CN110783912A - 一种通过直流汇集的交直流混合配电系统及配电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过直流汇集的交直流混合配电系统及配电方法。所述系统通过在多个交流配电馈线的末端增加交直流换流器，所有交直流换流器通过直流侧连接实现直流汇集，通过直流汇集可实现多个交流配电馈线的电气互联；系统在各交流配电馈线的进线开关处以及直流汇集处配置控制器，实现电气量采集、进线保护控制和与交直流换流器通讯；进线控制器与直流汇集控制器之间通过无线方式通讯。基于所述系统，通过直流汇集的交直流混合配电方法，包括均流控制方法和应急供电模式切换方法，通过均流控制方法实现多个交流配电馈线的负荷均摊；通过应急供电模式切换方法实现任意馈线故障下的负荷不间断供电，以综合提高配电系统的可靠性。

Description

一种通过直流汇集的交直流混合配电系统及配电方法

技术领域

本发明涉及配电网配电系统及方法，具体涉及一种通过直流汇集实现多交流配电馈线闭环运行的交直流混合配电系统及方法。

背景技术

电力是国民经济和社会发展的基础性、战略性、先导性产业，电力的安全、稳定和充足供应，是国民经济全面、协调、可持续发展的重要保障条件。现在配电方式有交流配电方式和直流配电方式。交流配电方式作为传统的配电方式分为有备用系统和无备用系统；有备用系统一般为闭环设计、开环运行，当电力系统外部失电后，无法保障配电台区的持续供电，不能满足诸多对供电可靠性依赖较高电力用户的供电需求。直流配电作为新的技术方式，尚没有规范的设计和批量的应用。

而且经济重化工模式明显，高耗能用电增长较快；居民空调负荷快速增长，电网峰谷差加大，往往会导致配电线路间的负荷承受压力不同的情况。但是以前的有备用配电系统中，实际运行时无功率交互，无法实现轻载馈线对重载馈线的功率支撑。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通过直流汇集的交直流混合配电系统和方法。所述系统通过在多个交流配电馈线的末端增加交直流换流器，所有交直流换流器通过直流侧连接实现直流汇集，通过直流汇集可实现多个交流配电馈线的电气互联，从而解决传统配电方式下闭环设计、开环运行，无法实现运行时互联的问题；为了使得系统达到持续供电、多馈线负荷均摊的目标，系统在各交流配电馈线的进线开关处以及直流汇集处配置控制器，应用均流控制方法实现多个交流配电馈线的负荷均摊；应用应急供电模式切换方法实现任意馈线故障下的负荷不间断供电，以提高配电系统的可靠性。

本发明技术方案如下：

一种通过直流汇集的交直流混合配电系统，该系统包括i条交流配电馈线(i＝1,……,n)，各交流配电馈线的一端通过进线开关连接进线变压器，另一端连接交直流换流器的交流侧，所有交直流换流器直流侧通过直流母线实现互相连接，从而实现多个交流配电馈线的电气互联。

进一步的，在各交流配电馈线的进线开关处增加交流进线控制器，采集各进线开关靠近变压器的线路电压、电流和频率，并计算有功功率，控制器包括无线通讯端口，具备无线通讯能力，控制器还可以通过控制线控制对应进线开关的闭合和断开；直流汇集处(即直流母线处)增加直流汇集控制器，采集直流母线的电压，并与各交直流换流器通讯，获取各进线控制器有功功率值，控制各交直流换流器模式切换和控制参数调整。进线控制器与直流汇集控制器之间通过无线通讯，进线控制器发送各自计算的有功功率至直流汇集控制器。

进一步的，交直流换流器包括2种运行模式，直流下垂运行模式和交流电压/频率控制模式，在应急供电模式时由交直流换流器自主由直流下垂运行模式切换至交流电压/频率控制模式。

一种通过直流汇集的交直流混合配电方法，通过上述交直流混合配电系统实现，该方法可实现均流控制模式和应急供电模式。均流控制模式通过在直流汇集控制器中实现均流控制功率功能实现，均流控制通过计算各交流进线的功率偏差，以多个交流配电馈线的负荷均摊为目标，控制各交直流换流器，所述负荷均摊指功率不平衡度在限定范围内，通过根据功率不平衡度控制对应的交直流换流器的参考电压，即可自动调整各交直流换流器的功率，减少功率不平衡度，实现负荷均摊。

包括以下步骤：

步骤1：根据从各进线控制器获得的有功功率值P_pcc(i)，参照下式计算功率不平衡度Dev：

并判断功率不平衡度是否超过偏差定值Dev_set，该偏差值为设定参数，一般为交直流换流器额定有功功率的5％，当计算的不平衡度Dev超过偏差定值Dev_set时，则进入步骤2，否则返回步骤1继续判断。

