CN111600311A - 一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法 - Google Patents

一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，应用于双电源馈线配电网拓扑结构，其中电能质量治理设备包括SSTS、DSTATCOM、UPQC、DG，协调控制SSTS、DSTATCOM、UPQC、DG的方法包括：电网电压在正常波动范围内，DSTATCOM运行于无功模式，协调UPQC进行无功和谐波补偿；在电压波动大于设定范围时，DSTATCOM协调SSTS、UPQC、DG进行电压控制。本发明能在电网出现电压暂升暂降、电压闪变、谐波及无功补偿等各种电能质量需求时，根据不同的电能质量问题采用不同的协调控制策略控制各电能质量治理设备的运行，最大化提高电能质量治理的效果。

Description

一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及配电网电能质量控制技术。
背景技术
随着现代工业的发展，电网中非线性负荷大量增加，使得电网中的无功及谐波问题日益严重。配电网中存在的典型电能质量问题有电压暂升及暂降、谐波、三相不平衡、电压波动等，由于配电网多种电能质量问题经常交替并存，单一的电能质量设备往往不能全面解决问题，需要多种电能质量设备共同作用，在区域配电网中，如果在发生电能质量问题时，不对这些电能质量治理装置加以协调控制，有可能会影响电能质量治理的效果甚至会影响整个电力系统运行的稳定性。
对此，一些文献针对电能质量设备协调控制进行了分析，如期刊《现代电力》2014年，第31卷，第6期，1-9页刊登题为“优质电力园区供电电源和定制电力装备协调性分析”(作者ShunTao,KeLi等人)的论文，分析了以实现不同电能质量等级供电的工业园区中供电电源和电能质量设备之间的协调问题，并且结合案列指出了电力园区中电源和电能设备协调配合研究方向。
期刊《电测与仪表》2015年，第52卷，第24期，65-73页刊登题为“优质电力园区多DFACTS设备协调控制策略”(作者Yingyu Liang,Jianzheng Liu等人)的论文，提出了一种在配电网中多DFACTS设备(DVR、SSTS、DSTATCOM、TSC)之间协调控制策略，如DVR与SSTS之间的协调控制以应对电压跌落问题；DSTATCOM与TSC之间的协调控制以满足系统的无功补偿。
上述的两篇文献都对优质电力园区不同电能质量装置的协调控制进行了分析，但仍存在可以改进的地方，如第一篇文献主要从应用案例和研究现状两方面对供电电源和电能质量装置协调性进行了定性分析，未提出一种全面适用于多种电能质量治理设备协调工作的控制策略；第二篇文献未能全面考虑电网中的电能质量问题，且电能质量设备协调控制策略有待改进。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题就是提供一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，最大化提高电能质量治理的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，应用于双电源馈线配电网拓扑结构，其中电能质量治理设备包括SSTS、DSTATCOM、UPQC、DG，协调控制SSTS、DSTATCOM、UPQC、DG的方法包括：电网电压在正常波动范围内，DSTATCOM运行于无功模式，协调UPQC进行无功和谐波补偿；在电压波动大于设定范围时，DSTATCOM协调SSTS、UPQC、DG进行电压控制。
优选的，应对电网电压闪变、暂升暂降及短时中断问题，协调控制SSTS、UPQC、DSTATCOM和DG，包括如下步骤：
步骤1-1：电能质量控制中心实时监测主馈线和备用馈线电压波形，并计算其有效值；
步骤1-2：母线电压介于85％和115％之间，则启动DSTATCOM作用于无功模式；
步骤1-3：母线电压有效值小于85％或者大于115％，启动DSTATCOM作用于恒电压模式，若母线电压有效值恢复到85％和115％之间，切换DSTATCOM到无功模式；
步骤1-4：母线电压有效值介于50％和85％之间，启动UPQC进行电压补偿，若持续时间大于2ms，则判断备用电源电压有效值U2是否正常，如果大于70％，则启动SSTS同时闭锁UPQC串联侧，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC串联侧，暂态过程结束后闭锁UPQC串联侧，如果备用馈线电压小于70％，则启动分布式电源DG，保留最敏感负荷，断开其余负荷；
