CN110247418B - 基于柔性多状态开关的交直流混合配电网及控制试验方法 - Google Patents

基于柔性多状态开关的交直流混合配电网及控制试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，所述述配电网包含N个交流供电网络，N为大于等于2的整数；每个交流供电网络中包含至少一个枢纽节点、至少一个末端节点和至少两个分支节点，所述配电网还包括至少N个柔性多状态开关，所述柔性多状态开关交流端连接交流电网，可实现交直流电压变换，直流端口引出；本发明还涉及包括上述配电网的控制试验方法，可以实现有功功率平衡，稳定系统频率以及电压，提高配电网的可靠性。

Description

基于柔性多状态开关的交直流混合配电网及控制试验方法
技术领域
本发明涉及一种基于柔性多状态开关的交直流混合配电网及控制试验方法，属于柔性交直流配电网技术领域。
背景技术
柔性多状态开关(Soft Normally Open Point,SNOP)是一种新型的可控电力电子装置。柔性多状态开关可以替换传统配电网中的分段开关和联络开关。除了具有关断和开通能力外，柔性多状态开关同时具有有功/无功受控、不平衡功率调节、谐波阻断等功能，现有技术将柔性多状态开关理解成一个用于交流配网中的AC-AC开关，侧重于研究柔性多状态开关本身的拓扑结构以及控制方法，以及其在直流输电网络中的配置方法，仅仅局限在电力电子设备层级以及设备的应用方法和配置方法，没有对柔性多状态开关的内涵进行拓展，因此也不能在交流配网架构设计上利用柔性多状态开关的优势解决配网的问题，和构建智能交直流混合配电网。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于柔性多状态开关的交直流混合配电网及控制试验方法，将柔性多状态开关理解为一种电能可控互联的开关，脱离了传统的AC-AC开关概念，并将其融入已有的交流配电网系统，提出多种典型应用方式，形成了智能交直流混合配电网，解决传统交流电网系统中潮流分配不均匀，频率不稳定，有功功率不平衡、交流电压波动以及末端电压低的问题。
具体的方案如下：
一种基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，所述配电网包含N个交流供电网络，N为大于等于2的整数；每个交流供电网络中包含至少一个枢纽节点、至少一个末端节点和至少两个分支节点，所述配电网还包括至少N个柔性多状态开关，所述柔性多状态开关交流端连接交流电网，可实现交直流电压变换，直流端口引出；所述配电网包含以下六种连接方式之一，或多种连接方式的组合：
a)所述柔性多状态开关就近布置在各自的交流供电网络中，一端与就近的交流供电网络中的枢纽节点连接，柔性多状态开关的直流端口经过直流传输线互联；
b)所述柔性多状态开关布置在各自的交流供电网络中，一端与就近的交流供电网络中的末端节点连接，柔性多状态开关的直流端口经过直流传输线互联；
c)所述柔性多状态开关集中布置在一起，与各自的交流供电网络存在一定距离，一端经过交流传输线与各自的交流供电网络中的枢纽节点连接，柔性多状态开关的直流端口互联；
d)所述柔性多状态开关集中布置在一起，与各自的交流供电网络存在一定距离，一端经过交流传输线与各自的交流供电网络中的末端节点连接，柔性多状态开关的直流端口互联；
e)所述柔性多状态开关一端与交流供电网络中的枢纽节点连接，直流端口与储能单元连接；
f)所述柔性多状态开关一端与交流供电网络中的末端节点连接，直流端口与储能单元连接。
其中，所述枢纽节点至少与两个分支节点连接，本质是电网中有功或无功调节能力不够的节点。
其中，所述末端节点仅与一个分支节点连接。系统中的末端节点通常因为供电半径长存在电压低的问题。
其中，同一交流供电网络中相邻节点之间还可可以包括变压器，使各个节点电压等级不同。
其中，所述柔性多状态开关为三相六桥臂的桥式电路。其中，桥式电路可以为两电平变换器或三电平变换器。
其中，所述三相六桥臂的桥式电路的每个桥臂均由至少两个半桥子模块或全桥子模块构成，也可以为多电平变换器。
其中，所述柔性多状态开关为星型连接或角型连接的三相换流器，每相均由至少两个半桥子模块或全桥子模块构成。
其中，所述柔性多状态开关存在多个电压不同的直流端口。
