CN108539769B - 一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于降低配电网络电压不平衡度技术领域的一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法。所述方法通过收集含有电力电子变压器的交直流混合配电网络运行参数，建立优化模型，并以交流网络各节点负序电压和零序电压平方和最小为目标函数，进行优化计算，从而求解电力电子变压器的端口控制值。本发明是针对基于电力电子变压器形成的交直流混合配电网络，直流网络可以为交流网络提供能量支撑。本发明以降低交流网络所有节点的电压不平衡度为目标，且同时考虑了负序电压和零序电压，既可以降低负序电压不平衡度也可以降低零序电压不平衡度，可以综合抑制多节点的电压不平衡，相比现有的降低电压不平衡度方法更加经济、准确、可靠。

Description

一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法

技术领域

本发明属于降低配电网络电压不平衡度技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法。

背景技术

低压配电网通常采用四线制供电模式，单、三相负荷并存，三相不平衡问题将难以避免，不平衡负载的接入导致三相电压失衡，会给电网安全和效率带来不利影响。一个不平衡的配电系统将产生更多的损耗和热效应，三相电压不平衡也会对感应电动机、电力电子变流器和调速驱动器等设备产生负面影响甚至危害。除此之外，三相不平衡产生的负序电流可能引起电网负序保护动作，影响供电安全。

目前，针对三相不平衡问题，治理措施主要分为负荷补偿和负荷相序平衡两大类。负荷补偿主要是通过在配网电源侧或负荷侧增设补偿装置，对三相不对称负荷进行调补，从而降低三相电压不平衡度。如基于Steinmetz理论的无源补偿方式，即在不平衡负载旁安装特定参数的无源设备，将其变为一个等效三相平衡负载，此方式主要适合于补偿固定不平衡负载，适用范围有限；有源补偿方式，如采用SVC、SVG、STATCOM等设备，其补偿指令可以灵活调节，具有响应速度快，补偿精度高等特点，但需要加装额外的电能质量调节器，且都只是针对电网局部不平衡进行补偿，当待治理区域有多个分散不平衡源时，需要多台补偿设备协同运行，控制的难度和成本都将大大增加。负荷相序平衡法是指在不改变电网原有拓扑结构的前提下，通过对线路的运行情况进行检测分析，依靠人工换相或自动换相，将不平衡负荷合理地平均分配到各相上，从而减小三相电压不平衡度。然而由于负荷使用的随机性，人工换相调整滞后、不准确，实际效果并不理想；而由晶闸管构成的换相开关虽然能够快速安全的换相，但需要设计复杂的驱动装置，换相成本过高。这种方法只能做到暂时性的三相平衡，换相过程又可能导致重要负荷断电，因此可靠性太差。总体来说对于降低配电网络电压不平衡度的问题，目前缺少一种经济、准确、可靠的解决方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集含有电力电子变压器的交直流混合配电网络运行参数；

步骤2：考虑低压交流系统的三相四线制供电模式，建立四线制网络的功率平衡方程，以配电网中交流系统所有节点的负序电压和零序电压平方和最小为目标函数，以网络安全稳定运行作为约束条件建立优化模型；

步骤3：对步骤2建立的优化模型求解，得到的各分布式电源出力、电力电子变压器的端口电压和功率，并将求解得到的结果反馈给各控制系统；

步骤4：各控制系统以优化计算后的变量作为参考值，控制可控设备的实际值跟踪参考值；

步骤5：检测优化控制后各交流节点的三相电压，计算电压不平衡度，评判优化效果。

所述含有电力电子变压器的交直流混合配电网络运行参数包括网络的拓扑结构、母线编号、名称、负荷有功、交流系统负荷无功、配电线路支路号、首端节点和末端节点编号、电力电子变压器的交直流端口编号。

所述方法依据电力电子变压器交流端口的电压幅值和相位独立可控，通过引入电力电子变压器对低压交流网络的三相电压幅值和相位进行分相控制，以保持三相电压的相对独立性，不受网络潮流的影响，能够综合降低全网多节点的电压不平衡度；其中，三相电压幅值和相位满足以下约束条件：

