CN108847680A - 一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，是将优化调度控制与本地故障处理控制相结合，考虑交直流混合配电网正常运行、故障运行两种状态，具体是将柔性环网装置的交流侧连接多个交流配电网，直流侧连接直流配电网，构建基于柔性环网装置的交直流混合配电网，将交直流混合配电网分为调度层和本地控制层，交直流混合配电网正常运行时，调度层通过潮流计算实时调控分布式电源和储能装置的出力情况，使交直流混合配电网运行在最优工况；故障情况下，本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行。本发明能够维持直流侧电压稳定，保障重要负荷的不间断供电，保障系统稳定运行。

Description

一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法

技术领域

本发明涉及一种交直流混合配电网控制方法。特别是涉及一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法。

背景技术

近年来，为响应“节约资源、保护环境”的全球号召，我国新能源发电技术快速发展，对传统交流配电网带来巨大挑战。风能发电装置需要经过交流/直流/交流(AC/DC/AC)换流装置接入交流配电网；光伏发电装置、储能装置需要经过直流/交流(DC/AC)换流装置接入交流配电网，使发电装置的传输效率降低，造成电网资源浪费。同时，电动汽车、直流负荷的快速发展，也使得传统交流配电网越来越无法满足当前智能配电网的要求。直流配电网具有传输容量大，线路损耗小，供电成本低等优点，具有广泛的研究前景。利用直流配电技术加强传统交流配电网，构建交直流混合配电网，可以集成交流配电网与直流配电网的优点，是发展智能电网的必要过渡阶段。

柔性环网装置可以替代传统线路中的联络开关，作为电力电子器件具有柔性调控系统潮流、合理分配电网功率、快速处理线路故障等诸多优点，具有广泛的应用前景。

目前，国内外学者在交直流混合配电网控制策略研究方面已取得一系列研究成果，例如已有方法，见2015IEEE Transactions on Industrial Electronics出版的“Distributed control for autonomous operation ofa three-portAC/DC/DS hybridmicrogrid”，该方法采用换流器连接交流网络与直流网络，本地层对功率进行均分控制。已有方法，见2013IEEE Transactions on Smart Grid出版的“multi-objective control ofVSC-based DC-voltage power port in hybrid AC/DC multi-terminal micro-grids”，为了减小直流母线电压波动，设计了前馈控制器与抗干扰控制器，仿真结果证明了其有效性。上述研究均在本地层研究入手，并未考虑系统全局优化角度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过优化配电系统储能装置、光伏装置、柔性环网装置的传输功率，实现柔性控制系统潮流，降低系统运行损耗的基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，是将优化调度控制与本地故障处理控制相结合，考虑交直流混合配电网正常运行、故障运行两种状态，具体是将柔性环网装置的交流侧连接多个交流配电网，直流侧连接直流配电网，构建基于柔性环网装置的交直流混合配电网，将交直流混合配电网分为调度层和本地控制层，交直流混合配电网正常运行时，调度层通过潮流计算实时调控分布式电源和储能装置的出力情况，使交直流混合配电网运行在最优工况；故障情况下，本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行。

所述的柔性环网装置是由三个电压源换流器并联连接构成，并在三个电压源换流器的直流侧共同连接一个电容。

在正常状态下，柔性环网装置采用主从控制，一端控制直流线路电压，其他端控制线路功率，所述的调度层通过潮流计算实时调控分布式电源和储能装置的出力情况，使交直流混合配电网运行在最优工况，以系统功率损耗最小建立优化调度模型，其中可控变量为光伏装置的有功功率、储能装置的有功功率、柔性环网装置的有功功率与无功功率，优化模型的数学表达式为：

式中，表示交流线路损耗，表示直流线路损耗，表示分布式电源的最大发电功率，P^DG表示分布式电源的实际发电功率，η_VSC表示柔性环网装置中换流器的传输效率，表示柔性环网装置中第x个换流器；