其中，所述柔性多状态开关的直流端口可以连接直流微网、光伏或储能单元。
其中，所述柔性多状态开关可以等效为一个可连续变化的阻抗，变化范围为-Z～+Z。
本发明还包括所述基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的配置方法，所述配置方法用于进行柔性多状态开关在上述交流配电网中的配置，具体步骤如下：
(1)电压越限抑制
步骤1：建立交流配电网正序、负序和零序阻抗分布；
步骤2：进行潮流稳态分析，计算各节点电压偏差，将偏差越限的节点记为Nvn；
步骤3：在Nvn和其他节点之间连接柔性多状态开关，并使其阻抗变化，改变阻抗分布；
步骤4：重复步骤1到步骤3，直至系统中偏差越限的节点的数量为0。
(2)短路电流抑制
步骤1：建立交流配电网正序、负序和零序阻抗分布；
步骤2：进行配电网系统暂态分析，计算各节点短路电流，将短路电流超标的节点记为Nin；
步骤3：在Nin和其他节点之间连接柔性多状态开关，在Nin短路时调节柔性多状态开关阻抗，使流过Nin的短路电流减小；
步骤4：重复步骤1到步骤3，直至系统中短路电流超标的节点的数量为0。
本发明还包括所述基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的控制试验方法，所述控制试验方法如下：
(1)有功功率调节
步骤1：当N个交流供电网络之间有功功率供给与需求发生变化时，为了维持有功功率平衡以及频率稳定，启动柔性多状态开关；
步骤2：至少一个柔性多状态开关控制直流侧电压稳定在正常工作范围；
步骤3：控制柔性多状态开关的状态，有以下两种控制方法：
a)调节N个交流供电网络之间有功功率传输的大小或方向；
b)当柔性多状态开关连接储能单元时，通过对储能单元的充放电控制，调节交流供电网络与储能单元交互有功功率的大小或方向；
步骤4：完成调节后，柔性多状态开关停止运行。
(2)无功功率调节
步骤1：当需要调节N个交流供电网络的交流电压或需要调节节点处的功率因数时，启动柔性多状态开关；
步骤2：至少一个柔性多状态开关控制直流侧电压稳定在正常工作范围；
步骤3：柔性多状态开关控制各个就地节点的无功功率；
步骤4：完成调节后，柔性多状态开关停止运行。
(3)故障处理
步骤1：通过柔性多状态开关连接各个交流供电网络；
步骤2：检测各个交流供电网络运行状态，当检测到有故障发生时，柔性多状态开关可选择闭锁或转移短路电流，协助交流保护设备对故障进行定位；
步骤3：通过故障点两端的交流开关隔离故障，恢复柔性多状态开关运行，健全系统恢复供电。
本发明的有益效果：
1、本发明将柔性多状态开关引入交流配电网，形成了交直流混合配电网，充分发挥了直流系统对交流系统的有益作用，通过对交流配电网中节点进行细分，分为枢纽节点，末端节点和分支节点，提出了柔性多状态开关的几种最优的配置方式，将多个交流系统通过柔性多状态开关连接特定的节点建立了有功功率的桥梁，可以实现区域之间有功功率的平衡，有利于系统频率的稳定，提升了系统的稳定性。
2、本发明提出了通过柔性多状态开关将储能单元与交流系统建立联系，可在未构成系统互联的情况下实现有功功率的就地平衡，支撑交流系统的稳定运行。
3、通过柔性多状态开关使交流配电网能够合环运行，实现稳态运行时候的区域网络潮流互济；在发生故障的时候，通过柔性多状态开关在保持物理连接的情况下实现电气上的解耦，限制分区之内的故障电流，提高配电网故障自愈能力和供电可靠性。
4、提出了多种柔性多状态开关的布置方式，可以采用背靠背集中布置，也可以就近布置在交流供电网络，再通过直流传输线互联，配置方式灵活。
附图说明
图1为本发明的第一实施例；
图2为本发明的第二实施例；
图3为本发明的第三实施例；
图4为本发明的第四实施例；
图5为本发明的第五实施例；
图6为本发明的第六实施例；
图7为本发明柔性多状态开关的第一实施例；
图8为本发明柔性多状态开关的第二实施例；
图9为本发明配置方法逻辑图第一实施例；
图10为本发明配置方法逻辑图第二实施例；
图11为短路情况下本发明故障电流回路实施例；