式中，

为交流端口三相电压幅值的最小值，

为交流端口三相电压幅值的最大值，

为交流端口三相电压幅值；

为交流端口三相电压相角的最大值，

为交流端口三相电压相角的最小值，

为交流端口三相电压相角。

所述步骤2建立的优化模型为：

目标函数：

式中，n表示交流网络总的节点个数，V_k,2r和V_k,2i分别为节点k负序电压的实部和虚部，V_k,0r和V_k,0i分别为节点k零序电压的实部和虚部；

约束条件：

(1)等式约束条件

1)三相四线制交流网络的功率平衡约束

其中，每个节点i需满足中性线的电流平衡方程：

式中，

φ＝{a,b,c,n}，γ＝{a,b,c,n}为电气集合，m为交流节点的个数， n表示中性相，

为节点i电源及负荷的三相注入功率，

为节点i的三相电压，

为中性线电压，

为节点k的四相电压，

为导纳矩阵元素；

2)直流网络的功率平衡约束

式中，m为直流网络总的节点个数，P_Gi为直流网络节点i发电机输出的有功功率，P_Di为直流节点i负荷消耗的有功功率、V_i为节点i的电压幅值，G_ij表示支路ij之间的电导值；

3)电力电子变压器的功率平衡约束

P_hv＝P_ac+P_dc+P_loss

式中，P_hv为主网流入的有功功率，P_ac为交流端口输出功率，P_dc为直流端口的输出功率，P_loss为电力电子变压器的有功损耗；

(2)不等式约束条件

4)运行电压幅值约束

式中，V_idc为直流网络节点i的电压幅值，

为交流网络节点i的三相电压幅值，V_idc.min和V_idc.max分别为直流网络节点i的电压最小、最大值，

和

分别为交流网络节点i的三相电压最小、最大值；

5)可控分布式电源出力约束

直流侧分布式电源有功出力的上下限约束：

P_gdc.min≤P_gdc≤P_gdc.max

交流侧分布式电源三相有功、无功出力的上下限约束：

式中，P_gdc.min为直流侧分布式电源有功出力最小值，P_gdc.max为直流侧分布式电源有功出力最大值，P_gdc为直流侧分布式电源有功出力值；

为交流侧分布式电源有功出力最小值，

为交流侧分布式电源有功出力最大值、

为交流侧分布式电源有功出力值；

为交流侧分布式电源无功出力最小值、

为交流侧分布式电源无功出力最大值、

为交流侧分布式电源无功出力值；

6)电力电子变压器的不等式约束

交、直流端口电压约束：

交、直流端口输出功率约束：

式中，

为交流端口三相电压幅值的最小值，

为交流端口三相电压幅值的最大值、

为交流端口三相电压幅值，

为交流端口三相电压相角的最小值，

为交流端口三相电压相角的最大值，

为交流端口三相电压相角值，u_dc.min为直流端口电压幅值的最小值、u_dc为直流端口电压幅值，u_dc.max为直流端口电压幅值的最大值，

为交流端口三相有功的最小值、

为交流端口三相有功的最大值、

为交流端口三相输出有功，

为交流端口三相输出无功，

为交流端口三相无功的最小值，

为交流端口三相无功的最大值，P_dc.min为直流端口有功的最小值，P_dc.max为直流端口有功的最大值，P_dc为直流端口输出有功；

所述步骤5计算电压不平衡度的数学公式为：

式中，VUF和VUF₀分别为节点负序电压不平衡度和节点零序电压不平衡度， V_k,2r和V_k,2i分别为节点k负序电压的实部和虚部，V_k,0r和V_k,0i分别为节点k零序电压的实部和虚部。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明不需要加装额外的电能质量调节器，直接利用电力电子变压器实现功率传输，对变压器端口施加控制就可以实现其降低配电网电压不平衡度的作用，可以在充分挖掘电力电子变压器功能的同时节约用于提高电能质量的成本，还能起到电能质量治理工作。

(2)本发明以降低整个交流网络中所有节点的电压不平衡度为目标，而不是降低个别节点的电压不平衡度，将优化模型引入到降低电压不平衡度中去，可以保证计算结果中所有节点具有较低的电压不平衡度，从而可以综合抑制多节点的电压不平衡，而不是对局部范围进行治理，治理范围更为广泛，大大提高了该方法的准确性。

(3)本发明对各控制变量的调整是通过对优化模型求解得到的，然后再反馈给控制系统，无需进行换相操作，不会造成重要负荷断电，具有较好的可靠性。

(4)交直流系统具有不同的电气特性和运行目标，降低交流网络电压不平衡度时，本发明的直流网络可以为交流网络提供能量支撑，在交直流网络互补运行的同时，还可以降低配电网的电压不平衡度，满足系统的经济运行。

