CN114221374A - 基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法 - Google Patents

基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法 Download PDF

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Abstract

基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法，该柔性台区包括直流微网结构、主网供电结构。所述直流微网结构包括新能源发电模块、储能模块；所述新能源发电模块通过智能断路器D3连接DC‑DC变流器B3，DC‑DC变流器B3连接直流母线；所述储能模块通过智能断路器D4连接DC‑DC变流器B4，DC‑DC变流器B4连接直流母线L1；直流母线L1连接DC‑DC变流器B2。所述主网供电结构包括交流母线L2、智能断路器D1、智能断路器D2；直流母线L1通过DC‑DC变流器B2连接智能断路器D2，智能断路器D2连接交流母线L2，交流母线L2通过智能断路器D1连接上级电网。本发明柔性台区架构具有控制要求低、减少电力电子器件复杂化、降低损耗等优点；协调控制方法简单、高效。

Description

基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法
技术领域
本发明涉及区域配电网调度技术领域，具体涉及一种基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法。
背景技术
在区域配电网实际运行中，由于部分地区迎峰度夏，区域负荷陡增时，存在电力供应不足，导致超过原有计划调度额度，就会存在拉闸限电等严重影响居民企业正常用电行为。通常随着电网负荷急剧增大，特别是一些非周期性大型冲击负荷到来时，配网存在预备容量不足，需要调整原有计划调度，增加整体配网安全、稳定运行的经济成本。
现有解决方案大多集中在配置大容量配变器等从源端出发以增加上级电网出力来解决此类问题。配置大容量配变器存在成本高、常态下设备利用率不足，无法增设配电自动化装置等弊端。
随着微电网的快速发展，将分布式电源、储能系统、负荷等组成的小型发配电系统接入电网来辅助电网进行调峰调频，是未来高比例新能源接入配网的主要手段。微电网可支持“即插即用”，采用并网、离网等不同运行模式来增加配网对新能源的消纳能力以及提高配网安全稳定运行能力。
发明内容
为解决上述区域负荷大规模波动对上级电网的不利影响，本发明提供一种基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法，柔性台区架构具有控制要求低、减少电力电子器件复杂化、降低损耗等优点；协调控制方法简单、高效，能够应用在含新能源接入的中低压配网，具有一定的推广和实际价值。
本发明采取的技术方案为：
基于直流微网的柔性台区，该柔性台区包括直流微网结构、主网供电结构，
所述直流微网结构包括新能源发电模块、储能模块；所述新能源发电模块通过智能断路器D3连接DC-DC变流器B3，DC-DC变流器B3连接直流母线；所述储能模块通过智能断路器D4连接DC-DC变流器B4，DC-DC变流器B4连接直流母线L1；直流母线L1连接DC-DC变流器B2；
所述主网供电结构包括交流母线L2、智能断路器D1、智能断路器D2；直流母线L1通过DC-DC变流器B2连接智能断路器D2，智能断路器D2连接交流母线L2，交流母线L2通过智能断路器D1连接上级电网；
直流负荷通过智能断路器D5连接AC-DC变流器B5，AC-DC变流器B5连接交流母线L2；交流负荷通过智能断路器D6连接交流母线L2。
所述智能断路器D1、D2、D3、D4、D5、D6中，任意一智能断路器包括电能计量与统计模块、温度测量模块、冲击负荷补偿模块；
电能计量与统计模块包括电压互感器、电流互感器，电压互感器用于电压测量，电流互感器用于电流测量，
温度测量模块包括并入三相四线中的温度保护装置；
