CN107394819B - 一种变电站低压母线间柔性互联系统及其控制方法 - Google Patents

一种变电站低压母线间柔性互联系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变电站低压母线间柔性互联系统及其控制方法，包括：多个变压器和多端口柔性互联器，所述多个变压器位于同一变电站中，在各条相邻的所述变压器出口母线上接入所述多端口柔性互联器实现多母线柔性互联。本发明针对同一变电站中各变压器出口侧的多条相邻母线，利用多端口柔性互联器取代母联开关，实现多母线的柔性互联。由于电力电子装置的可控性，实现多母线之间潮流交互。本发明在不增加短路电流的情况下实现多母线并列运行，提高新能源本地消纳能力，改善母线间的负荷平衡度，提高变压器负载率，降低变压器基础容量，提升供电可靠性，通过适当的控制亦可改善电能质量。

Description

一种变电站低压母线间柔性互联系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统中配电、电力电子技术领域，具体地，涉及一种变电站低压母线间柔性互联系统及其控制方法。
背景技术
在传统的配电网中，同一变电站的不同变压器出口母线通过母联开关实现互联，母联开关具有如下功能：
1、两条母线并列(并网)运行或解列(分网)运行；
2、母线并列运行中，当其中一条母线及其线路故障时，保护动作及时分开母联开关，可保证另一母线正常供电，缩小停电范围；
3、倒闸操作时，合上母联开关，进行等电位不停电操作；
4、当线路断路器故障时，可使故障断路器所在线路接入一条空母线，由母联开关串代(代替线路开关)运行。
而随着新能源大量接入配电网，以及用户对高电能质量的需求，传统的母联开关在控制能力、响应速度等方面已无法满足要求，需要进行多母线柔性互联实现母线之间潮流等灵活交互。
经检索，Jeffrey M.Bloemink等发表的文章“Increasing distributedgeneration penetration using soft normally-open points”(IEEE Power and EnergySociety General Meeting，2010)，提出了采用SNOP(软常开开关)替代传统低压配电网馈线中的联络开关，实现配电网馈线末端柔性互联的方案，但并未涉及对配电母线进行柔性互联的方案设计，这两者由于按照安装位置不同，那么从设计及控制方面存在这差异性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变电站低压母线间柔性互联系统及其控制方法，以灵活控制各母线间的潮流，优化配电网的整体运行。该发明适用于在配电网场合，取消传统的母线互联开关，对同一变电站中的不同变压器出口母线采用多端口柔性互联器(MT-FID，Multi-Terminal FlexibleInterconnectedDevice)实现柔性互联。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一目的，提供一种变电站低压母线间柔性互联系统，包括：多个变压器和多端口柔性互联器，所述多个变压器位于同一变电站中，在各条相邻的所述变压器出口母线上接入所述多端口柔性互联器实现多母线柔性互联。
优选地，所述多端口柔性互联器由共直流母线的多个背靠背VSC(电压源型)变换器构成。
优选地，所述多端口柔性互联器中，根据各端口变换器变流器功能需求的不同，将端口节点端口分为平衡节点端口，有源节点端口以及无源节点端口，其中：
——平衡节点端口，该节点端口变换器的功能为实现多端口柔性互联器内部的有功功率平衡，以提供或消纳其他端口变换器有功功率交互所需的功率差；
——有源节点端口，其功能为实现多端口柔性互联器与变压器母线之间的有功、无功功率控制；
——无源节点端口，该节点端口变换器所连接的交流母线为无源网络，如该侧故障被切除，此时节点变换器的功能是为相对应的交流无源网络提供交流电源实现电压支撑。
优选地，所述多端口柔性互联器设有可扩展储能端口，在可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多母线间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