系统稳定运行的节点潮流约束条件如下：

式中，分别表示与直流线路节点i连接的分布式电源、换流站、负荷产生的有功功率，j表示与直流节点i相连的所有节点，g_ij表示直流节点i、j之间的电导，U_i、U_j表示直流线路节点电压；表示与交流线路节点m连接的换流站及负荷分别产生的有功功率，表示与交流线路节点m连接的换流站及负荷分别产生的无功功率，n表示与交流节点m相连的所有节点，G_mn、B_mn表示交流节点m、n之间的电导、电纳，U_m、U_n分别表示交流线路节点m、n电压，θ_m、θ_n分别表示交流线路节点m、n相角；

系统稳定运行的节点电压约束条件如下：

U_{dc min}≤U_dc≤U_{dc max} (5)

U_{ac min}≤U_ac≤U_{ac max} (6)

式中，U_dc表示直流线路节点电压，U_dcmin、U_dcmax表示直流线路节点电压上、下限；U_ac表示交流线路节点电压，U_acmin、U_acmax表示交流线路节点电压上、下限；

系统稳定运行的线路传输约束条件如下：

S_DCmin≤S_DCab≤S_DCmax (7)

S_ACmin≤S_ACcd≤S_ACmax (8)

式中，S_DCab表示直流线路a-b视在功率值，S_DCmin、S_DCmax表示直流线路a-b功率容量上下限；S_ACcd表示交流线路c-d视在功率值，S_ACmin、S_ACmax表示交流线路c-d功率容量上下限；

柔性环网装置稳定运行的约束条件如下：

P_VSC1+P_VSC2+P_VSC3＝P_DC (12)

式中，P_VSC1、P_VSC2、P_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器传输的有功功率；Q_VSC1、Q_VSC2、Q_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器传输的无功功率；S_VSC1、S_VSC2、S_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器运行容量；P_DC表示与柔性环网装置相连的直流端输出的有功功率。

故障情况表示柔性环网装置的某一端出现故障，所述的本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行，是柔性环网装置根据故障情况的不同切换控制，切换控制原则为保证有一端控制直流线路电压，确保直流侧电压稳定运行。

本发明的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，系统正常运行时，以网损最小建立数学模型，其中可控变量为光伏装置的有功功率、储能装置的有功功率、柔性环网装置的有功功率与无功功率，根据系统稳定运行条件，求解系统运行最优工况点；故障情况下，本地层柔性环网装置根据不同故障情况，快速切换控制策略，以维持直流侧电压稳定，保障重要负荷的不间断供电，保障系统稳定运行；通过仿真结果验证，为交直流混合配电网控制策略提供了理论依据，确定了配电网优化调度的方法策略。

附图说明

图1是本发明的交直流混合配电网示意图；

图2是本发明的系统分层控制示意图；

图3是本发明的柔性环网装置结构图；

图4是优化前后电压偏差对比仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法做出详细说明。

本发明的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，是将优化调度控制与本地故障处理控制相结合，考虑交直流混合配电网正常运行、故障运行两种状态，既实现了配电系统的运行优化，又无需过高的通讯要求，具体是将柔性环网装置的交流侧连接多个交流配电网，直流侧连接直流配电网，构建基于柔性环网装置的交直流混合配电网，并将交直流混合配电网分为调度层和本地控制层。

其中,所述的柔性环网装置如图3所示，是由三个电压源换流器(VSC)并联连接构成，并在三个电压源换流器(VSC)的直流侧共同连接一个电容。其具有的特点为优化控制潮流及功率分配、实现有功无功的独立控制，实现配电网的闭环控制，有效提高城市配电网的供电可靠性。

本发明在交直流混合配电网正常运行时，柔性环网装置采用主从控制，一端控制直流线路电压，其他端控制线路功率。调度层通过潮流计算实时调控分布式电源和储能装置的出力情况，使交直流混合配电网运行在最优工况。具体，以系统功率损耗最小建立优化调度模型，其中可控变量为光伏装置的有功功率、储能装置的有功功率、柔性环网装置的有功功率与无功功率，优化模型的数学表达式为：

