CN109888791A - 一种基于混合式配电变压器的主动配电网及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合式配电变压器的主动配电网及其控制方法；该配电网包括供电区域、中压交流母线、配电网综合控制中心、通信网络、混合式配电变压器、低压馈线、以及分布式电源。混合式配电变圧器具备调节其一次侧无功功率和二次侧电压的能力。针对中压母线电压波动问题，本发明通过多个混合式配电变压器之间的无功功率协调优化控制，使得各节点电压与其额定值之间的误差平方和最小化，从而减小了配电网中压母线上的电压波动。针对负载用户供电质量问题，本发明通过对混合式配电变压器二次侧电压的调节，令低压馈线上的各节点电压与额定值之间的误差平方和最小化，从而保证了对用户的供电质量。

Description

一种基于混合式配电变压器的主动配电网及其控制方法

技术领域

本发明属于配电网设计与运行控制领域，特别涉及一种基于混合式配电变压器的主动配电网及其控制方法。

背景技术

随着智能电网和能源互联网的建设不断推进，越来越多的分布式可再生电源接入配电网，使得传统意义上单纯作为负荷侧的无源配电网变为有源主动配电网，为配电网的电源侧引入了不确定性。另一方面，电动汽车等冲击性负荷的逐渐普及，增加了配电网负荷侧的不确定性。这种源-荷双重不确定性为配电网的运行控制提出了一系列挑战，其中突出的一点就是配电网的电压控制问题。源-荷双重不确定性使得配电网电压波动的幅度、持续时间、发生频率都呈上升趋势，而电压波动会严重影响配电网用户的供电质量，损坏用电设备，甚至引起系统性的电压崩溃，造成大面积停电事故。因此，提升配电网的电压调控能力对建设具有主动控制和管理能力的主动配电网具有重要意义。

目前旨在增强配电网电压调控能力的相关措施主要有两类，一类是在配电网中安装各种额外的无功补偿设备来调节电压。这些无功补偿设备包括动态电压恢复器、动态电压调节器、静止无功补偿器等。虽然这些设备可以有效降低配电网的电压波动，但同时也存在各种局限性，诸如，动态电压恢复器只能应对电压骤降而不能解决骤升问题，动态电压调节器占地面积过大，而静止无功补偿器又投资过大。另一类配电网电压调控措施，是将配电网内的传统变压器替换为具有电压调节能力的有载调压变压器或电力电子变压器。但是有载调压变压器机械结构复杂、电压调节的动态特性差，且仅能调节二次侧负荷电压，无法参与配网母线电压调节。电力电子变压器具备低压侧和高压侧无功功率解耦能力，可同时参与调节其高压侧和低压侧电压，但由于其全部功率都由电力电子器件承担，故而成本高昂且存在可靠性隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混合式配电变压器的主动配电网及其控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于混合式配电变压器的主动配电网，包括供电区域、中压交流母线、配电网综合控制中心、通信网络、n_H个混合式配电变压器、n_F条低压馈线和n_G个分布式电源；主动配电网采用辐射式拓扑结构，其中压交流母线通过高压/中压变压器与高压主干输电网相连；配电网所含n_F条低压馈线中，按节点电压灵敏度区分，n_H条为关键馈线，其余nF-nH条为非关键馈线；每条关键馈线通过一台混合式配电变压器与中压交流母线相连，每条非关键馈线通过一台常规配电变压器与中压交流母线相连。

进一步的，混合式配电变压器包括主变压器、隔离变压器、串联变流器和并联变流器；主变压器一次侧绕组连接配电网中压交流母线、二次侧绕组连接低压馈线、控制绕组连接并联变流器；隔离变压器的变流器侧绕组与串联变流器相连、网侧绕组与主变压器一次侧绕组串联；串联变流器和并联变流器之间通过直流环节实现背靠背连接。

进一步的，配电网内存在分布式电源，分布式电源选自风电机组、光伏电站或微型燃气轮机中的一种或多种；各混合式配电变压器、分布式电源通过通信网络与配电网综合控制中心连接，并对各混合式配电变压器和分布式电源下达控制指令。

进一步的，一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，基于上述所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网，包括：中压母线节点电压协调控制、低压馈线电压控制、混合式配电变压器一次侧无功功率控制、混合式配电变压器二次侧电压控制。

进一步的，中压母线节点电压协调控制和混合式配电变压器一次侧无功功率控制共同实现配电网中压母线节点电压的调节；配网综合控制中心建立旨在令中压母线各节点电压等于其额定值的协调优化问题，通过求解该问题得到各混合式配电变压器的一次侧无功功率参考指令，并分别下达给各个混合式配电变压器的本地控制器；混合式配电变压器的本地控制器基于比例-积分控制和前馈控制逻辑，令混合式配电变压器一次侧无功功率跟随参考指令，实现配电网中压母线节点电压分布的协调优化控制。

