CN107482634A - 一种多微网柔性互联系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多微网柔性互联系统及其控制方法，包括：多个微网和多端口柔性互联器，在多个微网的馈线间设置多端口柔性互联器，在多个微网相邻的馈线末端接入所述多端口柔性互联器实现多个微网的柔性互联。本发明针对不同微网之间的多条相邻馈线末端，利用多端口柔性互联器，取代传统的联络开关，实现多微网的柔性互联。由于电力电子装置的可控性，可实现多微网之间的潮流交互。本发明在不增加短路电流的情况下实现多微网环网运行，提高新能源本地消纳能力，改善馈线间的负荷平衡度，相邻微网实现互备互供，减少线路损耗，提升供电可靠性，并维持馈线末端电压质量。

Description

一种多微网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微网技术、电力电子技术领域，具体地，涉及一种运用电力电子装置实现的多微网柔性互联系统及其控制方法。

背景技术

在多个微网中，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，即多个微网间为闭环结构，开环运行。

而随着新能源大量接入微网，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，但并未涉及对多微网柔性互联方案的阐述，这两者由于按照安装位置不同，从设计及控制方面也存在差异性。

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多微网柔性互联系统及其控制方法，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相邻的多个微网场合，取消传统的联络开关，对多微网相邻的馈线末端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，提供一种多微网柔性互联系统，包括：多个微网和多端口柔性互联器，在多个微网的馈线间设置多端口柔性互联器，在多个微网相邻的馈线末端接入所述多端口柔性互联器实现多个微网的柔性互联。

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，所述储能端口连接储能装置，应用储能削峰填谷的功能，实现多微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。

根据本发明第二目的，提供一种上述多微网柔性互联系统的控制方法，包括：

在多个微网相邻的馈线末端接入所述多端口柔性互联器，实现多个微网的柔性互联；

多端口柔性互联器采用三级控制方案：系统级控制，根据系统需求确定多端口柔性互联器所需调控的潮流；变流器级控制，根据系统级控制下发的指令确定多端口柔性互联器的调制波；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、通过多端口柔性互联器实现多微网环网运行，多端口柔性互联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。若其中一个微网系统上新能源可通过多端口柔性互联器给其他微网上的负荷供电，尤其该微网上的新能源发电功率P_DG高于负荷功率P_Load，则剩余功率P_DG-P_Load可由其他微网负荷消纳，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、改善微网馈线间的负荷平衡度，优化系统运行。通过多端口柔性互联器潮流控制，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。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，解决各馈线存在的三相不平衡、电压质量与谐波等问题，改善电能质量。尤其对于低压微网馈线末端常见的电压质量问题，可通过多端口柔性互联器端口变换器输出无功实现补偿。

5、提高供电可靠性。当其中一个微网系统故障时，多端口柔性互联器可快速响应，该端口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、储能装置接入多端口柔性互联器储能端口。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。

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在多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，为本发明多端口柔性互联器在多微网柔性互联系统的应用方案示意图；其中：在多个交流微网的馈线间设置多端口柔性互联器，在多个交流微网相邻的馈线末端接入所述多端口柔性互联器实现多个交流微网的柔性互联。

参照图1所示，所述多端口柔性互联器设有可扩展储能端，所述储能端口连接储能装置，应用储能削峰填谷的功能，实现多微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。进一步的，储能装置接入多端口柔性互联器储能端口。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。

按照图1所示的系统，若其中一个微网系统上新能源可通过多端口柔性互联器给其他微网上的负荷供电，尤其该微网上的新能源发电功率P_DG高于负荷功率P_Load，则剩余功率P_DG-P_Load可由其他微网负荷消纳，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。

进一步的，上述系统中：

-控制多端口柔性互联器，通过输出无功、负序电流补偿或谐波补偿等方式，解决各馈线存在的三相不平衡、电压质量与谐波等问题；

-当其中一个交流微网配电变压器故障时，控制多端口柔性互联器快速响应，该端口切换到离网运行模式，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，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；

-在采用多端口柔性互联器可实现多微网环网运行时，通过多端口柔性互联器可限制短路电流，同时不存在电磁环网问题。

如图2所示，多端口柔性互联器MT-FID(Multi-TerminalFlexibleInterconnectedDevice)拓扑由共直流母线的多个背靠背VSC变换器构成，为了实现MT-FID对多微网的柔性互联，需要通过各VSC变换器之间的协调控制，维持MT-FID的稳态运行，并实现多微网间的潮流调节。

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，其中：

——平衡节点端口，该节点端口变换器的功能为实现MT-FID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，并满足多微网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V_dc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i_d分别为变换器有功电流参考值和实际值；和i_q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；v_1d和v_1q分别为变换器交流侧PCC点电压的有功和无功分量；u_d和u_q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：V_abc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；V_d和V_q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；u_d和u_q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：P_i ^ref和P_i分别为变换器输出的有功功率参考值和实际值；和U_{DC_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。

本发明针对不同微网之间的多条相邻馈线末端，利用电力电子装置——MT-FID(Multi-Terminal FlexibleInterconnectedDevice：多端口柔性互联器)，取代传统的联络开关，实现多微网的柔性互联。由于电力电子装置的可控性，可实现多微网之间的潮流交互。本发明在不增加短路电流的情况下实现多微网环网运行，提高新能源本地消纳能力，改善馈线间的负荷平衡度，相邻微网实现互备互供，减少线路损耗，提升供电可靠性，并维持馈线末端电压质量。

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 (10)

1.一种多微网柔性互联系统，其特征在于包括：多个微网和多端口柔性互联器，在多个微网的馈线间设置多端口柔性互联器，多个微网相邻的馈线末端接入所述多端口柔性互联器实现多个微网的柔性互联。

2.根据权利要求1所述的多微网柔性互联系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的多微网柔性互联系统，其特征在于，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。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多微网柔性互联系统，其特征在于，所述多端口柔性互联器设有可扩展储能端，所述储能端口连接储能装置，应用储能削峰填谷的功能，实现多微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。

5.一种用于权利要求1-4任一项所述的多微网柔性互联系统的控制方法，其特征在于，包括：在多个微网相邻的馈线末端接入所述多端口柔性互联器，实现多个微网的柔性互联；

多端口柔性互联器采用三级控制方案：

系统级控制，根据系统需求确定多端口柔性互联器所需调控的潮流；

变流器级控制，根据系统级控制下发的指令确定多端口柔性互联器的调制波；

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。

6.根据权利要求5所述的控制方法，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。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述多端口柔性互联器的储能端口连接储能装置，应用储能削峰填谷的功能，实现多微网间与储能间的能量交互，实现负荷平移。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，若其中一个微网系统上新能源通过多端口柔性互联器给其他微网上的负荷供电，当该微网上的新能源发电功率P_DG高于负荷功率P_Load，则剩余功率P_DG-P_Load可由其他微网负荷消纳，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。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，控制所述多端口柔性互联器，通过输出无功、负序电流补偿或谐波补偿方式，解决各馈线存在的电压质量、谐波与三相不平衡等问题。

10.根据权利要求6-9任一项所述的控制方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下一种或多种特征：

-当其中一个交流微网配电变压器故障时，控制多端口柔性互联器快速响应，对应端口切换为交流电压-频率控制模式，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，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；

-在采用多端口柔性互联器可实现多微网环网运行时，通过多端口柔性互联器可限制短路电流，同时不存在电磁环网问题。