CN109659946A - 一种配网末端电力路由器拓扑及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配网末端电力路由器拓扑及其控制方法，通过串联交互变流器和并联交互变流器的补偿方式为系统提供有功以及无功的电压支撑，从而有效地改善配网末端的低电压问题；同时实现能量在电网及储能装置、分布式光伏电源中的流动，削弱新能源间歇性出力对电网的冲击，并设置交流不间断供电接口及直流供电接口为UPS及直流端口用户提供电能，实现了对稳态电压偏差进行阻抗补偿，集成负荷调整、能量分配、功率平衡功能、储能装置及电能质量治理，有效地改善配网末端的低电压问题。
Description
技术领域
本发明涉及电气自动化技术领域，尤其涉及一种配网末端电力路由器拓扑及其控制方法。
背景技术
现有电力线路配网末端仍大量存在电压偏低的场景，其治理方案主要包括：新增变压器或调档、对变压器分支处的线路进行改造、在线路末端安装风光电互补的分布式发电系统、在线路末端串联低电压的自动补偿装置等。
上述何种方案均存在种种不足，如采用变压器提升末端电压可以有效的结局线路末端低电压问题，但前期投入大、经济性较差、在变压器全寿命周期内不一定能回收投资，且需根据负荷特性选择使用。风光电分布式系统不受地域限制可缓解用电紧张状况，但会使配电网潮流复杂化、影响单向保护的灵敏性和可靠性，同时也会使运行检修带来困难。串联电压自动补偿装置可为电网提供无功缺额更为直接地抬高末端电压，但配网末端阻抗参数相近，补偿效果较差，并会产生谐波分量维护费用较大。
综上，目前配电网中缺少对稳态电压偏差进行阻抗补偿，集成负荷调整、能量分配、功率平衡功能、储能装置及电能质量治理的灵活性装置。
发明内容
本发明提供了一种配网末端电力路由器拓扑及其控制方法，实现了对稳态电压偏差进行阻抗补偿，集成负荷调整、能量分配、功率平衡功能、储能装置及电能质量治理，有效地改善配网末端的低电压问题。
本发明提供了一种配网末端电力路由器拓扑，包括：串联交互变流器、并联交互变流器、光伏变流器、储能系统变流器和三个DC-AC-DC隔离变换单元；
还包括：串并联交互单元、分布式光伏系统电气接口、储能系统电气接口、交流不间断供电接口及直流供电接口；
所述串并联交互单元的串联端通过所述串联交互变流器接入交流电网；
所述串并联交互单元的并联端通过所述并联交互变流器接入直流电网；
所述串并联交互单元的串联端与并联端之间连接有DC-AC-DC隔离变换单元；
所述分布式光伏系统电气接口通过所述光伏变流器与电力路由器的直流母线连接；
所述储能系统电气接口通过所述储能系统变流器与所述直流母线连接；
所述交流不间断供电接口通过所述DC-AC-DC隔离变换单元与所述直流母线连接；
所述直流供电单元通过所述DC-AC-DC隔离变换单元与所述直流母线连接。
可选地，所述光伏变流器工作在Buck模式。
可选地，所述储能系统变流器工作在Buck-Boost模式。
可选地，所述串联交互交流器、所述并联交互交流器和所述储能系统变流器为双向变流器；
所述光伏变流器为单向变流器。
可选地，所述DC-AC-DC隔离变换单元的变压器为高频变压器。
本发明提供了一种配网末端电力路由器拓扑的控制方法，所述控制方法应用于如上中任意一项所述的配网末端电力路由器拓扑，所述控制方法包括：
获取设置电力路由器的配网线路的负载率；
若所述负载率大于第一预设负载率，则所述电力路由器采用第一并网模式，所述第一并网模式包括：控制串联交互电流器以受控电压源的方式生成一个与交流电网同频率，幅值和相位可控的第一电压，且与所述交流电网的原电压叠加，控制并联交互电流器以受控电流源的方式生成补偿直流电网的无功功率和谐波电流的第一电流；
若所述负载率小于第一预设负载率，则所述电力路由器采用第二并网模式，所述第二并网模式包括：控制分布式光伏系统电气接口输入的第二功率经过光伏变流器、直流母线、储能系统变流器和储能系统电气接口输入至储能装置中。