步骤1-5：母线电压有效值小于50％，则判断备用馈线电压有效值是否正常，如果大于70％，则启动SSTS，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC串联侧，暂态过程结束后闭锁UPQC串联侧，如果备用馈线电压小于70％，则启动分布式电源DG，保留最敏感负荷，断开其余负荷；
步骤1-6：若主馈线电源电压有效值恢复正常，启动SSTS将负荷从备用馈线电源切换到主馈线电源；
其中Un指的是系统额定电压。
优选的，应对无功和谐波补偿，协调控制UPQC和DSTATCOM，包括如下步骤：
步骤2-1：实时检测最敏感负荷产生的无功电流Iq和谐波电流Ih，其和(Iq+Ih)作为UPQC的补偿电流指令；
步骤2-2：实时检测10kV母线所有负载支路的无功电流和谐波电流，其和作为DSTATCOM的补偿电流指令；
步骤2-3：在DSTATCOM运行于无功模式时，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波补偿。
优选的，SSTS、DSTATCOM、UPQC及DG四种电能质量治理设备的协调控制策略为：
步骤3-1：电能质量控制中心实时监测主馈线和备用馈线电压有效值以及各负载支路无功电流和谐波电流；
步骤3-2：主馈线带负荷运行时，10kV母线电压Um介于85％和115％之间，则启动DSTATCOM作用于无功模式，进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-3：母线电压有效值Um小于85％或者大于115％，启动DSTATCOM作用于恒电压模式，优先维持母线电压稳定,若母线电压有效值Um恢复到85％和115％之间，切换DSTATCOM到无功模式；
步骤3-4：SSTS投切过程与步骤1-4相同，在SSTS将负荷从主电源切换到备用电源后，切换DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-5：SSTS投切过程与步骤1-5相同，在SSTS将负荷从主电源切换到备用电源后，切换DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-6：与步骤1-6相同。
本发明采用上述技术方案，能在电网出现电压暂升暂降、电压闪变、谐波及无功补偿等各种电能质量需求时，根据不同的电能质量问题采用不同的协调控制策略控制各电能质量治理设备的运行，最大化提高电能质量治理的效果。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1是双路电源馈线配电网典型拓扑结构；
图2是SSTS、DSTATCOM、UPQC及DG的协调控制框图；
图3是dq分解法检测谐波电流和无功电流分量框图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，根据不同的电能质量问题采用不同的协调控制策略控制各电能质量治理设备的运行，可以应用于图1所示的双电源馈线配电网拓扑结构，解决配电网中常见的电压暂升暂降、电压波动、无功及谐波电流补偿等电能质量问题。参考图2和图3所示，电网电压在正常波动范围内，DSTATCOM运行于无功模式，协调UPQC进行无功和谐波补偿；在电压波动大于设定范围时，DSTATCOM协调SSTS、UPQC、DG进行电压控制。
步骤1：应对电网电压闪变，暂升暂降及短时中断问题，DSTATCOM、UPQC、SSTS和DG之间的协调控制策略。
步骤1-1：用电能质量监测设备实时监测主馈线和备用馈线的电压波形，根据有效值的公式：
Figure BDA0002461799360000051
N为瞬时电压在监测周期内的采样个数，ui为被采样的电压值。根据监测得到的有效值与额定电压的对比，即可得到电压跌落程度。
步骤1-2：当主馈线带负荷运行时，母线电压有效值Um在85％Un-115％Un之间时，则认为电压处于正常范围，DSTATCOM运行于恒无功模式，补偿系统无功。
步骤1-3：当母线电压出现波动时，如电压有效值Um小于85％Un或者大于115％Un，电能质量监控中心向DSTATCOM发出指令，令其工作于恒压模式。同时实时监测母线电压是否恢复到85％Un-115％Un之间，如若恢复正常，则令DSTATCOM运行于恒无功模式。