图中标号名称：1、枢纽节点；2、分支节点；3、末端节点；4、柔性多状态开关；5、直流传输线；6、交流传输线；7、储能单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，所述配电网包含N个交流供电网络，N为大于等于2的整数；每个交流供电网络中包含至少一个枢纽节点、至少一个末端节点和至少两个分支节点，所述配电网还包括至少N个柔性多状态开关，所述柔性多状态开关一端连接交流电网，可实现交直流电压变换，直流端口引出；所述配电网包含以下六种连接方式之一，或多种形式的组合：
a)所述柔性多状态开关就近布置在各自的交流供电网络中，一端与就近的交流供电网络中的枢纽节点连接，柔性多状态开关的直流端口经过直流传输线互联；如图1所示，包含3个交流供电网络和3个柔性多状态开关，3个柔性多状态开关分别就近布置在各个交流供电网络的枢纽节点，3个柔性多状态开关的直流侧通过直流传输线互联。
b)所述柔性多状态开关布置在各自的交流供电网络中，一端与就近的交流供电网络中的末端节点连接，柔性多状态开关的直流端口经过直流传输线互联；如图2所示，包含2个交流供电网络和5个柔性多状态开关，5个柔性多状态开关分别就近布置在交流供电网络的各个末端节点，5个柔性多状态开关的直流侧通过直流传输线互联。
c)所述柔性多状态开关集中布置在一起，与各自的交流供电网络存在一定距离，一端经过交流传输线与各自的交流供电网络中的枢纽节点连接，柔性多状态开关的直流端口互联；如图3所示，包含3个交流供电网络和3个柔性多状态开关，3个柔性多状态开关集中布置在一起，一端经过交流传输线与各自的交流供电网络中的枢纽节点连接，直流侧通过背靠背的方式连接。
d)所述柔性多状态开关集中布置在一起，与各自的交流供电网络存在一定距离，一端经过交流传输线与交流供电网络中的末端节点连接，柔性多状态开关的直流端口互联；如图4所示，包含2个交流供电网络和6个柔性多状态开关，6个柔性多状态开关集中布置在两处，一端经过交流传输线与交流供电网络中的末端节点连接，直流侧通过背靠背的方式连接。
e)所述柔性多状态开关一端与交流供电网络中的枢纽节点连接，直流端口与储能单元连接；如图5所示，包含2个交流供电网络和2个柔性多状态开关，2个柔性多状态开关布置在各个交流供电网络的枢纽节点，一端与交流供电网络中的枢纽节点连接，直流侧分别连接两个储能单元。
f)所述柔性多状态开关一端与交流供电网络中的末端节点连接，直流端口与储能单元连接。如图6所示，包含2个交流供电网络和5个柔性多状态开关，5个柔性多状态开关布置在交流供电网络各个末端节点，一端与交流供电网络中的末端节点连接，直流侧分别与储能单元连接。
其中，所述枢纽节点至少与两个分支节点连接，本质是电网中有功或无功调节能力不够的节点。
其中，所述末端节点仅与一个分支节点连接。系统中的末端节点通常因为供电半径长存在电压低的问题。
其中，同一交流供电网络中相邻节点之间还可可以包括变压器，使各个节点电压等级不同。
其中，所述柔性多状态开关为三相六桥臂的桥式电路。其中，桥式电路可以为两电平变换器或三电平变换器。
其中，所述三相六桥臂的桥式电路的每个桥臂均由至少两个半桥子模块或全桥子模块构成，也可以为多电平变换器。如图7所示，柔性多状态开关为由半桥子模块构成的多电平变换器。
其中，所述柔性多状态开关为星型连接或角型连接的三相换流器，每相均由至少两个半桥子模块或全桥子模块构成。如图8所示，柔性多状态开关为由全桥子模块构成的链式星型变换器，为高压静止无功发生器的常用结构，全桥子模块的直流侧可以连接储能单元。
其中，所述柔性多状态开关存在多个电压不同的直流端口。
其中，所述柔性多状态开关的直流端口可以连接直流微网、光伏或储能单元。
其中，所述柔性多状态开关可以等效为一个可连续变化的阻抗，变化范围为-Z～+Z。
本发明还包括所述基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的配置方法，所述配置方法用于进行柔性多状态开关在上述交流配电网中的配置，具体步骤如下：
(1)电压越限抑制，逻辑图如图9所示。
步骤1：建立交流配电网正序、负序和零序阻抗分布；
步骤2：进行潮流稳态分析，计算各节点电压偏差，将偏差越限的节点记为Nvn；
步骤3：在Nvn和其他节点之间连接柔性多状态开关，并使其阻抗变化，改变阻抗分布；
步骤4：重复步骤1到步骤3，直至系统中偏差越限的节点的数量为0。
(2)短路电流抑制，逻辑图如图10所示。