根据本发明第二目的，提供一种上述变电站低压母线间柔性互联系统的控制方法，包括：
对同一变电站中的不同变压器出口母线采用多端口柔性互联器实现柔性互联，通过多端口柔性互联器实现多母线并列运行；
多端口柔性互联器采用三级控制方案：系统级控制，根据系统需求确定MT-FID所需调控的潮流；变流器级控制，根据系统级控制下发的指令确定MT-FID的调制波；开关级控制，根据变流器级控制所输出的调制波确定开关的具体动作。
优选地，所述方法进一步包括以下一种或多种控制策略：
(1)单个平衡端口，其他为有源、无源端口的主从控制策略：单个平衡端口采取直流母线电压-无功功率控制即Vdc-Q控制，有源端口采取有功功率-无功功率控制即P-Q控制，无源端口采取交流电压-频率控制即V-f控制；
(2)部分端口通过高速实时通信紧密联系，统一控制，形成虚拟平衡端口，其他为有源、无源端口的主从控制策略；各端口变流器控制与(1)相同；
(3)部分端口通过采用下垂控制，形成多个独立的平衡端口，其他为有源、无源端口的多平衡端口控制策略；多个平衡端口采取下垂控制即Droop控制，而有源、无源端口变流器的控制与(1)相同。
优选地，所述多端口柔性互联器的可扩展储能端口，应用储能削峰填谷的功能，实现多母线间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过MT-FID实现多母线并列运行，同时MT-FID可以限制短路电流，因此母线实现了不增加短路电流的前提下实现并列运行。
2、提高新能源本地消纳能力。若其中一条变压器母线上新能源可通过MT-FID给其他母线上的负荷供电，尤其该母线上的新能源发电功率PDG高于负荷功率PLoad，则剩余功率PDG-PLoad，防止新能源到送到输电网，从而提高新能源的本地消纳能力。
3、改善母线间的负荷平衡度，提高变压器负载率，降低变压器基础容量。通过MT-FID潮流控制，尤其是负荷在时间断面上互补的母线，可平衡各母线负荷，优化所联变压器的负载率，进而降低变压器基础容量。
4、改善电能质量。MT-FID各个端口可通过输出无功、负序电流补偿及谐波补偿等方式，解决各母线存在的电压质量、三相不平衡与谐波等问题，改善电能质量。
5、提高供电可靠性。当其中一台变压器故障或者母线失电时，跳开变压器出口断路器，MT-FID可快速响应，该端口并切换到离网运行模式，对故障变压器出口母线所联的各馈线负荷进行供电，提高了供电可靠性。
6、储能装置接入MT-FID储能端口。通过储能装置的充放电控制可实现对配电网负荷的削峰填谷，配合MT-FID潮流控制实现空间与时间相统一的潮流优化调度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明MT-FID在配电变压器出口侧母线的柔性互联应用方案示意图；
图2为本发明一实施例所采用的MT-FID拓扑结构示意图；
图3为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的Vdc-Q控制策略；
图4为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的P-Q控制策略；
图5为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的V-f控制策略；
图6为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的下垂控制策略。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明多端口柔性互联器(MT-FID)在配电变压器出口侧母线的柔性互联系统的应用方案示意图，包括：多个变压器和多端口柔性互联器，所述多个变压器位于同一变电站中，在各条相邻的所述变压器出口母线上接入所述多端口柔性互联器实现多母线柔性互联。由于电力电子装置的可控性，实现多母线之间潮流交互。
按照图1所示的系统，所述多端口柔性互联器设有可扩展储能端口，在可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多母线间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