步骤2：寻找功率最小的进线编号

如果该进线编号对应的交直流换流器的参考电压

小于上限U_ref,max，则按步长ΔU_ref增加参考电压并返回步骤1，否则进入步骤3。其中步长ΔU_ref为参数值，一般设定为额定电压U_ref的0.1％。

步骤3：寻找功率最大的进线编号

如果该进线编号对应的交直流换流器的参考电压

大于下限U_ref,min，则按步长ΔU_ref(该步长的设定方式如上)减少参考电压

否则告警，并返回步骤1。

应急供电模式通过在进线控制器中实现故障保护功能，以及在交直流换流器中实现应急供电模式切换功能，实现任意馈线故障下的负荷不间断供电，以提高配电系统的可靠性。

进线控制器中实现故障保护功能，当采集的频率或电压超过保护阈值时，频率保护阈值为额定频率的±5％，电压保护阈值为额定电压的±10％，控制对应的进线开关断开。

交直流换流器实现应急供电模式切换功能的逻辑为：当交直流换流器自身检测到交流端口的电压跌至电压阈值(电压阈值为额定电压的±10％)以下，则交直流换流器自身的控制模块触发交直流换流器由直流下垂运行模式切换为交流电压/频率控制模式。

当任意进线系统意外失电时，通过进线控制器的故障保护功能控制实现对应下级的配电区域隔离，并通过交直流换流器的应急供电模式切换功能实现该进线对应馈线的整条线路不间断供电；当任意馈线内部故障时，由该馈线自身的保护隔离对应的故障区域，该方法不在本发明范围内，属于行业通用方法，但可通过交直流换流器的应急供电模式切换功能实现该馈线非故障区域的不间断供电。

本发明有益效果在于：

在原来辐射型馈线方式供电的基础上，通过增加直流母线实现末端直流汇集，真正的实现了配电系统的闭环运行，包括以下优势：

(1)通过设计均流控制模式，可以实现多馈线的负荷均摊，解决开环运行配电线路间的负荷承受压力不同的问题，提高了配电运行能力。

(2)通过应急供电模式，可以实现任意馈线故障下，非故障区域的持续供电。设计的方法通过进线控制器和交直流换流器实现，但装置间无需通讯交互。能够很大程度上提高供电可靠性。

附图说明

图1为通过直流汇集的交直流混合配电系统；

图2为通过直流汇集的交直流混合配电方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种通过直流汇集的交直流混合配电系统，该系统包括i条交流配电馈线(i＝1,……,n)，各交流配电馈线的一端通过进线开关连接进线变压器，另一端连接交直流换流器的交流侧，所有交直流换流器直流侧通过直流母线实现互相连接，从而实现多个交流配电馈线的电气互联。

进一步的，在各交流配电馈线的进线开关处增加交流进线控制器，采集各进线开关靠近变压器的线路电压、电流和频率，并计算有功功率，控制器包括无线通讯端口，具备无线通讯能力，控制器还可以通过控制线控制对应进线开关的闭合和断开；直流汇集处(即直流母线处)增加直流汇集控制器，采集直流母线的电压，并与各交直流换流器通讯，获取各进线控制器有功功率值，控制各交直流换流器模式切换和控制参数调整。进线控制器与直流汇集控制器之间通过无线通讯，进线控制器发送各自计算的有功功率至直流汇集控制器。

进一步的，交直流换流器包括2种运行模式，直流下垂运行模式和交流电压/频率控制模式，直流下垂运行模式目标电压满足下式约束：U_dc ^*＝U_ref+k(I_ref-I_dc)，式中：U_dc ^*是交直流换流器的目标直流电压，U_ref、I_ref和k分别为直流下垂控制模式下的参考电压、参考电流和参考下垂系数，Idc为交直流换流器直流端口输出实际电流。交流电压/频率控制模式为电力行业中换流器的通用运行模式，交直流换流器可检测自身交流端口的电压和电流、以及直流端口的电压和电流，并计算有功功率，交流电压/频率控制模式按照恒定的电压、频率去控制交流端口，在应急供电模式时由交直流换流器自主由直流下垂运行模式切换至流电压/频率控制模式。

一种通过直流汇集的交直流混合配电方法，如图2所示，通过上述交直流混合配电系统实现，该方法可实现均流控制模式和应急供电模式。均流控制模式通过在直流汇集控制器中实现均流控制功率功能实现，均流控制通过计算各交流进线的功率偏差，以多个交流配电馈线的负荷均摊为目标，控制各交直流换流器，所述负荷均摊指功率不平衡度在限定范围内，通过根据功率不平衡度控制对应的交直流换流器的参考电压，即可自动调整各交直流换流器的功率，减少功率不平衡度，实现负荷均摊。

包括以下步骤：

步骤1：根据从各进线控制器获得的有功功率值P_pcc(i)，参照下式计算功率不平衡度Dev：

并判断功率不平衡度是否超过偏差定值Dev_set，该偏差值为设定参数，一般为交直流换流器额定有功功率的5％，当计算的不平衡度Dev超过偏差定值Dev_set时，则进入步骤2，否则返回步骤1继续判断。