(5)本发明无需复杂的检测控制技术，只需要检测电压、功率等基本的电气量，通过相应的优化计算，就可以实现降低电压不平衡度的功能。

(6)本发明考虑到可再生分布式能源的间隙性和波动性，在优化计算时可以通过相应的预测技术，从而实现长时间尺度下三相电压不平衡的治理工作。

附图说明

附图1为本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的流程图；

附图2为本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的含有电力电子变压器的交直流混合配电网络；

附图3为本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的所用电力电子变压器的拓扑结构；

附图4为本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的所用多端口电力电子变压器的功率流动图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出的用电力电子变压器去降低配电网络电压不平衡度的方法，是针对基于电力电子变压器形成的交直流混合配电网络，其中直流网络可以为交流网络提供能量支撑，考虑到电力电子变压器端口的可控性，以此为基础建立优化数学模型，以交流网络各节点负序电压和零序电压平方和最小为目标函数，进行优化计算，从而可以求解出电力电子变压器的端口控制值。本发明的电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1：收集含有电力电子变压器的交直流混合配电网络运行参数；

步骤2：考虑低压交流系统的三相四线制供电模式，建立四线制网络的功率平衡方程，以配电网中交流系统所有节点的负序电压和零序电压平方和最小为目标函数，以网络安全稳定运行作为约束条件建立优化模型；

步骤3：对步骤2建立的优化模型求解，得到的各分布式电源出力、电力电子变压器的端口电压和功率，并将求解得到的结果反馈给各控制系统；

步骤4：各控制系统以优化计算后的变量作为参考值，控制可控设备的实际值跟踪参考值；

步骤5：检测优化控制后各交流节点的三相电压，计算电压不平衡度，评判优化效果。

具体的，所述步骤1中，收集的含有电力电子变压器的交直流混合配电网络参数如图2所示，具体包括网络的拓扑结构、母线编号、名称、负荷有功、交流系统负荷无功、配电线路支路号、首端节点和末端节点编号、电力电子变压器的交直流端口编号等。

具体的，所述步骤2中，在收集含有电力电子变压器的交直流混合配电网络参数的基础上，建立以交流网络中所有节点负序电压和零序电压平方和最小为目标函数，以网络安全稳定运行作为约束条件的优化模型，以实现利用电力电子变压器的柔性控制能力降低配电网络电压不平衡度的功能。为降低交流系统的电压不平衡度，交流侧分布式电源无法实现充分利用，意味着从电力电子变压器端口注入交流网络的有功功率会相应增加，利用PET形成的灵活可调的混合网络，直流侧可以为交流侧提供一定的能量支撑。

所述优化模型表示为：

为了降低整个交流网络的电压不平衡度，本发明建立如下目标函数：

式中，n表示交流网络总的节点个数，V_k,2r和V_k,2i分别为节点k负序电压的实部和虚部，V_k,0r和V_k,0i分别为节点k零序电压的实部和虚部；

从优化模型的目标函数中可以看出，本发明是以降低四线制交流网络所有节点的电压不平衡度为目标，而不是降低个别节点或局部区域，且同时考虑了负序电压和零序电压，既可以降低负序电压不平衡度也可以降低零序电压不平衡度，可以综合抑制多节点的电压不平衡问题。

上述降低配电网络电压不平衡度优化模型的约束条件包括等式约束条件和不等式约束条件。

1、等式约束条件包括：

1)三相四线制交流网络的功率平衡约束

对于交流配电网络中的每个节点i，其三相注入功率方程为：

与此同时，每个节点i还应满足中性线的电流平衡方程：

式中，

φ＝{a,b,c,n}，γ＝{a,b,c,n}为电气集合，m为交流节点的个数， n表示中性相，

为节点i电源及负荷的三相注入功率，

为节点i的三相电压，

为中性线电压，

为节点k的四相电压，

为导纳矩阵元素；

2)直流网络的功率平衡约束

对于直流配电网络中的每个节点i，需要满足如下约束：

式中m表示直流网络总的节点个数，P_Gi表示直流网络节点i发电机输出的有功功率、P_Di表示直流节点i负荷消耗的有功功率、V_i表示节点i的电压幅值、G_ij表示支路ij之间的电导值。由于直流网络中不存在无功功率，因此只需要满足有功平衡即可。

3)电力电子变压器的功率平衡约束

附图3为本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的所用电力电子变压器的拓扑结构，由输入整流级、中间隔离级和输出逆变级共同组成。附图4为所述多端口电力电子变压器的功率流动图，应满足如下功率方程：

P_hv＝P_ac+P_dc+P_loss (6)