可选地，所述第一并网模式中，从储能系统电气接口输入的第一功率经过储能系统变流器、直流母线和DC-AC-DC隔离变换单元向所述串联交互电流器提供补偿电压波形以及注入电压补偿相量，使得所述串联交互电流器以受控电压源的方式生成一个与交流电网同频率，幅值和相位可控的第一电压，其中，所述注入电压补偿相量包括与配网末端线路电流垂直的电抗性补偿分量和与配网末端线路电流相反的电阻性补偿分量。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过串联交互变流器和并联交互变流器的补偿方式为系统提供有功以及无功的电压支撑，从而有效地改善配网末端的低电压问题；同时实现能量在电网及储能装置、分布式光伏电源中的流动，削弱新能源间歇性出力对电网的冲击，并设置交流不间断供电接口及直流供电接口为UPS及直流端口用户提供电能，实现了对稳态电压偏差进行阻抗补偿，集成负荷调整、能量分配、功率平衡功能、储能装置及电能质量治理，有效地改善配网末端的低电压问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种配网末端电力路由器拓扑的结构示意图；
图2为串联交互变流器电路拓扑结构示意图；
图3为并联交互变流器的电路拓扑结构示意图；
图4为光伏变流器或储能系统变流器的电路拓扑结构示意图；
图5为单相隔离变换单元部分电路拓扑结构示意图；
图6为本发明提供的一种配网末端电力路由器拓扑的控制方法的流程示意图；
图7为本发明提供的电力路由器电网回馈单元相量原理图；
图8为第一并网模式下能量流动示意图；
图9为第二并网模式下能量流动示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种配网末端电力路由器拓扑及其控制方法，实现了对稳态电压偏差进行阻抗补偿，集成负荷调整、能量分配、功率平衡功能、储能装置及电能质量治理，有效地改善配网末端的低电压问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图5，本发明提供了一种配网末端电力路由器拓扑，包括：串联交互变流器PC0、并联交互变流器PC1、光伏变流器PC2、储能系统变流器PC3和三个DC-AC-DC隔离变换单元；
还包括：串并联交互单元、分布式光伏系统电气接口、储能系统电气接口、交流不间断供电接口及直流供电接口；
串并联交互单元的串联端通过串联交互变流器PC0接入交流电网；
串并联交互单元的并联端通过并联交互变流器PC1接入直流电网；
串并联交互单元的串联端与并联端之间连接有DC-AC-DC隔离变换单元；
分布式光伏系统电气接口通过光伏变流器PC2与电力路由器的直流母线连接；
储能系统电气接口通过储能系统变流器PC3与直流母线连接；
交流不间断供电接口通过DC-AC-DC隔离变换单元与直流母线连接；
直流供电单元通过DC-AC-DC隔离变换单元与直流母线连接；
本发明实施例通过串联交互变流器PC0和并联交互变流器PC1的补偿方式为系统提供有功以及无功的电压支撑，从而有效地改善配网末端的低电压问题；同时实现能量在电网及储能装置、分布式光伏电源中的流动，削弱新能源间歇性出力对电网的冲击，并设置交流不间断供电接口及直流供电接口为UPS及直流端口用户提供电能，实现了对稳态电压偏差进行阻抗补偿，集成负荷调整、能量分配、功率平衡功能、储能装置及电能质量治理，有效地改善配网末端的低电压问题。
进一步地，光伏变流器PC2工作在Buck模式。
进一步地，储能系统变流器PC3工作在Buck-Boost模式。
进一步地，串联交互交流器PC0、并联交互交流器PC1和储能系统变流器PC3为双向变流器；
光伏变流器PC2为单向变流器。
进一步地，DC-AC-DC隔离变换单元的变压器为高频变压器。
如图1所示，在直流母线的左侧，电力路由器提供了两种供电端口，第一种端口经过DC-AC逆变电路产生50Hz工频交流电提供交流不间断供电电源；第二种端口直接由DC-AC-DC隔离变换部分引出，为负载提供直流供电，实现电力路由器的能量路由功能。
在电力路由器直流母线的左侧，交流电网经过如图2所示的串联交互变流器PC0整流和高频隔离后接入电力路由器的直流母线，串联交互变流器PC0可实现功率在交流电网和电力路由器之间的双向流动。在电力路由器直流母线的右侧，直流母线经过如图3所示的并联交互变流器PC1后接入电力路由器的电网侧，此为电力路由器的并联电网回馈单元。
