CN113381435B - 一种柔性合环装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性合环装置及其控制方法，所述柔性合环装置包括所述柔性合环装置包括变压器T、储能变流器PCS、储能单元、滤波器、2个开关(S1和S2)和2个电网(电网ug1和电网ug2)，变压器T的原边端子分别为T1和T2，变压器T的副边的副边端子分别为T3和T4，且变压器的副边端子为开绕组结构(副边端子分别为T3和T4)。通过设计合适的变压器原边和副边移相角、控制储能变流器PCS产生合适的交流输出电压uo2以及控制2个开关的合理开关顺序，实现两个电网ug1和ug2之间的柔性互联，相对于常规的背靠背式柔性互联装置，本发明可以显著减少变压器和功率变换器的容量以及损耗，进而降低装置的硬件成本、提高运行效率，具有较大的经济效益。

Description

一种柔性合环装置及其控制方法
技术领域
本发明属于配网优化运行控制技术领域，具体涉及一种柔性合环装置及其控制方法。
背景技术
我国配网采用“闭环设计、开环运行”的设计原则，通过调控联络开关、分段开关的状态可优化网络结构，维持配网的高效运行、实现故障区域的供电恢复。而基于机械开关的倒合闸操作瞬间，系统含有较大的冲击电流，影响系统的稳定运行。基于电力电子技术的柔性合环装置，可以产生幅值和相位任意的电压，因此在合环瞬间不会产生较大的冲击电流，具有较高的合环运行性能。目前研究较多的柔性合环装置采用背靠背的方案,如附图1所示。在该方案中，两个变流器VSC1和VSC2共直流母线连接，交流侧分别接一个电网。在中压等级的配网中，电网电压可达10kV以上。受限于功率半导体器件的耐压能力，两个变流器的交流侧均需安装变压器以降低变流器处理的电压。这一方案控制简单，理论成熟，在实际中已有一定应用。
然而，该方案存在以下显著不足：
1)成本高昂。两个变流器和两台变压器均需要处理全部的功率，需要较多的功率半导体器件以及铜和铁等原材料，工程造价高，经济效益差。
2)效率较低。该方案存在四级功率变换，即使每一级的效率高达99％，装置的总效率也仅为96％,产生较大的电能浪费，且需要复杂的散热装置。
目前有学者提出了其它拓扑的柔性合环装置方案，但并未真正解决背靠背方案存在的主要问题，这制约了柔性合环技术的工程应用。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种柔性合环装置及其控制方法，通过新型的电路拓扑结构，解决现有柔性合环装置成本高昂、效率较低的不足，促进柔性合环技术在中/低压配电网中的应用。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：所述柔性合环装置包括变压器T、储能变流器PCS、储能单元、滤波器、开关S1、开关S2、电网ug1和电网ug2，变压器T的原边端子分别为T1和T2，变压器T的副边的副边端子分别为T3和T4，且变压器的副边端子为开绕组结构，PCS为典型的拓扑结构，优选为一个DC-DC变换器和电压源变换器(VSC)组成，亦可采用其它拓扑，所述柔性合环装置的连接关系为：
S1：电网ug1接到变压器T的原边；
S2：变压器原边的一个端子(T1)通过开关S1与副边端子T3相连，变压器原边的另一个端子(T2)接到电网ug1的中性点；
S3：变压器副边的T3端子通过开关S2与电网ug2相连；
S4：储能单元位于储能变流器PCS直流输入端口，滤波器位于储能变流器PCS的交流侧；
S5：滤波器输出端子F1与变压器的T4端子相连，滤波器输出端子F2与电网ug2中性点相连；
所述柔性合环装置的合环控制步骤分为：
S7：合环前的储能单元充/放电控制；
S8：合环暂态的电网同步控制；
S9：合环后的持续电能传输控制。
优选的，变压器T为移相变压器，副边电压与原边电压存在相位差j，j的最优值为电网ug1和电网ug2之间的最大相位差的一半。
优选的，储能变流器PCS配置的最小容量为PPCS，min：
Figure GDA0003846116830000031
其中PRated为电网ug1和ug2之间传输的额定容量。
优选的，所述S7中，所述装置的控制方法如下：
S7.1：断开开关S2，闭合开关S1；
