CN105896623A - 一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，包含以下步骤：1)配电系统通过双向电力变流器连接交流母线和直流母线；2)直驱式风力发电装置通过双向电力变流器接入直流母线；3)光伏发电装置通过双向电力变流器接入直流母线；4)储能电池通过双向电力变流器接入直流母线；5)直流负荷通过双向电力变流器接入直流母线；6)各电力变流器有功功率采用主从控制模式；7)用于直流母线电压控制的电力变流器；8)电力变流器的功率控制采用双闭环控制。本发明具有高度可控性和灵活性、能独立满足新能源和负荷接入、可以实现负荷控制，对提升城市配电系统的电能质量、可靠性、经济性和运行效率具有重要的现实意义。

Description

一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统

技术领域

本发明涉及一种交直流混合配电系统，特别涉及一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，属于电网运行与控制技术领域。

背景技术

交流电网的输变电技术成熟，控制和保护机理清晰，现有的电力系统通常采用交流电网作为主要的电能输配载体。但随着交流电网规模的扩大，电压等级的提高，复杂交流互联电网的短路容量不断增大，其运行控制过程愈发复杂，系统的安全稳定问题影响越发严重。同时，面对未来计算中心、电动汽车、分布式电源和LED照明等直流设备的大规模接入，交流电网由于电能变换环节多，供配电的效率受到影响。

与交流电网相比，直流电网不存在同步问题，可实现输送功率的灵活控制，适合于分布式发电、直流负荷等设备的接入。在直流技术中，柔性直流技术已被公认为是构建未来直流电网的核心技术，能够实现有功、无功功率的独立解耦控制，同时其暂态和动态性能相对于传统的直流技术有着明显的优势，已被应用于大区异步互联、大规模新能源并网等重点输变电工程之中。

相对于在输电系统中的蓬勃发展，直流技术在配电系统中的研究和应用却相对滞后。但随着大城市负荷密度的不断增加，配电网的规模不断扩大，受制于短路容量、电磁环网等问题，城市配网通常以开环的方式运行，导致系统设备利用率降低，可靠性下降。与此同时，客户对供电可靠性、电能质量的要求却在不断提高，例如在北京、上海等发达城市中，由于敏感负荷较多，即使短时的供电中断也会带来较大的经济损失，甚至产生严重的社会影响。

近年来，电力企业的诸多技术尝试已经证明：现有的交流电力技术已经难以应对城市配电网发展的新需求，难以满足迅速增长的新能源分散接入的要求，有必要引入具有高度可控性和灵活性的，能独立满足各类能源和负荷接入，可以实现负荷控制的交直流混合配电装置，以提升城市配电系统的电能质量、可靠性与运行效率。

基于电压源换流器(VSC)和脉宽调制技术的电压源换流器型柔性直流输电技术(VSC-HVDC)是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，能有效提高电能质量并确保电网安全稳定运行，是智能电网发展中的具有代表性的关键技术之一。自1997年世界上第一个VSC-HVDC试验工程投运以来，凭借其独特的技术优势，VSC-HVDC在电网互联、新能源并网和城市电网供电等方面具有广阔的前景，获得了广泛的关注。我国也已进入了柔性直流输电技术大规模研发和工程推广应用阶段。我国第一条VSC-HVDC示范工程——上海南汇风电站系统于2011年7月并网成功，整体投入试运营，标志着我国具有自主知识产权的VSC-HVDC核心技术成功应用于实际工程。

我国在2000年前后，结合新能源分散接入，展开了相关的电力变流技术的研究。如结合光伏发电接入交流电网，研究了光伏逆变器；结合风机并网问题，研究了变频器和全功率能量变换装置；结合储能装置，研究了能量变换和传递装置等。以上应用研究是紧密结合新能源开展的，随着新能源应用的增多，配电网也必须加紧升级改造，主动承接各类电源和负荷的接入，用于配电网络的多功能电力变流装置是现阶段研究开发的主要任务，也是未来一段时间电力变流技术在配网应用的主要发展方向。由于微电网的兴起和需要，一些研究和电力变流应用装置已经在微电网的背景下开展或得到应用，用于中低压配电网的电力变流技术研究和应用装置的研制也正得到行业广泛的重视，目前在这一领域，已经出现储能双向变流器等实用电力变流装置。