进一步的，该协调控制方法具体包括：

1)在每个控制周期起始，配电网综合控制中心通过通信网络获取各条馈线的有功功率、无功功率、电压、电流等物理量的测量值；

2)根据所收集到的各条馈线的有功功率、无功功率、电压、电流物理量的测量值，建立优化控制问题，该问题的代价函数为：

该代价函数旨在通过求解n_H台混合式配电变压器各自的一次侧无功功率增量最优值ΔQ^* _HDT,i，最小化配电网范围内n_F个节点电压V_MV,j与额定值V^* _MV之间的偏差，其中K_Q,i为节点电压灵敏度系数；

该优化控制模型考虑如下约束条件：

a)潮流方程约束，包括中压交流母线上的有功功率潮流约束与无功功率潮流约束。；

其中NB表示与节点j直接相邻的节点集合；

b)节点电压约束，保证中压母线上各节点电压在其额定值的0.95倍至1.05倍之间；

c)混合式配电变压器功率约束，确保各混合式配电变压器的有功功率P_HDT,i与无功功率Q_HDT,i的平方和小于其额定视在功率S_HDTn,i的平方；

3)求解上述非线性优化控制问题，得到各混合式配电变压器一次侧无功功率参考值Q^* _HDT,i；这些参考值作为控制信号，经由通信网络下达至各混合式配电变压器本地控制器，具体执行；

4)混合式配电变压器i接收到由配电网综合控制中心所计算的一次侧无功功率参考值Q^* _HDT,i之后，将该参考信号转换为并联变流器q轴电流参考指令，基于矢量控制思想，并辅以一次侧电压前馈控制改善动态特性，令混合式配电变压器一次侧无功功率跟随其参考指令Q^* _HDT,i；具体的q轴电流控制器基于比例-积分调节器实现，最终的控制信号经调制后，施加给混合式配电变压器内的并联变流器CV_p具体执行；

进一步的，低压馈线电压控制和混合式配电变压器二次侧电压控制共同实现混合式配电变压器所连接低压馈线的电压调节；低压馈线电压控制建立旨在令低压馈线上各节点电压等于其额定值的优化控制问题，求解该问题得到混合式配电变压器二次侧电压的参考指令；所述混合式配电变压器二次侧电压控制方法在接收到该参考指令后，基于比例-积分控制和前馈控制逻辑，通过调节串联变流器令混合式配电变压器二次侧电压跟随该参考指令，实现混合式配电变压器所连接低压馈线上各用户电压的优化控制。

进一步的，具体实现方法包括：

1)在每个控制周期起始，混合式配电变压器本地控制器获取其所在低压馈线上有功功率、无功功率、各用户电压物理量的测量值；

2)根据所收集到的低压馈线的有功功率、无功功率、各用户电压等物理量的测量值，建立优化控制问题，该问题的代价函数为：

该代价函数旨在通过求解混合式配电变压器的二次侧电压增量ΔV^* _LV，最小化低压馈线范围内n_L个用户的电压V_LF,i与额定值V^* _LV之间的偏差，其中K_V,i为用户电压灵敏度系数；

该优化控制模型考虑如下约束条件：

a)用户电压约束，保证低压馈线上各用户电压在额定值的0.95倍至1.05倍之间；

3)求解上述非线性优化控制问题，得到混合式配电变压器二次侧电压参考值V^* _LV；

4)混合式配电变压器本地控制器求解出其二次侧电压参考值V^* _LV之后，将其转化为三相参考电压u^* _2a、u^* _2b、u^* _2c，再利用比例-积分调节器配合电压电流前馈回路，构成复合控制结构，计算出具体的混合式配电变压器串联变流器CV_t控制指令。该控制指令经调制后施加给串联变流器CV_t具体执行。由此，将混合式配电变压器二次侧电压调节至期望参考值，并实现低压馈线上各用户电压的最优控制。

进一步的，配电网运行过程中，根据主干网络调度指令，由主干电网和各分布式电源共同为各用户供电，基于分层下垂控制方法实现主干电网和各个分布式电源之间的负荷功率分配。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明只需在配电网内关键馈线处安装混合式配电变压器，节约了投资成本。与传统配电变压器相比，混合式配电变压器在投资成本没有明显增加的前提下，对配电网调控能力显著提升。同时，与电力电子变压器相比，混合式配电变压器成本低，且在电力电子器件故障的情况下可降级为传统变压器继续运行，可靠性和容错能力明显高于电力电子变压器。

