CN107425525B - 多馈入型交直流微网柔性互联系统及其微网间调控方法 - Google Patents

多馈入型交直流微网柔性互联系统及其微网间调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多馈入型交直流微网柔性互联系统及其微网间调控方法，包括：多个交流微网和一个直流微网，在多个交流微网的馈线间设置电力电子变换器，通过所述电力电子变换器将多个交流微网接入同一直流微网中。针对不同交流微网的多条馈线，利用电力电子变换器，接入同一直流微网中，实现多馈入型交直流微网的柔性互联。由于电力电子装置的可控性，可实现多交流微网之间，以及交直流微网之间的潮流交互。本发明中分布式电源与负荷可接入直流微网，节省变换器成本；交直流微网之间的互备互供，提高供电可靠性；利用直流微网可实现远端交流微网之间的灵活潮流控制，优化系统运行。

Description

多馈入型交直流微网柔性互联系统及其微网间调控方法
技术领域
本发明涉及电力系统中微网技术、直流技术以及电力电子技术领域，具体地，涉及一种多馈入型交直流微网柔性互联系统，以及该系统中采用柔性直流的多微网间调控方法。
背景技术
在多个交流微网中，相邻微网馈线末端往往通过联络开关实现互联，传统的联络开关具有如下功能：
1、若一个微网系统出现故障，通过联络开关把故障系统的负荷转移到另一个负荷，提高供电可靠性；
2、通过多个联络开关的协调配合，实现网络重构，优化系统运行。
实际上，考虑到电磁环网，短路电流等因素，联络开关在正常工况下需处于开断状态，即多个交流微网间为闭环结构，开环运行。
而随着新能源大量接入交流微网，以及用户对高电能质量的需求，传统的联络开关在控制能力、响应速度等方面已无法满足要求，需要进行多交流微网柔性互联实现馈线之间潮流的灵活交互。
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。
然而，该方案实现的前提是多个交流微网馈线间距离较近，对于远端多个交流微网之间的互联，具体方案设计与控制方法并未涉及。
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多馈入型交直流微网柔性互联系统及其微网间调控方法，通过直流微网实现多交流微网环网运行，以灵活控制各微网间的潮流，优化微网的协调控制与整体运行。该发明适用于在低压侧的多个交流微网场合，对多交流微网采用直流微网实现柔性互联。
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，提供一种多馈入型交直流微网柔性互联系统，包括：多个交流微网和一个直流微网，在多个交流微网的馈线间设置电力电子变换器，通过所述电力电子变换器将多个交流微网接入同一直流微网中。
优选地，所述直流微网由多个共直流母线的多个背靠背VSC(电压源型)变换器构成，VSC变换器作为直流微网和交流微网间的接口装置，所述VSC变换器作为所述直流微网和所述交流微网间的接口装置，所述直流微网通过DC/DC变换器连接分布式电源(如光伏装置)、储能装置、直流负荷中一种或多种。
优选地，所述交流微网与直流微网之间连接的电力电子变换器，根据各端口变换器功能需求的不同，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直流微网的有功功率平衡，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，该节点端口变换器的功能为实现直流微网与交流微网之间的有功、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，所述直流微网设有可扩展储能端口，所述储能端口连接储能装置，应用储能平滑DG功率波动，削峰填谷的功能，实现多微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
优选地，所述直流微网设有分布式电源接口，可以接入分布式电源。
根据本发明第二目的，提供一种上述系统中采用柔性直流的多微网间调控方法，包括：
在多交流微网的馈线间，利用电力电子变换器将其接入同一直流微网中，实现交流微网间的灵活潮流控制；
直流微网采用三级控制方案：系统级控制，根据系统需求确定直流微网所需调控的潮流；变换器级控制，根据系统级控制下发的指令确定各交直流微网接口变换器的调制波；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。
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。
优选地，所述直流微网设有可扩展储能端，在直流微网中可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多交流微网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、通过直流微网实现多交流微网环网运行，交直流微网接口变换器(即电力电子变换器)可以限制短路电流，同时不存在电磁环网问题。
2、提高新能源本地消纳能力。若其中一个交流微网系统上新能源可通过直流微网给其他交流微网上的负荷及直流微网上的负荷供电，尤其该微网上的新能源发电功率PDG高于负荷功率PLoad，则剩余功率PDG-PLoad可由其他交流微网负荷及直流微网负荷消纳，防止新能源倒送到上级配电网，从而提高新能源的本地消纳能力。
3、改善交流微网馈线间的负荷平衡度，优化系统运行。通过直流微网实现各交流微网间的潮流控制，尤其是负荷在时间断面上互补的馈线，可平衡各馈线负荷。
