CN111711198A - 一种基于fms的配电网馈线互联控制方法 - Google Patents

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CN111711198A CN202010570680.6A CN202010570680A CN111711198A CN 111711198 A CN111711198 A CN 111711198A CN 202010570680 A CN202010570680 A CN 202010570680A CN 111711198 A CN111711198 A CN 111711198A
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Abstract

本发明公开了一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，属于配电网技术领域。虽然现有技术已把FMS应用在配电网中，但无法较好地实现有功潮流调节与无功补偿，无法有效降低电网线路损耗，不能有效缓解电网各馈线上游压力。本发明一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，包括能够实现馈线间功率流动的多状态开关FMS、用于传输有功潮流与调控电能质量的电压源型变流器。本发明对配电网建立dq坐标系调控模型，根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率，进而使得FMS能够同步实现配电网有功潮流调节与无功补偿。

Description

一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，属于配电网技术领域。
背景技术
传统的开关灵敏度较低，难以解决分布式电源大规模接入电网造成的功率突变问题，无法实现较为精确的调控。柔性多状态开关(flexible multi-state switch，FMS)采用电力电子新技术，其有别于常规开关，可以完成通断两种状态切换，时限功率连续可控，兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点。有效缓解电压骤降、三相不平衡现象，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量改善，为未来智能配电网的实施提供关键技术与设备支撑。
虽然现有技术已把FMS应用在配电网中，但无法较好地实现有功潮流调节与无功补偿，无法有效降低电网线路损耗，不能有效缓解电网各馈线上游压力。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种对配电网建立dq坐标系调控模型；根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率，进而使得FMS能够同步实现配电网有功潮流调节与无功补偿的能够有效降低电网线路损耗，有效缓解电网各馈线上游压力的基于FMS的配电网馈线互联控制方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，包括能够实现馈线间功率流动的多状态开关FMS、用于传输有功潮流与调控电能质量的电压源型变流器，
对配电网建立dq坐标系调控模型；
根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率；
其具体包括：
当FMS处于工作状态时，调节电压源型变流器与左右两侧馈线交流系统交换的有功功率P与无功功率Q；下达馈线有功潮流传送命令Id*和调节命令Isr，以使直流端母线电压保持稳定，使得有功功率能够从配电网一端馈线稳定输送至另一端馈线。
本发明对配电网建立dq坐标系调控模型，根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率，进而使得FMS能够同步实现配电网有功潮流调节与无功补偿。
进而本发明在调控配电网馈线互联负载使其达到平衡的同时补偿其无功功率，可以有效降低电网线路损耗，缓解电网各馈线上游升压变压器压力，增加分布式电源的渗透率，使配电网能够承受分布式电源大规模接入造成的冲击性负载且无需短时间内频繁对配电网馈线进行升级改造，从而有助于提高配电网运行的稳定性和经济性。
本发明方案简单，实用，切实可行。
作为优选技术措施：
建立电路仿真模型
直流端总电容为C，变流器接入配电网的线损等效电阻R1＝R2＝R，滤波电感为L1＝L2＝L；
根据基尔霍夫电压定律列出开关在配电网馈线交流端三相静止系中的动态微分方程为：
Figure BDA0002547598060000021
式中，k＝A，B，C，n＝1，2；ikn表示配电网交流端两边的交流电流；Ukn表示配电网交流端两边的交流电压；Vkn表示电压源型变流器输出的三相电压。
