一种用于电网交流柔性合环控制装置及其控制方法与流程

1.本发明属于配网优化运行控制技术领域，具体涉及一种用于电网交流柔性合环控制装置及其控制方法。


背景技术：

2.我国配网通常采用“闭环设计，开环运行”的方式，即在电网合环时，通过调控联络开关、分段开关的状态可优化网络结构，维持配网的高效可靠运行、实现故障区域的快速供电恢复。但这种通过联络开关实现闭环运行的方式，因功率潮流随阻抗自然分布，无法实现功率柔性控制。在合环时，如果合环点两侧存在电压差、相位差，合环后不但会产生环流，合环瞬间还会出现较大的冲击电流，严重的可能引起保护误动作，影响电网的安全稳定运行。
3.同时为提高城市网格化配网供电可靠性，减少故障停电时间，可以使用花瓣型配电网、蜂巢型配电网、多端口柔性直流合环等配电网技术。在线路检修和负荷转移时，若先停电后转供会使供电可靠性降低，采取不停电的合环操作将减少停电时间，已成为网格化配网可靠性提升中的重要手段。以不跨区供电的花瓣型电网为例，这种供电模式具有结构简明、负荷转供灵活、故障隔离时间短、可靠性较高、可扩展性强的特点。但也存在以下问题：闭环运行时系统的短路故障电流水平较高，对断路器或负荷开关要求较高；故障时整个环上的负荷转移到一条馈线，馈线电缆要考虑冗余设计；所有配电网都要装设差动保护，投资大，且二次保护配置比较复杂、运维工作量大等。
4.近年来，随着器件成本的降低与电力电子变压器、智能软开关(柔性多状态开关)、统一潮流控制器等装备技术的不断发展成熟，其应用已扩展至整个配电系统，如配网潮流调节、电压/无功综合控制、柔性开关等，归根结底都是通过电力电子技术与装备，实现配电网的“柔性互联”和功率柔性互济，从而提升配电网的灵活性与可控性。
5.目前常见的柔性合环装置有两种，一种是由全功率背靠背双向变流器组成的交流合环装置，可实现电压、幅值不同的交流区域柔性互联。设备典型缺陷为容量大、体积大，设备成本高；另一种是直流合环方式，把配电供电方式实现为交直流混合供电方式，直流合环采用不同区域的直流母线合环方案。这两种柔性合环装置的另一典型缺陷为效率低，柔性互联装置由背靠背/多端口电力电子变换器组成，若单个电力电子变换器的平均运行效率按98％计算，则不同交流区域间转供损耗在4％左右，该部分损耗远大于柔性合环装置潮流优化后系统降低的线损。由此可见，为保证电网系统能效，柔性合环装置仅可适用在故障恢复以及新能源发电过剩等情形下的有功功率紧急调度等应用场景，此类柔性合环装置的设备利用率较低，综合成本较高，将大大限制了其应用推广。
6.因此需要一种结构更简单、效率更高、成本更低、损耗更低的交流柔性合环方案，可以实现交流电网之间的柔性互联和功率柔性互济，并能够进一步提高供电可靠性。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供一种用于电网交流柔性合环控制装置，其特征在于，
该装置为串并联装置，具有两个交流输出端口和一个直流输出端口，包括串联耦合单元、并联耦合单元、旁路开关电路、合环主控制器；
8.其中，串联耦合单元有两个交流端口和一个直流端口，其两个交流端口直接串联在装置的两个交流输出端口之间；
9.并联耦合单元有一个交流端口和一个直流端口，其交流端口连接在该装置其中一个交流端口上，串联耦合单元和直流耦合单元都直接通过公共直流母线连接，形成该装置的直流输出端口；
10.串联耦合单元的两个交流端口与内部旁路开关并联连接，直流端口与并联耦合单元的直流端口连接；
11.合环控制器负责合环的逻辑控制和接受远程控制。
12.该装置采取交流合环方式，可以用于实现配网之间的柔性转供电和故障时的快速退出，可将配网供电可靠性提高到99.99％以上，同时在线潮流转移可充分利用配网资产存量，让重载线路和轻载线路实现负荷率均衡，提高配网供电台区的负荷率和负荷均衡性，实现台区配网供电的可靠性、安全性、经济性。
13.优选的，所述串联耦合单元由串联耦合变压器和功率双向流动的逆变器构成两个交流端口和一个直流端口，并联耦合单元也由功率双向流动的逆变器构成一个交流端口和一个直流端口，串联耦合单元和并联耦合单元通过直流端口以及其中一个交流端口耦合连接在一起形成了装置的基本拓扑，可实现装置三个端口之间的功率自由双向流动。
14.优选的，所述交流合环方式为该装置的两个交流端口直接串联在有合环需求的两段配电台区之间，一端与需要进行合环的其中i段台区供电母线连接，另一端与另外ii段台区供电母线连接，串联耦合单元可以进行输出串联电压幅值、相位的调节以及合环台区之间有功潮流的双向调节；并联耦合单元交流输出端并联在其中任何一个台区的母线上，并联耦合单元用于稳定串联耦合单元和直流耦合单元的直流母线电压，并控制两段台区之间耦合的双向流动无功功率大小，使合环的每个台区线路功率因数保持在最优值上。