4、改善电能质量。各交直流微网接口变换器可通过输出无功、负序电流补偿及谐波补偿等方式，解决交流微网馈线上存在的电压质量、三相不平衡与谐波等问题，改善电能质量。尤其对于低压交流微网馈线末端常见的电压质量问题，可通过端口变换器输出无功实现补偿。
5、提高供电可靠性。当其中一个交流微网系统故障时，该端口的交直流微网变换器可快速响应，切换到离网运行模式，对故障微网系统上的馈线负荷进行供电，提高了供电可靠性。
6、储能装置接入直流微网储能端口。通过储能装置的充放电控制可实现对微网负荷的削峰填谷，配合直流微网的灵活潮流控制实现空间与时间相统一的潮流优化调度。
7、利用直流微网接入分布式电源。分布式电源接入直流微网，相比于接入交流微网，可省去逆变器成本。
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为本发明多馈入型交直流微网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直流微网拓扑结构示意图；
图3为本发明一实施例直流微网中变换器所采用的Vdc-Q控制策略；
图4为本发明一实施例直流微网中变换器所采用的P-Q控制策略；
图5为本发明一实施例直流微网中变换器所采用的V-f控制策略；
图6为本发明一实施例直流微网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，为本发明多馈入型交直流微网柔性互联系统的应用方案示意图，其中：在多交流微网的馈线间，利用电力电子变换器将多交流微网(如图1中的交流微网1、交流微网2、交流微网3)接入同一直流微网中，实现交流微网间的灵活潮流控制。由于电力电子装置的可控性，可实现多交流微网之间，以及交直流微网之间的潮流交互。
在部分优选实施例中，所述直流微网由多个VSC(电压源型)变换器、分布式电源、储能装置以及直流负荷构成。其中，VSC变换器作为直流微网和交流微网间的接口装置；而分布式电源(如光伏装置)，以及储能装置、直流负荷等，均可通过DC/DC变换器并入直流微网中。
参照图1所示，该系统中接入了分布式电源和负荷，包括：工业负荷、关键负荷、电动组负荷等。分布式电源与负荷可接入直流微网，节省变换器成本；交直流微网之间的互备互供，提高供电可靠性；利用直流微网可实现远端交流微网之间的灵活潮流控制，优化系统运行。
参照图1所示，所述直流微网设有可扩展储能端，可以连接储能装置，在直流微网中可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多交流微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
若其中一个交流微网系统上新能源可通过直流微网给其他交流微网上的负荷及直流微网上的负荷供电，尤其该微网上的新能源发电功率PDG高于负荷功率PLoad，则剩余功率PDG-PLoad可由其他交流微网负荷及直流微网负荷消纳，防止新能源倒送到上级配电网，从而提高新能源的本地消纳能力。
上述系统中：
-控制各交直流微网接口变换器，通过输出无功、负序电流补偿或谐波补偿方式，解决交流微网馈线上存在的电压质量、三相不平衡与谐波问题，改善电能质量；
-当其中一个交流微网故障时，控制该端口的变换器快速响应，切换到离网运行模式，并采取交流电压-频率控制，对故障微网上的馈线负荷进行供电；
-控制储能装置的充放电，平滑DG功率波动，实现对微网负荷的削峰填谷，配合直流微网的灵活潮流控制实现空间与时间相统一的潮流优化调度；
-在采用直流微网实现多交流微网环网运行时，通过电力电子变换器限制短路电流，同时不存在电磁环网问题。
如图2所示，为本发明一实施例中的直流微网拓扑结构示意图，通过DC/DC变换器，可将储能装置、分布式能源以及直流负荷接入直流微网中，并在直流线路中装设直流断路器以提高系统可靠性。而直流微网和交流微网的接口装置为VSC(电压源型变换器)，为了实现直流微网对多交流微网的柔性互联，需要通过各VSC变换器之间的协调控制，维持直流微网的稳态运行，并实现多交直流微网间的潮流调节。
根据各端口变换器功能需求的不同，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，其中：
——平衡节点端口，该节点端口变换器的功能为实现直流微网的有功功率平衡，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，其功能为实现直流微网与交流微网之间的有功、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直流微网稳态运行的关键，因此根据平衡节点端口数量与节点端口变换器变换器控制方案可将多端口直流微网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。各端口变换器控制与(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、无源端口变换器的控制与(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，直流微网可实现稳态运行，并满足采用柔性直流的多微网间调控的基本需求。