步骤1-4：当母线电压有效值Um介于50％Un和85％Un之间，电能质量监控中心向UPQC发出启动指令，UPQC开始补偿电压。若电压跌落持续时间大于2ms，则判断备用馈线电压有效值U2是否大于70％Un，如若大于则启动SSTS同时闭锁UPQC串联侧，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC串联侧，补偿负载切换到备用馈线后的电压暂态过程，暂态过程结束后闭锁UPQC串联侧；如若小于70％Un，则启动分布式电源DG，保留最敏感负荷L-3，断开其余负荷。
步骤1-5：若监测到母线电压有效值Um小于50％，则判断备用馈线电压有效值U2是否正常，如果U2大于70％Un，则启动SSTS，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC串联侧，补偿负载切换到备用馈线后的电压暂态过程，暂态过程结束后闭锁UPQC串联侧。如果备用馈线电压U2小于70％Un，则启动分布式电源DG，保留最敏感负荷L-3，断开其余负荷。
步骤1-6：负荷切换至备用电源侧，如果主馈线电源电压有效值U1恢复正常，即主馈线电源电压有效值U1介于95％Un和105％Un之间，启动SSTS将负荷从备用馈线电源切换到主馈线电源。
其中：Un指的是系统额定电压；上述步骤中出现的电压阈值50％Un、85％Un、115％Un在实际应用中，可以根据敏感负荷的耐压特性和UPQC的电压补偿能力进行修正。
步骤2：应对系统中的无功和谐波补偿，UPQC和DSTATCOM的协调控制策略。
步骤2-1：如图3所示，应用dq分解法可以得到L-3负荷的无功电流Iq和谐波电流Ih，其中：
根据测量得到的三相电流ia，ib，ic，根据公式2可以得到电流iab，ibc，ica
Figure BDA0002461799360000061
对检测到的三相线电压瞬时值uab，ubc，uca和计算出来的iab，ibc，ica分别用公式3和公式4进行αβ变换：
Figure BDA0002461799360000062
Figure BDA0002461799360000063
其中：
Figure BDA0002461799360000071
根据得出的αβ分量采用公式6计算出瞬时无功功率：
Figure BDA0002461799360000072
谐波分量则是通过低通滤波器分离出来的基波与测量处总波形之差得到的。
其和(即Iq+Ih)作为UPQC的补偿电流指令，UPQC优先补偿L-3类负荷(敏感负荷)的无功和谐波电流；
步骤2-2：同样通过dq分解法得到10kV母线所有负载支路的无功电流和谐波电流，即L-1负载支路无功电流Iq1和谐波电流Ih1，L-2负载支路无功电流Iq2和谐波电流Ih2,L-3负载支路经UPQC补偿后的无功电流Iq3和谐波电流Ih3,其和即(Iq1+Ih1+Iq2+Ih2+Iq3+Ih3)作为DSTATCOM的补偿电流指令，即由DSTATCOM补偿母线上所有无功和谐波电流；
步骤2-3：在DSTATCOM运行于无功模式时，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波补偿。
步骤3：结合步骤1和步骤2，得到SSTS、DSTATCOM、UPQC及DG四种电能质量治理设备的协调控制策略。
所述步骤3包含以下步骤：
步骤3-1：电能质量控制中心实时监测主馈线和备用馈线电压有效值以及各负载支路无功电流和谐波电流；
步骤3-2：主馈线带负荷运行时，10kV母线电压Um介于85％Un和115％Un之间，则启动DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-3：母线电压有效值Um小于85％Un或者大于115％Un，启动DSTATCOM作用于恒电压模式，优先维持母线电压稳定,若母线电压有效值Um恢复到85％Un和115％Un之间，切换DSTATCOM到无功模式；
步骤3-4：SSTS投切过程步骤1-4相同，在SSTS将负荷从主电源切换到备用电源后，切换DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-5：SSTS投切过程步骤1-5相同，在SSTS将负荷从主电源切换到备用电源后，切换DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；；
步骤3-6：与步骤1-6相同。
