1)
1
A
...
i*(tk )
其中A=[ t1 t2 11
... tk ] ... 1
I
2 (t01 2 )2 12 2
,t0
cos1(
1 ) 2I
28
电压暂降和短时中断的快速检测
➢ 电压幅值快速检测
1
0.8
0.5-1s发
0.6
生0.5p.u.
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。
需要拓展可靠性评估范畴！
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
5
背景与意义——相关标准和定义
敏感负荷单次停 运损失
19
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
20
供电质量整体控制策略
治 100% 理 后 80% 的 电 压 幅 50% 值
治理方案治 理效果评估
0%
严格负荷 特别敏感负荷
敏感负荷
双快开 固
态
开 关
快 快 普普 分 分 分分
快
➢ 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。 7
7
特别敏感负荷电压耐受曲线
典型敏感负荷电压耐受曲线
可容忍凹陷宽度
开关电源：<20ms 灵敏电压继电器：
<25ms 电动机群：<30ms 变频设备：<20ms
70%
负荷受到影响
0% 20 ms
0.5 s
10 s
持续时间
停运判据：
16
供电质量整体控制策略
暂降及中断调研
调研参数：
设备类型 变压器 母线 线路
单相接地 相间短路 三相短路 两相接地
故障数据 频率 故障隔离时间
调研范围： 10kV-220kV
关联故障
直接故障
无关故障
短时中断
无影响
电压暂降
敏感负荷
区外故障 隔离+切换
区内区外故障识别方法
分布式能源倒送 短路电流<<系统
提供短路电流
电流幅值检测
区外故障：过流 区外故障：无过流
方向检测
区内故障
仅隔离， 不切换
分布式能源倒 送短路电流
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 区内故障
26
直接故障与关联故障
关联 故障 系统
直接 故障 系统
10
背景与意义
严格 负荷
特别 敏感 负荷
敏感 负荷
一般 敏感 负荷
0
20ms
1s
1min 停电持续时间
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）…
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 11
普 普 普普
速
合 合 合合
切
逆 同 逆同
换
变 步 变步
器 机 器机
支 支 支支
撑 撑 撑撑
普通断路器快 速切换
20ms
0.1s 1s
持续时间
21
供电质量整体控制策略 等效电压耐受曲线
有
源
快
速
治理方案治
切 换
理效果评估
1
电
快速切换治理效果
压
幅 值
可治理敏 治理等效 感负荷
0
持续时间
1
1
电
快速切换治理
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
[1] Dugan R C, McGranaghan M F, Santoso S, et al. Electrical power systems quality. 3rd ed., McGraw Hill Professional, 2012.
6
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；
IEEE Std 1159-2011中，电压骤降（Voltage Sag）：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。
IEEE Std 1159-2011中，瞬时中断（Momentary Interruption）：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。
DL/T836—2012《供电系统用户供电可靠性评价规程》中，短时中断（short interruption） ：持续停电时间小于等于3 min的停电。
美国2003年发布的供电可靠性标准(IEEE 1366-2012)中将小于5 min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1 min，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3 min，因为在标准定为1 min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。
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？
研究内容
• 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
DVR ，普通 开关
DVR (部分 治理)
最佳方案 最佳方案
24
目录
一 二 三 四 五 六
背景意义 供电质量整体控制策略 电压暂降及短时中断的快速检测 残压支撑及切换策略研究 有源快速切换检测试验
主要成果与结论
25
25
电压暂降和短时中断的快速检测
➢ 故障区域识别
区内区外故障的差异
系统提供短路电流
主动配电网供电质量控制
程林
chenglin@tsinghau.edu.cn 清华大学电机工程与电子技术系
2016年9月22日
1
目录
一 二 三 四 五 六
背景意义 供电质量整体控制策略 电压暂降及短时中断的快速检测 残压支撑及切换策略研究 有源快速切换检测试验
主要成果与结论
2
2
主动配电网特征
主动配电网(Active Distribution Network，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。
0.4
0.2
的电压暂
0
降
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
短时傅里叶变换
暂降起始 检测时间
4.7 ms
暂降结束 检测时间
16 ms
29
电压暂降和短时中断的快速检测
➢ 电压幅值快速检测
1
0.8
0.5-1s发
0.6
生0.5p.u.