本发明控制策略可实现多台混合式配电变压器的协调优化控制，优化配电网中压母线上的节点电压分布，使得各节点电压与额定值之间的误差平方和最小化，从而减小了配电网中压母线上的电压波动。所述控制策略可将混合式配电变压器所连接低压馈线上的各节点电压调节至最优值，令其与额定值之间的误差平方和最小化，从而保证了对用户的供电质量。

本发明可在不改变主动配电网内分布式电源有功功率的前提下，实现配电网内各节点电压的柔性调控。因此，可确保主动配电网内的分布式电源保持恒定的功率因数，而且可以最大化分布式电源的利用率。

附图说明

图1为本发明一种基于混合式配电变压器的主动配电网结构图。

图2为本发明中所用混合式配电变压器结构示意图。

图3为混合式配电变压器中并联变流器和串联变流器控制架构图。

图4为中压母线节点电压协调控制架构图。

图5为混合式配电变压器一次侧无功功率控制框图。

图6为混合式配电变压器二次侧电压控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

为了更加清晰说明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见附图1所示，本发明中的一种基于混合式配电变压器的主动配电网属于中压配电网，包括供电区域、中压交流母线、配电网综合控制中心、通信网络、与高压主干网间接口、n_H个混合式配电变压器、n_F条低压馈线、n_G个分布式电源。这里n_H、n_F和n_G均为大于等于1的自然数。

所述配电网的中压母线通过高压/中压变压器与高压主干输电网相连，并采用辐射式拓扑结构连接各条低压馈线。

所述配电网所含的n_F条低压馈线中，假定各馈线负荷变化服从相互独立的高斯分布，基于线性化的电力系统模型以及潮流雅可比矩阵获得主干输电网无功对各低压馈线所在节点电压的灵敏度，按照梯度法迭代式调节无功功率尝试减小中压母线各节点电压相对其额定值的偏差量，在n_F条低压馈线中寻找使得全网节点电压偏差最小的n_H条作为关键馈线，余下(n_F-n_H)条低压馈线作为非关键馈线。

利用n_H台附图2所示的混合式配电变压器，将n_H条关键馈线分别与配电网中压母线相连。图2中T₁为混合式配电变压器中的主变压器，配电网功率主要通过其传递至低压馈线，W₁、W₂、W₃分别为T₁的一次侧绕组、二次侧绕组、控制绕组。其中W₁与配电网中压母线相连，W₂与低压馈线相连，W₃与并联变流器CV_p相连。图中T₂为混合式配电变压器中的隔离变压器，当二次侧电压偏离额定值时，由其负责负荷供电的一小部分。W₄和W₅分别为T₂的变流器侧绕组和网侧绕组，W₄与串联变流器CV_t相连，W₅与W₁串联。CV_p与CV_p通过直流环节实现背靠背连接，其中CV_p负责控制直流环节电压和T₁一次侧无功功率，CV_t负责控制二次侧电压。CV_p与CV_p的基本控制架构如附图3所示。

所述(n_F-n_H)条非关键馈线通过常规配电变压器与配电网中压母线相连。

参见附图1所示，在配电网内安装分布式电源。配电网运行过程中，综合考虑主干网络调度指令和分布式电源状态，在配电网综合控制中心控制下，基于层次化下垂控制策略实现主干电网和各分布式电源间有功功率分配，从而共同为各用户供电。

请参见附图4所示的配电网中压交流母线节点电压协调控制架构图，配电网中压母线节点电压的控制由配电网综合控制中心以及各个混合式配电变压器的本地控制器协同实现。现对该协调控制方法进行说明：

1)在每个控制周期起始，配电网综合控制中心通过通信网络获取各条馈线的有功功率、无功功率、电压、电流等物理量的测量值；

2)根据所收集到的各条馈线的有功功率、无功功率、电压、电流等物理量的测量值，建立优化控制问题，该问题的代价函数为：

该代价函数旨在通过求解n_H台混合式配电变压器各自的一次侧无功功率增量最优值ΔQ^* _HDT,i，最小化配电网范围内n_F个节点电压V_MV,j与额定值V^* _MV之间的偏差，其中K_Q,i为节点电压灵敏度系数。该优化控制模型考虑如下约束条件：

a)潮流方程约束，包括中压交流母线上的有功功率潮流约束与无功功率潮流约束。

其中NB表示与节点j直接相邻的节点集合。

b)节点电压约束，保证中压母线上各节点电压在其额定值的0.95倍至1.05倍之间。

c)混合式配电变压器功率约束，确保各混合式配电变压器的有功功率P_HDT,i与无功功率Q_HDT,i的平方和小于其额定视在功率S_HDTn,i的平方。

3)求解上述非线性优化控制问题，得到各混合式配电变压器一次侧无功功率参考值Q^* _HDT,i。这些参考值作为控制信号，经由通信网络下达至各混合式配电变压器本地控制器，具体执行。