式中，表示交流线路损耗，表示直流线路损耗，表示分布式电源的最大发电功率，P^DG表示分布式电源的实际发电功率，η_VSC表示柔性环网装置中换流器的传输效率，表示柔性环网装置中第x个换流器；

系统稳定运行的节点潮流约束条件如下：

式中，分别表示与直流线路节点i连接的分布式电源、换流站、负荷产生的有功功率，j表示与直流节点i相连的所有节点，g_ij表示直流节点i、j之间的电导，U_i、U_j表示直流线路节点电压；表示与交流线路节点m连接的换流站及负荷分别产生的有功功率，表示与交流线路节点m连接的换流站及负荷分别产生的无功功率，n表示与交流节点m相连的所有节点，G_mn、B_mn表示交流节点m、n之间的电导、电纳，U_m、U_n分别表示交流线路节点m、n电压，θ_m、θ_n分别表示交流线路节点m、n相角；

系统稳定运行的节点电压约束条件如下：

U_{dc min}≤U_dc≤U_{dc max} (5)

U_{ac min}≤U_ac≤U_{ac max} (6)

式中，U_dc表示直流线路节点电压，U_dcmin、U_dcmax表示直流线路节点电压上、下限；U_ac表示交流线路节点电压，U_acmin、U_acmax表示交流线路节点电压上、下限；

系统稳定运行的线路传输约束条件如下：

S_DCmin≤S_DCab≤S_DCmax (7)

S_ACmin≤S_ACcd≤S_ACmax (8)

式中，S_DCab表示直流线路a-b视在功率值，S_DCmin、S_DCmax表示直流线路a-b功率容量上下限；S_ACcd表示交流线路c-d视在功率值，S_ACmin、S_ACmax表示交流线路c-d功率容量上下限；

柔性环网装置稳定运行的约束条件如下：

P_VSC1+P_VSC2+P_VSC3＝P_DC (12)

式中，P_VSC1、P_VSC2、P_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器传输的有功功率；Q_VSC1、Q_VSC2、Q_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器传输的无功功率；S_VSC1、S_VSC2、S_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器运行容量；P_DC表示与柔性环网装置相连的直流端输出的有功功率。

本发明在故障情况下，本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行。故障情况表示柔性环网装置的某一端出现故障，所述的本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行，是柔性环网装置根据故障情况的不同切换控制，切换控制原则为保证有一端控制直流线路电压，确保直流侧电压稳定运行，提高了配电网的可靠性。

下面结合附图进一步说明本发明的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法。

图1为本发明的交直流混合配电网示意图，通过柔性互联装置P1、P2、P3将不同区域的交流配电网相连，直流端连接直流线路。为保证重要负荷的不间断供电，每条线路均接有储能装置，光伏装置接在直流线路上，此种做法可以减少换流器的使用，提高配电网的传输效率。

图2为本发明的系统分层控制示意图，交直流分层控制包括优化调度层和本地控制层，优化调度层负责优化系统运行，优化目标为系统功率损耗最小，可控变量为光伏装置的有功功率、储能装置的有功功率、柔性环网装置的有功功率与无功功率，约束条件包括节点潮流约束、节点电压约束、线路传输约束、柔性环网装置运行约束；本地控制层负责处理系统故障，当柔性环网装置或交流网侧发生故障时，本地控制层柔性环网装置快速调整控制策略，保证系统稳定运行。

图3为本发明的柔性环网装置结构图，柔性环网装置由三个变流器组成，其中电容C用于提供直流侧电压支撑，减小直流侧电压谐波；电感L为变流器与交流系统能量交换枢纽，滤除交流线路谐波；电阻R为变流器与交流系统线路之间损耗的等效电阻。正常情况下，三端柔性环网装置一端工作于整流阶段，采用电压电流控制，两端工作于逆变状态，采用功率电流控制；当柔性环网装置某端故障后，迅速切换控制策略，以保证非故障端电压电流不受故障端影响，维持直流侧线路电压稳定。

