CN114513009B - 一种基于低压配电台区的柔直控制方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于低压配电台区的柔直控制方法、装置及系统，所述方法为获取各台区运行参数及调节目标，计算负载率，根据调节目标通过调整FCS参数实现调控；所述终端为台区智能融合终端，实现所述方法；所述系统包括主站和多个台区，主站根据历史数据，预测台区变压器的调节目标X并下发到台区智能融合终端，台区智能融合终端根据调节目标X完成控制。本发明设置台区变压器的负载率为调节目标，通过调节FCS的输出值精准控制直流侧设备的运行情况，最大程度的满足了应对消纳分布式新能源及负荷并网的需求，大大提高了台区的运行平稳性和供电可靠性。

Description

一种基于低压配电台区的柔直控制方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及配电网的装置和系统领域，具体为一种基于低压配电台区的柔直控制方法、装置及系统。
背景技术
在“碳达峰、碳中和”战略目标的驱动下，分布式发电设备如光伏等可再生、绿色能源广泛利用。但低压分布式光伏的大量接入同时带来了台区容量不足、谐波、三相不平衡、电压越限等诸多问题，低压配电网面临着扩容改造和技术升级的巨大压力。
随着电力电子技术与装备在电网中迅猛发展，为应对消纳分布式新能源及负荷并网的需求，进一步增强系统柔性控制能力，柔性直流配电系统提供了全新载体和技术选择。柔性直流配电系统因具有较好的可控性、更优的电能质量、更大的供电半径及容量、更灵活的运行方式受到了各个国家的广泛关注。
柔性直流配电系统主要分为两部分，其一是构建台区直流母线，光伏、储能、充电桩、直流负荷等直接接入直流网，二是台区间直流柔性互联，实现不同台区间的功率转供、资源共享。
台区之间通过低压直流母线互联，汇集了分布式光伏、储能、交直流负载等元素，实现了低压台区间互济供电、峰谷调电、有序充电、电能质量控制、微网运行控制等功能，达成了源网荷储的友好互动，有效提高了配电资产的利用率、大大提升了供电可靠性，成功解决了传统分布式光伏接入的电能质量和运行调度问题。
现有技术中，主要是在台区负荷发生重载或台区出现故障时对柔性直流配电系统进行调控，没有考虑变压器稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提出一种方法，使变压器尽量工作在理想负荷下。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于低压配电台区的柔直控制方法，基于通过直流断路器和直流母线连接的n个台区实现，直流母线通过FCS连接台区交流供电线路，在直流母线上直流断路器的台区侧连接直流设备，所述直流设备包括分布式发电设备、储能系统，台区交流供电线路上连接分布式发电设备以及交流负载，其特征在于，所述柔直控制方法包括：
步骤1、获取各台区的调节目标X，默认值为XD。
步骤2、获取以下参数：
各台区变压器的容量S1、S2、... ... 、Sn，
各台区变压器的实时功率P1、P2、... ... 、Pn，
FCS当前设定的目标功率值PF1、PF2、... ... 、PFn，
FCS实际的输出功率值Ps1、Ps2、... ... 、Psn，
FCS的容量Sfcs，
计算各台区的负载率Di=Pi/Si，其中，1≤i≤n，i代表台区，
针对所有台区，如果Di>X，执行步骤2.1；如果Di<X，执行步骤2.2；
完成步骤2.1或步骤2.2后执行步骤3。
步骤2.1、
计算变压器的理想调节值：ΔPi=Si* X%―Pi，
计算FCS的最大调节值：ΔPFCSi=―Sfcs―PFi，
取两者中绝对值较小的值为该台区FCS实际需要调节的值ΔPAi。
步骤2.2、
计算变压器的理想调节值：ΔPi=Si* X%―Pi，
计算FCS的最大调节值：ΔPFCSi=Sfcs―PFi，
取两者中绝对值较小的值为该台区FCS实际需要调节的值ΔPAi。
步骤3、针对所有台区，如果存在│PFi│>│PSi│且PSi<0，计算所有FCS的两者差值之和
