CN105429168A

CN105429168A - 一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法

Info

Publication number: CN105429168A
Application number: CN201510747361.7A
Authority: CN
Inventors: 李国武; 张国忠; 许健; 吉小鹏; 乔峰; 王家华; 吴恒; 杨东; 许丽丽
Original assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd; ZHANGJIAKOU POWER SUPPLY COMPANY STATE GRID JIBEI ELECTRIC POWER Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd; ZHANGJIAKOU POWER SUPPLY COMPANY STATE GRID JIBEI ELECTRIC POWER Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: CN105429168B

Abstract

一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法。由于单相逆变器接入三相电网造成三相电压不平衡以及负载非线性或无功需求过大引起电压跌落波动，使得电网处于不对称运行状态。采用交直流混合供电模式，当系统出现不对称运行时，可通过协调控制器检测出电压不平衡相，将与其连接的分布式电源的部分有功功率通过直流网络进行消耗转移，从而实现三相平衡，抑制不对称运行状态的发生；当系统出现局部电压跌落，可通过协调控制器计算出当前的无功缺额和负序电流，单相逆变器根据补偿容量产生等量大小的无功功率，从而实现无功功率就地补偿，且响应速度快，避免长距离传输无功功率，降低电能损耗。

Description

一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法

技术领域

本发明属于电能质量治理领域，涉及交直流供电网进行电能质量综合治理方面。特别是在含有多个单相逆变器系统中，本发明突显出较强的新颖性和灵活性。

背景技术

目前，随着对环境要求的逐步提高，主要以火力发电为主的电力系统面临巨大考验，急需大力发展以光伏、风能等为主的新能源供电系统。因此，基于各种可再生能源发展起来的分布式电源已经得到越来越多的关注和研究，导致低压配电网中出现大量的分布式装置和并网的电力电子设备，由分布式电源多样、特性各异等原因造成的电能质量问题，如光伏和电力发电输出功率随外界环境变化而变化，输出功率的波动容易引起电压波动；同时，单相逆变器接入三相电网时，发电功率注入到其中一相，也可能引起该相电压偏高，而造成三相电压不平衡。此外，由于负载的不平衡、非线性以及无功需求过大而引起的电压不平衡、跌落波动等问题也是配电网中危害较大也较常见的电能质量问题。另一方面，电能质量也关系到电网的售电价格，并影响其经济效益。

现有的电能质量治理手段是采用专门的治理装置来改善电能质量，目前常用的谐波补偿装置主要是有源电力滤波器(activepowerfilter，APF)或无源电力滤波器(passivepowerfilter，PPF)。PPF只能补偿固定频率的谐波，容易和系统发生并联谐振，并且其补偿特性容易受到电网和运行状态的影响；APF可以动态地补偿和抑制谐波，具有可控性高、响应快速等特点。电网中出现的电压波动主要靠各种无功补偿装置来改善，目前无功补偿装置主要有同步调相机、静电电容器、静止无功发生器和静止无功补偿器。而同步调相机运行维护复杂，响应速度慢，控制性能有待改善，静电电容器只能补偿感性无功且不能连续调节，静止无功发生器和补偿器虽然可实现无功功率的连续调节，但是目前这些治理手段一般都是采用单独的设备，会增加系统的成本，功能单一，并且容量利用率小，经济性差，推广难度较大。

基于上述现象，本发明提出一种具有电能治理功能的并网逆变器，并网逆变器与APF、SVG在拓扑结构、运行方式和控制方式上有诸多相似点，因而可采用并网逆变器进行电能质量治理，相比无源补偿装置使用更加灵活方便，能更好地适应电能质量柔性定制的目标，可实现并网发电、无功补偿等功能于一体。

发明内容

本发明是针对现有技术在新能源并网存在的电能质量的缺陷，提出一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法，提高交直流混合供电系统的电能质量。

本发明采用如下技术方案：

一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)多个分布式直流电源通过DC/DC变换装置与单相逆变器的串联支路后分别对应接入交流电网的A、B、C三相电中，每一串联支路中的DC/DC变换装置的直流输出端同时连接直流负载，交流电网的A、B、C三相分别接有单相交流负荷；

(2)接入A、B、C三相的每个分布式直流电源的额定容量不同，会造成交流电网三相不对称运行状态，当交流电网三相电流最大值和最小值的差值超过设定阀值时，控制交流电网三相电流大小差异处于设定阈值范围之内，使得三相不对称运行状态消失；

