CN109088414B - 配电网系统及其无功控制方法和控制系统 - Google Patents

配电网系统及其无功控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及配电网系统及其无功控制方法和控制系统，配电网系统中有电力电子负荷，电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，在线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，以减缓有功不足的情况，同时，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，确定需要补偿的无功功率的大小，根据得到的无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿，对线网进行一定的无功支撑。因此，在线网有功不足的情况下适当减小有功负荷，同时利用剩余的变换器容量给线网一定的无功支撑，改善线网的电压质量，同时增加线网的电压，节省了线网相关无功补偿设备的投资量，避免线网电压下降。

Description

配电网系统及其无功控制方法和控制系统
技术领域
本发明涉及配电网系统及其无功控制方法和控制系统。
背景技术
由于可再生能源的广泛接入，分布式能源的孤岛运行必须具有瞬态的电源-负荷平衡能力，这就要求区域微网中有大量的储能装置，在网内可再生能源无法提供足够功率时接管频率和电压控制。比如授权公告号为CN206790117U的中国专利文件中公开了一种微电网控制系统，包括配电网、公共母线、分布式发电单元、电力电子变换电路、储能装置和负荷。但是，如果储能装置的容量不够，微电网将会遭受严重的频率和电压波动，甚至发生崩溃。另一方面，储能装置非常昂贵，大量使用储能装置会增加工程投资，影响可再生能源的推广应用。
如图1所示，为一种典型的微电网结构，包括储能装置和电力电子负荷，其中，电力电子负荷为配设有电力电子设备的负荷，这里的电力电子设备称为电力电子负荷变换器，电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网。因此，为了解决上述矛盾，基于图1中的电力电子负荷，在线网有功不足时通过控制电力电子负荷变换器，适度减小有功负荷，进而使得在有限储能装置的条件下缓解线网有功不足，避免发生线网崩溃。
但是上述方法没有考虑到负荷往往是阻感性而非纯阻性，而阻感性负荷还会引起电压下降，因此阻感性负荷引起的频率下降还经常伴随线网电压下降，但是，上述方法并没能缓解线网电压下降问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种配电网系统的无功控制方法，用以解决现有的控制方法在减小有功负荷时会造成线网电压下降的问题。本发明同时提供一种配电网系统的无功控制系统和一种配电网系统。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
一种配电网系统的无功控制方法，配电网系统中有电力电子负荷，所述电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据所述无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿。
在线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，以减缓有功不足的情况，同时，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，确定需要补偿的无功功率的大小，根据得到的无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿，对线网进行一定的无功支撑，避免线网电压下降。因此，在线网有功不足的情况下适当减小有功负荷，同时利用剩余的变换器容量给线网一定的无功支撑，改善线网的电压质量，同时避免线网的电压进一步降低，节省了线网相关无功补偿设备的投资量。
进一步地，实现所述线网负荷增加到一定程度的判断过程为：实时检测线网频率，当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，表示所述线网负荷增加到一定程度。
由于线网频率与线网负荷有着密切的关联，线网负荷越大，线网频率越低，因此，实时检测线网频率，当线网的频率降低到设定的频率限值时，表示线网负荷增加到一定的程度，此时就需要进行有功降载，降低线网负荷。
进一步地，所述无功补偿指令值的计算过程为：
(1)根据所述有功输出功率计算电力电子负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000031
(2)根据所述最大允许吸收或者发出的无功功率值、线网电压和所述有功输出功率计算所述无功补偿指令值，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000032
其中，Qmax是电力电子负荷变换器最大允许吸收或发出的无功功率值，P是有功输出功率，SN是电力电子负荷变换器的额定容量，V是线网电压，Qref是电力电子负荷变换器的无功补偿指令值，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
进一步地，所述有功降载的过程为：当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，逐步降低有功输出功率，每降低一次，均判断所述线网频率是否小于或者等于设定的频率限值，如果所述线网频率小于或者等于设定的频率限值，则继续降低有功输出功率；当有功输出功率降低至设定的有功输出功率下限值时，如果所述线网频率仍小于或者等于设定的频率限值，则将电力电子负荷变换器的有功输出功率调为0。
进一步地，所述无功补偿的实现过程为：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，将电力电子负荷变换器的无功输出功率调为0。