图4为本发明优化前后电压偏差对比仿真图，可以看出基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法结合了本地控制与优化调度的优点，从全局角度对系统进行优化控制的同时又实现了对电网故障的快速处理，保证了重要负荷的不间断供电。

Claims (4)

1.一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，其特征在于，是将优化调度控制与本地故障处理控制相结合，考虑交直流混合配电网正常运行、故障运行两种状态，具体是将柔性环网装置的交流侧连接多个交流配电网，直流侧连接直流配电网，构建基于柔性环网装置的交直流混合配电网，将交直流混合配电网分为调度层和本地控制层，交直流混合配电网正常运行时，调度层通过潮流计算实时调控分布式电源和储能装置的出力情况，使交直流混合配电网运行在最优工况；故障情况下，本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，其特征在于，所述的柔性环网装置是由三个电压源换流器(VSC)并联连接构成，并在三个电压源换流器(VSC)的直流侧共同连接一个电容。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，其特征在于，在正常状态下，柔性环网装置采用主从控制，一端控制直流线路电压，其他端控制线路功率，所述的调度层通过潮流计算实时调控分布式电源和储能装置的出力情况，使交直流混合配电网运行在最优工况，以系统功率损耗最小建立优化调度模型，其中可控变量为光伏装置的有功功率、储能装置的有功功率、柔性环网装置的有功功率与无功功率，优化模型的数学表达式为：

式中，表示交流线路损耗，表示直流线路损耗，表示分布式电源的最大发电功率，P^DG表示分布式电源的实际发电功率，η_VSC表示柔性环网装置中换流器的传输效率，表示柔性环网装置中第x个换流器；

系统稳定运行的节点潮流约束条件如下：

式中，分别表示与直流线路节点i连接的分布式电源、换流站、负荷产生的有功功率，j表示与直流节点i相连的所有节点，g_ij表示直流节点i、j之间的电导，U_i、U_j表示直流线路节点电压；表示与交流线路节点m连接的换流站及负荷分别产生的有功功率，表示与交流线路节点m连接的换流站及负荷分别产生的无功功率，n表示与交流节点m相连的所有节点，G_mn、B_mn表示交流节点m、n之间的电导、电纳，U_m、U_n分别表示交流线路节点m、n电压，θ_m、θ_n分别表示交流线路节点m、n相角；

系统稳定运行的节点电压约束条件如下：

U_dcmin≤U_dc≤U_dcmax (5)

U_acmin≤U_ac≤U_acmax (6)

式中，U_dc表示直流线路节点电压，U_dcmin、U_dcmax表示直流线路节点电压上、下限；U_ac表示交流线路节点电压，U_acmin、U_acmax表示交流线路节点电压上、下限；

系统稳定运行的线路传输约束条件如下：

S_DCmin≤S_DCab≤S_DCmax (7)

S_ACmin≤S_ACcd≤S_ACmax (8)

式中，S_DCab表示直流线路a-b视在功率值，S_DCmin、S_DCmax表示直流线路a-b功率容量上下限；S_ACcd表示交流线路c-d视在功率值，S_ACmin、S_ACmax表示交流线路c-d功率容量上下限；

柔性环网装置稳定运行的约束条件如下：

P_VSC1+P_VSC2+P_VSC3＝P_DC (12)

式中，P_VSC1、P_VSC2、P_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器传输的有功功率；Q_VSC1、Q_VSC2、Q_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器传输的无功功率；S_VSC1、S_VSC2、S_VSC3分别表示柔性环网装置三个换流器运行容量；P_DC表示与柔性环网装置相连的直流端输出的有功功率。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性环网装置的交直流混合配电网分层控制方法，其特征在于，故障情况表示柔性环网装置的某一端出现故障，所述的本地控制层通过切换柔性环网装置的控制模式，维持交直流混合配电网的稳定运行，是柔性环网装置根据故障情况的不同切换控制，切换控制原则为保证有一端控制直流线路电压，确保直流侧电压稳定运行。