15.优选的，交流合环方式也可适用于多个台区之间。
16.优选的，为进一步增强合环台区的有功潮流支持和控制灵活性，降低台区供电容量压力，在柔性合环装置的直流端口公共直流母线上增加带dc/dc变换的储能装置，通过储能装置的充电及放电控制，从而进一步实现供电系统合环控制的灵活性。
17.为解决上述技术问题，本发明还提供一种用于电网交流柔性合环的控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
18.步骤1，建立电网交流柔性合环装置系统模型，并长期监测有合环需求的两段输电线路各自的功率，并实时做好合环准备；
19.步骤2，合环前母联开关及接入开关全部处于分断状态，在接收到合环指令后，合闸其中一段电源的接入开关k1，并设置柔性合环控制装置工作于电压控制模式，同时当装置输出电压幅值和相位与另一段重合后，合闸另一段接入开关k2，至此系统进入合环状态；
20.步骤3，系统进入合环状态后，设置柔性合环控制装置工作于pq控制模式。退出合环前，柔性合环控制装置逐步减小p、q到零后依次断开接入开关k1、k2，至此交流柔性合环流程结束。
21.优选的，所述步骤1中，建立电网交流柔性合环装置系统模型，其特征在于：该方法
的装置包括串联耦合单元、并联耦合单元、旁路开关电路、合环主控制器及两组接入开关，其中串联耦合单元有两个交流端口和一个直流端口，其两个交流端口直接串联在装置的两个交流输出端口之间，同时与内部旁路开关并联连接；并联耦合单元有一个交流端口和一个直流端口，其交流端口与串联耦合单元的其中一个交流端口连接，其直流端口与串联耦合单元的直流端口连接，并一起接入公共直流母线，形成该装置的直流输出端口。两组接入开关分别位于装置两组交流端口两侧，用于实现交流合环装置与有合环需求的电网的连接。两段配电网合环运行时动态调节串联耦合变压器两端电压的幅值和相位来实现两段输电线之间传输的功率在一定范围内调节，实现两段输电线之间柔性合环的需求。
22.优选的，所述步骤2中，设置柔性合环控制装置工作于电压控制模式，其特征在于：通过上述装置的串联侧逆变器来实现，动态调节其串联耦合变压器输出电压，使其幅值变化范围为0～最大值，相角变化范围为0
°
～360
°
，在一定范围内(调节范围在
±
10％额定功率内)改变输电线路中流过的有功电流(潮流)、无功电流(潮流)，从而可灵活调控两段输电线之间传输的有功功率和无功功率。同时对串联耦合变压器输出电压的幅值和相角进行控制，使得柔性合环控制装置输出电压幅值和相位与另一段重合。优选的，在上述灵活调控两段输电线之间传输的有功功率和无功功率中，有功功率控制特征在于，采用串联耦合单元通过闭环控制来解决有功潮流控制问题，对串联耦合变压器输出电压的幅值和相角进行控制，具体包括如下步骤：
23.(1)通过锁相环pll获取串联侧供电母线端电压相位；
24.(2)采集串联侧逆变器端供电母线上的电压和电流，计算出实时有功及无功功率，和给定的有功/无功限值进行比较，得到的差值通过偏差放大器，经过电压限制器，在考虑电压电流等限幅的基础上，进行幅值和相角计算，得到δv电压的幅值和相角，根据需要，控制器可以是pi控制器，也可以是其他类型的控制器；
25.(3)闭环输出的控制量直接控制功率器件的门极驱动，实现最终的控制要求。
26.优选的，在上述灵活调控两段输电线之间传输的有功功率和无功功率中，无功功率控制特征在于，采用并联耦合单元通过闭环控制解决无功潮流控制问题和直流端口电压稳定问题，具体包括如下步骤：
27.(1)通过锁相环pll获取并联侧供电母线端电压相位；
28.(2)采集并联侧逆变器端供电母线的电压和电流，计算出功率因数，通过给定功率因数为1进行闭环控制，实时调节无功分量；或提取该端供电母线输出电流正序分量，检测反馈的无功电流正序分量与无功电流给定值之差，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是pi控制器，也可以是其他类型的控制器；
29.(3)检测反馈的直流母线电压与给定值之差，通过电压电流闭环控制，可以实现直流母线电压的稳定控制，根据需要，控制器可以是pi控制器，也可以是其他类型的控制器；
30.(4)为了改善逆变器的稳定性能和动态响应性能，加入电流环，电流环出来的电压指令，通过svpwm的调制得到相应的pwm信号，通过隔离放大驱动相应的igbt模块。本装置可选择svpwm，也可选用其他调制方法。
31.本发明具有如下优点：
32.(1)本发明提供了一种用于电网柔性合环控制的装置和方法，可以实现线路检修和倒负荷时的不停电合环操作，减少停电时间，提升了配网可靠性；