作为优选技术措施：
电压源型变流器VSC的三相桥臂开关表达式：
Figure BDA0002547598060000022
式(2)中，SA，SB，SC分别表示桥臂开关元件的通断情况；开通时为1，断开时为0；
将式(2)代入(1)中可以得到：
Figure BDA0002547598060000023
作为优选技术措施：
针对开关主电路的直流端列写动态电压方程：
Figure BDA0002547598060000024
式(4)中，UDC表示直流端电压；iDC1表示VSC1输入或输出电流，iDC2表示VSC2输入或输出电流。
作为优选技术措施：
理想情况下，不考虑开关损耗时电压源型变流器输入或输出的有功功率为：
Pn＝UAn+UBn+UCn
＝UDC(mAniAn+mBniBn+mCniCn)
＝UDCiDCn (5)
当配电网稳定运行时，直流端母线电压UDC保持稳定，iDC1与iDC2相等，且此时VSC1输入的有功功率等于VSC2输出的有功功率；
因此，柔性多状态开关有效确保DC端母线电压保持稳定，使得有功功率能够从配电网一端馈线稳定输送至另一端馈线。
作为优选技术措施：
建立开关有功与无功控制解耦分析模型：
dq坐标系中d轴和交流电压矢量重叠，且d轴滞后q轴90°，柔性多状态开关在静止系中的交流变量转化为dq坐标系中直流变量，建立数学模型为：
Figure BDA0002547598060000031
Figure BDA0002547598060000032
式中，idn与iqn各自代表开关两侧交流端流出电流的d轴与q轴分量；ωn表示交流端相电压角频率；mdn与mqn各自代表柔性多状态开关设备的通断调制函数d轴与q轴分量；Edn与Eqn各自代表交流端电压向量的d轴分量与q轴分量。
由式(6)和(7)可以得出，柔性多状态开关的实质是非线性的耦合系统，其阶数为5阶；系统中设定的状态变量是[idn iqn]T，设定的控制变量是[mdn mqn]T；
在数学模型中设定交流系统的端口电压为[Edn Eqn]T为已知量，故能够利用控制变量求出状态变量。
作为优选技术措施：
系统直流侧的母线电压幅值维持定值，不考虑开关损耗与输电线路线损，得出柔性多状态开关FMS两边的馈线输送的有功和无功表达式：
Figure BDA0002547598060000033
当FMS两边交流馈线容量较大且系统馈线负载平衡时，FMS两边馈线电压将保持稳定；馈线电压EAn、EBn和ECn在由dq系转换为直流成分的数学模型中，Eqn＝0且Edn是定值，则所述dq坐标系调控模型：
Figure BDA0002547598060000041
由式(9)可知，
在所述dq坐标系调控模型中，配电网馈线交流端输送的有功功率P和电流经变换后的d轴分量idn呈正比关系，交换的无功功率Q和电流经变换后的q轴分量iqn呈正比关系，Edn代表交流端电压向量的d轴分量，Edn是固定值；因此，有功功率和无功功率的可以独立进行控制解耦；
当控制两边负荷平衡时，dq坐标系调控模型(前述公式8和公式9)正常运行，进行有功和无功解耦，。
作为优选技术措施：
FMS主电路的VSC采用背靠背对称设计结构，使用相同的LC滤波电路经过2个变比为1∶2的升压变压器分别和2条馈线进行连接；FMS二次电路使用直流母线供能方式进行供能，从而确保系统稳定工作，减少两边馈线电压波动带来的不利影响。
作为优选技术措施：
将检测到的各成分分量和直流母线的控制分量累加，使得两个VSC的命令电流信号均包含有功分量。因此，整个补偿系统所具有的补偿电流也包含部分有功电流分量。FMS装置的直-交流能量互换功能可以确保，直流端的母线电压实现在设定的数值恒定不变。FMS每一边的VSC同步调控直流母线电压保持恒定。
作为优选技术措施：
我国380V配电网的负载功率一般低于兆瓦级，若要达到常用的馈线有功潮流转移要求，变流器结构可以选择两电平或三电平背靠背形式。综合考虑技术水平与经济效益，当电压等级位于10kV及以上且配电网馈线转移功率要求低于2MVA时，变流器结构选用两电平结构并利用升压变压器升高电压接入馈线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明对配电网建立dq坐标系调控模型，根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率，进而使得FMS能够同步实现配电网有功潮流调节与无功补偿。
进而本发明在调控配电网馈线互联负载使其达到平衡的同时补偿其无功功率，可以有效降低电网线路损耗，缓解电网各馈线上游升压变压器压力，增加分布式电源的渗透率，使配电网能够承受分布式电源大规模接入造成的冲击性负载且无需短时间内频繁对配电网馈线进行升级改造，从而有助于提高配电网运行的稳定性和经济性。
附图说明
图1为本发明两端FMS接入拓扑示图；