光伏电源通过如图4所示的光伏变流器PC2连接至直流母线，此时光伏变流器PC2工作在Buck模式，且光伏变流器PC2是单向变流器。
储能装置可蓄能或功能，通过如图4所示的储能系统变流器PC3连接至直流母线，此时储能系统变流器PC3工作在Buck-Boost模式，储能系统变流器PC3是双向变流器。
电力路由器三种输出拓扑连接方式：
1、将如图5三相独立变换部分右侧端口每相通过直流母线与并联交互变流器PC1连接，左侧端口通过串联交互变流器PC0每相分别与交流电网相连；
2、将如图5单相独立变换部分右侧端口每相与直流母线连接，左侧端口经逆变后作为交流不间断供电端口；
3、将如图5单相独立变换部分右侧端口每相与直流母线连接，左侧端口作为直流供电端口引出。
直流母线作为电力路由器的能量汇集端，充分发挥其上层模块的优势，通过储能系统变流器PC3与储能装置之间的配合有效抑制光伏电源间歇性输出对接入电网的电能质量冲击，同时在输出侧提供供电端对电网和负载进行有功支撑。直流母线汇集光伏电源和储能装置的有功功率并在负荷高峰期或夜间经对网侧电压进行串联电阻性压降补偿，同时直流母线调配光伏电源和储能装置之间的有功功率交换，在负荷较低或白天光照充足时对剩余有功进行存储。变流器能实现交流电网和电力路由器之间的无功能量交换，从而经过直流母线提供供电端口的无功和网侧电抗性压降的补偿需求。
在DC-AC-DC隔离变换单元，用高频变压器进行隔离，达到逆变器三相并联运行的目的。同时缩小电力设备空间，实现路由器的模块化、小型化，提高供电的安全性。并联电容起到稳定电压、缓冲电路的作用。最后，在高频变压器右端进安装整流滤波电容，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
储能部分在系统低负荷运行时，可从电网吸收有功，在用电高峰期输出有功，起到“削峰填谷”的作用，提升电能质量以及经济效益。同时，也可通过电力路由器的串联补偿部分，对线路上的有功压降进行补偿，有效改善配网末端电压质量。
请参阅图6，本发明提供了一种配网末端电力路由器拓扑的控制方法，所述控制方法应用于如上中任意一项的配网末端电力路由器拓扑，控制方法包括：
601、获取设置电力路由器的配网线路的负载率；
602、若负载率大于第一预设负载率，则电力路由器采用第一并网模式，第一并网模式包括：控制串联交互电流器以受控电压源的方式生成一个与交流电网同频率，幅值和相位可控的第一电压，且与交流电网的原电压叠加，控制并联交互电流器以受控电流源的方式生成补偿直流电网的无功功率和谐波电流的第一电流；
603、若负载率小于第一预设负载率，则电力路由器采用第二并网模式，第二并网模式包括：控制分布式光伏系统电气接口输入的第二功率经过光伏变流器、直流母线、储能系统变流器和储能系统电气接口输入至储能装置中。
可选地，第一并网模式中，从储能系统电气接口输入的第一功率经过储能系统变流器、直流母线和DC-AC-DC隔离变换单元向串联交互电流器提供补偿电压波形以及注入电压补偿相量，使得串联交互电流器以受控电压源的方式生成一个与交流电网同频率，幅值和相位可控的第一电压，其中，注入电压补偿相量包括与配网末端线路电流垂直的电抗性补偿分量和与配网末端线路电流相反的电阻性补偿分量。
需要说明的是，定义电力路由器所在配网线路的负载率为S，若负载率S＞S1，则电力路由器采用第一并网模式，否则采用第二并网模式。
第一并网模式代表在重载状态下，串联交互变流器注入的电压补偿向量相位可调，控制串联交互变流器输出有功功率的同时输出无功功率，配合并联交互变流器的无功电流补偿功能，实现电力路由器的有功、无功功率协同控制，这样可以兼具电阻性压降补偿和电抗性压降补偿，对配网有良好的电压灵活性调节作用。串联交互变流器的有功能量来自第二并网模式时储能装置存储的能量，当电压及负荷波动时可进行有效平衡。
第二并网模式代表在轻载状态下，配网末端电压维持在较高水平，若有电压跌落则并联交互变流器的无功补偿电流即可满足电压质量的要求。此时，光伏电源输出的功率经由直流母线汇集到储能装置中，若仍存在多余的源侧有功功率，则可提供给电力路由器本身的交流不间断供电接口和直流供电接口以平滑负荷曲线。
