一种柔性多状态开关及其控制方法与流程

本发明涉及一种电力电子变流器。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。本发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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，本发明可以实现变电站之间潮流互济；当连接在馈线末端时，本发明可以实现潮流互补和电能质量治理功能。

本发明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。本发明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。本发明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。

本发明柔性多状态开关的两端分别连接第一馈线和第二馈线。

本发明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。

本发明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发明柔性多状态开关的运行状态。

当本发明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。

当本发明柔性多状态开关作为一个装置独立运行时，通过对本发明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。

当本发明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。

当本发明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。

当本发明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，实现故障隔离。

当本发明柔性多状态开关接入配电管理系统中时，柔性多状态开关连接在第一馈线和第二馈线之间，同时柔性多状态开关的中央控制器也与配电管理系统连接，接收配电管理系统发出的信号指令，并控制柔性多状态开关需要实现的功能和当前的运行状态；配电管理系统计算其所管理的整个配电网潮流，按全局最优调度柔性多状态开关对第一馈线和第二馈线的潮流运行以及无功补偿功能。

当本发明柔性多状态开关接入配电管理系统中时，柔性多状态开关接收配电管理系统的信号指令，同时对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流动。当第一馈线经过第一隔离变压器，通过对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，可以通过柔性多状态开关实现配电管理系统对两侧馈线的潮流控制。

当本发明柔性多状态开关接入配电管理系统中时，柔性多状态开关接收配电管理系统的信号指令，柔性多状态开关的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轴控制实现第一馈线和第二馈线之间有功双向流动，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。

当本发明柔性多状态开关接入配电管理系统中，柔性多状态开关正常运行时，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，同时中央控制器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侧的电压急剧下降，立即切换控制策略：第一受控电压源采用P-Q控制，保证非故障侧的无功功率支撑，第二受控电压源自动封锁脉冲，阻止故障电流通过柔性多状态开关流向另外一侧馈线；若第二馈线出现暂态单相接地短路或者三相接地短路故障时，中央控制器检测到故障侧的电压急剧下降，立即切换控制策略：第一受控电压源采用P-Q控制，保证非故障侧的电压与无功支撑，当第二馈线因故障被远保护切断供电后，需要给馈线上负载独立供电时，第二受控电压源自动切换至V-f控制，保证负载线路的频率与电压。通过上述过程，可以实现出现暂态的故障时，通过柔性多状态开关控制策略的快速切换，实现非故障区域的供电恢复。

当本发明柔性多状态开关接入配电管理系统中时，第一馈线和第二馈线因各自所接的分布式发电单元或者电动汽车等非线性负荷引起电压越限或者三相不平衡时，柔性多状态开关中的第一受控电压源和第二受控电压源由潮流和无功控制策略转换为电能质量治理控制策略，第一受控电压源和第二受控电压源具有动态电压补偿、谐波抑制和三相电流不平衡控制功能。通过上述过程实现柔性多状态开关电能质量治理功能。

本发明柔性多状态开关的第一受控电压源和第二受控电压源有两种拓扑结构：基于两电平换流器柔性多状态开关，包含第一电子开关K1、第二电子开关K2、第三电子开关K3、第四电子开关K4、第五电子开关K5、第六电子开关K6、第一电抗器L1、第二电抗器L2以及第三电抗器L3。为了提高耐压水平与改善电能质量，第一受控电压源或第二受控电压源也可采用基于半桥、全桥、箝位双子模块等多种MMC子模块单独构成换流器或者多种MMC子模块混联构成换流器。每个受控电压源由3个桥臂构成，每一个桥臂由n个模块组成的上桥臂与n个模块组成的下桥臂构成，n大于等于3，同时每个桥臂与交流母线之间串联桥臂电抗器，来抑制环流。

本发明对第一受控电压源采用有功功率、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轴电流前馈和网测电压补偿。第二受控电压源采用有功功率、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轴电流前馈和网测电压补偿。

含有多台柔性多状态开关的配电网稳态运行时馈线有功潮流转移的有功指令由配电管理系统根据馈线均衡度优化计算后发出，配电管理系统根据所管理的配电网整体优化运行结果，调度每个柔性多状态开关的运行状态和实现的功能。

在电网不同运行工况下，对本发明柔性多状态开关的控制过程如下：

1、在正常运行情况下，第一受控电压源和第二受控电压源均可采用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，同时还可以保证无功功率的提供。

2、单相或三相接地暂态短路时，立刻将正常线路侧的第一受控电压源调节为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，同时另一端正常工作的第二受控电压源采用V-f控制，V-f控制调节输出电压和频率，可以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，一端的交流母线因为故障被远端保护切断供电，这时会产生一部分负载处于被电网孤立的状态，此时如果要恢复这部分负载供电，属于微电网中的黑启动问题。由于没有外部电网信号，使用之前的P-Q控制和V-f控制会导致这部分馈线的频率和电压失去支撑，从而使得馈线供电失去控制。此时需要第一受控电压源向第一馈线提供电压与频率支撑。从顶层看，这属于V-f控制方法，直接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，经锁相环把相位角固定，频率也就相应固定，控制第一受控电压源向第一馈线提供电压和频率支撑。这种控制方法不存在电感之间的耦合，控制结构简单。