本发明虽然依托于图1所示的一种典型配电网优质电力园区拓扑所提出，但对于其他类似配电网拓扑或其他未提及的电能质量治理设备的协调控制，如SVC、DVR等均可适用。
本发明所提方法，用于区域性配电网多种电能质量治理设备的协调运行，为提高配电网的供电质量及安全经济运行提供保障，对配电网类似工程具有指导作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，应用于双电源馈线配电网拓扑结构，其中电能质量治理设备包括SSTS、DSTATCOM、UPQC、DG，其特征在于：协调控制SSTS、DSTATCOM、UPQC、DG的方法包括：电网电压在正常波动范围内，DSTATCOM运行于无功模式，协调UPQC进行无功和谐波补偿；在电压波动大于设定范围时，DSTATCOM协调SSTS、UPQC、DG进行电压控制。
2.根据权利要求1所述的一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，其特征在于：应对电网电压闪变、暂升暂降及短时中断问题，协调控制SSTS、UPQC、DSTATCOM和DG，包括如下步骤：
步骤1-1：电能质量控制中心实时监测主馈线和备用馈线电压波形，并计算其有效值；
步骤1-2：母线电压介于85％和115％之间，则启动DSTATCOM作用于无功模式；
步骤1-3：母线电压有效值小于85％或者大于115％，启动DSTATCOM作用于恒电压模式，若母线电压有效值恢复到85％和115％之间，切换DSTATCOM到无功模式；
步骤1-4：母线电压有效值介于50％和85％之间，启动UPQC进行电压补偿，若持续时间大于2ms，则判断备用电源电压有效值U2是否正常，如果大于70％，则启动SSTS同时闭锁UPQC串联侧，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC串联侧，暂态过程结束后闭锁UPQC串联侧，如果备用馈线电压小于70％，则启动分布式电源DG，保留最敏感负荷，断开其余负荷；
步骤1-5：母线电压有效值小于50％，则判断备用馈线电压有效值是否正常，如果大于70％，则启动SSTS，在主电源向备用电源切换完成后，启动UPQC串联侧，暂态过程结束后闭锁UPQC串联侧，如果备用馈线电压小于70％，则启动分布式电源DG，保留最敏感负荷，断开其余负荷；
步骤1-6：若主馈线电源电压有效值恢复正常，启动SSTS将负荷从备用馈线电源切换到主馈线电源；
其中Un指的是系统额定电压。
3.根据权利要求2所述的一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，其特征在于：应对无功和谐波补偿，协调控制UPQC和DSTATCOM，包括如下步骤：
步骤2-1：实时检测最敏感负荷产生的无功电流Iq和谐波电流Ih，其和(Iq+Ih)作为UPQC的补偿电流指令；
步骤2-2：实时检测10kV母线所有负载支路的无功电流和谐波电流，其和作为DSTATCOM的补偿电流指令；
步骤2-3：在DSTATCOM运行于无功模式时，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波补偿。
4.根据权利要求3所述的一种配电网多种电能质量治理设备协调控制方法，其特征在于：SSTS、DSTATCOM、UPQC及DG四种电能质量治理设备的协调控制策略为：
步骤3-1：电能质量控制中心实时监测主馈线和备用馈线电压有效值以及各负载支路无功电流和谐波电流；
步骤3-2：主馈线带负荷运行时，10kV母线电压Um介于85％和115％之间，则启动DSTATCOM作用于无功模式，进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-3：母线电压有效值Um小于85％或者大于115％，启动DSTATCOM作用于恒电压模式，优先维持母线电压稳定,若母线电压有效值Um恢复到85％和115％之间，切换DSTATCOM到无功模式；
步骤3-4：SSTS投切过程与步骤1-4相同，在SSTS将负荷从主电源切换到备用电源后，切换DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-5：SSTS投切过程与步骤1-5相同，在SSTS将负荷从主电源切换到备用电源后，切换DSTATCOM作用于无功模式，按照步骤2-2所得指令电流进行无功和谐波电流补偿；
步骤3-6：与步骤1-6相同。
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