CN113675879A - 基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法 - Google Patents

基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，包括，通过公共直流母线和VSC将配网馈线或者配电子网柔性互联，构建柔性互联配电网架；分析末端电压与有功功率及无功功率的关系，通过控制网架中各VSC的有功功率交互调节交流线路末端电压，并建立低压配电线路电压‑有功功率的运行下垂曲线；采集交流侧线路末端的本地电压信息，获取各条线路的运行状况，并通过公共直流母线传递交流线路末端电压，完成不同配电线路的电压负荷信息传递与感知；根据运行下垂曲线，控制各条线路的功率交互，平衡配电网不同馈线的负荷分布；本发明实现了低压配电网馈线间功率的互补互济，且改善了各配电线路末端的电压质量。

Description

基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统中电力电子技术、自动控制的技术领域，尤其涉及基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法。
背景技术
随着能源电力领域的革新和变化，传统配电网的局限性日益突出，所面临的挑战日益严峻。其中，主要问题包括：分布式可再生能源大规模并入电网，配电网功率双向流动，馈线间负载不平衡，节点电压越限；负荷种类多样化，传统配电网的结构和运行模式无法满足各种灵活负荷的需求；用户对于供电的可靠性和电能质量有着更高的要求。
在低压配电网中，线路电压低压越限经常存在和发生于城市配电网和其他地区配电网中，对电力系统的稳定运行和工业、商业、居民用电而言，都产生了严重影响。长久以来，学界及电力公司的关注点在于中高压系统的电能质量问题，而并未考虑低压配电网的电能质量问题。随着我国经济的发展，人民生活水平不断提高，对电能的需求越来越高。低压配电网的负荷越来越重、负荷类型越来越多、容量越来越大，因此，配电网的电压质量难以保证。
随着电力电子器件的发展，柔性直流配电技术不断完善。以电压源换流器为基础的柔性直流配电技术在中低压柔性互联配电技术中得到示范应用，形成了交直流混合的柔性互联化配电网。将柔性互联技术应用于低压配电网，可以实现低压配电网功率的灵活调度，改善系统的运行情况。然而，由于通信网络自身结构和介质特性等因素，低压配电网的通讯信号噪声干扰强、信号衰减大，目前存在着诸多难题。因此，如何在各换流器之间无通讯线时，实现有功功率的智能交互与馈线电压平衡，是多区域柔性互联化配电网实现协调控制的难题之一。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，能够针对现有技术中的缺陷，在无通讯线路时基于柔性互联化低压配电网，实现多配电换流器协调控制。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，通过公共直流母线和电压源型变换器，将配网馈线或者配电子网柔性互联，构建柔性互联配电网架；根据线路阻抗的阻感比，分析末端电压与有功功率及无功功率的关系，通过控制柔性互联配电网架中各电压源型变换器的有功功率交互调节交流线路末端电压，并建立低压配电线路电压-有功功率的运行下垂曲线；采集交流侧线路末端的本地电压信息，获取各条线路的运行状况，并通过公共直流母线传递所述交流线路末端电压，完成不同配电线路的电压负荷信息传递与感知；根据所述低压配电线路电压-有功功率的运行下垂曲线，控制各条线路的功率交互，使各条线路运行在各自下垂曲线上的同一电压水平。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：还包括，配网馈线或者配电子网经柔性互联后，各条线路的直流侧归一化电压Vdc相等，为：
Figure BDA0003155750010000021
其中，N为配网馈线或者配电子网的数量，Vdcn为线路n的直流侧归一化电压。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：所述分析包括，所述有功功率与所述末端电压满足自然下垂特性，建立如下下垂方程：
Figure BDA0003155750010000022
Pac1＝P1+Pc1
Pc1＝Pdc1
其中，Vac1为第1个配网的线路末端电压；
Figure BDA0003155750010000023
与
Figure BDA0003155750010000024
分别为线路1的电压幅值上限和下限；
Figure BDA0003155750010000025
为电压幅值额定值；
Figure BDA0003155750010000026
为有功功率额定值；Pac1为线路末端总有功功率；Pc1为第1个配网的交直流变换器传递的有功功率；P1为第1个配网的负载功率；Pdc为第1个配网的直流源/荷的功率。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：还包括，对各变量及方程进行归一化处理，归一化方程如下：
Figure BDA0003155750010000031
Figure BDA0003155750010000032
Pac1＝P1+Pdc1
其中，
Figure BDA0003155750010000033
为归一化的配电线路1末端电压幅值。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：还包括，当