步骤1：建立交流配电网正序、负序和零序阻抗分布；
步骤2：进行配电网系统暂态分析，计算各节点短路电流，将短路电流超标的节点记为Nin；
步骤3：在Nin和其他节点之间连接柔性多状态开关，在Nin短路时调节柔性多状态开关阻抗，使流过Nin的短路电流减小；
步骤4：重复步骤1到步骤3，直至系统中短路电流超标的节点的数量为0。
如图11所示，当AC1网络中末端节点发生短路故障F1，此时经过配电网系统暂态分析，找出短路电流超标的点Ni1，此时可增加柔性多状态开关Nm1，Nm2和Nm3，并将Nm1，Nm2和Nm3直流侧互联，再F1故障情况下，可通过Nm1将故障电流转移，原有故障电流I1，经过转移后，可削减(I2+I3)，使Ni1短路电流不再超标。
以此方法，通过在系统中的薄弱环节配置柔性多状态开关，改善系统稳定性。
本发明还包括所述基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的控制试验方法，所述控制试验方法如下：
(1)有功功率调节
步骤1：当N个交流供电网络之间有功功率供给与需求发生变化时，为了维持有功功率平衡以及频率稳定，启动柔性多状态开关；
步骤2：至少一个柔性多状态开关控制直流侧电压稳定在正常工作范围；
步骤3：控制柔性多状态开关的状态，有以下两种控制方法：
a)调节N个交流供电网络之间有功功率传输的大小或方向；
b)通过对储能单元的充放电控制，调节交流供电网络与储能单元交互有功功率的大小或方向；
步骤4：完成调节后，柔性多状态开关停止运行。
(2)无功功率调节
步骤1：当需要调节N个交流供电网络的交流电压或需要调节节点处的功率因数时，启动柔性多状态开关；
步骤2：至少一个柔性多状态开关控制直流侧电压稳定在正常工作范围；
步骤3：柔性多状态开关控制各个就地节点的无功功率；
步骤4：完成调节后，柔性多状态开关停止运行。
(3)故障处理
步骤1：通过柔性多状态开关连接各个交流供电网络；
步骤2：检测各个交流供电网络运行状态，当检测到有故障发生时，柔性多状态开关可选择闭锁或转移短路电流，协助交流保护设备对故障进行定位；
步骤3：通过故障点两端的交流开关隔离故障，恢复柔性多状态开关运行，健全系统恢复供电。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于，所述配电网包含N个交流供电网络，N为大于等于2的整数；每个交流供电网络中包含至少一个枢纽节点、至少一个末端节点和至少两个分支节点，所述配电网还包括至少N个柔性多状态开关，所述柔性多状态开关交流端连接交流电网，实现交直流电压变换，直流端口引出；所述配电网包含以下六种连接方式之一，或多种连接方式的组合：
a)所述柔性多状态开关就近布置在各自的交流供电网络中，一端与就近的交流供电网络中的枢纽节点连接，柔性多状态开关的直流端口经过直流传输线互联；
b)所述柔性多状态开关布置在各自的交流供电网络中，一端与就近的交流供电网络中的末端节点连接，柔性多状态开关的直流端口经过直流传输线互联；
c)所述柔性多状态开关集中布置在一起，与各自的交流供电网络存在一定距离，一端经过交流传输线与各自的交流供电网络中的枢纽节点连接，柔性多状态开关的直流端口互联；
d)所述柔性多状态开关集中布置在一起，与各自的交流供电网络存在一定距离，一端经过交流传输线与各自的交流供电网络中的末端节点连接，柔性多状态开关的直流端口互联；
e)所述柔性多状态开关一端与交流供电网络中的枢纽节点连接，直流端口与储能单元连接；
f)所述柔性多状态开关一端与交流供电网络中的末端节点连接，直流端口与储能单元连接。
2.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述枢纽节点至少与两个分支节点连接。
3.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述末端节点仅与一个分支节点连接。
4.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：同一交流供电网络中相邻节点之间还包括变压器，节点电压等级不同。
5.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述柔性多状态开关为三相六桥臂的桥式电路。