发明内容

本发明的目的是基于多端柔性直流输电技术和电流变流器的控制，提出一种具有高度可控性和灵活性、能独立满足各类能源和负荷接入、可以实现负荷控制的交直流混合配电系统，用于提升城市配电系统的电能质量、可靠性、经济性和运行效率。

本发明的目的在于基于现有的直流输电技术和控制技术，提出一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，为主动配电网的运行和控制、新能源在配电网的接入提供技术依据和实用化方法。

本发明给出的技术方案是：

一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，基于多端柔性直流输电技术，通过双向电力变流器，实现直流输电系统与交流配电系统的连接和新能源的接入；通过对电力变流器实施协调控制，实现多变流器端口间的功率控制和直流母线电压的稳定运行；其特点是包括以下步骤：

步骤1)配电系统通过双向电力变流器(AC/DC)连接交流母线和直流母线；

步骤2)直驱式风力发电装置通过双向电力变流器(AC/DC)接入直流母线；

步骤3)光伏发电装置通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤4)储能电池通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤5)直流负荷通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤6)各电力变流器有功功率采用主从控制模式；

(1)在与交流配电网连接的电力变流器中，选取容量大者进行直流电压控制，其余进行功率控制；

(2)中心控制器检测交直流混合配电系统的电压、功率等电气量；

(3)中心控制器根据检测的电气量，计算系统功率缺额；

(4)中心控制器根据功率控制需求，计算变流器的实际功率控制值；

(5)中心控制器对各功率控制变流器下达功率控制指令，实施功率控制；

步骤7)用于直流母线电压控制的电力变流器，风、光、储能和直流负荷用电力变流器，进行直流母线上的多点定直流电压控制。

步骤8)电力变流器的功率控制采用双闭环控制，外环响应有功、无功控制目标，内环采用电流解耦控制策略。

所述的多端柔性直流输电技术，由多个电压源型电力变流器联网组成的输电系统，电力变流器的直流侧通过直流线路进行连接，交流侧与交流电源或交流负荷连接；通过对电力变流器中的全控型电力电子器件的快速控制，实现系统中多个直流端的功率控制和直流母线电压的稳定运行；

所述的双向电力变流器，电力变流器具有能量双向传输的能力，有两种应用形式，一种是从交流系统到直流系统功率的变换和传输，即AC/DC；一种是从直流系统到直流系统功率的变换和传输，即DC/DC；

所述的新能源的接入，新能源的接入包括风力发电系统、光伏发电系统、储能系统的接入；

所述的对电力变流器实施协调控制，对各个电力变流器的控制功能进行划分，根据系统运行需求分别控制电力变流器的功率和直流母线电压等多个目标，从而实现交直流混合配电系统的多目标控制和协同运行；

所述的主从控制模式，在具有多个电力换流器共同运行的系统中，把中心控制器作为主控制器，各电力变流器的控制器作为从控制器，主从控制器间进行通信联系，从控制器服从主控制器；

所述的检测交直流混合配电系统的电压、功率等电气量，检测风机输出功率、光伏输出功率、储能电池功率、交流负荷功率、直流负荷功率、各交直流母线电压、直流母线电压；

所述的计算系统缺额，依据如下公式计算系统功率缺额：

△P＝P_配+P_风+P_光+P_储+P_负

其中：△P为直流母线瞬时不平衡功率；P_配为配电网注入直流母线的有功功率；P_风为风机输出的有功功率；P_光为光伏输出的有功功率；P_储为储能电池的有功功率；P_负为负荷的有功功率；

所述的计算变流器的实际功率控制值，依据如下公式计算变流器的实际功率控制值：

P_指＝K·△P+P_期

其中：P_指为与配网相连接，并用于功率控制的电力变流器有功控制指令值；K为不平衡功率分配系数；P_期为初始功率控制期望值；

所述的功率控制的详细情况，电流的d轴分量、q轴分量分别与电压的q轴分量、q轴分量存在着耦合关系。可将解耦算法引入到电流内环控制中，所得的内环电流解耦控制器；

所述的进行直流母线上的多点定直流电压控制，采用具有电压下降特性的并联控制方法，通过负载电流前馈方式实现。各个参与直流电压调节的电压环调节器均为无静差的PI控制器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。