Figure BDA0003155750010000034
接近0.5时，表明线路轻载；当
Figure BDA0003155750010000035
接近于0时，表明线路末端重载。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：所述柔性互联配电网架包括，各配电子网或配网馈线的直流侧与公共直流母线相连。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：其特征在于：还包括，交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等，即：
Figure BDA0003155750010000036
其中，
Figure BDA0003155750010000037
为为归一化的配电线路n末端电压幅值，
Figure BDA0003155750010000038
为有功功率额定值，Pcn为第n个配网的交直流变换器传递的有功功率，Pn为第n个配网的负载功率。
作为本发明所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的一种优选方案，其中：还包括，当线路阻抗一定时，线路的末端电压由线路的负载功率决定，负载功率较高，则线路末端电压降低较多；负载功率较低，线路末端电压降低较少。
本发明的有益效果：本发明利用直流电压传递各配电网的末端电压及负载信息采集线路末端的电压信息，从而实现无通信的多交直流换流器的柔性互联控制，且在提升各配电网的末端电压质量的同时，实现总负载功率按容量均分。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明的单个配网线路等效电路示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法的控制框图；
图3为本发明的柔性互联化配电网等效电路示意图；
图4为控制原理示意图；
图5为功率传递的仿真结果示意图；
图6为归一化电压的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中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、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
考虑低压配电网中，低压电力载波通讯常常因为通信网络自身结构和介质特性等因素，造成通讯信号噪声干扰强、信号衰减大，因此，本发明首先构建柔性互联配电网架的网架结构，在该结构中，各配电子网或馈线的直流侧与直流母线相连，从而实现多配电网的柔性互联；其次，基于该结构，实现无通讯的多配电换流器协调控制，其具体的步骤如下：
S1：通过公共直流母线和电压源型变换器(VSC)，将配网馈线或者配电子网柔性互联，构建柔性互联配电网架。
其中，单个配电子网及支路线路等效电路如图1所示，由负荷、线路阻抗、交直流换流器及直流源荷组成；配网馈线或者配电子网经柔性互联后，等效电路图如图3所示，各条线路的直流侧归一化电压Vdc相等，为：
Figure BDA0003155750010000051
其中，N为配网馈线或者配电子网的数量，Vdcn为线路n的直流侧归一化电压。
构建的柔性互联配电网架中各配电子网或配网馈线的直流侧与公共直流母线相连，从而实现多配电网的柔性互联；该网架结构开辟了馈线间的功率流通路径，为控制功率交互改善线路电压质量的多配电换流器协调控制奠定基础。
S2：根据线路阻抗的阻感比，分析末端电压与有功功率及无功功率的关系，通过控制柔性互联配电网架中各电压源型变换器的有功功率交互调节交流线路末端电压，并建立低压配电线路电压-有功功率的运行下垂曲线。
分析后可知，有功功率与末端电压满足自然下垂特性，因此建立如下下垂方程：
Figure BDA0003155750010000061
Pac1＝P1+Pc1
Pc1＝Pdc1
其中，Vac1为第1个配网的线路末端电压；
Figure BDA0003155750010000062
与
Figure BDA0003155750010000063
分别为线路1的电压幅值上限和下限；
Figure BDA0003155750010000064
为电压幅值额定值；
Figure BDA0003155750010000065
为有功功率额定值；Pac1为线路末端总有功功率；Pc1为第1个配网的交直流变换器传递的有功功率；P1为第1个配网的负载功率；Pdc为第1个配网的直流源/荷的功率。
为了通过电压幅值量描述不同容量配电线路的带载情况，可对各变量及方程进行归一化处理，归一化方程如下：
Figure BDA0003155750010000066
Figure BDA0003155750010000067
Pac1＝P1+Pdc1
其中，
Figure BDA0003155750010000068
为归一化的配电线路1末端电压幅值；当
Figure BDA0003155750010000069
接近0.5时，表明线路轻载；当
Figure BDA00031557500100000610
接近于0时，表明线路末端重载。
参照图2，稳态时，交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等，即：
Figure BDA00031557500100000611
Figure BDA00031557500100000612
......