式中，P_hv表示主网流入的有功功率，P_ac表示交流端口输出功率，P_dc为直流端口的输出功率，P_loss为电力电子变压器的有功损耗。综上，公式(3)-(6) 构成了本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度优化模型的等式约束条件。

2、不等式约束条件包括：

1)运行电压幅值约束

式中，V_idc为直流网络节点i的电压幅值，

为交流网络节点i的三相电压幅值，V_idc.min和V_idc.max分别为直流网络节点i的电压最小、最大值，

和

分别为交流网络节点i的三相电压最小、最大值。

2)可控分布式电源出力约束

直流侧分布式电源有功出力的上下限约束：

P_gdc.min≤P_gdc≤P_gdc.max (8)

交流侧分布式电源三相有功、无功出力的上下限约束

式中，P_gdc.min为直流侧分布式电源有功出力最小值，P_gdc.max为直流侧分布式电源有功出力最大值，P_gdc为直流侧分布式电源有功出力值；

为交流侧分布式电源有功出力最小值，

为交流侧分布式电源有功出力最大值、

为交流侧分布式电源有功出力值；

为交流侧分布式电源无功出力最小值、

为交流侧分布式电源无功出力最大值、

为交流侧分布式电源无功出力值；

3)电力电子变压器的不等式约束

交、直流端口电压约束：

交、直流端口输出功率约束：

式中，

为交流端口三相电压幅值的最小值，

为交流端口三相电压幅值的最大值、

为交流端口三相电压幅值，

为交流端口三相电压相角的最小值，

为交流端口三相电压相角的最大值，

为交流端口三相电压相角值，u_dc.min为直流端口电压幅值的最小值、u_dc为直流端口电压幅值，u_dc.max为直流端口电压幅值的最大值，

为交流端口三相有功的最小值、

为交流端口三相有功的最大值、

为交流端口三相输出有功，

为交流端口三相输出无功，

为交流端口三相无功的最小值，

为交流端口三相无功的最大值，P_dc.min为直流端口有功的最小值，P_dc.max为直流端口有功的最大值，P_dc为直流端口输出有功；

公式(10)、(11)分别表示电力电子变压器交直流端口的电压以及传输功率的上下限约束，与传统变压器不同，电力电子变压器含有中间直流变换环节使得高、低压两侧的交流系统实现了有效的电气隔离，二者只能通过电力电子变压器进行功率的相互交换，低压交流网络的不对称电流不会传至高压侧从而影响其三相对称性；除此之外，电力电子变压器通过引入电力电子变换器能够对低压交流网络的三相电压幅值

和相位

进行分相控制，以保持三相电压的相对独立性，不受网络潮流的影响，如若将端口电压控制为三相完全对称虽能有效抑制临近节点的不平衡电压，但却不利于降低全网各节点的电压不平衡度，鉴于此，考虑电力电子变压器交流端口的电压幅值和相角都作为可控变量，进行寻优求解。

综上，公式(7)-(11)构成了本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度优化模型的不等式约束条件。以上部分即为本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度所建立的数学优化模型，为后续的计算机求解打下了基础。

具体的，所述步骤3中，根据构建的用于降低配电网络电压不平衡度的优化模型，利用计算机仿真软件对其进行求解，并将求解得到的结果反馈给各控制系统。在步骤1获取交直流混合配电网络运行参数后，将其带入到步骤2的优化模型中去，然后利用计算机软件去进行求解，如采用基于Matlab、C或C++等语言来编写求解。

具体的，所述步骤4中，各控制系统以优化计算后的变量作为参考值，控制各分布式电源，电力电子变压器等可控设备的实际值跟踪参考值。

具体的，所述步骤5中，检测优化控制后的交流网络各节点三相电压，计算其电压不平衡度，从而来评判优化效果。

式中，V_k,r和V_k,i分别为节点k正序电压、负序电压和零序电压的实部和虚部，VUF和VUF₀分别表示节点的负序电压不平衡度和零序电压不平衡度。检测优化控制后交流网络各节点的三相电压，将其进行相序变换，然后带入式(12)，从而验证本发明电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的有效性。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集含有电力电子变压器的交直流混合配电网络运行参数；

步骤2：考虑低压交流系统的三相四线制供电模式，建立四线制网络的功率平衡方程，以配电网中交流系统所有节点的负序电压和零序电压平方和最小为目标函数，以网络安全稳定运行作为约束条件建立优化模型；

