CN117239814A - 一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法，装置包括：台区储能模块和功率调控模块；台区储能模块并入台区的母线，在台区的上游馈线发生故障时，根据与台区并网点处的功率波动调节内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电；功率调控模块，根据采集的并网点处的电压幅值和频率计算分布式发电装置参与支撑所需的功率总额，并根据每台发电装置当前的有功功率裕度和无功功率裕度将功率总额和总额分配，得到每台发电装置的支撑功率指令，得到每台发电装置的功率外环调控指令，以便对分布式发电装置进行功率调控，补偿配电台区的稳态功率缺额。本发明保证了正常工况与故障工况的连续平滑切换。

Description

一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法

技术领域

本发明属于配电运行控制领域，更具体地，涉及一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法。

背景技术

以光伏为代表的海量分布式资源接入，配电系统运行控制面临两方面难题。一方面是海量分布式资源的管理问题，现有集中式控制策略难以满足点多面广的分布式发电装置有效管理，产生了线路末端过电压等电能质量恶化现象；另一方面，分布式资源具有成为主网、馈线失电等故障工况下的备用电源潜力，然而现阶段的配网自愈、主从式孤岛微电网供电恢复策略，大多难以做到正常工况到故障工况的连续、平滑切换，且策略大多针对系统形态，无法充分发挥配电台区广域互联独立供电能力。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法，旨在解决现有配网自愈、主从式孤岛微电网供电恢复策略难以做到正常工况到故障工况的连续、平滑切换，且策略无法充分发挥配电台区广域互联独立供电能力的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种配电台区自组织构网装置，包括：台区储能模块和功率调控模块；

所述台区储能模块并入台区的母线，用于在所述台区的上游馈线发生故障时，根据与台区并网点处的功率波动调节内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电；

所述功率调控模块，用于根据采集的所述并网点处的电压幅值和频率计算分布式发电装置参与所述支撑所需的有功功率总额和无功功率总额，并根据每台发电装置当前的有功功率裕度和无功功率裕度将所述有功功率总额和无功功率总额分配，得到每台发电装置的支撑功率指令，之后结合每台发电装置当前的有功功率和无功功率得到每台发电装置的功率外环调控指令，以便对分布式发电装置进行功率调控，补偿配电台区的稳态功率缺额。

具体地，分布式发电装置接收到功率外环调控指令后，调整其变流器的外环功率参考值，实现对功率调控指令的响应，补偿配电台区的稳态功率缺额。

其中，稳态功率缺额指的是台区的上游馈线发生故障前一时刻，配电台区从上游馈线吸收的总功率，也即配电台区内负荷总吸收功率与发电装置总输出功率之差。

需要说明的是，在电力系统中，台区是指一台变压器的供电范围或区域。在本发明中，台区可以是一台低压配电变压器的供电范围或区域，及其内部所有负荷、储能以及分布式电源。

可选地，所述台区储能模块包括：储能单元、变流单元、滤波单元以及控制单元；

所述储能单元与变流单元的输入端连接，所述变流单元的输出端通过滤波单元并入台区的母线，所述控制单元连接变流单元的控制端；

所述储能单元，用于存储能量，在与台区并网点处的功率产生波动时输出能量为台区供电；

所述变流单元，用于将储能单元输出的能量进行变流，将其从直流电转化为交流电；

所述滤波单元，用于滤除高次谐波后将变流单元输出的交流电并入台区的母线；

所述控制单元，用于控制变流单元的输出功率，以调节变流单元输出的内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供所需频率和所需电压的支撑。

可选地，所述并网点处的功率产生波动时，控制单元输出与功率波动值相关的瞬时有功功率和瞬时无功功率，并根据与预设的有功功率指令值和无功功率指令值的偏差调节变流单元输出的内电势幅值和内电势相位，实现变流单元输出的内电势与台区母线的同步，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电。

需要说明的是，当检测到并网点功率产生波动时，产生相应的瞬时功率，相应机理属于现有技术，可参照虚拟同步发电机的原理。并网点的功率差额由台区储能装置和分布式发电设备动态分配承担。

可选地，控制单元输出瞬时有功功率P _e和瞬时无功功率Q _e，并根据与预设的有功功率指令值P _ref和无功功率指令值Q _ref调节内电势，具体为：

所述控制单元将有功功率偏差经积分得到内电势旋转频率ω _c，再对内电势旋转频率积分得到内电势的相位θ _c：

式中，P _ref P _e为有功功率偏差，s为拉普拉斯算子，T _p为相位运动的虚拟惯量参数；

所述控制单元将无功功率偏差经过积分得内电势幅值U _c：

式中，Q _ref Q _e为无功功率偏差，K _c为无功幅值控制的控制参数。

可选地，所述功率调控模块通过如下步骤得到每台发电装置的功率调控指令：

获取采集的并网点处的电压幅值U _PCC与频率f _PCC，与预设的参考电压和预设的参考频率/>进行对比，按照有功支撑系数G _f和无功支撑系数G _v计算支撑有功功率总额P _total和支撑无功功率总额Q _total：

