CN107302220A - 一种分布式电压和潮流控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的分布式电压和潮流控制方法及其装置，该方法和装置通过直接在负载侧安装电压和潮流控制设备，使得所有负载的电压运行在电压的最优点上，且不受电网电压的影响，节能效果显著；此外，这种方法和装置还可以通过控制电压和潮流，实现需求侧响应。
Description
所属技术领域
本发明涉及输配电领域，具体涉及一种分布式电压和潮流控制方法及其装置。
背景技术
降压节能技术是配电网实现节能的一种重要手段。按照国家的相关标准，供电电压的合格范围一般在-10％～+10％之间，而负载的功率会随着供电电压的下降而下降。
参见图1，现有技术中一般通过调整变压器分接头，降低整条馈线的电压，只要末端电压不低于供电电压的下限就能够达到节能的效果，实验结果表明降压节能能够实现显著降低负载所消耗的功率。
但现有的降压节能技术存在以下主要的问题：
(1)当线路潮流增大时，电压下降的斜率会增大，此时电压能够调节的范围很小，节能效果差；
(2)末端电压接近供电电压的下限，裕度很小，当电压低于下限值时会影响负载的正常运行；
(3)即使采用了最优电压控制(VVO)，也并不是所有负载点电压都是最优的；
(4)线路电压下降会增大线路的损耗，在某些运行条件下，整个系统的节能量并不明显。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种新型的分布式电压和潮流控制方法，该方法通过直接在负载侧安装电压和潮流控制设备，使得所有负载的电压运行在电压的最优点上，且不受电网电压波动的影响，节能效果显著；此外这种方法还可以通过控制电压和潮流，实现需求侧响应。
为了实现上述目的，本发明提供一种分布式电压和潮流控制方法，其特征在于，该方法通过在负载侧电压和潮流控制设备(DCVR)，来控制负载的供电电压，使得所有负载的电压运行在电压最优点上，其中所述电压最优点是根据负载特性、运行状态等因素综合决定的，一般在额定点或者额定点到最低允许电压之间。
优选的，在所述控制方法中，每个负载均包括与其对应的降压变压器，分布式电压和潮流控制设备(DCVR)串联在变压器的低压侧和负载之间。
优选的，所述电压和潮流控制设备为全功率变流器(VSC)，所述全功率变流器的两端分别接到负载和电网，网侧变换器用于控制直流电压的稳定，负载侧变换器用于控制负载的供电电压，使得负载侧的电压始终在降压运行的最优点上。
优选的，通过对全功率变流器(VSC)采用闭环控制，实现负载侧的电压始终在降压运行的最优点上。
优选的，所述闭环控制通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网电压值us和相位θs；
(2)采集负载侧电压ul，并对其进行abc/dq变换得到分解到dq轴的电压，参考电压uref同样可以分解到dq轴，采用矢量控制策略，在dq轴上分别对负载电压进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(3)为了提高控制器的动态响应速度，需要加入电流控制环，将上一步骤输出作为电流控制环的给定，电流控制环的输出经过调制之后之间对变换器的IGBT进行控制。
优选的，采用如下步骤控制直流电压的稳定：
(1)采集VSC的直流电压udc、电网电压uabcs和网侧变换器三相电流iabcs；
(2)利用锁相环PLL和电网电压uabcs得到电网电压的相位θs，基于θs将三相电流iabcs变换到dq轴上，分别为ids和iqs；
(3)直流电压的给定值为将和实际电压udc比较之后通过PI控制器得到了d轴的电流给定将和实际电流ids比较之后通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴电压udrs；
(4)利用无功功率给定构成的外环加上q轴电流iqs构成的电流内环得到逆变器输出的q轴电压uqrs，udrs和uqrs再经过dq/abc的变换得到变换器输出电压的给定值；
(5)逆变器输出电压的给定值经过PWM调理之后直接控制变换器的IGBT实现闭环控制。
优选的，所述电压和潮流控制设备为统一电能质量调节器(UPQC)。
优选的，所述电压和潮流控制设备为统一潮流控制器(UPFC)。
优选的，所述电压和潮流控制设备为动态静止同步补偿器(D-SSSC)。
优选的，在所述控制方法中，对于恒阻抗负载，当负载电压为V0(标幺值)时，负载所消耗的功率是P0(标幺值)，当电压升高为V0+ΔV时，负载消耗的功率变成：
对于恒电流负载，当负载电压升高时，负载消耗的功率变为：
如果负载是恒功率负载，电压变化对负载功率没有影响。
