CN111864755B - 一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法和装置，属于配电环网主动调控领域。方法包括，将双绕组的磁控可调电抗器一次侧并联接入配电网的两条馈线之间；改变磁控可调电抗器一次侧的等效阻抗，实现两条馈线间的柔性合环、稳态潮流调控、新能源消纳和暂态负荷转供。本发明在合环电压差一定的条件下，可以有效降低合环冲击电流的幅值，实现柔性合环，避免合环冲击电流过高。本发明基于磁通控制可调电抗器的拓扑结构，通过内部不同控制策略，可以分别实现稳态潮流调控和提高新能源消纳能力的配电环网调控功能。本发明通过控制电抗器一次侧绕组进入接近短路状态，实现故障侧馈线负荷不间断供电。

Description

一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法和装置

技术领域

本发明属于配电环网主动调控领域，更具体地，涉及一种基于磁控可调电抗器的配电网柔性互联方法和装置。

背景技术

电能作为现代社会使用的主要能源，在各行各业都具有广泛应用。配电网属于电力系统的末端，直接与用户相连，因此配电网的好坏直接影响用户对于电力系统的满意程度。伴随配电网的不断发展，用户对于供电可靠性的要求不断提高，例如部分高端制造设备以及部分重要机关单位对于不间断供电的严苛要求给配电网带来严峻考验；由于不同馈线投入运行时间的先后以及电网规划对于电力需求的滞后，导致配电网不同馈线间的负荷率差异较大；以电动汽车为代表的主动负荷以及以光伏为代表的分布式电源引起配电网双向潮流问题以及节点电压越限问题。这些问题日益成为现代配电系统发展的瓶颈。

针对配电网面临的诸多问题，主要有以下几类应对措施：

(1)提高线路电压等级和容量：可以有效解决部分馈线负荷率较高的问题，但是由于需要新建电力设施，可能面临建设空间和建造成本问题，尤其是城市配电网；另一方面则是建设新的配电设施相对实际需求具有滞后性，无法及时满足眼下需求；最后则是无法充分挖掘现有配电设施的潜力，部分轻载馈线负荷率依旧处于轻载状态

(2)优化配电网的网络结构：从传统配电网的单电源放射状供电方式过渡到多电源环网供电方式，可以有效提升重要负荷的供电可靠性，但同时也面临着合环冲击电流以及短路电流上升的问题，因此需要采取一定的应对措施。

(3)装设配电调控设备：可以针对配电网的不同需求，装设相应的调控设备以实现不同的调控功能，尤其是与多电源环网相结合，具有极大的发展潜力。如基于联络开关的配电环网，传统的配电网馈线互联依靠的是联络开关，通过控制联络开关的通断改变馈线间的连接状态。联络开关属于传统机械开关的一种，只有通断两种状态，因此只能实现两馈线间的简单互联和断开，调控能力受限，只能在一端电源退出运行时保证负荷不中断供电，因此无法主动调控馈线间的功率交换，无法解决合环冲击电流、馈线负荷均衡、新能源消纳等一系列问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁控可调电抗器的配电网柔性互联方法和装置，其目的在于将磁控可调电抗器并联接入在两条配电馈线之间，通过控制其运行状态实现配电网的柔性互联。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，包括：

S1.将双绕组的磁控可调电抗器一次侧并联接入配电网的两条馈线之间；

S2.通过改变磁控可调电抗器一次侧的等效阻抗，实现两条馈线间的柔性合环、稳态潮流调控、新能源消纳和暂态负荷转供。

进一步地，两条馈线间的柔性合环，具体实施过程如下：

当两条馈线从开环运行转入合环运行时，使磁控可调电抗器二次侧绕组开路，实现两条馈线的柔性合环。

进一步地，两条馈线间的稳态潮流调控，具体实施过程如下：

配电环网正常运行时，通过改变磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗，改变经过磁控可调电抗器传输的有功潮流，进而调控两条馈线的潮流分布。

进一步地，两条馈线间的新能源消纳，具体实施过程如下：

当分布式电源出力波动时，通过改变磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗，改变两条馈线间的有功潮流，进而抑制馈线上的线路阻抗电压降落幅度。

进一步地，两条馈线间的有功潮流与磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗之间关系为：

其中，V₁和V₂分别为两馈线互联点的电压值，δ₁和δ₂分别为两馈线互联点的相位值，Z_AX为磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗值。