0.4
0.2
的电压暂
0
降
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.2
0.4
背景与意义
严格 负荷
特别 敏感 负荷
敏感 负荷
一般 敏感 负荷
0
20ms
1s 3s
1min 停电持续时间
面临 问题
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
电网自愈
备自投
12
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？
输电 网络
高压配网
110kV
中压配网
35/10kV
低压配网 0.4kV
G GGG
负荷 负荷
主动配电网
风力发电 储能
MG 微网
光伏 冷热点三联供
区别于被动配电网的 四个主要特征
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
3
3
背景和意义
23
供电质量整体控制策略
严格负荷，5MW
敏感负荷 拐点时间 拐点幅值 拐点编号 （ms） （p.u.）
固 态 开 关
快 速 开 关
1 2 3
10
0.2Байду номын сангаас
50
0.4
90
0.8
特别敏感负荷，5MW
固态/ 快速开 关
敏感负荷 拐点时间 拐点编号 （ms）
1
50
2
200
拐点幅值 （p.u.）
0.6
0.8
治理方案选择
电
压 幅
效果
治理等效
压 幅
值
不可治理敏感负荷
值
0
0
持续时间
1
快速切换治理效果
电
1
电
压 幅 值
可治理
可局部 治理敏
压
治理等效 幅
值
不可治理 感负荷
0
0
持续时间
一般负荷
敏感负荷
持续时间
敏感负荷
持续时间 22
供电质量整体控制策略
治理成本
治理方案经 济性评估
治理方案
典型成本
UPS
$ 500/kVA
DVR（设计点电压 $ 300/kVA 50%）
8
主动配电网对供电质量新需求——背景与意义
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
严格 负荷
特别 敏感 负荷
敏感 负荷
一般 敏感 负荷
0
20ms
1s
1min 停电持续时间
场馆照明
石化行业 橡胶塑料制造业 玻璃制造工业
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目录
一 二 三 四 五 六
背景意义 供电质量整体控制策略 电压暂降及短时中断的快速检测 残压支撑及切换策略研究 有源快速切换检测试验
主要成果与结论
14
14
供电质量整体控制策略
控制流程
15
供电质量整体控制策略
数据需求 拐点时间 拐点电压 暂降损失
负荷需求调研
残压幅值
90% 负荷正常运行
80%
4
背景与意义
电压暂降与短时中断的危害
据Leonardo Energy（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（short interruption）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
正常 运行 系统
27
电流检测方法
基于最小二乘法的电流拟合
泰勒一阶展开 i(t) 2I sin(t ) 2I sin(t0 ) 2I(t t0 ) cos(t0 )
最小 二乘 拟合
i * (t1 ) ...
i*(tk )
t1 2I cos(t0 ) ...
tk
t1 1 2(I sin(t0 ) It0 cos(t0 )) 1 ... 2 ...
IEEE Std 1159-2011中，暂时中断（Temporary Interruption）：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/T 30137-2013 对电压暂降与短时中断的定义参照了IEEE Std 1159-2011.
F L down, j,k critical,l, j,k
F down, j,bus
Fdown, j,trf
l jk
bus j
trf j
线路故障引起停
母线故障引
电压暂降与短时中
运频率
起停运频率
断可靠性评估 期望负荷损失价值（万元/年）：
变压器故障引 起停运频率
ESvs,i=Fvs,i * costvs,i
运行方式发 生变化时， 也会与敏感 负荷存在电 气联系
17
供电质量整体控制策略
电压凹陷域
电压凹陷域计算
残压幅值
30% 50% 80%
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
80%
50% 30%
0%
持续时间
18
供电质量整体控制策略
评估指标：
敏感负荷停运频率（次/年）：
Fvs,i
现代电网的可靠性已达到很高的水平
99.999619
99.99994673
99.998
100
99.995
99.99 99.985
99.982
99.98
99.975
2011年北京
2009年东京
2007年巴黎 2011年新加坡
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%。
半导体行业 通信行业
纺织业
公共机构
…
汽车制造业
…
…
…
9
背景与意义
用户治理 如何解决？
网侧治理
严格 负荷
特别 敏感 负荷
敏感 负荷
一般 敏感 负荷
0
20ms
1s 3s
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）…
1min 停电持续时间
电网自愈 备自投