本发明的优点是：

1.本基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，能够提高配电网的可控性和新能源的接纳能力。通过多端口电力换流器的控制实现交直流母线间的能量变换控制；通过直流母线电压的协调控制，实现储能、直流负荷及直流电源的接入。

2.本方法易于实施。本方法所提交直流混合配电系统是基于现有的直流输电技术和电力变流器控制技术实现的。在原有的配电系统的基础上，加入了多端柔性直流输电技术，使配电网不但提高了承载直流负荷和新能源接纳的能力，还将提升城市配电系统的电能质量、可靠性、经济性和运行效率。

3.本方法便于商业化开发。随着分布式电源并网以及直流负荷的增多，该基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统的开发必然具有较大需求，本发明具有较好的商业开发前景。

附图说明

图1是典型交直流混合配电系统示意图；

图2是电压源变流器双闭环控制框图；

图3是多点定直流电压控制框图；

图4、图5、图6是基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和仿真实验对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统包括以下步骤：

步骤1)配电系统通过双向电力变流器(AC/DC)连接交流母线和直流母线；

步骤2)直驱式风力发电装置通过双向电力变流器(AC/DC)接入直流母线；

步骤3)光伏发电装置通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤4)储能电池通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤5)直流负荷通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤6)各电力变流器有功功率采用主从控制模式；

(1)在与交流配电网连接的电力变流器中，选取容量大者进行直流电压控制，其余进行功率控制；

(2)中心控制器检测交直流混合配电系统的电压、功率等电气量；

(3)中心控制器根据检测的电气量，计算系统功率缺额；

(4)中心控制器根据功率控制需求，计算变流器的实际功率控制值；

(5)中心控制器对各功率控制变流器下达功率控制指令，实施功率控制。

步骤7)用于直流母线电压控制的电力变流器，风、光、储能和直流负荷用电力变流器，进行直流母线上的多点定直流电压控制；

步骤8)电力变流器的功率控制采用双闭环控制，外环响应有功、无功控制目标，内环采用电流解耦控制策略。

所述的多端柔性直流输电技术，由多个电压源型电力变流器联网组成的输电系统，电力变流器的直流侧通过直流线路进行连接，交流侧与交流电源或交流负荷连接；通过对电力变流器中的全控型电力电子器件的快速控制，实现系统中多个直流端的功率控制和直流母线电压的稳定运行；

所述的双向电力变流器，电力变流器具有能量双向传输的能力，有两种应用形式，一种是从交流系统到直流系统功率的变换和传输，即AC/DC；一种是从直流系统到直流系统功率的变换和传输，即DC/DC；

所述的新能源的接入，新能源的接入包括风力发电系统、光伏发电系统、储能系统的接入；

所述的对电力变流器实施协调控制，对各个电力变流器的控制功能进行划分，根据系统运行需求分别控制电力变流器的功率和直流母线电压等多个目标，从而实现交直流混合配电系统的多目标控制和协同运行；

所述的主从控制模式，在具有多个电力换流器共同运行的系统中，把中心控制器作为主控制器，各电力变流器的控制器作为从控制器，主从控制器间进行通信联系，从控制器服从主控制器；

所述的检测交直流混合配电系统的电压、功率等电气量，检测风机输出功率、光伏输出功率、储能电池功率、交流负荷功率、直流负荷功率、各交直流母线电压、直流母线电压；

所述的计算系统缺额，依据如下公式计算系统功率缺额：

△P＝P_配+P_风+P_光+P_储+P_负

其中：△P为直流母线瞬时不平衡功率；P_配为配电网注入直流母线的有功功率；P_风为风机输出的有功功率；P_光为光伏输出的有功功率；P_储为储能电池的有功功率；P_负为负荷的有功功率；

