CN112510728A - 一种多能互补配电网潮流优化控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多能互补配电网潮流优化控制装置及控制方法，其包括两个变流器，两个所述变流器之间并联有电容器组，且所述变流器包括三相桥式电路；两个电抗器，每个所述电抗器连接一所述变流器，每个所述电抗器用于连接一个配电房；控制器，其与两个变流器相连，其用于采集所有所述配电房的电能参数以及两个变流器的状态信息，并根据所述电能参数与所述状态信息对所述变流器进行控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补。通过对交流输配电房的潮流进行优化控制，实现不同能源之间电能的动态互补，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

Description

一种多能互补配电网潮流优化控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及交直流输配电领域，特别涉及一种多能互补配电网潮流优化控制装置及控制方法。

背景技术

目前，电力网络中的发电端经过电网系统后与用电端耦合在一起，电能在整个电网中必须时刻保持平衡，任何能源或负荷的接入都会带来扰动，甚至造成局部震荡或失控。而伴随着电力需求的持续增长，电力传输线路的负载越来越大，加之电源与负荷中心分布不均衡，需要配合远距离、特高压输电。由此产生的电压波动、“功率倒流”、“功率绕送”等问题影响到电网的安全稳定运行。

随着越来越多的波动性和随机性较大的分布式新能源直接接入园区电网后给能量传输带来的波动也直接影响到电网的稳定性和安全性。以风电和光伏发电为例，这些能源的波动性和随机性较大，直接接入电网后给能量传输带来的波动直接影响到电网的稳定性和安全性。

为解决上述相关问题，灵活性交流输配电装置得以出现和发展。但是通过对相关技术的研究发现，在灵活性交流输配电装置的应用逐渐加入现行交流输电系统的过程中，由于可再生能源比例的不断提升，一些新型产业园区大量实施的多能互补工程中不可避免的会出现“新能源发电出力不足”、“新能源发电波动性太大，自用率不高”等问题，因此提出针对柔性交流输配电潮流优化的控制方案十分有必要。

发明内容

本发明实施例提供一种多能互补配电网潮流优化控制装置及控制方法，通过对交流输配电房的潮流进行优化控制，实现不同能源之间电能的动态互补，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

第一方面，提供了一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其包括：两个变流器，两个所述变流器之间并联有电容器组，且所述变流器包括三相桥式电路；两个电抗器，每个所述电抗器连接一所述变流器，每个所述电抗器用于连接一个配电房；控制器，其与两个变流器相连，其用于采集所有所述配电房的电能参数以及两个变流器的状态信息，并根据所述电能参数与所述状态信息对所述变流器进行控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补；所述状态信息包括电容器组的储能情况。

一些实施例中，所述三相桥式电路包括三相桥式换流器；所述三相桥式换流器的每一桥臂包含多个串联的功率单元，所述功率单元包括：两个并联的IGBT模块以及与所述IGBT模块并联的电解电容；所述IGBT模块包括两个串联的IGBT；所述控制器用于控制所述功率单元的输出电压和相位。

一些实施例中，所述功率单元包括：信号驱动电路，其与所述IGBT连接，用于根据所述控制器的控制信号驱动所述IGBT的导通或断开。

一些实施例中，所述功率单元包括：检测电路；其与所述IGBT模块连接，并用于将所述功率单元的状态信息反馈至所述控制器。

一些实施例中，所述功率单元包括集成电路板，所述集成电路板上集成有：通讯接口，其用于与所述控制器进行数据传输；信号驱动电路，其与所述IGBT连接，用于驱动所述IGBT的导通或断开；检测电路；其与所述IGBT模块连接，并用于将所述功率单元的状态信息反馈至所述控制器。

一些实施例中，所述三相桥式电路还包括三相断路器；所述三相断路器与所述三相桥式换流器串联，用于控制回路的通断。

一些实施例中，所述三相桥式电路还包括充电电阻；所述充电电阻与所述三相桥式换流器相连，用于限制所述三相桥式换流器内的充电电流。

一些实施例中，所述控制器包括：采集单元，所述采集单元用于与配电房连接，用于从所述配电房采集电能参数；通信单元，所述通信单元用于与所述变流器进行数据传输并获取所述变流器的状态信息；运算单元，所述运算单元分别与所述采集单元和所述控制单元连接，用于根据所述电能参数和所述状态信息解算出控制参数；控制单元，所述控制单元与通信单元连接，用于根据所述控制参数对所述变流器进行控制。

第二方面，提供了一种多能互补配电网潮流优化控制方法，其包括步骤：控制器采集所有所述配电房的电能参数；控制器获取两个变流器的状态信息；控制器根据所述电能参数和所述状态信息建立目标协调控制模型；控制器根据所述目标协调控制模型获取控制参数；控制器根据所述控制参数对变流器进行协调控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补。