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，为本发明一实施例中VSC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，为本发明一实施例中VSC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，为本发明一实施例中VSC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，为本发明一实施例中VSC变换器所采用的下垂控制策略，图中：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。
本发明针对不同交流微网的多条馈线，利用电力电子变换器，接入同一直流微网中，实现多馈入型交直流微网的柔性互联。由于电力电子装置的可控性，可实现多交流微网之间，以及交直流微网之间的潮流交互。本发明分布式电源与负荷可接入直流微网，节省变换器成本；交直流微网之间的互备互供，提高供电可靠性；利用直流微网可实现远端交流微网之间的灵活潮流控制，优化系统运行。
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 (8)

1.一种采用柔性直流的多微网间调控方法，用于多馈入型交直流微网柔性互联系统，其特征在于，所述用于多馈入型交直流微网柔性互联系统包括：多个交流微网和一个直流微网，在多个交流微网的馈线间设置电力电子变换器，通过所述电力电子变换器将多个交流微网接入同一直流微网中；
所述方法包括：
在多交流微网的馈线间，利用电力电子变换器将多交流微网接入同一直流微网中，实现交流微网间的灵活潮流控制；
直流微网采用三级控制方案：
系统级控制，根据系统需求确定直流微网所需调控的潮流；
变换器级控制，根据系统级控制下发的指令确定各交直流微网接口变换器的调制波；
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；
所述方法包括以下控制策略：
(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。
2.根据权利要求1所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，所述直流微网的可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多交流微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
3.根据权利要求1所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，若其中一个交流微网上新能源通过直流微网给其他交流微网上的负荷及直流微网上的负荷供电，当该微网上的新能源发电功率PDG高于负荷功率PLoad，则剩余功率PDG-PLoad可由其他交流微网负荷及直流微网负荷消纳，防止新能源倒送到上级配电网，从而提高新能源的本地消纳能力。
4.根据权利要求1所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下特征一～特征四中一种或多种特征：
特征一：控制各交直流微网接口变换器，通过输出无功、负序电流补偿或谐波补偿方式，解决交流微网馈线上存在的电压质量、三相不平衡与谐波问题，改善电能质量；
特征二：当其中一个交流微网故障时，控制该端口的变换器快速响应，切换到离网运行模式，并采取交流电压-频率控制，对故障微网上的馈线负荷进行供电；
特征三：控制储能装置的充放电，平滑DG功率波动，实现对微网负荷的削峰填谷，配合直流微网的灵活潮流控制实现空间与时间相统一的潮流优化调度；
特征四：在采用直流微网实现多交流微网环网运行时，通过电力电子变换器限制短路电流，同时不存在电磁环网问题。
5.根据权利要求1-4任一项所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，所述直流微网由多个共直流母线的多个背靠背变换器构成，所述变换器作为所述直流微网和所述交流微网间的接口装置，所述直流微网通过DC/DC变换器连接分布式电源、储能装置、直流负荷中一种或多种。
6.根据权利要求1-4任一项所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，所述交流微网与直流微网之间连接的电力电子变换器，根据各端口变换器功能需求的不同，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直流微网的有功功率平衡，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，该节点端口变换器的功能为实现直流微网与交流微网之间的有功、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，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。
7.根据权利要求1-4任一项所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，所述直流微网设有可扩展储能端口，所述储能端口连接储能装置，在可扩展储能端口应用储能削峰填谷的功能，实现多交流微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。
8.根据权利要求1-4任一项所述的采用柔性直流的多微网间调控方法，其特征在于，所述直流微网设有分布式电源接口，可以接入分布式电源。
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