设台区中包含n台分布式发电装置，对于第i台发电装置，其有功功率裕度和无功功率裕度分别为P _margin,i和Q _margin,i；则分配给第i台发电装置的支撑功率指令分别为P _single,i和Q _single,i：

对于第i台发电装置，其有功功率和无功功率的外环调控指令和/>分别为：

。

可选地，对第i台发电装置，其有功功率裕度P _margin,i为第i台发电装置的最大功率跟踪预测值与第i台发电装置实际有功功率的差值；其无功功率裕度Q _margin,i为：，P _i和Q _i为第i台发电装置有功功率和无功功率的当前输出值，S _N,i为第i台发电装置换流器的容量。

可选地，所述台区储能模块通过虚拟同步发电机实现。

可选地，分布式发电装置可以是分布式光伏发电装置或者其他分布式发电装置。分布式发电装置中包含的发电装置类型可不局限于单种类型，可以有多种类型。

第二方面，本发明提供了一种上述针对第一方面提供配电台区自组织构网装置的运行控制方法，包括以下步骤：

在台区并网点处的功率产生波动时，产生功率波动值相关的瞬时有功功率和瞬时无功功率；

根据瞬时有功功率和瞬时无功功率与预设的有功功率指令值和无功功率指令值的偏差确定台区储能模块输出能量的内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供所需频率和所需电压的支撑。

可选地，还包括以下步骤：采集并网点处的电压幅值和频率；

计算分布式发电装置参与支撑所需的有功功率总额和无功功率总额；

根据每台发电装置当前的有功功率裕度和无功功率裕度将所述有功功率总额和无功功率总额分配，得到每台发电装置的支撑功率指令，之后结合每台发电装置当前的有功功率和无功功率得到每台发电装置的功率外环调控指令。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法，侧重于多工况的连续平滑切换，当台区外部故障发生时，利用台区内的储能模块进行故障暂态过程支撑，为台区供电，避免台区失电，保证台区的暂态稳定；之后对分布式发电装置进行功率调控，补偿配电台区的稳态功率缺额，保证整个台区功率的稳定运行，实现台区的连续供电，提升了台区供电的可靠性与韧性。

本发明提供一种配电台区自组织构网装置及其运行控制方法，相比现有配电系统集中式控制方式、自愈及供电恢复策略，具有分层分布式高效控制、正常工况与故障工况连续平滑切换等优势。本发明无需对现有存量配电台区进行大幅改造，用于工况切换的台区储能装置只承担工况切换期间的短时功率冲击，长时间的稳态功率缺额由分布式发电装置承担，因此降低了对台区储能模块容量配置的需求，所需配置台区储能的容量远低于现有主从控制微电网的主节点储能容量需求，具有可观的工程应用潜力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的台区构网型储能装置拓扑图；

图2是本发明实施例提供的基于配电台区集群自组织构网运行控制的算法流程示意图；

图3是本发明实施例提供的7个配电台区的配电网系统示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的构网型储能装置构建系统频率动态过程示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的构网型储能装置构建系统电压动态过程示意图。

具体实施方式

为方便理解，下面先对本发明实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。

下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。

本发明针对海量分布式资源高效管理及支撑系统运行连续性提升问题，提出一种配电台区集群自组织构网运行控制方案，可用于高渗透分布式光伏配电系统多工况自组织运行场景，实现主网失电工况下多台区互联独立构网连续供电、正常工况下多台区电压主动分布式控制，提升配电系统运行可靠性、韧性及电能质量。

本发明的技术方案如下，配电台区自组织构网装置，包括以下模块：台区储能模块；功率调控模块以及分布式发电装置响应模块。

其中，台区储能模块并入台区的母线，用于在所述台区的上游馈线发生故障时，根据与台区并网点处的功率波动调节内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电；

功率调控模块，用于根据采集的所述并网点处的电压幅值和频率计算分布式发电装置参与所述支撑所需的有功功率总额和无功功率总额，并根据每台发电装置当前的有功功率裕度和无功功率裕度将所述有功功率总额和无功功率总额分配，得到每台发电装置的支撑功率指令，之后结合每台发电装置当前的有功功率和无功功率得到每台发电装置的功率外环调控指令，以便对分布式发电装置进行功率调控，补偿配电台区的稳态功率缺额。