步骤2：寻找功率最小的进线编号

如果该进线编号对应的交直流换流器的参考电压

小于上限U_ref,max，则按步长ΔU_ref增加参考电压

并返回步骤1，否则进入步骤3。其中步长ΔU_ref为参数值，一般设定为额定电压U_ref的0.1％。

步骤3：寻找功率最大的进线编号

如果该进线编号对应的交直流换流器的参考电压

大于下限U_ref,min，则按步长ΔU_ref(该步长的设定方式如上)减少参考电压否则告警，并返回步骤1。

应急供电模式通过在进线控制器中实现故障保护功能，以及在交直流换流器中实现应急供电模式切换功能，实现任意馈线故障下的负荷不间断供电，以提高配电系统的可靠性。

进线控制器中实现故障保护功能，当采集的频率或电压超过保护阈值时，频率保护阈值为额定频率的±5％，电压保护阈值为额定电压的±10％，控制对应的进线开关断开。

交直流换流器实现应急供电模式切换功能的逻辑为：当交直流换流器自身检测到交流端口的电压跌至电压阈值(电压阈值为额定电压的±10％)以下，则交直流换流器自身的控制模块触发交直流换流器由直流下垂运行模式切换为交流电压/频率控制模式。

当任意进线系统意外失电时，通过进线控制器的故障保护功能控制实现对应下级的配电区域隔离，并通过交直流换流器的应急供电模式切换功能实现该进线对应馈线的整条线路不间断供电；当任意馈线内部故障时，由该馈线自身的保护隔离对应的故障区域，该方法不在本发明范围内，属于行业通用方法，但可通过交直流换流器的应急供电模式切换功能实现该馈线非故障区域的不间断供电。

以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种通过直流汇集的交直流混合配电系统，其特征在于：

该系统包括i(i＝1，……，n)条交流配电馈线，各交流配电馈线的一端通过进线开关连接进线变压器，另一端连接交直流换流器的交流侧，所有交直流换流器直流侧通过直流母线实现互相连接，成为直流汇集处；

在各交流配电馈线的进线开关处设置交流进线控制器，采集各进线开关靠近变压器的线路电压、电流和频率，并计算有功功率，控制器包括无线通讯端口，具备无线通讯能力，控制器还可以通过控制线控制对应进线开关的闭合和断开；

直流汇集处设有直流汇集控制器，采集直流母线的电压，并与各交直流换流器通讯，获取各进线控制器有功功率值，控制各交直流换流器模式切换和控制参数调整。

2.如权利要求1所述的一种通过直流汇集的交直流混合配电系统，其特征在于：

所述进线控制器与所述直流汇集控制器之间通过无线通讯，进线控制器发送各自计算的有功功率至直流汇集控制器。

3.如权利要求1所述的一种通过直流汇集的交直流混合配电系统，其特征在于：

所述交直流换流器包括2种运行模式，即直流下垂运行模式和交流电压/频率控制模式，其中交直流换流器可检测自身交流端口的电压和电流、以及直流端口的电压和电流，并计算有功功率。

4.如权利要求1所述的一种通过直流汇集的交直流混合配电系统，其特征在于：

正常工作时，所述交直流换流器采用直流下垂运行模式，在应急供电模式时由交直流换流器自主切换至交流电压/频率控制模式。

5.一种根据权利要求1-4所述的通过直流汇集的交直流混合配电系统的配电方法，该方法以多个交流配电馈线的负荷均摊为目标，控制各交直流换流器，所述负荷均摊指功率不平衡度在限定范围内，通过根据功率不平衡度控制对应的交直流换流器的参考电压，即可自动调整各交直流换流器的功率，减少功率不平衡度，实现负荷均摊，具体包括以下步骤：

步骤1：根据从各进线控制器获得的有功功率值P_pcc(i)，参照下式计算功率不平衡度Dev：

并判断功率不平衡度是否超过偏差定值Dev_set，当计算的不平衡度Dev超过偏差定值Dev_set时，则进入步骤2，否则返回步骤1继续判断；

步骤2：寻找功率最小的进线编号

如果该进线编号对应的交直流换流器的参考电压

小于上限U_ref,max，则按步长ΔU_ref增加参考电压

并返回步骤1，否则进入步骤3；

步骤3：寻找功率最大的进线编号

如果该进线编号对应的交直流换流器的参考电压

大于下限U_ref,min，则按步长ΔU_ref减少参考电压

否则告警，并返回步骤1。

6.如权利要求5所述的一种配电方法，其特征在于：所述方法还能实现紧急供电模式，具体步骤如下：

当交流进线控制器采集的频率或电压值超过保护阈值时，控制对应的进线开关断开；

当交直流换流器检测到交流端口的电压跌至电压阈值以下时，触发交直流换流器由直流下垂运行模式切换为交流电压/频率控制模式。

7.如权利要求4-6所述的一种配电方法，其特征在于：

其中，所述偏差定值Dev_set为设定参数，一般为交直流换流器额定有功功率的5％。

8.如权利要求4-6所述的一种配电方法，其特征在于：

其中，所述步长ΔU_ref为参数值，一般设定为额定电压U_ref的0.1％。

9.如权利要求6所述的一种配电方法，其特征在于：

其中频率保护阈值为额定频率的±5％，电压保护阈值为额定电压的±10％，电压阈值为额定电压的±10％。

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