冲击负荷补偿模块包括三组MERS型全桥型补偿电路，该MERS型全桥型补偿电路并联接入A、B、C三相中。
所述冲击负荷补偿模块采用H桥连接，全桥的四个桥臂分别由4组全控型半导体开关T与电力二极管D反向并联单元组成，对角线支路由蓄能电容Cdc组成，通过蓄能电容Cdc充放电的特性，实现对冲击负荷电流的补偿。
所述冲击负荷补偿模块包括WiFi控制模块，WiFi控制模块能够通过远程客户端查看断路器实时数据，并远程进行重合闸操作。
所述新能源发电模块采用光伏模块。
基于直流微网的柔性台区协调控制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据配电网日前调度，确定整体区域配网功率Pref，通过实时监测区域负荷波动，在Pref额定范围±5％内不予反应，直流微网不进行有功补偿；
步骤2：当冲击负荷到来或存在负荷波动超过±5％范围时，则直流微网以调度功率与实际功率差值△P为补偿量参与到区域配网补偿中，完成功率补偿；
步骤3：当△P不超过光伏额定功率时，由光伏模块完成功率补偿；当△P超过光伏模块额定区域时，由储能模块、光伏模块共同完成功率补偿，随后微网各与模块主控电源完成内部功率平衡及补偿，直到下一次负荷大范围波动或大型冲击负荷到来时；
重复上述步骤1～步骤3，在不影响上级电网调度额度的情况下完成柔性台区功率自动补偿。
针对当前配网台区迎峰度夏，供电不足，依赖上级电网调度，无法应对大范围内负荷波动等问题。本发明一种基于直流微网的柔性台区及其协调控制方法，其优点具体表现为以下几个方面：
1)本发明中以直流母线为载体的新能源微网组成的柔性台区实现架构，具有控制要求低、减少电力电子器件复杂化、降低损耗等优点。
2)本发明柔性台区所采用的智能断路器D1、D2、D3、D4、D5、D6，是具有专用于应对冲击负荷频繁投切环境下的智能断路器，相比较于其他智能断路器在冲击负荷环境下的表现更加安全、稳定。能有效的降低冲击电流峰值并延缓冲击时间，进而减少断路器器件因发热产生的损耗，延长断路器使用寿命。
3)在现有台区不具有应对大规模负荷波动应对能力的现实问题以及不影响上级电网调度策略的基础上，通过以直流形式组成的新能源微网为台区主网提供大容量功率储备。以实现柔性台区功能。
4)本发明所应用的智能断路器结合新能源微网，在防止冲击负荷波动以及负荷大范围波动情况下，整体台区鲁棒性更高，达到区域配网安全、稳定、高效、绿色的总体运行要求。
5)本发明的微网与主网功率交换协调控制策略，该策略简单、高效；能有效平抑台区负荷波动的同时，使自身微网内部保持功率恒定。能适用于含新能源的中低压台区，具有良好的推广和实际价值。
附图说明
图1为本发明柔性台区结构示意图。
图2为本发明的智能断路器结构示意图。
图3(1)为本发明的冲击负荷补偿模块结构示意图；
图3(2)为本发明的冲击负荷补偿模块正向充电工作原理图；
图3(3)为本发明的冲击负荷补偿模块反向放电工作原理图。
图4为本发明的柔性台区控制策略流程图。
具体实施方式
本发明采用基于直流微网并网技术的配电网低压台区供电系统定义为柔性台区，具体系统工作方式阐述如下：
(一)：柔性台区功能实现拓扑结构如图1所示，上级电网确定日前区域台区调度功率额度，由主网通过台变以及适用于防止冲击电流的智能断路器提供给柔性台区正常交直流用电负荷供电；以光伏模块、储能模块为主体的新能源模块经过智能断路器以直流母线L1为载体构建的直流微网架构，为柔性台区提供一定容量的功率储备，在一定条件下自动供给给主网供电结构，在不影响上级电网调度情况下的台区自适应调节，完成柔性台区功能的实现。
该柔性台区包括直流微网结构、主网供电结构，
所述直流微网结构包括新能源发电模块、储能模块；所述新能源发电模块通过智能断路器D3连接DC-DC变流器B3，DC-DC变流器B3连接直流母线；所述储能模块通过智能断路器D4连接DC-DC变流器B4，DC-DC变流器B4连接直流母线L1；直流母线L1连接DC-AC变流器B2；
所述主网供电结构包括交流母线L2、智能断路器D1、智能断路器D2；直流母线L1通过DC-DC变流器B2连接智能断路器D2，智能断路器D2连接交流母线L2，交流母线L2通过智能断路器D1连接上级电网；