Figure 442364DEST_PATH_IMAGE001
，执行步骤4；否则，执行步骤6。
步骤4、计算FCS总调节量：
Figure 952980DEST_PATH_IMAGE002
，
如果ΔP总>0且│ΔP总│>│ΔPFCS│，执行步骤6；否则执行步骤5。
步骤5、计算ΔS=ΔPFCS+ΔP总，按变压器的容量比例，将∆S拆分为∆S1、∆S2、……、∆Sn，ΔPAi=ΔPAi―∆Si，执行步骤6。
步骤6、以ΔPAi为第i个台区FCS需要调节的数值进行调节。
本发明还提出了实现上述控制方法的装置和系统，所述装置为台区智能融合终端，包括通信模块、参数存储模块、调控模块，实现基于低压配电台区的柔直控制方法。
所述系统包括主站和通过直流断路器和直流母线连接的n个台区实现，直流母线通过FCS连接台区交流供电线路，在直流母线上直流断路器的台区侧连接直流设备，所述直流设备包括分布式发电设备、储能系统，台区交流供电线路上连接分布式发电设备以及交流负载，所述台区中设置用来实现基于低压配电台区的柔直控制方法的台区智能融合终端。主站根据历史数据，预测台区变压器的调节目标X并下发到台区智能融合终端，台区智能融合终端根据调节目标X完成控制。
有益效果：本发明设置台区变压器的负载率为调节目标，通过调节FCS的输出值精准控制直流侧设备的运行情况，最大程度的满足了应对消纳分布式新能源及负荷并网的需求，大大提高了台区的运行平稳性和供电可靠性。
附图说明
图1为台区配置及连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参看图1，本实施例中有3个台区，n=3，三个台区经直流断路器通过DC750V直流母线连接。在台区测，直流母线通过FCS连接到本台区的AC380V交流供电线路，在直流母线上连接直流设备，本实施例中，直流设备包括分布式发电设备和储能系统；AC380V交流供电线路上连接交流负荷以及分布式发电设备，分布式发电设备是光伏发电站、风力发电站等。
在DC750V直流母线上，一个台区中可能有多个的分布式发电设备，本发明中，所有台区在DC750V直流母线上的所有分布式发电设备做为一个整体考虑；所有台区中的多个储能设备视为一个储能系统。
本发明的调控方法在智能融合终端完成。融合终端与其它台区JP柜中的分支终端有通信连接，可获取台区参数、控制各台区的FCS以及储能系统。
FCS：双向变流器，为含变压器的双向变流器产品，连接直流母线和交流380V的转换设备，为电网与直流母线之间提供接口，实现交/直流变换，自动实现恒压整流和限压放电，以保持直流母线电压恒定。台区间的调控通过FCS完成。
储能系统安装BMS，实现保护功能。融合终端与储能双向控制器DC/DC通信，可获取储能数据和控制储能充放电。在融合终端下发命令让储能双向控制器DC/DC放电的情况下，当储能电量释放到一定程度时（剩余40%），会触发BMS对于储能系统的保护，切除储能对外输出。在储能电量恢复到40%以上时，可自动恢复。
本发明的主要目的是通过精准控制FCS，使各台区变压器的负载率达到调节目标。
本实施例采用以下调控步骤：
步骤1、获取各台区的调节目标X，默认值XD=70。各台区的调节目标可以根据情况实时调整，但其绝对值不能超过默认值XD。
步骤2、获取以下参数：
各台区变压器的容量S1、S2、... ... 、Sn，
各台区变压器的实时功率P1、P2、... ... 、Pn，
FCS当前设定的目标功率值PF1、PF2、... ... 、PFn，
FCS实际的输出功率值Ps1、Ps2、... ... 、Psn，
FCS的容量Sfcs。
计算各台区的负载率Di=Pi/Si，其中，1≤i≤n，i代表台区，
针对所有台区，如果Di>X，执行步骤2.1；如果Di<X，执行步骤2.2；通过步骤2.1和2.2计算FCS需要调节的值，计算完成后执行步骤3，按照不同策略进行调节。
变压器的负载率出现负值，说明本台区中分布式过多，不能就地消化，多余的电通过变压器反送到电网上。
步骤2.1、Di>X，台区变压器的负载率高于调节目标，应降低电网的供电占比，提高直流侧的供电占比。