一些实施例中，所述控制器获取两个变流器的状态信息，包括步骤：获取所述电容器组的储能信息。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明实施例提供了一种多能互补配电网潮流优化控制装置，两个变流器之间并联有电容器组，形成“背靠背”的结构连通两个配电房，控制器与两个变流器连接，形成一个AC到AC的变流器结构,这种结构使有功功率可以在两个变流器的交流侧之间沿任何一个方向流动，同时两个完全相同的变流器也可以在自己的交流输出端独立地吸收或发出无功功率。从而能够将一个配电房的电能供另一个配电房消纳，实现两个配电房之间的潮流转移和功率互济。同时，通过控制器获取配电房与变流器的实时数据并对变流器进行控制，实现了对交流输配电房的潮流进行优化控制，使常规能源、分布式新能源以及储能电源之间形成动态互补，最大限度地发挥可再生能源的作用，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的三相桥式电路的示意图；

图3为本发明实施例提供的功率单元的示意图；

图4为本发明实施例提供的应用一种多能互补配电网潮流优化控制装置进行潮流控制的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本发明实施例提供了一种多能互补配电网潮流优化控制装置，通过对交流输配电房的潮流进行优化控制，实现不同能源之间电能的动态互补，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

如图1所示，本实施例提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置包括：两个变流器、两个电抗器和控制器，其中，两个变流器之间并联有电容器组，且变流器包括三相桥式电路；每个电抗器连接一变流器，每个电抗器用于连接一个配电房；控制器与两个变流器相连，其用于采集所有配电房的电能参数以及两个变流器的状态信息，并根据所述电能参数与所述状态信息对变流器进行控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补；其中的状态信息包括电容器组的储能情况。可优选地，电容器组为直流储能大电容器组。

本实施例提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，由于两个变流器之间并联有电容器组，形成“背靠背”的结构连通两个配电房，控制器与两个变流器连接，形成一个AC到AC的变流器结构,这种结构使有功功率可以在两个变流器的交流侧之间沿任何一个方向流动，同时两个完全相同的变流器也可以在自己的交流输出端独立地吸收或发出无功功率。从而能够将一个配电房的电能供另一个配电房消纳，实现两个配电房之间的潮流转移和功率互济。同时，通过控制器获取配电房与变流器的实时数据并对变流器进行控制，实现了对具有新能源的多能互补园区交流输配电房的潮流进行优化控制，使常规能源、分布式新能源以及储能电源之间形成动态互补，最大限度地发挥可再生能源的作用，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

如图2、3所示，在一些实施例中，三相桥式电路包括三相桥式换流器。三相桥式换流器的每一桥臂包含多个串联的功率单元。功率单元包括：两个并联的IGBT模块7和与IGBT模块并联的电解电容。其中，每个IGBT模块包括两个串联的IGBT。控制器通过控制功率单元的输出电压和相位对变流器进行控制。具体地，控制器通过控制每条桥臂的输出电压的幅值和相位，实现对输电线路电流的调节，从而实现潮流分配控制。

由于三相桥式换流器中每个桥臂均通过多个功率单元串联组成，每个功率单元包含有两个IGBT模块和一个电解电容，两个IGBT模块并联后与电解电容并联，功率单元级联型具有各功率单元独立，模块化程度高，易于扩展，可以提高输送容量等优点。其中，电解电容的作用可以对整流桥整流后的直流电压进行滤波。三相桥式换流器的每个桥臂采用串联多个功率单元的方式，通过采用PWM调制技术和移相技术，就可以在不增加IGBT开关频率的条件下，轻松实现有源滤波功能。可优选地，采用的IGBT元件额定电流小，是国内很容易采购到的，因此便于设备后期维护。

如图3所示，在一些实施例中，功率单元包括信号驱动电路，信号驱动电路与每个IGBT连接，用于根据控制器的控制信号驱动IGBT的导通或断开。具体地，信号驱动电路通过对每个IGBT的导通或断开进行控制，来控制每条桥臂的输出电压的幅值和相位，从而对输电线路电流的调节，实现应对新能源供电中电能流的路径选择和比例分配，使常规能源、分布式新能源和储能电源之间电能量的动态互补。

如图3所示，在一些实施例中，功率单元包括检测电路，检测电路与IGBT模块连接，并用于将功率单元的状态信息反馈至控制器。具体地，检测电路可对功率单元进行实时的故障检测，并将功率单元的状态信息反馈至控制器，其中功率单元的状态信息包括故障信息。控制器接收到功率单元反馈的状态信息后，可根据这些实时的状态信息进行协同控制，实现对变流器的动态控制。