直流负荷通过智能断路器D5连接AC-DC变流器B5，AC-DC变流器B5连接交流母线L2；交流负荷通过智能断路器D6连接交流母线L2。
柔性台区工作工程：上级电网经台变后经智能断路器D1接入台区交流母线L2；台区内直流负荷经智能断路器D5再接入AC-DC变流器B5，AC-DC变流器B5接入交流母线L2；
一般交流负荷经低压智能断路器D6直接接入交流母线L2，常态下仅由主网结构保证台区正常负荷供电，智能断路器D2常态下为长开状态。
当台区中交、直流负荷突然增大或冲击负荷到来超过上级电网调度额度时，智能断路器D2合闸；台区变压器输出功率不变情况下，直流微网结构通过DC-AC变流器B2完成对主网供电结构的功率补充；
光伏模块通过智能断路器D3经DC-DC变流器B3接入微网的直流母线L1；储能单元通过智能断路器D4经DC-DC变流器B4接入直流母线L1；
上述各单元其输出功率大小及光伏、储能各部分输出功率由图4控制策略决定。
(二)：图2为智能断路器的结构图，智能断路器D1、D2、D3、D4、D5、D6中，任意一智能断路器包括电能计量与统计模块、温度测量模块、冲击负荷补偿模块；
电能计量与统计模块包括电压互感器、电流互感器，电压互感器用于电压测量，电流互感器用于电流测量；
电压互感器采用JDZ-10Q型电压互感器，电流互感器采用LMZ1-0.5型电流互感器；
温度测量模块包括并入三相四线中的温度测量装置；所述温度测量装置采用ES1-LW100H型红外线热敏传感器，其一端接N线，；另一端分别接入L1、L2、L3并入三相四线中。
冲击负荷补偿模块包括三组MERS型全桥型补偿电路，该MERS型全桥型补偿电路并联接入A、B、C三相中。
智能断路器除了断路器基本结构和本发明所引入的冲击负荷补偿模块外，增加了区别于传统断路器的WiFi控制模块和测温模块，WiFi控制模块可以通过远程客户端查看断路器实时数据，并可远程进行重合闸操作，增加整体设备的智能、安全性。
测温模块可有效的检测整体线路的温度，当线路温度发生大幅度变化时能及时反馈给边缘计算网关，更快更好的判断出冲击负荷电流并及时控制冲击负荷电流补偿装置的投切。
WiFi控制模块采用DAM-0404D型wifi控制器；
边缘计算网关采用Jetson Xavier NX型边缘计算网关，其通过无线方式连接各个模块输出信号端。
图2中，电压互感器、测温装置一端接入N线，另一端采用卡环感应L1、L2、L3；电压互感器串联进L1、L2、L3线中；冲击负荷模块连接由MERS型全桥型补偿电路一端接N、另一端分别接入L1、L2、L3并联接入A、B、C三相中。各模块检测数据经DAM-0404D型wifi控制器发送至Jetson Xavier NX型边缘计算网关。
(三)：图3(1)、图3(2)、图3(3)为全桥可变电容补偿模块结构及工作原理图，模块采用H桥连接，全桥的四个桥臂分别由4组全控型半导体开关T与电力二极管D反向并联单元组成，如IRFBC40型MOSFET或CT 60AM-20型IGBT。对角线支路由蓄能电容Cdc组成，利用蓄能电容Cdc充放电的特性，实现对冲击负荷电流的补偿。
全桥可变电容补偿模块电路有2种工作状态：正向充电、反向放电：
当UAB>0，二极管D1、D4，电流流径如图3(2)所示：A→D1→Cdc→D4→B，电容处于正向充电状态；
当UAB<0，开关T1、T4导通，电流的流径如图3(3)所示：B→T4→Cdc→T1→A，电容处于反向放电状态。
(四)：图4为整体柔性台区控制策略图，包括以下步骤：
步骤1：根据配电网日前调度，确定整体区域配网功率Pref，通过边缘计算网关实时监测区域负荷波动，在Pref额定范围±5％内不予反应，直流微网不进行有功补偿；
步骤2：当冲击负荷到来或存在负荷波动超过±5％范围时，则直流微网以调度功率与实际功率差值△P为补偿量参与到区域配网补偿中，完成功率补偿；
步骤3：当△P不超过光伏额定功率时，由光伏模块完成功率补偿；当△P超过光伏模块额定区域时，由储能模块、光伏模块共同完成功率补偿，随后微网各和模块主控电源完成内部功率平衡及补偿，直到下一次负荷大范围波动或大型冲击负荷到来时；
重复上述步骤1～步骤3，在不影响上级电网调度额度的情况下完成柔性台区功率自动补偿，实现柔性台区功能。