优选的，所述方法还包括如下步骤：使用分布式电压和潮流控制装置实现需求侧响应，参与电网的辅助服务。
优选的，由电压和潮流控制设备协同来完成所述辅助服务，辅助服务的指令先发给中央服务器，服务器根据当前每个负载的情况计算出单个电压和潮流控制设备的指令，然后将指令发给各个电压和潮流控制设备。
为了实现上述目的，本发明还提供一种分布式电压和潮流控制装置，其特征在于，该装置包括设置在负载侧的电压和潮流控制设备，用于控制负载的供电电压，使得所有负载的电压运行在电压最优点上，其中所述电压最优点是根据负载特性、运行状态等因素综合决定的，一般在额定电压或者额定电压到最低允许电压之间。
优选的，所述电压和潮流控制设备为全功率变流器(VSC)，所述全功率变流器的两端分别接到负载和电网，网侧变换器用于控制直流电压的稳定，负载侧变换器用于控制负载的供电电压，使得负载侧的电压始终在降压运行的最优点上。
优选的，所述电压和潮流控制设备为统一电能质量调节器(UPQC)。
优选的，所述电压和潮流控制设备为统一潮流控制器(UPFC)。
优选的，所述电压和潮流控制设备为动态静止同步补偿器(D-SSSC)。
优选的，所述装置还包括中央服务器，中央服务器根据当前每个负载的情况计算出单个负载控制器的指令，然后发给各电压和潮流控制设备，然后由多个电压和潮流控制设备协同完成电压控制。
本发明具有如下优点：(1)该方法直接在负载侧安装电压和潮流控制设备，使得所有负载的电压运行在电压的最优点上，不受电网电压的影响，节能效果非常明显；(2)该方法可以通过控制电压和潮流，实现需求侧响应；(3)由于电网电压始终是波动的，负载供电电压一般都在额定电压的100％～110％之间，如果不采用分布式电压和潮流控制装置，负载的供电电压也是波动的，超出额定电压之上的电压会带来额外的功率损耗，采用分布式电压和潮流控制装置之后，就不存在这部分损耗了。
附图说明
图1示出了现有技术中的一种传统降压节能系统的框图；
图2示出了本发明的一种分布式电压和潮流控制方法的流程图；
图3示出了本发明的一种分布式电压和潮流控制系统的示意框图；
图4示出了本发明的一种分布式电压和潮流控制系统的协同控制的框图。
图5示出了本发明的一种以全功率变流器(VSC)作为电压和潮流控制设备(DCVR)的实施方式；
图6进一步示出了图5中的一种以全功率变流器(VSC)作为电压和潮流控制设备(DCVR)的控制框图；
图7示出了本发明的以统一电能质量调节器(UPQC)作为电压和潮流控制设备(DCVR)的实施方式；
图8示出了本发明的一种以统一潮流控制器(UPFC)作为电压和潮流控制设备(DCVR)的实施方式；
图9示出了本发明的一种以动态静止同步补偿器(D-SSSC)作为电压和潮流控制设备(DCVR)的实施方式。
具体实施方式
图2示出了一种分布式电压和潮流控制方法的流程图，该方法包括如下步骤：
S1.为每个负载配置电压和潮流控制设备；
S2.通过电压和潮流控制设备控制负载的供电电压，使得所有负载的电压运行在电压最优点上。
其中所述电压最优点是根据负载特性、运行状态等因素综合决定的，一般在额定电压或者额定电压到最低允许电压之间。
图3示出了本发明的一种分布式电压和潮流控制系统的示意框图，该系统包括：多个负载，与多个负载对应的变压器，每个变压器和负载之间均对应设置有电压和潮流控制设备(DCVR)。
由于电网电压始终是波动的，负载供电电压一般都在额定电压的100％～110％之间，超出额定电压之上的电压会带来额外的功率损耗，采用分布式电压和潮流控制装置之后，可以使得这部分损耗消失，降低负载消耗功率的原理如下：
对于恒阻抗负载，当负载电压为V0(标幺值)时，负载所消耗的功率是P0(标幺值)，当电压升高为V0+ΔV时，负载消耗的功率变成：
对于恒电流负载，当负载电压升高时，负载消耗的功率变为：
如果负载是恒功率负载，电压变化对负载功率没有影响，因此降压节能的效果还取决于负载的种类和组成。
此外，根据电网的需要，分布式电压和潮流控制装置还可以实现需求侧响应，参与电网的辅助服务，辅助服务包括调峰、调频、备用容量等。
加入了分布式电压和潮流控制装置之后，负载的电压就不再随电网电压的变化而变化，而控制电压就可以在一定范围内控制负载的功率，因此当电网需要的情况下，可以通过电压的控制，降低或者提高负载功率，实现需求侧响应。
当然，当单个负载的容量太小时，很难直接参与辅助服务。在实际应用中可以由电压和潮流控制设备协同来完成的。协同完成的一种具体实施方式可参见附图4，辅助服务的指令先发给中央服务器，服务器根据当前每个负载的情况计算出单个负载控制器的指令，然后发给各个电压和潮流控制设备(DCVR)，由多个电压和潮流控制设备(DCVR)协同工作，实现负载潮流和电压的控制。