在一些实施例中，功率单元包括集成电路板，其上集成有：通讯接口、信号驱动电路、检测电路。其中，通讯接口用于与控制器进行数据传输；信号驱动电路与IGBT连接，用于驱动IGBT的导通或断开；检测电路与IGBT模块连接，并用于将功率单元的状态信息反馈至控制器。在一些实际的应用中，集成电路板为PCB板，其上还集成有电源电路，用于为功率单元进行供电。通讯接口可设为光纤通讯接口。

如图2所示，在一些实施例中，三相桥式电路还包括三相断路器，其与三相桥式换流器串联，用于控制回路的通断。具体地，当三相桥式换流器出现故障时，可通过三相断路器快速断开回路，对变流器进行保护。

如图2所示，在一些实施例中，三相桥式电路还包括充电电阻，其与三相桥式换流器相连，用于限制三相桥式换流器内的充电电流。具体地，充电电阻可以在变流器投入时限制对三相桥式换流器中的功率单元内部的电解电容的充电电流，减少冲击。当接通三相断路器后，回路通过充电电阻对三相桥式换流器进行充电，当功率单元中的电解电容自由充电完成后，会由控制部分控制三相桥式换流器进入带阻抗升压阶段，等图2中电容组两端的直流电压达到设定值后，由控制部分控制与充电电阻并联的三相接触器中的主触头闭合，三相接触器短接充电电阻，变流器进入正常运行。

在一些实施例中，控制器包括：采集单元、通信单元、运算单元和控制单元。其中采集单元用于与所有配电房连接，用于从配电房采集电能参数；通信单元用于与两个变流器进行数据传输并获取两个变流器的状态信息；运算单元分别与采集单元和控制单元连接，用于根据从配电房采集到的电能参数和从变流器获取的状态信息解算出控制参数；控制单元与通信单元连接，用于根据运算单元解算出的控制参数对变流器进行控制。具体的，从配电房采集的电能参数包括：配电房变压器的电压和相位。从两个变流器获取的状态信息包括各线路上的电流、电压、有功功率潮流、无功功率潮流以及并联在两个变流器之间的电容组的电压等。

在一些实施例中，运算单元中预设有参考值，以及根据采集单元采集的数据构建的目标协调控制模型。运算单元将从采集单元获取线路上各元件的参数输入目标协调控制模型，并以控制器的取值范围作为约束条件，继而采用遗传算法进行求解得到可以最大化的满足对潮流控制需要的控制参数。控制单元通过控制参数对变流器进行协调控制，通过改变和补偿变流器中的电压幅值、功角和线路阻抗等参数进行控制，从而实现园区电能流的路径选择和比例分配。

在一些实施例中，控制器能够对用电负荷数据和新能源出力数据进行聚类分析。

本发明实施例还提供了一种多能互补配电网潮流优化控制方法，其运用于本发明实施例中提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，通过对交流输配电房的潮流进行优化控制，实现不同能源之间电能的动态互补，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

其包括步骤：控制器采集所有所述配电房的电能参数；控制器获取两个变流器的状态信息；控制器根据所述电能参数和所述状态信息建立目标协调控制模型；控制器根据所述目标协调控制模型获取控制参数；控制器根据所述控制参数对变流器进行协调控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补。

在一些实际应用中，从配电房采集的电能参数包括：配电房变压器的电压和相位。从两个变流器获取的状态信息包括各线路上的电流、电压、有功功率潮流、无功功率潮流以及并联在两个变流器之间的电容组的储能情况等。其中，两个变流器之间的电容组的储能情况可以包括电容组的电压值。具体地，运算单元中预设有参考值，以及根据采集单元采集的数据构建的目标协调控制模型。运算单元将从采集单元获取线路上各元件的参数输入目标协调控制模型，并以控制器的取值范围作为约束条件，继而采用遗传算法进行求解得到可以最大化的满足对潮流控制需要的控制参数。控制单元通过控制参数对变流器进行协调控制，通过改变和补偿变流器中的电压幅值、功角和线路阻抗等参数进行控制，从而实现园区电能流的路径选择和比例分配。

如图4所示，在一些实施例中，本发明提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置分别与1号配电房和2号配电房相连，用于将1号配电房中清洁、高效、廉价的光伏、光热、风能发电调配至2号配电房消纳，提升新能源发电的效益，实现潮流转移和功率互济。具体的，两个变流器之间并联有电容器组，形成“背靠背”的结构连通两个配电房，控制器与两个变流器连接后形成一个AC到AC的变流器结构。其中，控制器可根据1号配电房和2号配电房的运行工况确定最佳控制模式和运行时点，并下发电压指令和潮流指令至变流器，使两个变流器都能在各自的输出端产生或吸收无功功率，同时有功功率能够在两个变流器之间流动。在一些特别的案例中，还可以通过向2号配电房中的400V母线注入一个适当的补偿电压，使电路产生一个理想的电流向量，从而达到调节线路潮流的目的。这种结构可以使有功功率从1号配电房流向2号配电房，从而能够将1号配电房的电能供2号配电房消纳，实现两个配电房之间的潮流转移和功率互济。同时还解决了新能源发电“波动性太大、自用率不高”等问题。