4)请参见附图5所示的混合式配电变压器一次侧无功功率控制框图。混合式配电变压器i接收到由配电网综合控制中心所计算的一次侧无功功率参考值Q^* _HDT,i之后，将该参考信号转换为并联变流器q轴电流参考指令，基于矢量控制思想，并辅以一次侧电压前馈控制改善动态特性，令混合式配电变压器一次侧无功功率跟随其参考指令Q^* _HDT,i。具体的q轴电流控制器基于比例-积分调节器实现，最终的控制信号经调制后，施加给混合式配电变压器内的并联变流器CV_p具体执行。

由此，经由配电网综合控制中心计算出各个混合式配电变压器的一次侧最优无功功率设定值，并由各个混合式配电变压器的本地控制器驱动其跟踪最优无功功率设定值，可实现配电网中压母线节点电压分布的最优控制。

配电网中各混合式配电变压器所在低压馈线电压的控制由混合式配电变压器本地控制器实现，现对该控制方法进行说明：

1)在每个控制周期起始，混合式配电变压器本地控制器获取其所在低压馈线上有功功率、无功功率、各用户电压等物理量的测量值；

2)根据所收集到的低压馈线的有功功率、无功功率、各用户电压等物理量的测量值，建立优化控制问题，该问题的代价函数为：

该代价函数旨在通过求解混合式配电变压器的二次侧电压增量ΔV^* _LV，最小化低压馈线范围内n_L个用户的电压V_LF,i与额定值V^* _LV之间的偏差，其中K_V,i为用户电压灵敏度系数。该优化控制模型考虑如下约束条件：

a)用户电压约束，保证低压馈线上各用户电压在额定值的0.95倍至1.05倍之间。

3)求解上述非线性优化控制问题，得到混合式配电变压器二次侧电压参考值V^* _LV。

4)请参见附图6所示，混合式配电变压器本地控制器求解出其二次侧电压参考值V^* _LV之后，将其转化为三相参考电压u^* _2a、u^* _2b、u^* _2c，再利用比例-积分调节器配合电压电流前馈回路，构成复合控制结构，计算出具体的混合式配电变压器串联变流器CV_t控制指令。该控制指令经调制后施加给串联变流器CV_t具体执行。由此，将混合式配电变压器二次侧电压调节至期望参考值，并实现低压馈线上各用户电压的最优控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于混合式配电变压器的主动配电网，其特征在于，包括供电区域、中压交流母线、配电网综合控制中心、通信网络、n_H个混合式配电变压器、n_F条低压馈线和n_G个分布式电源；主动配电网采用辐射式拓扑结构，其中压交流母线通过高压/中压变压器与高压主干输电网相连；配电网所含n_F条低压馈线中，按节点电压灵敏度区分，n_H条为关键馈线，其余nF-nH条为非关键馈线；每条关键馈线通过一台混合式配电变压器与中压交流母线相连，每条非关键馈线通过一台常规配电变压器与中压交流母线相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网，其特征在于，混合式配电变压器包括主变压器、隔离变压器、串联变流器和并联变流器；主变压器一次侧绕组连接配电网中压交流母线、二次侧绕组连接低压馈线、控制绕组连接并联变流器；隔离变压器的变流器侧绕组与串联变流器相连、网侧绕组与主变压器一次侧绕组串联；串联变流器和并联变流器之间通过直流环节实现背靠背连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网，其特征在于，配电网内存在分布式电源，分布式电源选自风电机组、光伏电站或微型燃气轮机中的一种或多种；各混合式配电变压器、分布式电源通过通信网络与配电网综合控制中心连接，并对各混合式配电变压器和分布式电源下达控制指令。

4.一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至3任意一项所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网，包括：中压母线节点电压协调控制、低压馈线电压控制、混合式配电变压器一次侧无功功率控制、混合式配电变压器二次侧电压控制。