所述的计算变流器的实际功率控制值，依据如下公式计算变流器的实际功率控制值：

P_指＝K·△P+P_期

其中：P_指为与配网相连接，并用于功率控制的电力变流器有功控制指令值；K为不平衡功率分配系数；P_期为初始功率控制期望值；

所述的功率控制的详细情况，电流的d轴分量、q轴分量分别与电压的q轴分量、q轴分量存在着耦合关系。可将解耦算法引入到电流内环控制中，所得的内环电流解耦控制器；

所述的进行直流母线上的多点定直流电压控制，采用具有电压下降特性的并联控制方法，通过负载电流前馈方式实现。各个参与直流电压调节的电压环调节器均为无静差的PI控制器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。

图1是基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统总体结构示意图，其技术和理论核心内容是多端柔性直流背靠背技术。该系统主要包含有配电网、电力换流器、风力发电系统、光伏发电系统、储能系统以及直流负荷。电力变流器的直流侧分别接入直流母线，其交流侧与配电网相连，光伏发电系统、风力发电系统以及蓄电池分别经过DC/DC、AC/DC和DC/DC变换电路与交直流混合配电系统的外部接口相接。

通过双向电力变流器，实现直流输电系统与交流配电系统的连接和新能源的接入；通过对电力变流器实施协调控制，实现多变流器端口间的功率控制和直流母线电压的稳定运行。该新型交直流混合配电系统与以往单纯的交流配电系统相比而言，为新能源的并网提供了必要的接入手段，同时在新能源大量接入的情况下，该配电系统能够实现功率的双向流动、为直流负荷直接供电，能够创造更好的效益，同时将现有不可控的配电网转化为可控、可调的主动配电网，在今后配电网的发展中，该系统还可作为智能配电网的节点，提高供电的可靠性以及灵活性。

图2为电压源变流器双闭环控制框图。

电压源换流器采用矢量控制方式，矢量控制采用电流内环和目标外环的双闭环结构。旋转坐标系与三相电网电压同步旋转，且d轴与电网A相电压矢量重合，此时d轴分量即为有功电流分量，而电流的q轴分量则为无功电流分量。

在dq坐标系下，电流的d轴分量和q轴分量都与电压相关，存在严重的耦合关系。因此在电流内环控制中引入解耦算法，设计内环电流解耦控制器结构如图2所示：

外环是功率控制环，内环是电流控制环。有功基准值P_ref与有功实际值P的差值经过PI调节后作为电流d轴的基准值i_dref，无功基准值Q_ref与无功实际值Q的差值经过PI调节后作为电流q轴的基准值i_qref。内环电流差值经过PI环节之后再经过内环解耦控制和前馈电压补偿得到d轴和q轴戴拿标准值u_cd和u_cq，送入PWM调制器中调制，得到控制信号，实现电压源换流器的控制目标。

图3为换流器稳态电压下降特性曲线

目前技术最为成熟、运用最多的电力变流器为是电压源换流器，而直流母线多点定直流电压控制是指直流母线系统所有与有源交流系统相连的VSC换流站都采用定直流电压控方式，此时系统中各个换流站运行相当于多个电压源并联运行，这样采用带电压下降特性的控制方式，可以保证随着并联换流器数目不断增加，多端系统仍能维持稳定运行。电压下降式控制方式是指换流器直流电压随着输出电流或功率的增加而线性地下降。

电压下降特性并联控制方法的实现形式有很多，但实际应用上主要采用负载电流前馈方式。这种方式的特点是各个模块的电压环调节器均为无静差的PI控制器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。

电压下降特性表达式为：

Δu_dc＝u_dcref-R_droopI_L

式中，R_droop为换流器稳态下降电阻，I_L为换流器流入直流侧的电流。

图4、图5、图6是基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统仿真曲线

在仿真系统中，交直流混合配电系统外接两个交流电网母线，光伏发电系统容量为200kW，蓄电池容量为1MW，风力发电系统容量为1MW。电压源换流器1、电压源换流器2容量均为2MW。

设定风力发电系统出力、光伏发电系统出力分别为35kW和65kW，蓄电池并网时，对其充电，设对其充电的功率恒为40kW，系统带150kW的负荷。起始状态VSC2的逆变功率为120MW，无功为0kvar，在第4s时，VSC2的逆变功率按系统的指令改变为60kW，无功为0kvar。通过VSC1的控制调节，以维持系统安全平稳的运行。仿真时间为10s。