配网末端电力路由器的电压补偿模式可以用图7所示的相量原理图来进行说明。将负载电流IL分解为有功分量Ip和无功分量Iq。在串并联交互单元的并联端，当电力路由器工作于第二并网模式，并联交互变流器进行无功功率的独立控制，此时相当于同步补偿器对系统直接补偿无功电流I′q，从而纵向分量减小为IpR+(Iq-I′q)X，起到支撑节点无功性压降的目的。
在串并联交互单元的串联端，当电力路由器检测到配网末端的电压质量严重偏低时，电力路由器工作于第一并网模式，直流母线从储能装置获得所需的补偿电压波形以及注入电压补偿相量，注入电压补偿相量包括与配网末端线路电流垂直的电抗性补偿分量和与配网末端线路电流相反的电阻性补偿分量实现电抗性压降和电阻性压降的双重补偿。这种补偿是连续可调而且双向的，既可升高电压幅值也可降低电压幅值，并可控制注入电压大小不受线路电流和系统阻抗的影响，其功能相当于调节首末端的电气距离。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种配网末端电力路由器拓扑，其特征在于，包括：串联交互变流器、并联交互变流器、光伏变流器、储能系统变流器和三个DC-AC-DC隔离变换单元；
还包括：串并联交互单元、分布式光伏系统电气接口、储能系统电气接口、交流不间断供电接口及直流供电接口；
所述串并联交互单元的串联端通过所述串联交互变流器接入交流电网；
所述串并联交互单元的并联端通过所述并联交互变流器接入直流电网；
所述串并联交互单元的串联端与并联端之间连接有DC-AC-DC隔离变换单元；
所述分布式光伏系统电气接口通过所述光伏变流器与电力路由器的直流母线连接；
所述储能系统电气接口通过所述储能系统变流器与所述直流母线连接；
所述交流不间断供电接口通过所述DC-AC-DC隔离变换单元与所述直流母线连接；
所述直流供电单元通过所述DC-AC-DC隔离变换单元与所述直流母线连接。
2.根据权利要求1所述的配网末端电力路由器拓扑，其特征在于，所述光伏变流器工作在Buck模式。
3.根据权利要求1所述的配网末端电力路由器拓扑，其特征在于，所述储能系统变流器工作在Buck-Boost模式。
4.根据权利要求1所述的配网末端电力路由器拓扑，其特征在于，所述串联交互交流器、所述并联交互交流器和所述储能系统变流器为双向变流器；
所述光伏变流器为单向变流器。
5.根据权利要求1所述的配网末端电力路由器拓扑，其特征在于，所述DC-AC-DC隔离变换单元的变压器为高频变压器。
6.一种配网末端电力路由器拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于如权利要求1至5中任意一项所述的配网末端电力路由器拓扑，所述控制方法包括：
获取设置电力路由器的配网线路的负载率；
若所述负载率大于第一预设负载率，则所述电力路由器采用第一并网模式，所述第一并网模式包括：控制串联交互电流器以受控电压源的方式生成一个与交流电网同频率，幅值和相位可控的第一电压，且与所述交流电网的原电压叠加，控制并联交互电流器以受控电流源的方式生成补偿直流电网的无功功率和谐波电流的第一电流；
若所述负载率小于第一预设负载率，则所述电力路由器采用第二并网模式，所述第二并网模式包括：控制分布式光伏系统电气接口输入的第二功率经过光伏变流器、直流母线、储能系统变流器和储能系统电气接口输入至储能装置中。
7.根据权利要求6所述的配网末端电力路由器拓扑的控制方法，其特征在于，所述第一并网模式中，从储能系统电气接口输入的第一功率经过储能系统变流器、直流母线和DC-AC-DC隔离变换单元向所述串联交互电流器提供补偿电压波形以及注入电压补偿相量，使得所述串联交互电流器以受控电压源的方式生成一个与交流电网同频率，幅值和相位可控的第一电压，其中，所述注入电压补偿相量包括与配网末端线路电流垂直的电抗性补偿分量和与配网末端线路电流相反的电阻性补偿分量。
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