若其中一条变压器母线上新能源可通多端口柔性互联器给其他母线上的负荷供电，尤其该母线上的新能源发电功率PDG高于负荷功率PLoad，则剩余功率PDG-PLoad，防止新能源到送到输电网，从而提高新能源的本地消纳能力。
进一步的，上述系统中：
-控制多端口柔性互联器各个端口，可通过输出无功、负序电流补偿及谐波补偿等方式，解决各母线存在的电压质量、三相不平衡与谐波等问题，改善电能质量；
-当其中一台变压器故障或者母线失电时，跳开变压器出口断路器，控制多端口柔性互联器快速响应，该端口并切换到离网运行模式，对故障变压器出口母线所联的各馈线负荷进行供电；
-控制储能装置的充放电，实现对配电网负荷的削峰填谷，配合多端口柔性互联器潮流控制实现空间与时间相统一的潮流优化调度；
-通过所述多端口柔性互联器实现多母线并列运行，同时通过所述多端口柔性互联器限制短路电流，使得母线实现了不增加短路电流的前提下实现并列运行。
如图2所示，在一部分实施例中，多端口柔性互联器拓扑由共直流母线的多个背靠背VSC变换器构成，为了实现多端口柔性互联器对配电母线的柔性互联，需要通过各VSC变换器之间的协调控制，维持多端口柔性互联器的稳态运行，并实现多条母线间的潮流调节。
根据各端口变换器变流器功能需求的不同，可将端口节点端口分为平衡节点端口，有源节点端口以及无源节点端口。
——平衡节点端口，该节点端口变换器的功能为实现MT-FID装置内部的有功功率平衡，以提供或消纳其他端口变换器有功功率交互所需的功率差。
——有源节点端口，其功能为实现MT-FID装置与变压器母线之间的有功、无功功率控制。
——无源节点端口，该节点端口变换器所连接的交流母线为无源网络，如该侧变压器故障被切除的情况，此时节点变换器的功能是为相对应的交流无源网络提供交流电源实现电压支撑。
平衡节点端口是实现MT-FID装置稳态运行的关键，因此根据平衡节点端口数量与节点端口变换器变流器控制方案可将MT-FID装置多端口协调控制策略分为三类：
控制策略(1)——单个平衡端口，其他为有源、无源端口的主从控制策略。单个平衡端口采取直流母线电压-无功功率控制(Vdc-Q控制)，有源端口采取有功功率-无功功率控制(P-Q控制)，无源端口采取交流电压-频率控制(V-f控制)。该策略的优势在于除了平衡端口所连接的交流母线外，其余n-1条母线有功、无功功率可实现独立控制；缺陷在于平衡端口故障或者故障穿越时无法实现MT-FID有功功率平衡，需要选择并快速切换至新的平衡端口，在此过程中将会引起装置及电网的暂态冲击。
控制策略(2)——部分端口通过高速实时通信紧密联系，统一控制，形成虚拟平衡端口，其他为有源、无源端口的主从控制策略。各端口变流器控制与(1)相同。该策略的优势在于当某个平衡端口故障时，在其他平衡端口的控制下，装置依旧可维持稳态运行；缺陷在于牺牲了部分端口的有功功率的独立控制能力。
控制策略(3)——部分端口通过采用下垂控制，形成多个独立的平衡端口，其他为有源、无源端口的多平衡端口控制策略。多个平衡端口采取下垂控制(Droop控制)，而有源、无源端口变流器的控制与(1)相同。该策略的优势在于端口间不需要高速实时的通信系统，而是根据直流母线电压的大小，各平衡端口功率自适应调整，实现装置的功率平衡与稳态运行；缺陷在于直流母线电压的控制存在稳态误差，并在一定程度上牺牲了各平衡端口独立控制有功功率的能力。
通过以上三种协调控制策略，MT-FID可实现稳态运行，并满足多母线柔性互联的基本需求。
具体的，结合附图3-6对于上述的控制策略的实现进行详细说明：
如图3所示，为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的Vdc-Q控制策略，图中：和Vdc分别为直流电压参考值和实际值；Q*和Q分别为无功功率参考值和实际值；和id分别为变换器有功电流参考值和实际值；和iq分别为变换器无功电流参考值和实际值；ω为交流侧系统频率；L1为变换器交流侧电感；v1d和v1q分别为变换器交流侧PCC点电压的有功和无功分量；ud和uq分别为变换器输出电压有功和无功分量的参考值。图3中所示Vdc-Q控制策略的具体流程为：