S7.2：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，通过对储能单元的电压和电流、储能变流器PCS交流侧电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，将储能单元的电压控制在期望的电压值，且实现储能变流器PCS交流侧电流的正弦化。
优选的，所述S8中，所述装置的控制方法如下：
S8.1：断开开关S1和S2；
S8.2：设定滤波器输出电压uo2的参考值uo2 *为：
uo2 *＝ug2-uo1
其中，uo1为变压器副边电压，ug2为电网ug2电压；
S8.3：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，对滤波器输出电压uol2、储能变流器PCS交流侧电流、储能单元的电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，使得储能变流器PCS工作于电压输出模式，使得uo2跟踪其参考值uo2 *；
S8.4：在uo2和uo2 *之间的幅值之差和频率之差均小于预定的阈值时，闭合开关S2。
优选的，所述S9中，所述装置的控制方法如下：
S9.1：断开开关S1，闭合开关S2；
S9.2：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，对滤波器输出电压uo2、储能变流器PCS交流侧电流、储能单元的电压和电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，维持储能单元电压稳定，同时使得uo2的幅值最小。
优选的，所述S9.2中，储能变流器PCS的交流侧闭环控制以变压器副边电流iL定向，并将uo2分解成与iL同方向的uo2d分量和与iL垂直方向的uo2q分量，uo2d的参考值为uo2d *，uo2q的参考值为ui2q *，将uo2q *设为0，将储能变流器PCS内部直流侧电压闭环控制产生的信号作为uo2d *，将uo2d *和uo2q *作为储能变流器PCS交流侧电压闭环控制的参考信号。
(三)有益效果
(1)本发明一种柔性合环装置及其控制方法，仅需一台变压器和一个变流器，且变流器的容量可降低至现有方案的20％以下，工程造价显著降低。
(2)本发明一种柔性合环装置及其控制方法，效率显著提高。仅需一级功率变换，装置的整体效率可达99％以上，节能效果明显。
因此，本发明具有较高的技术竞争力、可产生较大的经济效益，且将促进柔性合环技术在配电网中的应用与发展，提升配电网的智能化水平。
附图说明
图1是传统的背靠背柔性合环装置的原理图；
图2是本发明所提出的柔性合环装置原理图；
图3是副边开绕组的变压器结构图；
图4是双级式储能变流器及其输出滤波器的结构图；
图5是合环前储能单元充/放电的储能变流器PCS等效电路及控制原理图；
图6是合环暂态的储能变流器PCS等效电路及控制原理图；
图7是合环后的储能变流器PCS等效电路及控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，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。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。
实施例
如图1-7所示，本发明实施例提供一种柔性合环装置及其控制方法，柔性合环装置包括变压器T、储能变流器PCS、储能单元、滤波器、开关S1、开关S2、电网ug1和电网ug2，变压器T的原边端子分别为T1和T2，变压器T的副边的副边端子分别为T3和T4，且变压器的副边端子为开绕组结构，PCS为典型的拓扑结构，优选为一个DC-DC变换器和电压源变换器(VSC)组成，亦可采用其它拓扑，柔性合环装置的连接关系为：
S1：电网ug1接到变压器T的原边；
S2：变压器原边的一个端子(T1)通过开关S1与副边端子T3相连，变压器原边的另一个端子(T2)接到电网ug1的中性点；
S3：变压器副边的T3端子通过开关S2与电网ug2相连；
S4：储能单元位于储能变流器PCS直流输入端口，滤波器位于储能变流器PCS的交流侧；
S5：滤波器输出端子F1与变压器的T4端子相连，滤波器输出端子F2与电网ug2中性点相连；
柔性合环装置的合环控制步骤分为：
S7：合环前的储能单元充/放电控制；
S8：合环暂态的电网同步控制；
S9：合环后的持续电能传输控制。