进一步地，两条馈线间的暂态负荷转供，具体实施过程如下：

当一侧电源出现故障或退出运行时，使电抗器一次侧绕组短路，进而使正常侧电源同时为两条馈线负荷供电。

本发明另一方面提供了一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联装置，包括：

指令生成模块，用于根据电网运行状态生成磁控可调电抗器的电抗控制系数α；

检测控制模块，用于检测磁控可调电抗器一次侧电流I₁和二测次电流I₂，通过PI控制产生满足I₂′＝αI₁的控制信号，送入PWM驱动控制模块；其中，I₂′为二次侧电流I₂等效到一次侧两端的电流；

PWM驱动控制模块，用于根据接收到的控制信号产生驱动信号驱动逆变器工作；

逆变器，用于根据接收到的驱动信号产生电流I₂′，经滤波后流入电抗器的二次侧；

双绕组磁控可调电抗器，其一次侧并联接入配电网的两条馈线之间，在逆变器的作用下，其一次侧的等效阻抗得以改变，用于实现两条馈线间的柔性合环、稳态潮流调控、新能源消纳和暂态负荷转供。

进一步地，根据电网运行状态生成磁控可调电抗器的电抗控制系数α，具体实施过程包括：

当配电环网正常运行或分布式电源出力波动时，根据期望通过磁控可调电抗器的有功潮流P，由

计算得到可调电抗器的等效阻抗值Z_AX，由Z_AX＝(1+α)Z_m计算电抗控制系数α；其中，V₁和V₂分别为两馈线互联点的电压值，δ₁和δ₂分别为两馈线互联点的相位值，Z_m为磁控可调电抗器的励磁阻抗；

当两条馈线从开环运行转入合环运行时，令电抗控制系数α＝0；

当一侧电源出现故障或退出运行时，令电抗控制系数α＝-1。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明在合环电压差一定的条件下，可以有效减低合环冲击电流的幅值，实现柔性合环，避免合环冲击电流过高而对设备的安全运行和使用寿命造成影响。

(2)本发明基于磁通控制可调电抗器的拓扑结构，通过内部不同控制策略，可以分别实现稳态潮流调控和提高新能源消纳能力的配电环网调控功能。

(3)本发明通过控制电抗器一次侧绕组进入接近短路状态，实现故障侧馈线负荷不间断供电。

附图说明

图1是本发明实施例提供的柔性互联装置接入配电环网示意图；

图2是本发明实施例提供的磁控可调电抗器原理结构图；

图3是本发明实施例提供的双绕组磁控可调电抗器T型等效电路图；

图4是本发明实施例提供的柔性合环原理图；

图5是本发明实施例提供的含柔性互联装置的配电环网等效电路图；

图6是本发明实施例提供的基于联络开关的含分布式电源的配电环网等效电路；

图7是本发明实施例提供的基于磁控可调电抗器的含分布式电源的配电环网等效电路；

图8是本发明实施例提供的暂态负荷转供原理图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

首先对本发明提出的基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联装置的基本原理进行说明。

图1为基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联装置接入配电环网的示意图，图2为磁控可调电抗器的结构原理图。基于磁控可调电抗器的配电网柔性互联装置并联接入两侧馈线的PCC(Point of Common Coupling，即公共连接点)之间。本发明提出的配电环网柔性互联装置包括：指令生成模块、检测控制模块、逆变器模块和双绕组电抗器模块；

指令生成模块，用于根据电网运行状态生成磁控可调电抗器的电抗控制系数α；具体地，当配电环网正常运行或分布式电源出力波动时，根据期望通过磁控可调电抗器的有功潮流P，由

计算得到可调电抗器的等效阻抗值Z_AX，由Z_AX＝(1+α)Z_m计算电抗控制系数α；其中，V₁和V₂分别为两馈线互联点的电压值，δ₁和δ₂分别为两馈线互联点的相位值，Z_m为磁控可调电抗器的励磁阻抗；当两条馈线从开环运行转入合环运行时，令电抗控制系数α＝0；当一侧电源出现故障或退出运行时，令电抗控制系数α＝-1；

检测控制模块，用于检测磁控可调电抗器一次侧电流I₁和二测次电流I₂，将α与检测到的一次侧电流I₁相乘，得到I'₂的基准值I'_2ref，将基准值I'_2ref与I'₂(由I₂转换得到)作差，将差值输入到PI调节器运算产生控制信号，送入PWM驱动控制模块；其中，I₂′为二次侧电流I₂等效到一次侧两端的电流；PWM驱动控制模块，用于根据接收到的控制信号产生驱动信号驱动逆变器工作；逆变器，用于根据接收到的驱动信号产生电流I₂′，I₂′满足I₂′＝αI₁，经滤波后流入电抗器的二次侧；双绕组磁控可调电抗器，其一次侧并联接入配电网的两条馈线之间，用于在逆变器的作用下，其一次侧的等效阻抗得以改变，可以等效为一个电抗值连续可调的电抗，实现两条馈线间的柔性合环、稳态潮流调控、新能源消纳和暂态负荷转供。