本发明与现有技术相比优点在于：

1、可以实现馈线末端有功功率双向主动调节；

2、在馈线电压等级较高时的，可以通过变压器降低柔性多状态开关的承受电压，便于柔性多状态开关硬件电路设计；

3、可以独立发出无功功率，改善馈线末端电能质量；

4、在馈线短路故障时可以快速响应，限制故障电流；

5、在馈线断电时可以迅速将其由功率控制模式切换为支撑故障侧馈线电压与频率模式。

附图说明

图1为实施例1的柔性多状态开关拓扑示意图；

图2为两电平电压源换流器基本拓扑结构示意图；

图3为MMC换流器基本拓扑结构示意图；

图4为本发明前馈解耦控制与PWM数学结构结合示意图；

图5为故障时的频率电压控制方法传递函数图；

图6为实施例2柔性多状态开关在变电站互联上的应用示意图；

图7为实施例3柔性多状态开关实现多端互联的示意图；

图8为变换器多重化并联结构示意图；

图9为柔性多状态开关在配电网中的连接关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

实施例1

如图9所示，作为一种电力电子变流器，本发明柔性多状态开关连接在第一馈线K11和连接第二馈线K22之间。如图1所示，本发明柔性多状态开关包含：第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第一受控电压源D11、第二受控电压源D22、直流母线稳压电容C1和中央控制器。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。中央控制器的一端连接电压电流采样检测传感器，中央控制器的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。中央控制器检测第一馈线T1和第二馈线T2的状态，进行计算和判断后，给第一受控电压源D11和第二受控电压源D22发出信号指令，控制第一受控电压源D11和第二受控电压源D22工作。

第一受控电压源D11和第二受控电压源D22采用单相或三相两电平变换器，三相两电平变换器拓扑如图2所示。第一受控电压源D11和第二受控电压源D22也可以采用变换器多重化并联，或采用三电平变换器，或级联H桥，或模块化多电平MMC的结构。模块化多电平MMC结构如图3所示。变换器多重化并联的结构如图8所示。

第一受控电压源D11和第二受控电压源D22采用单相或三相两电平变换器或者变换器多重化并联，或者三电平变换器，或者级联H桥。第一受控电压源D11和第二受控电压源D22采用级联H桥结构时，第一馈线K11或者第二馈线K22至少有一端需要增加隔离变压器，实现与柔性多状态开关的隔离，例如通过第一隔离变压器T1隔离时，第一馈线K11连接第一隔离变压器T1，然后连接第一受控电压源，然后连接直流母线电容，然后连接第二受控电压源，再连接第二馈线K22；采用不具有直流故障隔离能力的模块化多电平MMC拓扑时，两端的馈线至少有一端需要增加隔离变压器T1或T2，实现与柔性多状态开关隔离，例如通过第一隔离变压器T1隔离时，连接方式为第一馈线K11连接第一隔离变压器T1，然后连接第一受控电压源，然后连接直流母线电容，然后连接第二受控电压源，再连接第二馈线K22。

对实施例1的控制策略如图4所示。第一受控电压源T1与第二受控电压源T2在旋转坐标系下dq轴可以解耦控制，通过d轴控制实现两端馈线潮流双向流动，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。

馈线电路上发生电压或者电流故障时的控制方法如图5所示。当柔性多状态开关正常运行时，第一受控电压源T1采用电压-频率V-f控制，第二受控电压源T2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K22出现永久单相接地短路或者三相接地短路故障时，柔性多状态开关的中央控制器检测到故障侧的电压急剧下降，立即切换控制策略：第一受控电压源T1采用P-Q控制，保证非故障侧的无功功率支撑，第二受控电压源T2自动封锁脉冲，阻止故障电流通过柔性多状态开关流向另外一侧馈线；若第二馈线K22出现暂态单相接地短路或者三相接地短路故障时，配电管理系统检测到故障侧的电压急剧下降，立即切换控制策略：第一受控电压源采用P-Q控制，保证非故障侧的电压与无功支撑，当第二馈线K22因故障被远保护切断供电后，需要给馈线上的负载独立供电时，第二受控电压源T2自动切换至V-f控制，保证负载线路的频率与电压。通过上述过程，可以实现出现暂态的故障时，通过柔性多状态开关控制策略的快速切换，实现非故障区域的供电恢复。