本发明中，变压器T为移相变压器，副边电压与原边电压存在相位差j，j的最优值为电网ug1和电网ug2之间的最大相位差的一半。
本发明中，储能变流器PCS配置的最小容量为PPCS，min：
Figure GDA0003846116830000061
其中PRated为电网ug1和ug2之间传输的额定容量。
本发明中，S7中，装置的控制方法如下：
S7.1：断开开关S2，闭合开关S1；
S7.2：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，通过对储能单元的电压和电流、储能变流器PCS交流侧电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，将储能单元的电压控制在期望的电压值，且实现储能变流器PCS交流侧电流的正弦化。
本发明中，S8中，装置的控制方法如下：
S8.1：断开开关S1和S2；
S8.2：设定滤波器输出电压uo2的参考值uo2 *为：
uo2 *＝ug2-uo1
其中，uo1为变压器副边电压，ug2为电网ug2电压；
S8.3：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，对滤波器输出电压uo2、储能变流器PCS交流侧电流、储能单元的电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，使得储能变流器PCS工作于电压输出模式，使得uo2跟踪其参考值uo2 *；
S8.4：在uo2和uo2 *之间的幅值之差和频率之差均小于预定的阈值时，闭合开关S2。
本发明中，S9中，装置的控制方法如下：
S9.1：断开开关S1，闭合开关S2；
S9.2：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，对滤波器输出电压uo2、储能变流器PCS交流侧电流、储能单元的电压和电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，维持储能单元电压稳定，同时使得uo2的幅值最小。
本发明中，S9.2中，储能变流器PCS的交流侧闭环控制以变压器副边电流iL定向，并将uo2分解成与iL同方向的uo2d分量和与iL垂直方向的uo2q分量，uo2d的参考值为uo2d *，uo2q的参考值为uo2q *，将uo2q *设为0，将储能变流器PCS内部直流侧电压闭环控制产生的信号作为uo2d *，将uo2d *和uo2q *作为储能变流器PCS交流侧电压闭环控制的参考信号。
工作原理：
附图2为本发明所提出的柔性合环装置原理图，电网ug1接到变压器T的原边的一端(T1)，变压器原边的另一端(T2)接到电网ug1中性点。变压器T的副边为开绕组结构，副边的一端(T3)分别通过开关S1和S2与变压器原边的T1端子和电网ug2相连。储能变流器PCS的交流侧滤波器的一端(F1)接到变压器T副边的另一端(T4)，滤波器的另一端(F2)接到电网ug2中性点，在三相电网中，变压器T的原边和副边、储能变流器的交流侧、滤波器均为三相结构。
变压器T的结构如附图3所示，变压器副边电压相对于原边电压有移相角j。储能变流器PCS及滤波器的结构如附图4所示。附图4中，Lb为储能单元侧滤波电感，Lf为储能变流器PCS交流侧滤波电感，Cf为交流侧滤波电容。
进一步说明本发明装置降低成本和损耗的工作原理。假设储能单元的电量正常，装置处于合环操作状态，即开关S1断开、S2闭合。设变压器副边电压为uo1，滤波器输出电压即滤波电容Cf上的电压为uo2。根据附图2可知，为实现无冲击电流合环，则uo1与uo2的和应与电网ug2的电压相等，即应满足：
ug2＝uo1+uo2 (1)
本实施案例中，所有的交流电压和电流符号均表示三相变量。将电网电压ug1表示成相量形式：
ug1＝Ug1<0° (2)式中，Ug1为电压ug1的幅值。将电网电压ug2也表示成矢量形式：
ug2＝Ug2<Φ (3)
式中，Ug2为电压ug2的幅值，为ug2相对于ug1的相角。在实际应用中，传统合环方式产生较大冲击电流的主要原因是ug2和ug1之间的相位差Φ过大，本发明中，变压器T设计为移相变压器，变压器副边电压uo1相对于原边的移相角为
Figure GDA0003846116830000081
即uo1表示为：