(3)当交直流混合系统中负荷侧发生不平衡无功需求时，通过提取电压跌落相的电压和电流，计算出当前交直流混合系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量选择离该发生不平衡无功需求的负荷侧最近的单相逆变器进行就地补偿无功功率。

在步骤(2)中，当交流电网三相电流大小差异超过设定阀值时，向电流最高相所对应的DC/DC变换装置发出指令，使该DC/DC变换装置输出的部分有功功率直接通过连接在DC/DC变换装置直流输出端的直流负载进行消耗，直到交流电网三相电流大小差异处于设定阈值范围之内，三相不对称运行状态消失。

进一步可选的方案是在步骤(2)中，当交流电网三相电流大小差异超过设定阀值时，向电流最高相所对应的交流负荷端发出指令，增加连接在该电流最高相上的交流负荷，直到交流电网三相电流大小差异处于设定阈值范围之内，三相不对称运行状态消失。

本发明所带来的有益效果如下：

(1)本发明与现有的电能质量治理方法相比，无需采用额外独立的电能质量治理装置，降低系统成本，充分利用逆变器容量，经济性高，推广度高。

(2)本发明所采用的电能质量治理方法，分布式电源通过单相逆变器不仅可以提供有功功率，且可实现就地无功功率补偿，改善三相电压不平衡，分布式电源分散式多点接入可以形成电能质量治理的网络化结构，便于区域和全局的电能质量治理。

(3)本发明所涉及的交直流混合供电网中的直流供电网络不仅可以为直流负载提供所需能量，且可分担单相逆变器发出的多余有功功率，从而实现单相逆变器注入到每一相的功率都相等，抑制电网出现不对称运行状态的发生。

综上所述，本发明可在不采用额外电能质量治理装置的前提下，对电网的不对称运行以及三相电压不平衡等问题进行治理，将拥有广阔的应用价值和前景。

图1为交直流混合供电网基本示意图。

下面结合附图，对本发明的系统结构和工作原理进行详细的说明。

具体实施方式

如图1所示为交直流混合供电网的基本示意图。分布式直流电源经由DC/DC变换装置后输出为系统直流电，供给用户中的直流负荷，再通过单相逆变器并入电网，供给用户中的交流负荷。

本申请公开了一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：多个分布式直流电源通过DC/DC变换装置与单相逆变器的串联支路后分别对应接入交流电网的A、B、C三相电中，每一串联支路中的DC/DC变换装置的直流输出端同时连接直流负载；

步骤2：当接入A、B、C三相的每个分布式直流电源的额定容量不一样时，会造成三相不对称运行状态。通过协调控制器检测交流电网的A、B、C三相电流，当三相电流大小差异超过设定阀值时，有两种解决方案：1是协调控制器向电流最高相所对应的DC/DC变换装置发出指令，使该DC/DC变换装置输出的部分有功功率直接通过连接在DC/DC变换装置直流输出端的直流负载进行消耗。2增加连接在该电流最高相上的交流负荷，直到三相电流大小差异处于设定值范围之内，三相不对称运行状态消失。

例如，由于单相逆变器以及不平衡负荷的存在使得某电网处于不对称运行状态，系统中接入A、B、C三相的分布式电源容量分别设定是2000W、1000W、1000W，要使分布式电源接入电网后不会引起不对称运行，有两种方法可以消除这种不对称，一是通过协调控制器可检测出三相电压不平衡，一旦出现A相电压偏高可通过协调控制器向连接在A相上的DC/DC变换装置发布指令，使其发出的1/2有功功率可通过直流网络进行消耗，二是利用连接在A相上的负荷消耗掉多余的1000W功率，这样即可促使每个分布式电源输送到电网的电能都相等，预防电网不对称运行状态的发生。

步骤3：当交直流混合系统中负荷侧发生不平衡无功需求时，通过提取该侧的电压和电流，计算出当前系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量选择离该负荷最近的单相逆变器进行就地补偿无功功率，响应速度快，就地补偿可避免无功功率在输电线路上长距离传输，降低线路上的电能损耗。

当交直流混合供电系统中负荷侧发生不平衡无功需求时，通过提取该侧的电压和电流，计算出当前系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量选择离该负荷最近的单相逆变器进行就地补偿无功功率，响应速度快，就地补偿可避免无功功率在输电线路上长距离传输，降低线路上的电能损耗。