变压器的实时功率为Pi，目的是尽可能地让变压器靠近调节目标X%。
计算变压器的理想调节值：ΔPi=Si* X%―Pi，即变压器的负载率达到X需调节的值。
FCS的当前设定的目标功率值为PFi，FCS的调节范围为―Sfcs到Sfcs，―Sfcs为直流侧向交流供电的最大值，Sfcs为交流向直流侧供电的最大值。
计算FCS的最大调节值：ΔPFCSi=―Sfcs―PFi，
取两者中绝对值较小的值为该台区FCS实际需要调节的值ΔPAi。调节值不能超过FCS的容量。
步骤2.2、Di<X，台区变压器的负载率低于调节目标，应提高电网的供电占比，降低直流侧的供电占比。
计算变压器的理想调节值：ΔPi=Si* X%―Pi，即变压器的负载率达到X需调节的值。
计算FCS的最大调节值：ΔPFCSi=Sfcs―PFi，
取两者中绝对值较小的值为该台区FCS实际需要调节的值ΔPAi。
上面步骤得到了各变压器到达调节目标需要调节的功率值。
步骤3、针对所有台区，检查所有FCS的设定输出值与调节前的实际输出值是否存在不匹配的情况。如果存在│PFi│>│PSi│且PSi<0（代表此时直流侧向交流供电），计算所有FCS的两者差值之和
Figure 998296DEST_PATH_IMAGE001
，执行步骤4；否则，ΔPAi即为所求值，执行步骤6。
步骤4、计算FCS总调节量：
Figure 596768DEST_PATH_IMAGE002
；
如果ΔP总>0（代表允许直流侧向交流供电的需求值变小）且│ΔP总│>│ΔPFCS│（绝对值大，代表调节后不存在水管大水流小的情况），ΔPAi即为所求值，执行步骤6；否则执行步骤5。
步骤5、计算ΔS=ΔPFCS+ΔP总，按变压器的容量比例，将∆S拆分为∆S1、∆S2、……、∆Sn，ΔPAi=ΔPAi―∆Si，得出各自的最终调节值，执行步骤6。
步骤6、以ΔPAi为第i个台区FCS需要调节的数值进行调节。
以上调控以各台区的调节目标为基准，通过调节FCS实现变压器的负载率稳定，在调控过程中没有考虑分布式发电设备和储能系统的工作情况。
如果Di<X，应提高电网的供电占比，降低直流侧的供电占比。但如果此时发电设备还有很大余量没有输出，再降低直流侧的供电占比会造成浪费，如光伏发电设备会出现弃光。
对此，本实施例在Di<X时，首先执行以下步骤：
获取台区内直流母线上分布式发电设备的总输出功率P分和总额定功率P额，判断两个条件：
1、当前分布式发电设备的输出是否比较充分：如果P分<P额*60%说明不充分；
2、变压器的调节目标是否可更改：如果X―ΔX>―XD，说明调节目标更改后不会超过默认值，可以更改。调整量ΔX的计算方法为：ΔX=（XD―│X│）*10%，调节目标X与默认值的差值越大，调整量越大。
如果满足上述两个条件，该台区的调节目标X下调ΔX，增加直流侧供电比例，重新执行步骤1，判断是否需要调控。
如果不满足上述两个条件，执行步骤2.2的其余步骤。
步骤6中，如果ΔPAi<0，表示要提高直流侧的供电功率│ΔPAi│，这时需要根据直流侧设备的工作情况判断直流侧是否可以满足需求：
获取台区内直流母线上分布式发电设备的总输出功率P分和总额定功率P额、储能系统的剩余功率输出P剩。
如果P额―P分+P剩>│ΔPAi│，直流侧设备的余量可以提供所需调节值，将│ΔPAi│按比例分配给分布式发电设备和储能系统，比例分配原则为：在分布式发电设备的发电高峰期，尽量降低储能系统的分配比例，充分利用绿色能源。
否则，直流侧设备的余量不能提供全部所需调节值，将分布式发电系统和储能系统满额输出。此时变压器的负载率没有达到调节目标，且直流侧已全力工作，没有余量。
判断变压器的调节目标是否可更改：如果X+ΔX <XD，说明调节目标更改后不会超过默认值，可以更改；调节目标X上调ΔX，减小直流侧供电比例。
调整量ΔX的计算方法为：ΔX=（XD―│X│）*10%，调节目标X与默认值的差值越大，调整量越大。
通过逐次调控，可以实现FCS的精准控制。
上述情况下，还可以将调节后的变压器负载率设置为该台区的调节目标，避免频繁调控。