6.如权利要求5所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述三相六桥臂的桥式电路的每个桥臂均由至少两个半桥子模块或全桥子模块构成。
7.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述柔性多状态开关为星型连接或角型连接的三相换流器，每相均由至少两个半桥子模块或全桥子模块构成。
8.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述柔性多状态开关存在多个电压不同的直流端口。
9.如权利要求1所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网，其特征在于：所述柔性多状态开关的直流端口连接直流微网、光伏或储能单元。
10.如权利要求1所述的交直流混合配电网，其特征在于：所述柔性多状态开关等效为一个可连续变化的阻抗，变化范围为-Z～+Z。
11.一种如权利要求1-10任意一项所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的配置方法，其特征在于，所述配置方法用于进行柔性多状态开关在所述交直流混合配电网中的配置，具体步骤如下：
步骤1：建立交流配电网正序、负序和零序阻抗分布；
步骤2：进行潮流稳态分析，计算各节点电压偏差，将偏差越限的节点记为Nvn；
步骤3：在Nvn和其他节点之间连接柔性多状态开关，并使其阻抗变化，改变阻抗分布；
步骤4：重复步骤1到步骤3，直至系统中偏差越限的节点的数量为0。
12.一种如权利要求1-10任意一项所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的配置方法，其特征在于，所述配置方法用于进行柔性多状态开关在所述交直流混合配电网中的配置，具体步骤如下：
步骤1：建立交流配电网正序、负序和零序阻抗分布；
步骤2：进行配电网系统暂态分析，计算各节点短路电流，将短路电流超标的节点记为Nin；
步骤3：在Nin和其他节点之间连接柔性多状态开关，在Nin短路时调节柔性多状态开关阻抗，使流过Nin的短路电流减小；
步骤4：重复步骤1到步骤3，直至系统中短路电流超标的节点的数量为0。
13.一种如权利要求1-10任意一项所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的控制试验方法，其特征在于，所述控制试验方法如下：
步骤1：当N个交流供电网络之间有功功率供给与需求发生变化时，为了维持有功功率平衡以及频率稳定，启动柔性多状态开关；
步骤2：至少一个柔性多状态开关控制直流侧电压稳定在正常工作范围；
步骤3：控制柔性多状态开关的状态，有以下两种控制方法：
a)调节N个交流供电网络之间有功功率传输的大小或方向；
b)当柔性多状态开关连接储能单元时，通过对储能单元的充放电控制，调节交流供电网络与储能单元交互有功功率的大小或方向；
步骤4：完成调节后，柔性多状态开关停止运行。
14.一种如权利要求1-10任意一项所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的控制试验方法，其特征在于，所述控制试验方法如下：
步骤1：当需要调节N个交流供电网络的交流电压或需要调节节点处的功率因数时，启动柔性多状态开关；
步骤2：至少一个柔性多状态开关控制直流侧电压稳定在正常工作范围；
步骤3：柔性多状态开关控制各个就地节点的无功功率；
步骤4：完成调节后，柔性多状态开关停止运行。
15.一种如权利要求1-10任意一项所述的基于柔性多状态开关的交直流混合配电网的控制试验方法，其特征在于，所述控制试验方法如下：
步骤1：通过柔性多状态开关连接各个交流供电网络；
步骤2：检测各个交流供电网络运行状态，当检测到有故障发生时，柔性多状态开关闭锁或转移短路电流，协助交流保护设备对故障进行定位；
步骤3：通过故障点两端的交流开关隔离故障，恢复柔性多状态开关运行，健全系统恢复供电。
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