1、VSC变换器直流侧母线电压参考值和实际值之差通过PI调节器控制，输出为有功电流参考值；VSC变换器交流侧无功功率参考值和实际值之差通过PI调节器控制，输出为无功电流参考值；
2、有功和无功电流参考值和实际值之差通过各自的PI调节器控制，此外，电流解耦环节用于实现有功和无功电流的独立控制，PCC电压补偿环节用于提高响应速度，三者输出之和为VSC变换器所需的有功和无功电压参考值；
3、通过dq/abc变换环节和调制环节，输出高频开关量控制变换器中的开关装置，从而使变换器输出相应的参考电压。
由图3可知，通过有功和无功电流解耦控制，可实现直流侧电压与变换器输出无功功率的独立调节。
如图4所示，为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的P-Q控制策略，图中：P*和P分别为有功功率参考值和实际值，其余参数和图3相同。图4中所示P-Q控制策略的具体流程为：
1、VSC变换器交流侧有功功率参考值和实际值之差通过PI调节器控制，输出为有功电流参考值；VSC变换器交流侧无功功率参考值和实际值之差通过PI调节器控制，输出为无功电流参考值；
2、有功和无功电流参考值和实际值之差通过各自的PI调节器控制，此外，电流解耦环节用于实现有功和无功电流的独立控制，PCC电压补偿环节用于提高响应速度，三者输出之和为VSC变换器所需的有功和无功电压参考值；
3、通过dq/abc变换环节和调制环节，输出高频开关量控制变换器中的开关装置，从而使变换器输出相应的参考电压。
由图4可知，通过有功和无功电流解耦控制，可实现变换器输出有功功率和无功功率的独立调节。
如图5所示，为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的V-f控制策略，图中：Vabc为变换器交流侧PCC点的三相电压；θ为锁相环输出的交流侧PCC点三相电压相角；Vd和Vq分别为经过abc-dq变换后的变换器交流侧PCC点电压有功和无功分量；和分别为变换器交流侧PCC点电压的有功和无功分量参考值；ud和uq分别为变换器交流输出电压的有功和无功分量参考值。图5中所示V-f控制策略的具体流程为：
1、根据锁相环PLL环节提供的参考相角，将变换器交流侧PCC点三相电压实际值经过abc/dq环节转换为PCC点电压的有功和无功分量实际值；
2、变换器交流侧PCC点电压的有功和无功分量参考值和实际值之差通过PI调节器控制，输出为VSC变换器所需的有功和无功电压参考值；
3、通过dq/abc变换环节和调制环节，输出高频开关量控制变换器中的开关装置，从而使变换器输出相应的参考电压。
由图5可知，通过V-f控制，变换器可输出恒定频率的交流电压。
如图6所示，为本发明一实施例MT-FID中变换器所采用的下垂控制策略，图中：Pi ref和Pi分别为变换器输出的有功功率参考值和实际值；和UDC_common分别为变换器直流侧电压的参考值和实际值；为变换器有功电流分量的参考值。图6中所示下垂控制策略的具体流程为：
1、变换器直流侧电压参考值和实际值的平方之差通过PI调节器控制，输出为下垂控制的补偿量；
2、变换器输出的有功功率参考值和实际值之差，在下垂控制的补偿量补偿后，通过PI调节控制，输出为变换器有功电流分量的参考值；
3、电流环控制环节的具体流程和图3所示相同，最终通过调制输出高频开关量，控制变换器中的开关装置，从而使变换器输出相应的参考电压。
由图6可知，在有功功率控制环路中增加直流电压下垂控制环节，可实现功率-电压下垂控制，完成多个平衡端口的自适应功率调节。
本发明针对同一变电站中各变压器出口侧的多条相邻母线，利用电力电子装置——MT-FID(Multi-Terminal FlexibleInterconnectedDevice：配电网多端口柔性互联器)取代母联开关，实现多母线的柔性互联。由于电力电子装置的可控性，实现多母线之间潮流交互。本发明在不增加短路电流的情况下实现多母线并列运行，提高新能源本地消纳能力，改善母线间的负荷平衡度，提高变压器负载率，降低变压器基础容量，提升供电可靠性，通过适当的控制亦可改善电能质量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种变电站低压母线间柔性互联系统，其特征在于包括：多个变压器和多端口柔性互联器，所述多个变压器位于同一变电站中，在各条相邻的所述变压器的出口母线上接入所述多端口柔性互联器实现多母线柔性互联；