步骤6中，如果ΔPAi>0，表示要降低直流侧的供电功率│ΔPAi│，这时需要根据直流侧设备的工作情况进行分配。
获取台区内直流母线上分布式发电设备的总输出功率P分和总额定功率P额，以及储能系统的当前输出功率P出。
如果P额―P分<│ΔPAi│，说明仅靠调节分布式发电设备的输出是不够的，将ΔPAi分配给分布式发电设备和储能系统，共同承担。
否则，即P额―P分>│ΔPAi│，说明调节布式发电设备的输出即可满足要求。
停止储能系统的输出，如果│P出│>│ΔPAi│，分布式发电设备增加输出│P出│―│ΔPAi│；否则，分布式发电设备减少输出│ΔPAi│―│P出│。
上述完成后，如果分布式发电设备还有余量为输出，且储能系统没有充满电，则提高分布式发电设备为储能系统充电，充分利用绿色能源：如果P额>P分且储能系统的电池未充满，则提高分布式发电设备的输出为储能系统充电。
以上调控方法只是调控直流侧的设备。如果在交流侧有分布式发电设备，也可以进行调控：如果Di>X，则增加交流侧分布式发电设备的输出，否则，减小交流侧分布式发电设备的输出。
本实施例中，在台区线路末端，安装末端监测终端，监测线路末端电压，如果末端线路电压过低低，根据台区拓扑结构，增加相关的分布式发电设备输出。
本发明还提出了一种基于低压配电台区的柔直控制装置的实施例，实现上述基于低压配电台区的柔直控制方法。所述装置为台区智能融合终端，包括通信模块、参数存储模块、调控模块。
通信模块完成与主站各台区设备的通信功能。
参数存储模块存储控制过程中的参数，参数包括：
获取各台区的调节目标X，默认值为XD；
各台区变压器的容量S1、S2、... ... 、Sn，
各台区变压器的实时功率P1、P2、... ... 、Pn，
FCS当前设定的目标功率值PF1、PF2、... ... 、PFn，
FCS实际的输出功率值Ps1、Ps2、... ... 、Psn，
FCS的容量Sfcs。
调控模块完成参数判断及负载调控。
本发明还提出了一种基于低压配电台区的柔直控制系统的实施例，包括主站和通过直流断路器和直流母线连接的n个台区实现，直流母线通过FCS连接台区交流供电线路，在直流母线上直流断路器的台区侧连接直流设备，所述直流设备包括分布式发电设备、储能系统，台区交流供电线路上连接分布式发电设备以及交流负载，所述台区中设置用来实现基于低压配电台区的柔直控制方法的台区智能融合终端。
主站与智能融合终端间通过4G/5G通信连接，主站根据历史数据，预测台区变压器的调节目标X并下发到台区智能融合终端，台区智能融合终端根据调节目标X完成控制；智能融合终端将控制结果上传主站，形成历史信息，完善预测方法。

Claims (10)

1.一种基于低压配电台区的柔直控制方法，基于通过直流断路器和直流母线连接的n个台区实现，直流母线通过FCS连接台区交流供电线路，在直流母线上直流断路器的台区侧连接直流设备，所述直流设备包括分布式发电设备、储能系统，台区交流供电线路上连接分布式发电设备以及交流负载，其特征在于，所述柔直控制方法包括：
步骤1、获取各台区的调节目标X，默认值为XD；
步骤2、获取以下参数：
各台区变压器的容量S1、S2、... ... 、Sn，
各台区变压器的实时功率P1、P2、... ... 、Pn，
FCS当前设定的目标功率值PF1、PF2、... ... 、PFn，
FCS实际的输出功率值Ps1、Ps2、... ... 、Psn，
FCS的容量Sfcs，
计算各台区的负载率Di=Pi/Si，其中，1≤i≤n，i代表台区，
针对所有台区，如果Di>X，执行步骤2.1；如果Di<X，执行步骤2.2；
完成后执行步骤3；
步骤2.1、
计算变压器的理想调节值：ΔPi=Si* X%―Pi，
计算FCS的最大调节值：ΔPFCSi=―Sfcs―PFi，
取两者中绝对值较小的值为该台区FCS实际需要调节的值ΔPAi；
步骤2.2、
计算变压器的理想调节值：ΔPi=Si* X %―Pi，
计算FCS的最大调节值：ΔPFCSi=Sfcs―PFi，
取两者中绝对值较小的值为该台区FCS实际需要调节的值ΔPAi；