Figure GDA0003846116830000082
式中，Uo1为电压uo1的幅值，可认为其与Ug2相等。则由式(1)可得：
Figure GDA0003846116830000091
即uo2的幅值正比于的正弦值。由于uo2与uo1串联给电网ug2供电，则uo2的幅值代表了储能变流器需要处理的功率容量。理论上若Φ和
Figure GDA0003846116830000092
相等，则uo2的幅值为0，此时储能变流器无需输出功率，可直接省去。然后，实际的电力系统中，Φ的值是时变的，而
Figure GDA0003846116830000093
只能是固定的。因此，本发明将
Figure GDA0003846116830000094
设定为两侧电网最大相位差的一半，即
Figure GDA0003846116830000095
满足：
Figure GDA0003846116830000096
Figure GDA0003846116830000097
和Φ的符号相同。则由式(5)和(6)可得uo2的最大幅值为Uo2,为：
Figure GDA0003846116830000098
对于两侧电网最大相位差为30°的情况，则有：
Figure GDA0003846116830000099
相对于现有方案中变流器需处理2倍负荷功率，本发明提出的柔性负荷装置中变流器处理的容量降低了87％以上，因此可以显著降低装置的硬件成本。此外，本发明的装置中，电网Ug1到Ug2仅需变压器处理大部分功率，而储能变流器处理小部分功率，且表现出一级功率变换特性。因此，本发明装置还可以大大降低功率损耗，提升节能效果。
进一步说明本发明装置的工作原理与控制方法。在合环操作之前，开关S1和S2均断开。若此时储能单元的电量不足或过充状态，需要对储能单元进行充放电控制。此时，需将开关S2断开、S1闭合。储能变流器PCS的电路等效电路及其控制方法如附图5所示。此时滤波器的输出等效为电压源，电压源的电压为ug1-uo1，uo2也与ug1-uo1相等。采集储能变流器PCS交流侧电流io和电压uo2以及储能变流器PCS内部直流母线电压udc，在以uo2定向的同步旋转坐标系下，对udc和io进行常见的双闭环控制，维持udc的稳定。同时，采集储能单元的电压和电流，并进行双闭环控制，将储能单元的电压控制在期望值。
在储能单元的电量处于正常范围内时，可进行合环操作。进一步说明合环暂态的控制方法。首先将开关S1和S2断开，储能变流器PCS等效电路及其控制方法如附图6所示。采集储能单元的电流ib和储能变流器PCS内部直流母线电压udc，并进行双闭环控制，维持udc的稳定。同时，采集储能变流器PCS交流侧电流io和电压uo2，对uo2和io进行常见的双闭环控制，以产生期望的uo2。其中，uo2的参考值为：
uo2 *＝ug2-uo1 (9)
在闭环控制的作用下，当uo2与uo2 *之间的幅值之差和相位之差均小于预定的阈值时，可以将开关S2闭合，实现了柔性合环操作。其中，阈值的设定以不产生较大冲击电流为标准。
在合环操作后，为减少储能单元的充/放电次数，提高其工作寿命，本发明将储能变流器PCS输出功率控制在最小值，线路传输的主要功率由变压器T处理。此时开关S1断开，S2闭合，电网ug1通过变压器T向负荷供电，储能变流器PCS等效电路及其控制方法如附图7所示。储能变流器PCS的滤波器输出侧等效为电流源，电流的大小为电网ug2的负荷电流iL。与合环前的状态类似，DC-DC负责维持储能单元的电压稳定，VSC负责维持内部直流母线电压的稳定。不同的是，此时VSC需采用三闭环控制。最外环为内部直流母线电压环，中间环为输出电压uo2的闭环控制，最内环为储能变流器PCS交流侧电流io的闭环控制。储能变流器PCS交流侧的闭环控制以负荷电流iL定向。根据这一定向原则，将uo2分解成与iL同方向的uo2d分量和与iL垂直方向的uo2q分量，uo2d的参考值为uo2d *，uo2q的参考值为uo2q *，将uo2q *设为0，将储能变流器PCS内部直流母线电压闭环控制产生的信号作为uo2d *，将uo2d *和uo2q *作为储能变流器PCS交流侧电压闭环控制的参考信号。采用这一控制结构，可以使得储能变流器PCS以最小的功率维持储能单元的电压稳定，即此时uo2的幅值可最小化。