Claims (6)

1.基于直流微网的柔性台区，其特征在于，该柔性台区包括直流微网结构、主网供电结构，所述直流微网结构包括新能源发电模块、储能模块；所述新能源发电模块通过智能断路器D3连接DC-DC变流器B3，DC-DC变流器B3连接直流母线；所述储能模块通过智能断路器D4连接DC-DC变流器B4，DC-DC变流器B4连接直流母线L1；直流母线L1连接DC-DC变流器B2；
所述主网供电结构包括交流母线L2、智能断路器D1、智能断路器D2；直流母线L1通过DC-DC变流器B2连接智能断路器D2，智能断路器D2连接交流母线L2，交流母线L2通过智能断路器D1连接上级电网；
直流负荷通过智能断路器D5连接AC-DC变流器B5，AC-DC变流器B5连接交流母线L2；交流负荷通过智能断路器D6连接交流母线L2。
2.根据权利要求1所述基于直流微网的柔性台区，其特征在于，所述智能断路器D1、D2、D3、D4、D5、D6中，任意一智能断路器包括电能计量与统计模块、温度测量模块、冲击负荷补偿模块；
电能计量与统计模块包括电压互感器、电流互感器，电压互感器用于电压测量，电流互感器用于电流测量，
温度测量模块包括并入三相四线中的温度保护装置；
冲击负荷补偿模块包括三组MERS型全桥型补偿电路，该MERS型全桥型补偿电路并联接入A、B、C三相中。
3.根据权利要求2所述基于直流微网的柔性台区，其特征在于，所述冲击负荷补偿模块采用H桥连接，全桥的四个桥臂分别由4组全控型半导体开关T与电力二极管D反向并联单元组成，对角线支路由蓄能电容Cdc组成，通过蓄能电容Cdc充放电的特性，实现对冲击负荷电流的补偿。
4.根据权利要求2所述基于直流微网的柔性台区，其特征在于，所述冲击负荷补偿模块包括WiFi控制模块，WiFi控制模块能够通过远程客户端查看断路器实时数据，并远程进行重合闸操作。
5.根据权利要求1所述基于直流微网的柔性台区，其特征在于，所述新能源发电模块采用光伏模块。
6.基于直流微网的柔性台区协调控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据配电网日前调度，确定整体区域配网功率Pref，通过实时监测区域负荷波动，在Pref额定范围±5％内不予反应，直流微网不进行有功补偿；
步骤2：当冲击负荷到来或存在负荷波动超过±5％范围时，则直流微网以调度功率与实际功率差值△P为补偿量参与到区域配网补偿中，完成功率补偿；
步骤3：当△P不超过光伏额定功率时，由光伏模块完成功率补偿；当△P超过光伏模块额定区域时，由储能模块、光伏模块共同完成功率补偿，直到下一次负荷大范围波动或大型冲击负荷到来时；
重复上述步骤1～步骤3，在不影响上级电网调度额度的情况下完成柔性台区功率自动补偿。
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