由仿真曲线可知：在有新能源发电的工况下，在仿真运行到第4s时将VSC2的逆变功率由120kW突变到60kW，交直流混合配电系统通过借助于VSC1将系统的功率重新分配，达到系统安全稳定运行的目的，由图6可知：在VSC2逆变功率突变前后，直流母线电压能够稳定运行，验证了基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统及其控制策略的有效性。

Claims (10)

1.一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，是指基于多端柔性直流输电技术，通过双向电力变流器，实现直流输电系统与交流配电系统的连接和新能源的接入；通过对电力变流器实施协调控制，实现多变流器端口间的功率控制和直流母线电压的稳定运行；其特征在于，

包括以下步骤：

步骤1)配电系统通过双向电力变流器(AC/DC)连接交流母线和直流母线；

步骤2)直驱式风力发电装置通过双向电力变流器(AC/DC)接入直流母线；

步骤3)光伏发电装置通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤4)储能电池通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤5)直流负荷通过双向电力变流器(DC/DC)接入直流母线；

步骤6)各电力变流器有功功率采用主从控制模式；

(1)在与交流配电网连接的电力变流器中，选取容量大者进行直流电压控制，其余进行功率控制；

(2)中心控制器检测交直流混合配电系统的电压、功率等电气量；

(3)中心控制器根据检测的电气量，计算系统功率缺额；

(4)中心控制器根据功率控制需求，计算变流器的实际功率控制值；

(5)中心控制器对各功率控制变流器下达功率控制指令，实施功率控制；

步骤7)用于直流母线电压控制的电力变流器，新能源和直流负荷用电力变流器连通，进行直流母线上的多点定直流电压控制；

步骤8)电力变流器的功率控制采用双闭环控制，外环响应有功、无功控制目标，内环采用电流解耦控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：多端柔性直流输电技术，采用多个电压源型的电力变流器联网组成输电系统，电力变流器的直流侧通过 直流线路进行连接，交流侧与交流电源或交流负荷连接；通过对电力变流器中的全控型电力电子器件的快速控制，实现系统中多个直流端的功率控制和直流母线电压的稳定运行。

3.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

双向电力变流器，电力变流器具有能量双向传输的能力，有两种应用形式，一种是从交流系统到直流系统功率的变换和传输；一种是从直流系统到直流系统功率的变换和传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

新能源包括风力发电系统、光伏发电系统、储能系统。

5.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

电力变流器实施协调控制，对各个电力变流器的控制功能进行划分，根据系统运行需求分别控制电力变流器的功率和直流母线电压等多个目标，从而实现交直流混合配电系统的多目标控制和协同运行。

6.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

主从控制模式，在具有多个电力换流器共同运行的系统中，把中心控制器作为主控制器，各电力变流器的控制器作为从控制器，主从控制器间进行通信联系，从控制器服从主控制器。

7.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

检测交直流混合配电系统的电压、功率等电气量，检测风机输出功率、光伏输出功率、储能电池功率、交流负荷功率、直流负荷功率、各交直流母线电压、直流母线电压。

8.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

计算系统缺额，依据如下公式计算系统功率缺额：

△P＝P_配+P_风+P_光+P_储+P_负

其中：△P为直流母线瞬时不平衡功率；P_配为配电网注入直流 母线的有功功率；P_风为风机输出的有功功率；P_光为光伏输出的有功功率；P_储为储能电池的有功功率；P_负为负荷的有功功率。

9.根据权利要求1所述的一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统，其特征在于：

计算变流器的实际功率控制值，依据如下公式计算变流器的实际功率控制值：

P_指＝K·△P+P_期

其中：P_指为与配网相连接，并用于功率控制的电力变流器有功控制指令值；K为不平衡功率分配系数；P_期为初始功率控制期望值；

功率控制的详细情况，电流的d轴分量、q轴分量分别与电压的q轴分量、q轴分量存在着耦合关系。可将解耦算法引入到电流内环控制中，所得的内环电流解耦控制器。

10.根据权利要求1所述的进行直流母线上的多点定直流电压控制，其特征在于：

采用具有电压下降特性的并联控制方法，通过负载电流前馈方式实现；各个参与直流电压调节的电压环调节器均为无静差的PI控制器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。