图2为本发明三端FMS接入拓扑形式一种示图；
图3为本发明三端FMS接入拓扑形式另一种示图；
图4为本发明基于FMS装置主要电路图；
图5为本发明设置的FMS双闭环调控策略示意图；
图6为应用本发明的配电网有功潮流调节仿真示图；
图7为应用本发明的FMS无功补偿示意图；
图8为应用本发明的FMS有功潮流调控示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图1-8所示，一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，包括能够实现馈线间功率流动的多状态开关FMS、用于传输有功潮流与调控电能质量的电压源型变流器，
对配电网建立dq坐标系调控模型；
根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率；
其具体包括：
当FMS处于工作状态时，调节电压源型变流器与左右两侧馈线交流系统交换的有功功率P与无功功率Q；下达馈线有功潮流传送命令Id*和调节命令Isr，以使直流端母线电压保持稳定，使得有功功率能够从配电网一端馈线稳定输送至另一端馈线。
本发明对配电网建立dq坐标系调控模型，根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率，进而使得FMS能够同步实现配电网有功潮流调节与无功补偿。
进而本发明在调控配电网馈线互联负载使其达到平衡的同时补偿其无功功率，可以有效降低电网线路损耗，缓解电网各馈线上游升压变压器压力，增加分布式电源的渗透率，使配电网能够承受分布式电源大规模接入造成的冲击性负载且无需短时间内频繁对配电网馈线进行升级改造，从而有助于提高配电网运行的稳定性和经济性。
如图1-3所示，开关接入方式与装置拓扑结构实施例：
FMS每端均需要具备传输有功潮流与调控电能质量的功能，目前其主要基于背靠背电压源型变流器(Back-to-back Voltage Source Converter，B2BVSC)实现其功能。目前FMS接入配电网的拓扑形式主要有两端FMS和三端FMS两种形式。图1-3给出了两端FMS接入拓扑，以及三端FMS两种常用的接入拓扑形式。
如图4所示，本发明建立电路仿真模型的一种具体实施例：
基于FMS装置主要电路图，使用的连接方式基于背靠背电压源型变流器结构。在对电路进行仿真时，设定直流端总电容为C，变流器接入配电网的线损等效电阻R1＝R2＝R，滤波电感为L1＝L2＝L；
根据基尔霍夫电压定律列出开关在配电网馈线交流端三相静止系中的动态微分方程为：
Figure BDA0002547598060000061
式中，k＝A，B，C，n＝1，2；ikn表示配电网交流端两边的交流电流；Ukn表示配电网交流端两边的交流电压；Vkn表示电压源型变流器输出的三相电压。
本发明一种具体实施例：
电压源型变流器VSC的三相桥臂开关表达式：
Figure BDA0002547598060000062
式(2)中，SA，SB，SC分别表示桥臂开关元件的通断情况；开通时为1，断开时为0；
将式(2)代入(1)中可以得到：
Figure BDA0002547598060000063
本发明开关主电路模型一种具体实施例：
针对开关主电路的直流端列写动态电压方程：
Figure BDA0002547598060000071
式(4)中，UDC表示直流端电压；iDC1表示VSC1输入或输出电流，iDC2表示VSC2输入或输出电流。
本发明一种具体实施例：
理想情况下，不考虑开关损耗时电压源型变流器输入或输出的有功功率为：
Pn＝UAn+UBn+UCn
＝UDC(mAniAn+mBniBn+mCniCn)
＝UDCiDCn (5)
当配电网稳定运行时，直流端母线电压UDC保持稳定，iDC1与iDC2相等，且此时VSC1输入的有功功率等于VSC2输出的有功功率；
因此，柔性多状态开关有效确保DC端母线电压保持稳定，使得有功功率能够从配电网一端馈线稳定输送至另一端馈线。
本发明建立开关有功与无功控制解耦分析模型的一种具体实施例：
dq坐标系中d轴和交流电压矢量重叠，且d轴滞后q轴90°，柔性多状态开关在静止系中的交流变量转化为dq坐标系中直流变量，建立数学模型为：
Figure BDA0002547598060000072
Figure BDA0002547598060000073
式中，idn与iqn各自代表开关两侧交流端流出电流的d轴与q轴分量；ωn表示交流端相电压角频率；man与mqn各自代表柔性多状态开关设备的通断调制函数d轴与q轴分量；Edn与Eqn各自代表交流端电压向量的d轴分量与q轴分量。
由式(6)和(7)可以得出，柔性多状态开关的实质是非线性的耦合系统，其阶数为5阶；系统中设定的状态变量是[idn iqn]T，设定的控制变量是[mdn mqn]T；
在数学模型中设定交流系统的端口电压为[Edn Eqn]T为已知量，故能够利用控制变量求出状态变量。