参见图5，以全功率变流器(VSC)为例来说明分布式电压和潮流控制的具体实施。VSC的两端分别接到负载和电网，连接电网侧的变换器称为网侧变换器，主要用来控制直流电压的稳定；连接负载侧的变换器称为负载侧变换器，主要用于来控制负载的供电电压，使得负载侧的电压始终在降压运行的最优点上。由于采用了AC/DC/AC变换，使得电网侧和负载侧完全隔离，通过电压闭环控制就可以控制负载电压在任意的设定点上
参见图5，所述闭环控制通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网电压值us和相位θs；
(2)采集负载侧电压ul，并对其进行abc/dq变换得到分解到dq轴的电压，参考电压uref同样可以分解到dq轴，采用矢量控制策略，在dq轴上分别对负载电压进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器(比例积分调节)，也可以是其他类型的控制器；
(3)为了提高控制器的动态响应速度，需要加入电流控制环，将上一步骤输出作为电流控制环的给定，电流控制环的输出经过调制之后之间对变换器的IGBT进行控制。
这样既可以满足负载的优质供电电压要求，又可以达到很好的节能效果。当电网电压低于最低供电电压时，负载侧变换器还能够通过在直流上加装储能环节，采用上面相同的控制策略，即可控制负载侧变换器的输出电压，保持供电电压在合格的范围之内。
图6给出了以全功率变流器(VSC)作为电压和潮流控制设备(DCVR)这一实施方式的具体控制框图。电网侧变换器和负载侧变换器都采用矢量控制策略，主要的功能模块包括：用于检测电网侧电压相位的PLL锁相环、PI控制器(以PI为例，根据实际情况需要可以采用其他类型的控制器)、坐标变换模块(abc/dq变换和dq/abc变换器)、比较器等。通过矢量控制可以保持各个给定量(包括直流电压、网侧无功功率、负载电压的d轴分量、负载电压的q轴分量)达到设定值，以直流电压udc为例说明如下：
(1)采集VSC的直流电压udc、电网电压uabcs和网侧变换器三相电流iabcs。
(2)利用锁相环PLL和电网电压uabcs得到电网电压的相位θs。基于θs将三相电流iabcs变换到dq轴上，分别为ids和iqs。
(3)直流电压的给定值为将和实际电压udc比较之后通过PI控制器得到了d轴的电流给定将和实际电流ids比较之后通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴电压udrs。
(4)类似地利用无功功率给定构成的外环加上q轴电流iqs构成的电流内环得到逆变器输出的q轴电压uqrs，udrs和uqrs再经过dq/abc的变换得到变换器输出电压的给定值。
(5)逆变器输出电压的给定值经过PWM调理之后直接控制变换器的IGBT实现了闭环控制。
负载侧变换器同样采用类似的矢量控制策略，在此不再赘述。
图7、图8和图9分别给出了采用统一电能质量调节器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)和动态静止同步补偿器(D-SSSC)作为分布式电压和潮流控制设备的实施方式，该三种实施方式的控制方法和全功率变流器(VSC)类似，但与全功率变流器(VSC)直接控制负载侧电压不同的是，统一电能质量调节器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)和动态静止同步补偿器(D-SSSC)是通过控制串联侧变换器来控制串联变压器副边的电压，从而控制串联变压器原边的电压，实现对负载电压的控制。统一电能质量调节器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)和动态静止同步补偿器(D-SSSC)作为分布式电压和潮流控制设备时，采用的控制策略可以参照全功率变流器(VSC)的控制策略，在此不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种分布式电压和潮流控制方法，其特征在于，该方法通过在负载侧设置电压和潮流控制设备(DCVR)，来控制负载的供电电压，使得所有负载的电压运行在电压最优点上，其中所述电压最优点是根据负载特性、运行状态综合决定的，电压最优点在额定电压或者额定电压到最低允许电压之间。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述控制方法中，每个负载均包括与其对应的降压变压器，分布式电压和潮流控制设备(DCVR)串联在降压变压器的低压侧和负载之间。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述电压和潮流控制设备为全功率变流器(VSC)，所述全功率变流器的两端分别接到负载和电网，网侧变换器用于控制直流电压的稳定，负载侧变换器用于控制负载的供电电压，使得负载侧的电压始终在降压运行的最优点上。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，通过对全功率变流器(VSC)采用闭环控制，实现负载侧的电压始终在降压运行的最优点上。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述闭环控制通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网电压值us和相位θs；