步骤3、针对所有台区，如果存在│PFi│>│PSi│且PSi<0，计算所有FCS的两者差值之和
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，执行步骤4；否则，执行步骤6；
步骤4、计算FCS总调节量：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
如果ΔP总>0且│ΔP总│>│ΔPFCS│，执行步骤6；否则执行步骤5；
步骤5、计算ΔS=ΔPFCS+ΔP总，按变压器的容量比例，将∆S拆分为∆S1、∆S2、……、∆Sn，ΔPAi=ΔPAi―∆Si，执行步骤6；
步骤6、以ΔPAi为第i个台区FCS需要调节的数值进行调节。
2.根据权利要求1所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，步骤2.2中首先执行以下步骤：
获取台区内直流母线上分布式发电设备的总输出功率P分和总额定功率P额，如果P分<P额*60%且X―ΔX>―XD，调节目标X下调ΔX，重新执行步骤1，否则执行步骤2.2的其余步骤。
3.根据权利要求1所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，步骤6中，如果ΔPAi<0，获取台区内直流母线上分布式发电设备的总输出功率P分和总额定功率P额、储能系统的剩余功率输出P剩，
如果P额―P分+P剩>│ΔPAi│，将│ΔPAi│按比例分配给分布式发电设备和储能系统；
否则，将分布式发电系统和储能系统满额输出，如果X+ΔX <XD，调节目标X上调ΔX。
4.根据权利要求1所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，步骤6中，如果ΔPAi>0，获取台区内直流母线上分布式发电设备的总输出功率P分和总额定功率P额，以及储能系统的当前输出功率P出，
如果P额―P分<│ΔPAi│，将ΔPAi分配给分布式发电设备和储能系统；
否则，停止储能系统的输出，如果│P出│>│ΔPAi│，分布式发电设备增加输出│P出│―│ΔPAi│；否则，分布式发电设备减少输出│ΔPAi│―│P出│。
5.根据权利要求4所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，如果P额>P分且储能系统的电池未充满，则提高分布式发电设备的输出为储能系统充电。
6.根据权利要求1所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，
如果Di>X，增加交流侧分布式发电设备的输出，否则，减小交流侧分布式发电设备的输出。
7.根据权利要求3所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，
如果P额―P分+P剩>│ΔPAi│，将│ΔPAi│按比例分配给分布式发电设备和储能系统，所述比例分配原则为：在分布式发电设备的发电高峰期，尽量降低储能系统的分配比例。
8.根据权利要求2或3所述的基于低压配电台区的柔直控制方法，其特征在于，所述ΔX的计算公式为：ΔX=（XD―│X│）*10%。
9.一种基于低压配电台区的柔直控制装置，其特征在于，所述装置为台区智能融合终端，包括通信模块、参数存储模块、调控模块，实现权利要求1-8任一所述的基于低压配电台区的柔直控制方法。
10.一种基于低压配电台区的柔直控制系统，包括主站和通过直流断路器和直流母线连接的n个台区实现，直流母线通过FCS连接台区交流供电线路，在直流母线上直流断路器的台区侧连接直流设备，所述直流设备包括分布式发电设备、储能系统，台区交流供电线路上连接分布式发电设备以及交流负载，其特征在于，所述台区中设置权利要求9所述的台区智能融合终端；主站根据历史数据，预测台区变压器的调节目标X并下发到台区智能融合终端，台区智能融合终端根据调节目标X完成控制。
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