本发明馈线输送模型的一种具体实施例：
系统直流侧的母线电压幅值维持定值，不考虑开关损耗与输电线路线损，得出柔性多状态开关FMS两边的馈线输送的有功和无功表达式：
Figure BDA0002547598060000081
当FMS两边交流馈线容量较大且系统馈线负载平衡时，FMS两边馈线电压将保持稳定；馈线电压EAn、EBn和ECn在由dq系转换为直流成分的数学模型中，Eqn＝0且Edn是定值，则所述dq坐标系调控模型：
Figure BDA0002547598060000082
由式(9)可知，
在所述dq坐标系调控模型中，配电网馈线交流端输送的有功功率P和电流经变换后的d轴分量idn呈正比关系，交换的无功功率Q和电流经变换后的q轴分量iqn呈正比关系，Edn代表交流端电压向量的d轴分量，Edn是固定值；因此，有功功率和无功功率的可以独立进行控制解耦；
当控制两边负荷平衡时，dq坐标系调控模型(前述公式8和公式9)正常运行，进行有功和无功解耦，。
本发明FMS主电路结构的一种具体实施例：
FMS主电路的VSC采用背靠背对称设计结构，使用相同的LC滤波电路经过2个变比为1∶2的升压变压器分别和2条馈线进行连接；FMS二次电路使用直流母线供能方式进行供能，从而确保系统稳定工作，减少两边馈线电压波动带来的不利影响。
图5给出了设计的FMS双闭环调控策略示意图，该调控策略能够实现所有VSC同时对直流端母线的电压进行调控，这有助于同步进行无功补偿调控。
将检测到的各成分分量和直流母线的控制分量累加，使得两个VSC的命令电流信号均包含有功分量。因此，整个补偿系统所具有的补偿电流也包含部分有功电流分量。FMS装置的直-交流能量互换功能可以确保，直流端的母线电压实现在设定的数值恒定不变。FMS每一边的VSC同步调控直流母线电压保持恒定。
本发明变流器结构的一种具体实施例：
我国380V配电网的负载功率一般低于兆瓦级，若要达到常用的馈线有功潮流转移要求，变流器结构可以选择两电平或三电平背靠背形式。综合考虑技术水平与经济效益，当电压等级位于10kV及以上且配电网馈线转移功率要求低于2MVA时，变流器结构选用两电平结构并利用升压变压器升高电压接入馈线。
应用本发明的一种实施例：
应用本发明并使用MATLAB建立了FMS仿真模型，对配电网潮流调控暂态变化进行仿真。将图4中左边馈线设定为1号电网，右边馈线设定为2号电网。系统开始工作时1号电网不带负载，2号电网负载设定为20kW。当t＝100ms时，开始对配电网潮流进行调控。图6中P1表示1号电网馈线输出的有功功率，P2表示2号电网输出的有功功率。
由图6可知，FMS开始调节潮流后，只经过了较短的时间，1号电网和2号电网的馈线电流就基本实现了较为稳定的动态平衡。
为了验证FMS数学模型正确性以及调控策略准确性，建立100kVA FMS试验平台，对第2节提出的配电网馈线互联控制策略进行验证。FMS主电路的VSC采用背靠背对称设计结构，使用相同的LC滤波电路经过2个变比为1∶2的升压变压器分别和2条馈线进行连接。FMS二次电路使用直流母线供能方式进行供能，从而确保系统稳定工作，减少两边馈线电压波动带来的不利影响。根据配电网潮流特性，设定试验平台仿真参数见表1。
表1试验平台仿真参数
Tab.1 Test platform simulation parameters
Figure BDA0002547598060000101
试验时1号电网馈线空载运行，2号电网馈线与感性负载阻抗Z＝11.2+j1.65Ω串联，验证FMS有功潮流调控与无功补偿效率。图7给出了FMS进行无功补偿时的工作波形。开始无功补偿前，2号电网电压与电流存在较大的相位差；FMS开始进行无功补偿后，2号电网电压电流趋于同相，调控时间约为12ms；补偿完成后，配电网功率因数趋近于1。表明FMS能够有效实现无功补偿，调节配电网功率因数。
图8给出了FMS有功潮流调控和无功补偿功能同步工作的试验波形。开关开始工作时，1号电网空载运行，2号电网带感性负载启动。2号电网率先完成无功补偿，由图8可以看出，无功补偿完成后2号电网电压和电流基本实现同相。进行有功潮流调控后，1号电网与2号电网的电流迅速实现平衡，从而达到了无功补偿和大幅降低配电网馈线负载不平衡的目的。
随着分布式电源大规模接入电网，采用FMS能够较好地处理配电网馈线互联的负载不平衡问题，有效地提升电能质量。
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 (10)

1.一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，包括能够实现馈线间功率流动的多状态开关FMS、用于传输有功潮流与调控电能质量的电压源型变流器，其特征在于，
对配电网建立dq坐标系调控模型；
根据所述dq坐标系调控模型，进行有功和无功解耦，使得柔性多状态开关FMS同步独立调控有功功率和无功功率；