如图4所示，在一些实施例中，针对城市或工业园区配电网中不同配电房设计容量存在不合理或已规划好的配电系统由于某一特定地点用电负荷的增加导致该配电房的供电容量不够等问题，发明提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置分别与1号配电房和2号配电房相连，用于解决由于空间的局限存在增容困难或1号配电房和2号配电房之间用电负荷迁移的问题。具体的，当出现由于特定地点用电负荷的增加导致2号配电房供电容量不足时，可通过发明提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置将1号配电房中冗余的电能转移到2号配电房供负载运行使用。

本发明提供的一种多能互补配电网潮流优化控制装置及控制方法，是针对近年来，电力需求的持续增长、电力传输线路的负载越来越大、电源与负荷中心分布不均衡、需要配合远距离输电等情况所带来的电压波动、“功率倒送”、“功率绕送”等问题，以及随着越来越多的波动性和随机性较大的分布式新能源直接接入园区电网后给能量传输带来的波动影响到电网的稳定性和安全性等问题，提出了解决方案。在电力能源互联网中实现电能的潮流控制功能，包括电能流的路径选择和比例分配，使常规能源、分布式新能源和储能电源之间电能量得到动态互补，最大限度地发挥可再生能源的作用，解决输配电房能源波动性太大、自用率不高、电力不足等问题。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，其包括：

两个变流器，两个所述变流器之间并联有电容器组，且所述变流器包括三相桥式电路；

两个电抗器，每个所述电抗器连接一所述变流器，每个所述电抗器用于连接一个配电房；

控制器，其与两个变流器相连，其用于采集所有所述配电房的电能参数以及两个变流器的状态信息，并根据所述电能参数与所述状态信息对所述变流器进行控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补；

所述状态信息包括电容器组的储能情况。

2.如权利要求1所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述三相桥式电路包括三相桥式换流器；

所述三相桥式换流器的每一桥臂包含多个串联的功率单元，所述功率单元包括：

两个并联的IGBT模块，所述IGBT模块包括两个串联的IGBT；

与所述IGBT模块并联的电解电容；

所述控制器用于控制所述功率单元的输出电压和相位。

3.如权利要求2所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述功率单元包括：

信号驱动电路，其与所述IGBT连接，用于根据所述控制器的控制信号驱动所述IGBT的导通或断开。

4.如权利要求3所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述功率单元包括：

检测电路，其与所述IGBT模块连接，并用于将所述功率单元的状态信息反馈至所述控制器。

5.如权利要求2所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述功率单元包括集成电路板，

所述集成电路板上集成有：

通讯接口，其用于与所述控制器进行数据传输；

信号驱动电路，其与所述IGBT连接，用于驱动所述IGBT的导通或断开；

检测电路；其与所述IGBT模块连接，并用于将所述功率单元的状态信息反馈至所述控制器。

6.如权利要求2所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述三相桥式电路还包括三相断路器；

所述三相断路器与所述三相桥式换流器串联，用于控制回路的通断。

7.如权利要求2所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述三相桥式电路还包括充电电阻；所述充电电阻与所述三相桥式换流器相连，用于限制所述三相桥式换流器内的充电电流。

8.如权利要求1所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，所述控制器包括：

采集单元，所述采集单元用于与配电房连接，用于从所述配电房采集电能参数；

通信单元，所述通信单元用于与所述变流器进行数据传输并获取所述变流器的状态信息；

控制单元，所述控制单元与通信单元连接，用于根据所述控制参数对所述变流器进行控制；

运算单元，所述运算单元分别与所述采集单元和所述控制单元连接，用于根据所述电能参数和所述状态信息解算出控制参数。

9.一种多能互补配电网潮流优化控制方法，其基于权利要求1至8任意一项所述的一种多能互补配电网潮流优化控制装置，其特征在于，其包括步骤：

控制器采集所有所述配电房的电能参数；

控制器获取两个变流器的状态信息；

控制器根据所述电能参数和所述状态信息建立目标协调控制模型；

控制器根据所述目标协调控制模型获取控制参数；

控制器根据所述控制参数对变流器进行协调控制，以使所有配电房之间的电能实现动态互补。

10.如权利要求9所述的一种多能互补配电网潮流优化控制方法，其特征在于，所述控制器获取两个变流器的状态信息，包括步骤：获取所述电容器组的储能信息。

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