具体地，台区储能模块的架构如图1所示：主要包含储能单元、变流单元、滤波单元以及控制单元。储能单元、变流单元以及滤波单元依次进行电气连接并最终并入配网(即台区的母线)，控制单元控制变流器输出功率。

其中，所述储能单元与变流单元的输入端连接，所述变流单元的输出端通过滤波单元并入台区的母线，所述控制单元连接变流单元的控制端；

所述储能单元，用于存储能量，在与台区并网点处的功率产生波动时输出能量为台区供电；

所述变流单元，用于将储能单元输出的能量进行变流，将其从直流电转化为交流电；

所述滤波单元，用于滤除高次谐波后将变流单元输出的交流电并入台区的母线；

所述控制单元，用于控制变流单元的输出功率，以调节变流单元输出的内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供所需频率和所需电压的支撑。

可选地，所述并网点处的功率产生波动时，控制单元输出与功率波动值相关的瞬时有功功率和瞬时无功功率，并根据与预设的有功功率指令值和无功功率指令值的偏差调节变流单元输出的内电势幅值和内电势相位，实现变流单元输出的内电势与台区母线的同步，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电。

具体地，台区储能模块在台区正常运行、台区外故障全过程中，均并网运行。

在一个示例中，在电力系统中，台区是指至少一台变压器的供电范围或区域。在本发明中，台区特指一台10kV/380V低压配电变压器的供电范围或区域，及其内部所有负荷、储能、分布式电源。

在一个示例中，本发明提到的故障是指台区10kV/380V低压配电变压器的10kV母线及其上游10kV馈线发生故障，导致10kV/380V低压配电变压器的380V母线失电。

具体地，分布式发电装置可以是分布式光伏发电或者分布式太阳能发电装置，以下以发电装置为光伏发电为例进行举例说明：

台区储能模块利用如图1所示的控制单元实现其运行功能，根据台区储能模块输出的瞬时有功(P _e)、无功功率(Q _e)与功率指令值(P _ref、Q _ref)的偏差直接调节储能模块内电势幅值和相位的运动动态，实现内电势与电网的同步，包括有功-相位控制和无功-幅值控制，具体控制的算法流程如图2所示。

1) 有功-相位控制

有功-相位控制中，有功功率偏差经积分得内电势旋转速度（频率），内电势旋转速度再积分得内电势的相位：

(1)

式中，P _ref和P _e为构网型储能有功功率指令值和瞬时值；s为拉普拉斯算子；ω _c和θ _c分别为内电势旋转速度和相位；T _p为相位运动的虚拟惯量参数。

2) 无功-幅值控制

无功-幅值控制中，构网型储能装置输出的无功功率瞬时值与指令值的偏差经过积分得内电势幅值(U _c)：

(2)

式中，U _c为构网型储能装置内电势的幅值；K _c为无功-幅值控制的控制参数。Q _ref和Q _e为构网型储能无功功率指令值和瞬时值。

进一步地，功率调控模块的流程包括：

（1）台区内功率支撑系数计算

采集并网点电压幅值U _PCC与频率f _PCC，与参考电压和参考频率/>进行对比，按照有功支撑系数G _f和无功支撑系数G _v计算系统分布式电源参与系统支撑有功、无功功率总额P _total和Q _total，计算表达式为：

(3)

（2）功率分配指令计算

假设系统中包含n台分布式光伏发电装置，对于第i台分布式光伏发电装置，其有功功率和无功功率当前输出值分别为P _i和Q _i，换流器容量为S _N,i,有功功率裕度为P _margin,i（其含义为第i台分布式光伏发电装置的最大功率跟踪预测值P _MPPT,i与第i台分布式光伏发电装置实际有功功率P _i的差值），无功功率裕度Q _margin,i定义为：

(4)

分配给第i台分布式光伏发电装置系统支撑功率指令分别为P _single,i和Q _single,i由下式给出：

(5)

（3）分布式光伏变流器功率外环控制指令

对于第i台分布式光伏发电装置，其功率外环控制指令和/>分别表示为：

(6)

进一步地，分布式发电装置响应模块接受来自功率调控模块的功率调控指令并调整发电装置变流器外环功率参考值，实现对功率调控指令的响应。

图3是本发明实施例提供的7个配电台区的配电网系统示意图；图3中PCC表示台区并网点（point of common coupling，PCC）。如图3所示，每个台区可以配置一个台区自组织构网装置，实现台区在正常工况与故障工况的连续平滑切换。