其具体包括：
当FMS处于工作状态时，调节电压源型变流器与左右两侧馈线交流系统交换的有功功率P与无功功率Q；下达馈线有功潮流传送命令Id*和调节命令Isr，使得有功功率能够从配电网一端馈线稳定输送至另一端馈线。
2.如权利要求1所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
建立电路仿真模型
直流端总电容为C，变流器接入配电网的线损等效电阻R1＝R2＝R，滤波电感为L1＝L2＝L；
根据基尔霍夫电压定律列出开关在配电网馈线交流端三相静止系中的动态微分方程为：
Figure FDA0002547598050000011
式中，k＝A，B，C，n＝1，2；ikn表示配电网交流端两边的交流电流；Ukn表示配电网交流端两边的交流电压；Vkn表示电压源型变流器输出的三相电压。
3.如权利要求2所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
电压源型变流器VSC的三相桥臂开关表达式：
Figure FDA0002547598050000012
式(2)中，SA，SB，SC分别表示桥臂开关元件的通断情况；开通时为1，断开时为0；
将式(2)代入(1)中可以得到：
Figure FDA0002547598050000013
4.如权利要求3所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
针对开关主电路的直流端列写动态电压方程：
Figure FDA0002547598050000021
式(4)中，UDC表示直流端电压；iDC1表示VSC1输入或输出电流，iDC2表示VSC2输入或输出电流。
5.如权利要求4所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
电压源型变流器输入或输出的有功功率为：
Pn＝UAn+UBn+UCn
＝UDC(mAniAn+mBniBn+mCniCn)
＝UDCiDCn (5)
当配电网稳定运行时，直流端母线电压UDC保持稳定，iDC1与iDC2相等，且此时VSC1输入的有功功率等于VSC2输出的有功功率。
6.如权利要求5所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
建立开关有功与无功控制解耦分析模型：
dq坐标系中d轴和交流电压矢量重叠，且d轴滞后q轴90°，柔性多状态开关在静止系中的交流变量转化为dq坐标系中直流变量，建立数学模型为：
Figure FDA0002547598050000022
Figure FDA0002547598050000023
式中，idn与iqn各自代表开关两侧交流端流出电流的d轴与q轴分量；ωn表示交流端相电压角频率；mdn与mqn各自代表柔性多状态开关设备的通断调制函数d轴与q轴分量；Edn与Eqn各自代表交流端电压向量的d轴分量与q轴分量。
7.如权利要求6所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
柔性多状态开关FMS两边的馈线输送的有功和无功表达式：
Figure FDA0002547598050000024
当FMS两边交流馈线容量较大且系统馈线负载平衡时，FMS两边馈线电压将保持稳定；馈线电压EAn、EBn和ECn在由dq系转换为直流成分的数学模型中，Eqn＝0且Edn是定值，则所述dq坐标系调控模型：
Figure FDA0002547598050000031
在所述dq坐标系调控模型中，配电网馈线交流端输送的有功功率P和电流经变换后的d轴分量idn呈正比关系，交换的无功功率Q和电流经变换后的q轴分量iqn呈正比关系，Edn代表交流端电压向量的d轴分量，Edn是固定值。
8.如权利要求1-7任一所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
FMS主电路的VSC采用背靠背对称设计结构，使用相同的LC滤波电路经过2个变比为1∶2的升压变压器分别和2条馈线进行连接；FMS二次电路使用直流母线供能方式进行供能。
9.如权利要求8所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
将检测到的各成分分量和直流母线的控制分量累加，使得两个VSC的命令电流信号均包含有功分量；FMS每一边的VSC同步调控直流母线电压保持恒定。
10.如权利要求9所述的一种基于FMS的配电网馈线互联控制方法，其特征在于，
当电压等级位于10kV及以上且配电网馈线转移功率要求低于2MVA时，变流器结构选用两电平结构并利用升压变压器升高电压接入馈线。
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