Figure BDA00031557500100000613
其中，
Figure BDA00031557500100000614
为为归一化的配电线路n末端电压幅值，
Figure BDA00031557500100000615
为有功功率额定值，Pcn为第n个配网的交直流变换器传递的有功功率，Pn为第n个配网的负载功率。
S3：采集交流侧线路末端的本地电压信息，获取各条线路的运行状况，并通过公共直流母线传递交流线路末端电压，完成不同配电线路的电压负荷信息传递与感知。
其中需要说明的是，此步骤在无通讯的条件下进行。
S4：根据低压配电线路电压-有功功率的运行下垂曲线，控制各条线路的功率交互，使各条线路运行在各自下垂曲线上的同一电压水平。
控制原理如图4所示，稳态时，交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等；因此，各条线路运行在各自归一化下垂曲线的同一电压水平；联立S1、S2，可以得到：
Figure BDA0003155750010000071
Figure BDA0003155750010000072
在低压配电网实际运行中，当线路阻抗一定时，线路的末端电压由线路的负载功率决定，负载功率较高，则线路末端电压降低较多；负载功率较低，线路末端电压降低较少；上式表明，多条馈线柔性互联后，各条线路的交流侧归一化电压位于同一电压水平，各条线路的功率实现了互补互济，平衡配电网不同馈线的负荷分布。
实施例2
为了验证本方法对低压配电网线路末端电压质量的改善作用，本实施例设计了如下算例用于对比分析；算例由独立的两个低压配电线路组成，馈线末端接有用户负荷，两条线路的线路阻抗不同，经直流侧柔性互联。
算例中线路1与线路2两条配电线路末端分别配置7500W的有功负载和7500W的有功电源，直流侧电压控制为750V，直流负载为75Ω；归一化时，各配电网电压的上下限分别设置为额定电压的110％和90％；线路1的线路阻抗是线路2的两倍。
通过仿真验证本方法的控制效果，仿真时序为：t＝0s时，仿真启动，线路2的AC/DC变换器控制直流电压恒定，线路1的配电交直流换流器并网控制不工作；t＝1.5s时，开启一次调压控制，控制策略如图3～6所示；t＝2.5s，仿真结束。
仿真结果如图5、图6所示；图5、图6分别为线路1、线路2的有功功率传递波形图与线路1、线路2、直流归一化电压的波形图；分析仿真结果，在投入一次调压控制之前，线路1配电交直流换流器并网控制不工作，不向直流侧传递功率；线路2配电交直流换流器并网控制正常工作，向直流侧传递7500W功率；投入一次调压控制后，线路1从直流侧吸收5000W功率，线路2向直流侧传递12500W功率；此时，线路1实际负载为2500W，线路2实际负载为5000W，说明两条线路根据线路的容量实现了总负载的均分。
在图6的仿真结果中，在投入一次调压控制之前，线路1归一化电压约为0.375，小于0.5；线路2末端接入7500W电源，直流侧接入7500W负载，因此末端总负载为0；线路2和直流归一化电压为0.5，均为额定电压值；投入一次调压控制后，线路1和线路2将依据线路容量共同承担总负载，从而实现两条线路末端归一化电压平衡在0.46左右，实现了线路1末端电压提升。
在柔性互联化低压配电网中，本方法可实现无通讯线路时，仅根据本地电压信息，传递馈线间的负荷与末端电压，从而改善线路末端电压质量，平衡馈线负荷功率，优化柔性互联化低压配电系统的运行。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：包括，
通过公共直流母线和电压源型变换器，将配网馈线或者配电子网柔性互联，构建柔性互联配电网架；
根据线路阻抗的阻感比，分析末端电压与有功功率及无功功率的关系，通过控制柔性互联配电网架中各电压源型变换器的有功功率交互调节交流线路末端电压，并建立低压配电线路电压-有功功率的运行下垂曲线；
采集交流侧线路末端的本地电压信息，获取各条线路的运行状况，并通过公共直流母线传递所述交流线路末端电压，完成不同配电线路的电压负荷信息传递与感知；
根据所述低压配电线路电压-有功功率的运行下垂曲线，控制各条线路的功率交互，使各条线路运行在各自下垂曲线上的同一电压水平。
2.如权利要求1所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：还包括，
配网馈线或者配电子网经柔性互联后，各条线路的直流侧归一化电压Vdc相等，为：
Figure FDA0003155750000000011
其中，N为配网馈线或者配电子网的数量，Vdcn为线路n的直流侧归一化电压。
3.如权利要求1所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：所述分析包括，
所述有功功率与所述末端电压满足自然下垂特性，建立如下下垂方程：
Figure FDA0003155750000000012
Pac1＝P1+Pc1
Pc1＝Pdc1
其中，Vac1为第1个配网的线路末端电压；
Figure FDA0003155750000000013
与
Figure FDA0003155750000000014
分别为线路1的电压幅值上限和下限；
Figure FDA0003155750000000015
为电压幅值额定值；
Figure FDA0003155750000000016
为有功功率额定值；Pac1为线路末端总有功功率；Pc1为第1个配网的交直流变换器传递的有功功率；P1为第1个配网的负载功率；Pdc为第1个配网的直流源/荷的功率。
4.如权利要求3所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：还包括，
对各变量及方程进行归一化处理，归一化方程如下：
Figure FDA0003155750000000021
Figure FDA0003155750000000022
Pac1＝P1+Pdc1
其中，
Figure FDA0003155750000000023
为归一化的配电线路1末端电压幅值。
5.如权利要求4所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：还包括，
当
Figure FDA0003155750000000024
接近0.5时，表明线路轻载；当
Figure FDA0003155750000000025
接近于0时，表明线路末端重载。
6.如权利要求1或2所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：所述柔性互联配电网架包括，
各配电子网或配网馈线的直流侧与公共直流母线相连。
7.如权利要求4或5所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：还包括，
交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等，即：
Figure FDA0003155750000000026
其中，
Figure FDA0003155750000000027
为为归一化的配电线路n末端电压幅值，
Figure FDA0003155750000000028
为有功功率额定值，Pcn为第n个配网的交直流变换器传递的有功功率，Pn为第n个配网的负载功率。
8.如权利要求7所述的基于柔性互联化低压配电网的多配电换流器协调控制方法，其特征在于：还包括，
当线路阻抗一定时，线路的末端电压由线路的负载功率决定，负载功率较高，则线路末端电压降低较多；负载功率较低，线路末端电压降低较少。
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