一种配电网系统的无功控制系统，配电网系统中有电力电子负荷，所述电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，所述无功控制系统包括一个控制模块，所述控制模块包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现的控制步骤包括：当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据所述无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿。
进一步地，实现所述线网负荷增加到一定程度的判断过程为：实时检测线网频率，当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，表示所述线网负荷增加到一定程度。
进一步地，所述无功补偿指令值的计算过程为：
(1)根据所述有功输出功率计算电力电子负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000041
(2)根据所述最大允许吸收或者发出的无功功率值、线网电压和所述有功输出功率计算所述无功补偿指令值，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000042
其中，Qmax是电力电子负荷变换器最大允许吸收或发出的无功功率值，P是有功输出功率，SN是电力电子负荷变换器的额定容量，V是线网电压，Qref是电力电子负荷变换器的无功补偿指令值，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
进一步地，所述有功降载的过程为：当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，逐步降低有功输出功率，每降低一次，均判断所述线网频率是否小于或者等于设定的频率限值，如果所述线网频率小于或者等于设定的频率限值，则继续降低有功输出功率；当有功输出功率降低至设定的有功输出功率下限值时，如果所述线网频率仍小于或者等于设定的频率限值，则将电力电子负荷变换器的有功输出功率调为0。
进一步地，所述无功补偿的实现过程为：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，将电力电子负荷变换器的无功输出功率调为0。
一种配电网系统，配电网系统中有电力电子负荷，所述电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据所述无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿。
进一步地，实现所述线网负荷增加到一定程度的判断过程为：实时检测线网频率，当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，表示所述线网负荷增加到一定程度。
进一步地，所述无功补偿指令值的计算过程为：
(1)根据所述有功输出功率计算电力电子负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000051
(2)根据所述最大允许吸收或者发出的无功功率值、线网电压和所述有功输出功率计算所述无功补偿指令值，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000052
其中，Qmax是电力电子负荷变换器最大允许吸收或发出的无功功率值，P是有功输出功率，SN是电力电子负荷变换器的额定容量，V是线网电压，Qref是电力电子负荷变换器的无功补偿指令值，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
进一步地，所述有功降载的过程为：当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，逐步降低有功输出功率，每降低一次，均判断所述线网频率是否小于或者等于设定的频率限值，如果所述线网频率小于或者等于设定的频率限值，则继续降低有功输出功率；当有功输出功率降低至设定的有功输出功率下限值时，如果所述线网频率仍小于或者等于设定的频率限值，则将电力电子负荷变换器的有功输出功率调为0。
进一步地，所述无功补偿的实现过程为：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，将电力电子负荷变换器的无功输出功率调为0。
附图说明
图1是典型的微电网系统拓扑结构图；
图2是现有的有功降载控制流程示意图；
图3是本发明提供的无功控制方法流程示意图；
图4是有功降载的一种具体的实现过程示意图；
图5是无功补偿的一种具体的实现过程示意图。
具体实施方式
配电网系统实施例
首先，基于图1所示的微电网系统，现有的有功降载控制方法还可以有以下具体的控制过程，如图1所示，假设线网阻抗以感性为主，DG1采用可再生能源供电，其工作在最大功率输出模式，保证最大限度的利用可再生能源；DG2采用储能装置供电，工作在下垂控制模式，根据出力自动调节电网频率。电力电子负荷变换器可以是变频器或者整流器，对应的电力电子负荷如空调、洗衣机等。当线网负载增加时，DG2按下垂控制自动降低输出频率。当线网负载增加时，线网频率会发生降低，当线网频率降低到设定的频率限值时，需要对线网进行有功降载，因此，控制电力电子负荷变换器进行逐渐有功减载，以减缓有功不足的现象，电力电子负荷变换器的控制流程图如图2所示。
本实施例保护的配电网系统以微电网系统为例，微电网系统中有电力电子负荷，电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，当然，除了电力电子负荷以及电力电子负荷变换器之外，微电网系统中还可能包括其他组成部分，由于其他的组成部分与下述需要展开说明的无功控制方法无关，这里就不再对这些部分进行说明。
因此，本实施例保护的配电网系统的发明点在于配电网系统的无功控制方法，该无功控制方法的基本过程为：当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据得到的无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿。当然，为了实施该控制方法，需要设置有一个控制设备，该控制设备可以是配电网系统中本身就具有的控制设备，还可以是专门设置的一个控制设备，另外，本实施例中，如果电力电子负荷变换器内部设置有控制设备，具有控制功能，那么，该无功控制方法可以由该电力电子负荷变换器控制实现。