步骤3：对步骤2建立的优化模型求解，得到的各分布式电源出力、电力电子变压器的端口电压和功率，并将求解得到的结果反馈给各控制系统；

步骤4：各控制系统以优化计算后的变量作为参考值，控制可控设备的实际值跟踪参考值；

步骤5：检测优化控制后各交流节点的三相电压，计算电压不平衡度，评判优化效果。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法，其特征在于，所述含有电力电子变压器的交直流混合配电网络运行参数包括网络的拓扑结构、母线编号、名称、负荷有功、交流系统负荷无功、配电线路支路号、首端节点和末端节点编号、电力电子变压器的交直流端口编号。

3.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法，其特征在于，所述方法依据电力电子变压器交流端口的电压幅值和相位独立可控，通过引入电力电子变压器对低压交流网络的三相电压幅值和相位进行分相控制，以保持三相电压的相对独立性，不受网络潮流的影响，能够综合降低全网多节点的电压不平衡度；其中，三相电压幅值和相位满足以下约束条件：

式中，

为交流端口三相电压幅值的最小值，

为交流端口三相电压幅值的最大值，

为交流端口三相电压幅值；

为交流端口三相电压相角的最大值，

为交流端口三相电压相角的最小值，

为交流端口三相电压相角。

4.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法，其特征在于，所述步骤2建立的优化模型为：

目标函数：

式中，n表示交流网络总的节点个数，V_k,2r和V_k,2i分别为节点k负序电压的实部和虚部，V_k,0r和V_k,0i分别为节点k零序电压的实部和虚部；

约束条件：

(1)等式约束条件

1)三相四线制交流网络的功率平衡约束

其中，每个节点i需满足中性线的电流平衡方程：

式中，

φ＝{a,b,c,n}，γ＝{a,b,c,n}为电气集合，m为交流节点的个数，n表示中性相，

为节点i电源及负荷的三相注入功率，

为节点i的三相电压，

为中性线电压，

为节点k的四相电压，

为导纳矩阵元素；

2)直流网络的功率平衡约束

式中，m为直流网络总的节点个数，P_Gi为直流网络节点i发电机输出的有功功率，P_Di为直流节点i负荷消耗的有功功率、V_i为节点i的电压幅值，G_ij表示支路ij之间的电导值；

3)电力电子变压器的功率平衡约束

P_hv＝P_ac+P_dc+P_loss

式中，P_hv为主网流入的有功功率，P_ac为交流端口输出功率，P_dc为直流端口的输出功率，P_loss为电力电子变压器的有功损耗；

(2)不等式约束条件

4)运行电压幅值约束

式中，V_idc为直流网络节点i的电压幅值，

为交流网络节点i的三相电压幅值，V_idc.min和V_idc.max分别为直流网络节点i的电压最小、最大值，

和

分别为交流网络节点i的三相电压最小、最大值；

5)可控分布式电源出力约束

直流侧分布式电源有功出力的上下限约束：

P_gdc.min≤P_gdc≤P_gdc.max

交流侧分布式电源三相有功、无功出力的上下限约束：

式中，P_gdc.min为直流侧分布式电源有功出力最小值，P_gdc.max为直流侧分布式电源有功出力最大值，P_gdc为直流侧分布式电源有功出力值；

为交流侧分布式电源有功出力最小值，

为交流侧分布式电源有功出力最大值、

为交流侧分布式电源有功出力值；

为交流侧分布式电源无功出力最小值、

为交流侧分布式电源无功出力最大值、

为交流侧分布式电源无功出力值；

6)电力电子变压器的不等式约束

交、直流端口电压约束：

交、直流端口输出功率约束：

式中，

为交流端口三相电压幅值的最小值，

为交流端口三相电压幅值的最大值、

为交流端口三相电压幅值，

为交流端口三相电压相角的最小值，

为交流端口三相电压相角的最大值，

为交流端口三相电压相角值，u_dc.min为直流端口电压幅值的最小值、u_dc为直流端口电压幅值，u_dc.max为直流端口电压幅值的最大值，

为交流端口三相有功的最小值、

为交流端口三相有功的最大值、

为交流端口三相输出有功，

为交流端口三相输出无功，

为交流端口三相无功的最小值，

为交流端口三相无功的最大值，P_dc.min为直流端口有功的最小值，P_dc.max为直流端口有功的最大值，P_dc为直流端口输出有功。

5.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器降低配电网络电压不平衡度的方法，其特征在于，所述步骤5计算电压不平衡度的数学公式为：

式中，VUF和VUF₀分别为节点负序电压不平衡度和节点零序电压不平衡度，V_k,2r和V_k,2i分别为节点k负序电压的实部和虚部，V_k,0r和V_k,0i分别为节点k零序电压的实部和虚部。

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