实施例2

如图6所示，本实施例包括第一柔性多状态开关A1、第二柔性多状态开关A2、第三柔性多状态开关A3、第四柔性多状态开关A4……第n柔性多状态开关An，n≥3，第一变电站B1、第二变电站B2、第三变电站B3……第m变电站Bm，m≥3。第一变电站B1通过第二柔性多状态开关A2与与第二变电站B2相连，通过第三柔性多状态开关A3与第三变电站B3相连。第三变电站B3通过第四柔性多状态开关A4与其他变电站相连。第m变电站Bm通过第n柔性多状态开关An与其他变电站相连。当第一变电站B1负荷过大时，可以利用柔性多状态开关通过第二变电站B2和第三变电站B3进行有功功率支援，同时可以主动控制第二变电站B2和第三变电站B3的出力分配。当第二变电站B2出现故障时，第二柔性多状态开关A2可以通过闭锁第二受控电压源D22的功率元件达到柔性切断故障功能。当第一变电站B1大量消耗无功的部分，使得线路功率因数变差，第一柔性多状态开关A1、第二柔性多状态开关A2、第三柔性多状态开关A3均会为第一变电站B1提供无功支撑。

在传统的交流网络中，变电站之间往往是相互独立的。城市中变电站若使用环状连接，可以均匀的分配潮流，但是一旦一个变电站出现问题，对于其他变电站将会产生连锁反应，系统可靠性低。

使用本发明柔性多状态开关能够在提供常态化柔性联络通道的同时有效限制故障电流，降低了多个变电站合环运行时对断路器等一次开关设备的容量需求，以及二次保护系统的配置难度。在故障发生时，借助柔性多状态开关提供的主动负荷转移通道，各站点间能够相互形成有力支持，同时能够对交换功率进行合理控制以避免事故影响扩大化，从而有效提高系统的供电保障能力。从变电站角度来说，柔性互联使各变电站能够根据运行状态进行主动负荷分配，以及在必要时由柔性多状态开关提供精确无功补偿，从而能够充分利用各站点的供电能力，优化主变负载率水平，对重载站点来说能够降低其运行风险，对大容量轻载站点则可以提高其资产利用率与运行经济性。

含有多台柔性多状态开关的配电网稳态运行时，馈线有功潮流转移的有功指令由配电管理系统根据馈线均衡度优化计算后发出，配电管理系统根据所管理的配电网整体优化运行结果，调度每个柔性多状态开关的运行状态和实现的功能。

实施例3

如图7所示，本实施例包括馈线K1、馈线K2、馈线K3、馈线K4、馈线K5、馈线K6、隔离变压器T1、隔离变压器T2、隔离变压器T3、隔离变压器T4、隔离变压器T5、隔离变压器T6、第一受控电压源D1、第二受控电压源D2、第三受控电压源D3、第四受控电压源D4、第五受控电压源D5、第六受控电压源D6、直流母线电容C1、直流母线电容C2、直流母线电容C3、以及公共直流母线。馈线K1通过隔离变压器T1、第一受控电压源D1、直流母线电容C1、第二受控电压源D2、隔离变压器T4连接至馈线K2，馈线K1、隔离变压器T1、第一受控电压源D1、直流母线电容C1、第二受控电压源D2、隔离变压器T4、馈线K2依次串联连接；馈线K3通过隔离变压器T2、第三受控电压源D3、直流母线电容C2、第四受控电压源D4、隔离变压器T5连接至馈线K4，馈线K3、隔离变压器T2、第三受控电压源D3、直流母线电容C2、第四受控电压源D4、隔离变压器T5、馈线K4依次串联连接；馈线K5通过隔离变压器T3、第五受控电压源D5、直流母线电容C3、第六受控电压源D6、隔离变压器T6连接至馈线K6，馈线K5、隔离变压器T3、第五受控电压源D5、直流母线电容C3、第六受控电压源D6、隔离变压器T6、馈线K6依次串联连接。柔性多状态开关所有正直流母线互联，负直流母线互联。在正常运行情况下，多端连接的柔性多状态开关能够按照调度指令实现数条馈线间的有功功率交换。当某条馈线的负荷突然增大，源头变压器无法提供相应的功率支持，此时可以通过第一受控电压源D1、第二受控电压源D2、第三受控电压源D3联合提供功率支援，一方面可以根据其他馈线的容量有比例地支援亏功率馈线，另一方面提升了每条馈线的供电可靠性。当某条馈线因故障退出运行时，第一受控电压源D1、第二受控电压源D2、第三受控电压源D3能快速切换运行模式，通过直流母线对其馈线临时供电，保证重要负荷的快速转供。此外若馈线上电能质量较差时，可以通过受控电压源组合进行无功补偿。因此，本实施例中的柔性多状态开关为广义的柔性多状态开关，不仅仅起到柔性互联的功能，并且将多个柔性多状态开关的直流母线相连，实现了直流侧的多端互联。