5.根据权利要求4所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，其特征在于，中压母线节点电压协调控制和混合式配电变压器一次侧无功功率控制共同实现配电网中压母线节点电压的调节；配网综合控制中心建立旨在令中压母线各节点电压等于其额定值的协调优化问题，通过求解该问题得到各混合式配电变压器的一次侧无功功率参考指令，并分别下达给各个混合式配电变压器的本地控制器；混合式配电变压器的本地控制器基于比例-积分控制和前馈控制逻辑，令混合式配电变压器一次侧无功功率跟随参考指令，实现配电网中压母线节点电压分布的协调优化控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，其特征在于，该协调控制方法具体包括：

1)在每个控制周期起始，配电网综合控制中心通过通信网络获取各条馈线的有功功率、无功功率、电压、电流等物理量的测量值；

2)根据所收集到的各条馈线的有功功率、无功功率、电压、电流物理量的测量值，建立优化控制问题，该问题的代价函数为：

该代价函数旨在通过求解n_H台混合式配电变压器各自的一次侧无功功率增量最优值ΔQ^* _HDT,i，最小化配电网范围内n_F个节点电压V_MV,j与额定值V^* _MV之间的偏差，其中K_Q,i为节点电压灵敏度系数；

该优化控制模型考虑如下约束条件：

a)潮流方程约束，包括中压交流母线上的有功功率潮流约束与无功功率潮流约束；

其中NB表示与节点j直接相邻的节点集合；

b)节点电压约束，保证中压母线上各节点电压在其额定值的0.95倍至1.05倍之间；

c)混合式配电变压器功率约束，确保各混合式配电变压器的有功功率P_HDT,i与无功功率Q_HDT,i的平方和小于其额定视在功率S_HDTn,i的平方；

3)求解上述非线性优化控制问题，得到各混合式配电变压器一次侧无功功率参考值Q^* _HDT,i；这些参考值作为控制信号，经由通信网络下达至各混合式配电变压器本地控制器，具体执行；

4)混合式配电变压器i接收到由配电网综合控制中心所计算的一次侧无功功率参考值Q^* _HDT,i之后，将该参考信号转换为并联变流器q轴电流参考指令，基于矢量控制思想，并辅以一次侧电压前馈控制改善动态特性，令混合式配电变压器一次侧无功功率跟随其参考指令Q^* _HDT,i；具体的q轴电流控制器基于比例-积分调节器实现，最终的控制信号经调制后，施加给混合式配电变压器内的并联变流器CV_p具体执行。

7.根据权利要求4所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，其特征在于，低压馈线电压控制和混合式配电变压器二次侧电压控制共同实现混合式配电变压器所连接低压馈线的电压调节；低压馈线电压控制建立旨在令低压馈线上各节点电压等于其额定值的优化控制问题，求解该问题得到混合式配电变压器二次侧电压的参考指令；所述混合式配电变压器二次侧电压控制方法在接收到该参考指令后，基于比例-积分控制和前馈控制逻辑，通过调节串联变流器令混合式配电变压器二次侧电压跟随该参考指令，实现混合式配电变压器所连接低压馈线上各用户电压的优化控制。

8.根据权利要求7所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，其特征在于，具体实现方法包括：

1)在每个控制周期起始，混合式配电变压器本地控制器获取其所在低压馈线上有功功率、无功功率、各用户电压物理量的测量值；

2)根据所收集到的低压馈线的有功功率、无功功率、各用户电压等物理量的测量值，建立优化控制问题，该问题的代价函数为：

该代价函数旨在通过求解混合式配电变压器的二次侧电压增量ΔV^* _LV，最小化低压馈线范围内n_L个用户的电压V_LF,i与额定值V^* _LV之间的偏差，其中K_V,i为用户电压灵敏度系数；

该优化控制模型考虑如下约束条件：

a)用户电压约束，保证低压馈线上各用户电压在额定值的0.95倍至1.05倍之间；

3)求解上述非线性优化控制问题，得到混合式配电变压器二次侧电压参考值V^* _LV；

4)混合式配电变压器本地控制器求解出其二次侧电压参考值V^* _LV之后，将其转化为三相参考电压u^* _2a、u^* _2b、u^* _2c，再利用比例-积分调节器配合电压电流前馈回路，构成复合控制结构，计算出具体的混合式配电变压器串联变流器CV_t控制指令；该控制指令经调制后施加给串联变流器CV_t具体执行；由此，将混合式配电变压器二次侧电压调节至期望参考值，并实现低压馈线上各用户电压的最优控制。

9.根据权利要求4所述的一种基于混合式配电变压器的主动配电网的控制方法，其特征在于，配电网运行过程中，根据主干网络调度指令，由主干电网和各分布式电源共同为各用户供电，基于分层下垂控制方法实现主干电网和各个分布式电源之间的负荷功率分配。