需要说明的是，在本文中，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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，所述柔性合环装置包括变压器T、储能变流器PCS、储能单元、滤波器、开关S1、开关S2、电网ug1和电网ug2，变压器T的原边端子分别为T1和T2，变压器T的副边端子分别为T3和T4，且变压器的副边端子为开绕组结构，所述柔性合环装置的连接关系为：
S1：电网ug1接到变压器T的原边；
S2：变压器原边的一个端子(T1)通过开关S1与副边端子T3相连，变压器原边的另一个端子(T2)接到电网ug1的中性点；
S3：变压器副边的T3端子通过开关S2与电网ug2相连；
S4：储能单元位于储能变流器PCS直流输入端口，滤波器位于储能变流器PCS的交流侧；
S5：滤波器输出端子F1与变压器的T4端子相连，滤波器输出端子F2与电网ug2中性点相连；
所述柔性合环装置的合环控制步骤分为：
S7：合环前的储能单元充/放电控制；
S8：合环暂态的电网同步控制；
S9：合环后的持续电能传输控制。
2.根据权利要求1所述的一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，变压器T为移相变压器，副边电压与原边电压存在相位差j，j的最优值为电网ug1和电网ug2之间的最大相位差的一半。
3.根据权利要求1所述的一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，储能变流器PCS配置的最小容量为PPCS，min：
Figure FDA0003846116820000011
其中PRated为电网ug1和ug2之间传输的额定容量。
4.根据权利要求1所述的一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，所述S7中，所述装置的控制方法如下：
S7.1：断开开关S2，闭合开关S1；
S7.2：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，通过对储能单元的电压和电流、储能变流器PCS交流侧电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，将储能单元的电压控制在期望的电压值，且实现储能变流器PCS交流侧电流的正弦化。
5.根据权利要求1所述的一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，所述S8中，所述装置的控制方法如下：
S8.1：断开开关S1和S2；
S8.2：设定滤波器输出电压uo2的参考值uo2 *为：
uo2 *＝ug2-uo1
其中，uo1为变压器副边电压，ug2为电网ug2电压；
S8.3：采集储能变流器PCS闭环控制所需的电压和电流信号，对滤波器输出电压uo2、PCS储能变流器交流侧电流、储能单元的电流、PCS储能变流器内部直流侧电压进行闭环控制，使得PCS储能变流器工作于电压输出模式，使得uo2跟踪其参考值uo2 *；
S8.4：在uo2和uo2 *之间的幅值之差和频率之差均小于预定的阈值时，闭合开关S2。
6.根据权利要求1所述的一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，所述S9中，所述装置的控制方法如下：
S9.1：断开开关S1，闭合开关S2；
S9.2：采集PCS储能变流器闭环控制所需的电压和电流信号，对滤波器输出电压uo2、PCS储能变流器交流侧电流、储能单元的电压和电流、储能变流器PCS内部直流侧电压进行闭环控制，维持储能单元电压稳定，同时使得uo2的幅值最小。
7.根据权利要求6所述的一种柔性合环装置及其控制方法，其特征在于，所述S9.2中，储能变流器PCS的交流侧闭环控制以变压器副边电流iL定向，并将uo2分解成与iL同方向的uo2d分量和与iL垂直方向的uo2q分量，uo2d的参考值为uo2d *，uo2q的参考值为uo2q *，将uo2q *设为0，将储能变流器PCS内部直流侧电压闭环控制产生的信号作为uo2d *，将uo2d *和uo2q *作为储能变流器PCS交流侧电压闭环控制的参考信号。
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