(2)采集负载侧电压ul，并对其进行abc/dq变换得到分解到dq轴的电压，参考电压uref同样可以分解到dq轴，采用矢量控制策略，在dq轴上分别对负载电压进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(3)为了提高控制器的动态响应速度，需要加入电流控制环，将上一步骤输出作为电流控制环的给定，电流控制环的输出经过调制之后之间对变换器的IGBT进行控制。
6.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，采用如下步骤控制网侧变换器直流电压的稳定：
(1)采集VSC的直流电压udc、电网电压uabcs和网侧变换器三相电流iabcs；
(2)利用锁相环PLL和电网电压uabcs得到电网电压的相位θs，基于θs将三相电流iabcs变换到dq轴上，分别为ids和iqs；
(3)直流电压的给定值为将和实际电压udc比较之后通过PI控制器得到了d轴的电流给定将和实际电流ids比较之后通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴电压udrs；
(4)利用无功功率给定构成的外环加上q轴电流iqs构成的电流内环得到逆变器输出的q轴电压uqrs，udrs和uqrs再经过dq/abc的变换得到变换器输出电压的给定值；
(5)逆变器输出电压的给定值经过PWM调理之后直接控制变换器的IGBT实现闭环控制。
7.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述电压和潮流控制设备为统一电能质量调节器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)或者动态静止同步补偿器(D-SSSC)。
8.如权利要求1-7中任一所述的控制方法，其特征在于，在所述控制方法中，对于恒阻抗负载，当负载电压为V0时，负载所消耗的功率是P0，其中，所述V0和P0均为标幺值，当电压升高为V0+ΔV时，负载消耗的功率变成：
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如果负载是恒功率负载，电压变化对负载功率没有影响。
9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：使用分布式电压和潮流控制装置实现需求侧响应，参与电网的辅助服务。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，由电压和潮流控制设备协同来完成所述辅助服务，辅助服务的指令先发给中央服务器，服务器根据当前每个负载的情况计算出单个电压和潮流控制设备的指令，然后将指令发给各个电压和潮流控制设备。
11.一种分布式电压和潮流控制装置，其特征在于，该装置包括设置在负载侧的电压和潮流控制设备，用于控制负载的供电电压，使得所有负载的电压运行在电压最优点上，其中所述电压最优点是根据负载特性、运行状态综合决定的，电压最优点在额定点或者额定点到最低允许电压之间。
12.如权利要求11所述的分布式电压和潮流控制装置，其特征在于，所述电压和潮流控制设备为全功率变流器(VSC)，所述全功率变流器的两端分别接到负载和电网，网侧变换器用于控制直流电压的稳定，负载侧变换器用于控制负载的供电电压，使得负载侧的电压始终降压运行在所述电压最优点上。
13.如权利要求11所述的分布式电压和潮流控制装置，其特征在于，所述电压和潮流控制设备为统一电能质量调节器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)或者动态静止同步补偿器(D-SSSC)。
14.如权利要求11-13任一所述的分布式电压和潮流控制装置，其特征在于，所述装置还包括中央服务器，中央服务器根据当前每个负载的情况计算出单个负载控制器的指令，然后发给各电压和潮流控制设备，然后由多个电压和潮流控制设备协同完成电压控制。
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