图3为双绕组磁控可调电抗器的T型等效电路图。由图3可得双绕组磁控可调电抗器电压方程的相量表达式：

U₁＝I₁Z₁+(I₁+I′₂)Z_m (1)

-U′₂＝I′₂Z′₂+(I₁+I′₂)Z_m (2)

U₁为双绕组磁控可调电抗器一次侧两端的电压；U′₂为双绕组磁控可调电抗器二次侧绕组两端的电压等效到双绕组磁控可调电抗器一次侧的电压；I₁为双绕组磁控可调电抗器一次侧电流，在本例中双绕组磁控可调电抗器一次侧电流即为电网电流I₁，下同；I′₂为双绕组磁控可调电抗器二次侧绕组电流等效到双绕组磁控可调电抗器一次侧的电流，Z₁为双绕组磁控可调电抗器的一次侧漏抗，Z_m为双绕组磁控可调电抗器的励磁阻抗；Z′₂为双绕组磁控可调电抗器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗。

设双绕组磁控可调电抗器一次侧的电流I₁通过检测控制模块、PWM驱动控制模块、逆变器模块后产生二次侧绕组流过的电流I₂等效到一次侧两端的电流I₂′为：

I′₂＝αI₁ (3)

其中，α为电抗控制系数。逆变器模块中的电压源型逆变器用于将U_dc提供的直流信号转变成与I₁同频率交流电压信号U₂并加载至电抗器二次侧绕组两端，使其流过电流为I₂.逆变器直流侧电压U_dc有三种来源方式：1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；3)通过电力系统感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压。

联立公式(1)-(3)，求得电抗器一次侧的等效阻抗Z_AX为：

当Z_m远大于Z₁和Z′₂(Z_m与Z₁或Z′₂的比值大于100)时，可将上述一次侧等效阻抗近似为

Z_AX≈(1+α)Z_m (5)

此时一次侧等效阻抗Z_AX可表现为一个阻抗值连续可调的电抗。利用磁控可调电抗器的这一性质，在将其并联接入两侧馈线之间后，可以通过调节电抗控制系数α实现配电环网的各项潮流调控功能。

基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联装置实现多种调控功能的方法如下：

(1)柔性合环

合环控制如图4所示。合环点之间的压差由电源差决定，可以看做是定值

因此，为了避免较大的冲击电流，可以参考启动电路中的限流电阻，增大合环点之间的等效阻抗。结合磁控可调电抗器的特点，在合环时刻控制其进入高阻抗状态，限制合环电流，然后根据实际的运行工况进行相应的调整，切换到稳态调控状态。即通过检测控制模块与PWM驱动控制模块快速封锁PWM脉冲出发信号，使电抗器二次侧绕组开路，此时α为零，而电抗器一次侧等效阻抗Z_AX近似为励磁阻抗，呈现高阻抗状态。在合环电压差一定的条件下，可以有效减低合环冲击电流的幅值，实现柔性合环。

(2)稳态潮流调控

图5为含柔性互联装置的配电环网等效电路，若忽略可调电抗器等效阻抗中的阻性部分，将等效阻抗视作纯感抗，即等效阻抗的相位δ为90度时，则经柔性互联装置传输的有功功率为

其中，V₁和V₂分别为两馈线互联点的电压值，δ₁和δ₂分别为两馈线互联点的相位值。

分析可知，将基于磁控可调电抗器的柔性互联装置并联在两条馈线之间时，在联络点电压幅值和相位一定的条件下，经柔性互联装置传输的有功功率将与装置的等效阻抗成反比，因此可以通过改变装置的等效阻抗动态改变馈线间的有功交换，实现柔性互联。

(3)新能源消纳

图6和7分别为基于传统联络开关的含分布式电源的配电环网与基于磁控可调电抗器的含分布式电源的配电环网等效电路。在A侧负载的有功负荷P_Ad基本不变的情况下，若分布式电源有功功率输出P_DG发生波动，由于馈线间联络开关无法调控馈线间的功率潮流，将导致A侧电源有功输出P_A相应波动，使得馈线上的线路阻抗的电压降落