具体控制过程计算推导如下：可假设A相负载无功功率需求较大。

根据对称分量法，可以得到系统中A相的负序电流：

{\overset{\cdot}{I}}_{a -} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{a} + a^{2} {\overset{\cdot}{I}}_{b} + a {\overset{\cdot}{I}}_{c}) - - - (1)

式中，

a = e^{j 120} = - \frac{1}{2} + j \frac{\sqrt{3}}{2}

是一个复数算子，有

a^{2} = e^{j 240} = - \frac{1}{2} - j \frac{\sqrt{3}}{2},

为三相电流，分别为A相的负序电流。设定交直流混合供电系统中A相、B相、C相负载功率分别为P_a+jQ_a、P_b+jQ_b、P_c+jQ_c，P_a～P_c和Q_a～Q_c分别代表每相负载所要消耗的有功功率和无功功率，根据复功率公式则可以得到A相、B相、C相的电流分别为：

{\overset{\cdot}{I}}_{a} = {[\frac{P_{a} + {jQ}_{a}}{{\overset{\cdot}{U}}_{a}}]}^{*} - - - (2)

{\overset{\cdot}{I}}_{b} = {[\frac{P_{b} + {jQ}_{b}}{{\overset{\cdot}{U}}_{b}}]}^{*} - - - (3)

{\overset{\cdot}{I}}_{c} = {[\frac{P_{c} + {jQ}_{c}}{{\overset{\cdot}{U}}_{c}}]}^{*} - - - (4)

将公式(2)、(3)、(4)带入公式(1)中，可得：

{\overset{\cdot}{I}}_{a -} = \frac{6 P_{a} - 3 P_{b} - 3 P_{c} + 3 \sqrt{3} Q_{b} - 3 \sqrt{3} Q_{c}}{6 U_{a}} + j \frac{3 Q_{b} + 3 Q_{c} - 6 Q_{a} + 3 \sqrt{3} P_{b} - 3 \sqrt{3} P_{c}}{6 U_{a}} - - - (5)

由公式(5)可以看出A相的负序电流与三相负载功率之间的关系，若要使A相负序电流为0，则要求A、B、C三相负载的有功和无功功率均相同，对于B、C相的负序电流推导采用公式(6)。

\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{b -} = a {\overset{\cdot}{I}}_{a -} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{c -} = a^{2} {\overset{\cdot}{I}}_{a -} \end{matrix} - - - (6)

要求三相的负载消耗的有功功率和无功功率相等，即要将每相负载消耗的有功功率和无功功率按照公式(7)和(8)设定，P_a'～P_c'、Q_a'～Q_c'为A、B、C三相平均的有功功率值和平均的无功功率值。

{P_{a}}^{'} = {P_{b}}^{'} = {P_{c}}^{'} = \frac{P_{a} + P_{b} + P_{c}}{3} - - - (7)

{Q_{a}}^{'} = {Q_{b}}^{'} = {Q_{c}}^{'} = \frac{Q_{a} + Q_{b} + Q_{c}}{3} - - - (8)

通过协调控制器中的检测器件可检测出A相的电压为和电流为通过公式(9)可计算出A相目前的有功功率P_fa和无功功率Q_fa：

当A相负载消耗的有功功率和无功功率较大时，通过计算可得到A相的无功缺额P_qa和有功缺额Q_qa如公式(11)：

根据计算出的A相的有功缺额和无功缺额，则可以通过控制连接在A相上的逆变器，补偿相应的有功缺额和无功缺额，其他两相的无功补偿也同此方法，三相负载消耗的有功功率和无功功率达到平衡，则负序电流即可消除。

Claims

1.一种基于交直流混合供电网的电能质量治理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(3)当交直流混合系统中负荷侧发生不平衡无功需求，即电压跌落超过限定阀值时，通过提取电压跌落相的电压和电流，计算出当前交直流混合系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量选择离该发生不平衡无功需求的负荷侧最近的单相逆变器进行就地补偿无功功率。

2.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电网的电能质量治理方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电网的电能质量治理方法，其特征在于：

在步骤(2)中，当交流电网三相电流大小差异超过设定阀值时，向电流最高相所对应的交流负荷端发出指令，增加连接在该电流最高相上的交流负荷，直到交流电网三相电流大小差异处于设定阈值范围之内，三相不对称运行状态消失。