图4(a)、图4(b)是本发明实施例提供的构网型储能装置构建并维持系统频率、电压过程示意图；在2s时，配电台区上游馈线突发故障，导致配电台区并网点保护动作，配电台区失去与上游馈线电气连接。故障暂态瞬间，构网型储能装置提供快速频率电压支撑，参见图4(a)、图4(b)，在故障后的短时间内仅出现很小的频率电压跃变，此后，构网型储能装置的功率调控模块向发电装置变流器下达功率调整指令，系统频率电压维持在稳定且合理范围内，从而实现台区独立组网运行。

应当理解的是，可以在本发明中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本发明中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种配电台区自组织构网装置，其特征在于，包括：台区储能模块和功率调控模块；

所述台区储能模块并入台区的母线，用于在所述台区的上游馈线发生故障时，根据与台区并网点处的功率波动调节内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电；

所述功率调控模块，用于根据采集的所述并网点处的电压幅值和频率计算分布式发电装置参与所述支撑所需的有功功率总额和无功功率总额，并根据每台发电装置当前的有功功率裕度和无功功率裕度将所述有功功率总额和无功功率总额分配，得到每台发电装置的支撑功率指令，之后结合每台发电装置当前的有功功率和无功功率得到每台发电装置的功率外环调控指令，以便对分布式发电装置进行功率调控，补偿配电台区的稳态功率缺额。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述台区储能模块包括：储能单元、变流单元、滤波单元以及控制单元；

所述储能单元与变流单元的输入端连接，所述变流单元的输出端通过滤波单元并入台区的母线，所述控制单元连接变流单元的控制端；

所述储能单元，用于存储能量，在与台区并网点处的功率产生波动时输出能量为台区供电；

所述变流单元，用于将储能单元输出的能量进行变流，将其从直流电转化为交流电；

所述滤波单元，用于滤除高次谐波后将变流单元输出的交流电并入台区的母线；

所述控制单元，用于控制变流单元的输出功率，以调节变流单元输出的内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供所需频率和所需电压的支撑。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述并网点处的功率产生波动时，控制单元输出与功率波动值相关的瞬时有功功率和瞬时无功功率，并根据与预设的有功功率指令值和无功功率指令值的偏差调节变流单元输出的内电势幅值和内电势相位，实现变流单元输出的内电势与台区母线的同步，为台区在故障暂态过程提供频率和电压的支撑，避免台区失电。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，控制单元输出瞬时有功功率P _e和瞬时无功功率Q _e，并根据与预设的有功功率指令值P _ref和无功功率指令值Q _ref调节内电势，具体为：

所述控制单元将有功功率偏差经积分得到内电势旋转频率ω _c，再对内电势旋转频率积分得到内电势的相位θ _c：

式中，P _ref P _e为有功功率偏差，s为拉普拉斯算子，T _p为相位运动的虚拟惯量参数；

所述控制单元将无功功率偏差经过积分得内电势幅值U _c：

式中，Q _ref Q _e为无功功率偏差，K _c为无功幅值控制的控制参数。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率调控模块通过如下步骤得到每台发电装置的功率调控指令：

获取采集的并网点处的电压幅值U _PCC与频率f _PCC，与预设的参考电压和预设的参考频率/>进行对比，按照有功支撑系数G _f和无功支撑系数G _v计算支撑有功功率总额P _total和支撑无功功率总额Q _total：

设台区中包含n台分布式发电装置，对于第i台发电装置，其有功功率裕度和无功功率裕度分别为P _margin,i和Q _margin,i；则分配给第i台发电装置的支撑功率指令分别为P _single,i和Q _single,i：

对于第i台发电装置，其有功功率和无功功率的外环调控指令和/>分别为：

。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，对第i台发电装置，其有功功率裕度P _margin,i为第i台发电装置的最大功率跟踪预测值与第i台发电装置实际有功功率的差值；其无功功率裕度Q _margin,i为：，P _i和Q _i为第i台发电装置有功功率和无功功率的当前输出值，S _N,i为第i台发电装置换流器的容量。

7.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述台区储能模块通过虚拟同步发电机实现。

8.一种权利要求1至7任一项所述配电台区自组织构网装置的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在台区并网点处的功率产生波动时，产生功率波动值相关的瞬时有功功率和瞬时无功功率；

根据瞬时有功功率和瞬时无功功率与预设的有功功率指令值和无功功率指令值的偏差确定台区储能模块输出能量的内电势幅值和内电势相位，为台区在故障暂态过程提供所需频率和所需电压的支撑。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：采集并网点处的电压幅值和频率；

计算分布式发电装置参与支撑所需的有功功率总额和无功功率总额；

根据每台发电装置当前的有功功率裕度和无功功率裕度将所述有功功率总额和无功功率总额分配，得到每台发电装置的支撑功率指令，之后结合每台发电装置当前的有功功率和无功功率得到每台发电装置的功率外环调控指令。