所述多端口柔性互联器由共直流母线的多个背靠背VSC变换器构成；
所述多端口柔性互联器中，根据各端口变换器功能需求的不同，将端口节点端口分为平衡节点端口，有源节点端口以及无源节点端口，其中：
-平衡节点端口，该节点端口变换器的功能为实现多端口柔性互联器内部的有功功率平衡，以提供或消纳其他端口变换器有功功率交互所需的功率差；
-有源节点端口，其功能为实现多端口柔性互联器与变压器母线之间的有功、无功功率控制；
-无源节点端口，该节点端口变换器所连接的交流母线为无源网络，如该侧故障被切除，此时节点变换器的功能是为相对应的交流无源网络提供交流电源实现电压支撑。
2.根据权利要求1所述的变电站低压母线间柔性互联系统，其特征在于，所述多端口柔性互联器设有可扩展储能端口，在可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多母线间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
3.一种用于权利要求1-2任一项所述变电站低压母线间柔性互联系统的控制方法，其特征在于，包括：
对同一变电站中的不同变压器出口母线采用多端口柔性互联器实现柔性互联，通过多端口柔性互联器实现多母线并列运行；
多端口柔性互联器采用三级控制方案：系统级控制，根据系统需求确定配电网多端口柔性互联器MT-FID所需调控的潮流；变换器级控制，根据系统级控制下发的指令确定配电网多端口柔性互联器MT-FID的调制波；开关级控制，根据变换器级控制所输出的调制波确定开关的具体动作；
所述方法进一步包括以下一种或多种控制策略：
(1)单个平衡端口，其他为有源、无源端口的主从控制策略：单个平衡端口采取直流母线电压-无功功率控制即Vdc-Q控制，有源端口采取有功功率-无功功率控制即P-Q控制，无源端口采取交流电压-频率控制即V-f控制；
(2)部分端口通过高速实时通信紧密联系，统一控制，形成虚拟平衡端口，其他为有源、无源端口的主从控制策略；各端口变换器控制与(1)相同；
(3)部分端口通过采用下垂控制，形成多个独立的平衡端口，其他为有源、无源端口的多平衡端口控制策略；多个平衡端口采取下垂控制即Droop控制，而有源、无源端口变换器的控制与(1)相同。
4.根据权利要求3所述的变电站低压母线间柔性互联系统的控制方法，其特征在于，所述多端口柔性互联器的可扩展储能端口，应用储能削峰填谷的功能，实现多母线间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
5.根据权利要求3所述的变电站低压母线间柔性互联系统的控制方法，其特征在于，若其中一条变压器母线上新能源可通多端口柔性互联器给其他母线上的负荷供电，尤其该母线上的新能源发电功率PDG高于负荷功率PLoad，则剩余功率PDG-PLoad，防止新能源倒送到输电网，从而提高新能源的本地消纳能力。
6.根据权利要求3所述的变电站低压母线间柔性互联系统的控制方法，其特征在于，控制所述多端口柔性互联器各个端口，通过输出无功、负序电流补偿或谐波补偿方式，解决各母线存在的电压质量、三相不平衡或谐波问题。
7.根据权利要求3-6任一项所述的变电站低压母线间柔性互联系统的控制方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下一种或多种特征：
特征一：当其中一台变压器故障或者母线失电时，跳开变压器出口断路器，控制多端口柔性互联器快速响应，与该故障或者母线失电的变压器连接的所述多端口柔性互联器的端口切换到交流电压-频率控制模式，对故障变压器出口母线所联的各馈线负荷进行供电；
特征二：控制储能装置的充放电，实现对配电网负荷的削峰填谷，配合多端口柔性互联器潮流控制实现空间与时间相统一的潮流优化调度；
特征三：通过所述多端口柔性互联器实现多母线并列运行，同时通过所述多端口柔性互联器限制短路电流，使得母线实现了不增加短路电流的前提下实现并列运行。
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