下面结合附图3给出该无功控制方法的一种具体的实施方式。
电力电子负荷变换器(以下简称“负荷变换器”)利用锁相环检测线网电压V和频率f，经过锁相环之后得到电网电压V和频率f，然后比较线网频率f和设定的频率限值flower，如图3所示，若f≤flower，表示线网频率降低到了一个很小的数值，线网负荷增加到了一定程度；当然，若f>flower，表示线网运行正常，不需要有功降载，则线网继续正常运行。
那么，若f≤flower，负荷变换器进行有功降载，即负荷变换器按照相应的控制策略进行有功降载，可以利用现有的控制策略实现。
以下给出一种有功降载的过程：当f≤flower时，逐步降低有功输出功率P，每降低一次，均判断f是否小于或者等于flower，如果f≤flower，则继续降低有功输出功率P。按照上述过程逐渐降低有功输出功率P，当有功输出功率P降低至设定的有功输出功率下限值时，如果f仍小于或者等于flower，即系统频率仍不满足系统低频要求，此时电力电子负荷变换器进行待机控制，即将电力电子负荷变换器的有功输出功率P调为0，等待系统恢复后再工作。如图4所示，给出该有功降载控制过程的一种应用实例：
(1)当电力电子负荷变换器检测到线网频率f≤flower时，负荷变换器有功降载控制启动，首先，降低当前有功输出功率，降低后的有功输出功率设定为Pref，Pref＝0.8P，即将当前的有功输出功率变为80％的原输出功率，负荷变换器之前可以不进行通信，全部靠监测线网频率进行策略控制；
(2)当负荷变换器调整输出功率为Pref＝0.8P，如果线网频率仍不能满足要求，可以有两档的调整输出功率，分别为Pref＝0.6P，Pref＝0.4P，进行有功降载调整，也就是说，当Pref＝0.8P时仍不满足要求，则继续降低有功输出功率，即Pref＝0.6P，再判断线网频率是否满足要求，如果不满足，则继续降低有功输出功率，即Pref＝0.4P。但如果调整到0.4P后，频率仍不满足系统低频要求，此时负荷变换器进行待机控制，即输出功率调为0，等待系统恢复后再工作。
同时，负荷变换器计算自身的有功输出功率P，并根据自身的有功输出功率P计算负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值Qmax，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000081
式中，SN是负荷变换器额定容量。
由于中间有一个有功降载过程，那么，这里的负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值Qmax的计算公式就是：
Figure BDA0001763634800000082
然后，根据最大允许吸收或者发出的无功功率值Qmax、线网电压V和有功输出功率P(即为调整后的有功输出功率Pref)计算无功补偿指令值Qref，计算公式为：
Figure BDA0001763634800000091
式中，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
最后，根据得到的无功补偿指令值Qref控制负荷变换器进行无功补偿。以下给出一种无功补偿过程：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，认为负荷变换器的无功输出不再能支撑系统无功，此时负荷变换器无功输出调为零，等待系统恢复。基于图5，以下给出无功补偿的一种应用实例。如图5所示，负荷变换器监测额定的线网电压U，以及自身有功输出功率P，当V<0.9U(即线网电压小于额定的线网电压的0.9倍)且Pref≤0.8P时，负荷变换器无功补偿启动，按照
Figure BDA0001763634800000092
以及Pref＝0.8P或0.6P或0.4P，对负荷变换器无功输出进行调整，当负荷变换器的无功输出满足
Figure BDA0001763634800000093
时，认为负荷变换器的无功输出不再能支撑系统无功，此时负荷变换器无功输出调为零，等待系统恢复。
因此，本发明通过负荷变换器在有功降载时的剩余容量，为线网提供无功支撑，节省了线网相关无功补偿设备的投资量。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述配电网系统的无功控制方法，并不局限于该方法所适用的配电网系统。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
配电网系统的无功控制方法实施例
本实施例提供一种配电网系统的无功控制方法，当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿。由于上述配电网系统实施例中已对该控制方法进行了详细地描述，本实施例就不再具体说明。
上述方法可以作为一种计算机程序，存储在配电网系统无功控制系统中的控制模块中的存储器中并可在控制模块中的处理器上运行。

Claims (12)

1.一种配电网系统的无功控制方法，配电网系统中有电力电子负荷，所述电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，其特征在于，当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据所述无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿；
所述无功补偿指令值的计算过程为：
(1)根据所述有功输出功率计算电力电子负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值，计算公式为：
Figure FDA0002476284080000011
(2)根据所述最大允许吸收或者发出的无功功率值、线网电压和所述有功输出功率计算所述无功补偿指令值，计算公式为：
Figure FDA0002476284080000012
其中，Qmax是电力电子负荷变换器最大允许吸收或发出的无功功率值，P是有功输出功率，SN是电力电子负荷变换器的额定容量，V是线网电压，Qref是电力电子负荷变换器的无功补偿指令值，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