发生变化，从而影响馈线负荷电压

的稳定。

而可变电抗的存在，可以连续、动态地改变馈线间的功率潮流，从而抵消因分布式电源出力波动导致的A侧电源有功输出波动，进而抑制馈线上的线路阻抗的电压降落剧烈变化，保证馈线负荷电压的基本稳定，防止出现电压越限的极端情况，为提高分布式新能源的消纳提供基础条件。

(4)暂态负荷转供

此时A侧电源或者B侧电源退出运行的情况是一样的。如图8所示，以A侧馈线电源退出运行为例分析，此时为了将A侧馈线上的负荷转移到B侧馈线上，需要控制馈线间磁控可调电抗器进入接近短路状态，即令α＝-1，使A侧馈线与B侧馈线直接互联，可以保证A侧馈线负荷不中断供电。

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 (8)

1.一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，其特征在于，包括：

S1.将双绕组的磁控可调电抗器一次侧并联接入配电网的两条馈线之间；

S2.根据电网运行状态生成磁控可调电抗器的电抗控制系数α；

S3.检测磁控可调电抗器一次侧电流I₁和二次侧电流I₂，通过PI控制产生满足I′₂＝αI₁的控制信号；其中，I′₂为二次侧电流I₂等效到一次侧两端的电流；

S4.通过PWM将上述控制信号转化为电流I′₂，经滤波后流入磁控可调电抗器的二次侧；

S5.在电流I′₂作用下磁控可调电抗器一次侧的等效阻抗得以改变，实现两条馈线间的柔性合环、稳态潮流调控、新能源消纳和暂态负荷转供。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，其特征在于，两条馈线间的柔性合环，具体实施过程如下：

当两条馈线从开环运行转入合环运行时，使磁控可调电抗器二次侧绕组开路，实现两条馈线的柔性合环。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，其特征在于，两条馈线间的稳态潮流调控，具体实施过程如下：

配电环网正常运行时，通过改变磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗，改变经过磁控可调电抗器传输的有功潮流，进而调控两条馈线的潮流分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，其特征在于，两条馈线间的新能源消纳，具体实施过程如下：

当分布式电源出力波动时，通过改变磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗，改变两条馈线间的有功潮流，进而抑制馈线上的线路阻抗电压降落幅度。

5.根据权利要求4所述的一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，其特征在于，两条馈线间的有功潮流与磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗之间关系为：

其中，V₁和V₂分别为两馈线互联点的电压值，δ₁和δ₂分别为两馈线互联点的相位值，Z_AX为磁控可调电抗器一次侧绕组的等效阻抗值。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联方法，其特征在于，两条馈线间的暂态负荷转供，具体实施过程如下：

当一侧电源出现故障或退出运行时，使电抗器一次侧绕组短路，进而使正常侧电源同时为两条馈线负荷供电。

7.一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联装置，特征在于，包括：

指令生成模块，用于根据电网运行状态生成磁控可调电抗器的电抗控制系数α；

检测控制模块，用于检测磁控可调电抗器一次侧电流I₁和二测次电流I₂，通过PI控制产生满足I′₂＝αI₁的控制信号，送入PWM驱动控制模块；其中，I′₂为二次侧电流I₂等效到一次侧两端的电流；

PWM驱动控制模块，用于根据接收到的控制信号产生驱动信号驱动逆变器工作；

逆变器，用于根据接收到的驱动信号产生电流I′₂，经滤波后流入电抗器的二次侧；

双绕组磁控可调电抗器，其一次侧并联接入配电网的两条馈线之间，在逆变器的作用下，其一次侧的等效阻抗得以改变，用于实现两条馈线间的柔性合环、稳态潮流调控、新能源消纳和暂态负荷转供。

8.根据权利要求7所述的一种基于磁控可调电抗器的配电环网柔性互联装置，其特征在于，根据电网运行状态生成磁控可调电抗器的电抗控制系数α，具体实施过程包括：

当配电环网正常运行或分布式电源出力波动时，根据期望通过磁控可调电抗器的有功潮流P，由

计算得到可调电抗器的等效阻抗值Z_AX，由Z_AX＝(1+α)Z_m计算电抗控制系数α；其中，V₁和V₂分别为两馈线互联点的电压值，δ₁和δ₂分别为两馈线互联点的相位值，Z_m为磁控可调电抗器的励磁阻抗；

当两条馈线从开环运行转入合环运行时，令电抗控制系数α＝0；

当一侧电源出现故障或退出运行时，令电抗控制系数α＝-1。

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