2.根据权利要求1所述的配电网系统的无功控制方法，其特征在于，实现所述线网负荷增加到一定程度的判断过程为：实时检测线网频率，当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，表示所述线网负荷增加到一定程度。
3.根据权利要求2所述的配电网系统的无功控制方法，其特征在于，所述有功降载的过程为：当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，逐步降低有功输出功率，每降低一次，均判断所述线网频率是否小于或者等于设定的频率限值，如果所述线网频率小于或者等于设定的频率限值，则继续降低有功输出功率；当有功输出功率降低至设定的有功输出功率下限值时，如果所述线网频率仍小于或者等于设定的频率限值，则将电力电子负荷变换器的有功输出功率调为0。
4.根据权利要求2所述的配电网系统的无功控制方法，其特征在于，所述无功补偿的实现过程为：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，将电力电子负荷变换器的无功输出功率调为0。
5.一种配电网系统的无功控制系统，配电网系统中有电力电子负荷，所述电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，所述无功控制系统包括一个控制模块，所述控制模块包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器在执行所述计算机程序时实现的控制步骤包括：当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据所述无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿；
所述无功补偿指令值的计算过程为：
(1)根据所述有功输出功率计算电力电子负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值，计算公式为：
Figure FDA0002476284080000021
(2)根据所述最大允许吸收或者发出的无功功率值、线网电压和所述有功输出功率计算所述无功补偿指令值，计算公式为：
Figure FDA0002476284080000022
其中，Qmax是电力电子负荷变换器最大允许吸收或发出的无功功率值，P是有功输出功率，SN是电力电子负荷变换器的额定容量，V是线网电压，Qref是电力电子负荷变换器的无功补偿指令值，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
6.根据权利要求5所述的配电网系统的无功控制系统，其特征在于，实现所述线网负荷增加到一定程度的判断过程为：实时检测线网频率，当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，表示所述线网负荷增加到一定程度。
7.根据权利要求6所述的配电网系统的无功控制系统，其特征在于，所述有功降载的过程为：当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，逐步降低有功输出功率，每降低一次，均判断所述线网频率是否小于或者等于设定的频率限值，如果所述线网频率小于或者等于设定的频率限值，则继续降低有功输出功率；当有功输出功率降低至设定的有功输出功率下限值时，如果所述线网频率仍小于或者等于设定的频率限值，则将电力电子负荷变换器的有功输出功率调为0。
8.根据权利要求6所述的配电网系统的无功控制系统，其特征在于，所述无功补偿的实现过程为：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，将电力电子负荷变换器的无功输出功率调为0。
9.一种配电网系统，配电网系统中有电力电子负荷，所述电力电子负荷通过电力电子负荷变换器连接线网，其特征在于，当线网负荷增加到一定程度时，控制电力电子负荷变换器进行有功降载，并且，根据电力电子负荷变换器的有功输出功率计算电力电子负荷变换器相应的无功补偿指令值，根据所述无功补偿指令值控制电力电子负荷变换器进行无功补偿；
所述无功补偿指令值的计算过程为：
(1)根据所述有功输出功率计算电力电子负荷变换器最大允许吸收或者发出的无功功率值，计算公式为：
Figure FDA0002476284080000041
(2)根据所述最大允许吸收或者发出的无功功率值、线网电压和所述有功输出功率计算所述无功补偿指令值，计算公式为：
Figure FDA0002476284080000042
其中，Qmax是电力电子负荷变换器最大允许吸收或发出的无功功率值，P是有功输出功率，SN是电力电子负荷变换器的额定容量，V是线网电压，Qref是电力电子负荷变换器的无功补偿指令值，Vmax是线网允许电压最大值，Vmin是线网允许电压最小值。
10.根据权利要求9所述的配电网系统，其特征在于，实现所述线网负荷增加到一定程度的判断过程为：实时检测线网频率，当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，表示所述线网负荷增加到一定程度。
11.根据权利要求10所述的配电网系统，其特征在于，所述有功降载的过程为：当所述线网频率小于或者等于设定的频率限值时，逐步降低有功输出功率，每降低一次，均判断所述线网频率是否小于或者等于设定的频率限值，如果所述线网频率小于或者等于设定的频率限值，则继续降低有功输出功率；当有功输出功率降低至设定的有功输出功率下限值时，如果所述线网频率仍小于或者等于设定的频率限值，则将电力电子负荷变换器的有功输出功率调为0。
12.根据权利要求10所述的配电网系统，其特征在于，所述无功补偿的实现过程为：当线网电压小于电压设定阈值，且有功输出功率小于或者等于有功输出功率设定阈值时，控制电力电子负荷变换器根据得到的无功补偿指令值进行无功补偿；当无功输出达到设定的无功功率设定阈值时，将电力电子负荷变换器的无功输出功率调为0。
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