33.(2)本发明通过对有合环需求的两段供电线路进行功率监测，实时接收合环指令。在合环和退出的过程中，通过实时控制两段供电电路的电压和相位，可以实现柔性合环和退出，确保了线路运行的稳定性。
34.(3)本发明采用电力电子装置来进行合环控制，选用快速开关器件，系统响应速度快，控制精度高，避免了传统的使用联络开关闭环运行方式中对机械结构的频繁动作，减少了机械磨损，增加了设备的使用寿命。
35.(4)本发明直接串联连接在两段供电线路的两端，连接方式简单，故障时可快速切换到旁路状态，不会影响原供电线路的工作，安全可靠。
附图说明
36.图1示出了本发明的一种实现电网交流柔性合环的装置实施方式结构图；
37.图2示出了本发明装置实现电网交流柔性合环控制的控制流程图；
38.图3示出了本发明装置组成单元中串联耦合单元的实施方式结构图；
39.图4示出了本发明装置组成单元中并联耦合单元的实施方式结构图；
40.图5示出了本发明装置进行电网交流柔性合环控制时的简化控制图及矢量图；
41.图6示出了本发明装置实现电网交流柔性合环控制时有功功率和无功功率运行范围；
42.图7示出了本发明的一种实现电网柔性合环控制的矢量控制策略框图。
具体实施方式
43.下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
44.步骤1，建立电网交流柔性合环装置系统模型，如图1所示。该实施方式的装置包括串联耦合单元、并联耦合单元、旁路开关电路、合环主控制器及两组接入开关，其中串联耦合单元有两个交流端口和一个直流端口，其两个交流端口直接串联在装置的两个交流输出端口之间，同时与内部旁路开关并联连接；并联耦合单元有一个交流端口和一个直流端口，其交流端口与串联耦合单元的其中一个交流端口连接，其直流端口与串联耦合单元的直流端口连接，并一起接入公共直流母线，形成该装置的直流输出端口。两组接入开关分别位于装置两组交流端口两侧，用于实现交流合环装置与有合环需求的电网的连接。两段配电网合环运行时动态调节串联耦合变压器两端电压的幅值和相位来实现两段输电线之间传输的功率在一定范围内调节，实现两段输电线之间柔性合环的需求。
45.步骤1.1搭建串流耦合单元模型，图3示出了串联耦合单元的实施方式结构图，该串联耦合单元为三端口网络，由串联耦合变压器和串联侧逆变器组成，其中串联耦合变压器的原边组成串联耦合单元的两个交流端口，串联耦合变压器的副边与串联侧逆变器的交流端连接，串联侧逆变器的直流端组成了串联耦合单元的直流端口。串联耦合单元的串联侧逆变器由功率可双向变换的三相全桥臂功率单元组成，其拓扑可以是两电平结构或级联多电平结构。串联逆变器通过电力电子变换，可以实现柔性合环装置的稳压调节、谐波电压抑制以及隔离并联耦合单元的电压扰动。串联侧逆变器的输出电压通过串联耦合变压器的变换，串联于两段有合环需求的配电线之间，或配电线与负荷之间。
46.步骤1.2搭建并联耦合单元模型，图4示出了并联耦合单元的实施方式结构图，该
并联耦合单元为两端口网络，由并联侧逆变器组成。并联侧逆变器的交流端组成并联耦合单元的交流端口，并联侧逆变器的直流侧输出组成并联耦合单元的直流端口。并联耦合单元的并联侧逆变器由功率可双向变换的三相全桥臂功率单元组成，其拓扑可以是两电平结构或级联多电平结构。并联逆变器通过电力电子变换，可以实现柔性合环装置的不平衡调节、谐波电流治理以及无功补偿功能。
47.步骤2，搭建电网交流柔性合环串并联耦合单元控制逻辑，如图2所示。其控制逻辑具体流程如下：
48.步骤2.1长期监测有合环需求的两段输电线路各自的功率，并实时做好合环准备。
49.步骤2.2合环前母联开关及接入开关全部处于分断状态。在接收到合环指令后，合闸其中一段电源的接入开关k1，并设置柔性合环控制装置工作于电压控制模式，同时当装置输出电压幅值和相位与另一段重合后，合闸另一段接入开关k2，至此系统进入合环状态。
50.步骤2.3系统进入合环状态后，设置柔性合环控制装置工作于pq控制模式。退出合环前，柔性合环控制装置逐步减小p、q到零后依次断开接入开关k1、k2，至此交流柔性合环流程结束。
51.在步骤2.2中，交流柔性合环控制时的简化控制图及矢量图如图5所示。i段电源电压v1超前于ii段电源电压v2的功角为δ，输电线上引入串联补偿电压δv后，i段电源电压由原v1变为v3，v3＝v1 δv。矢量图中δv超前v1的相位角为α，δv超前v2的相位角为(δ α)，当α为[0,2π]之间的任意角度时，如果串联补偿电压为δv，根据叠加原理，δv所产生的线路电流增量δi滞后δv90
°
，如矢量图所示，δv超前v2(δ α)，故δi比v2滞后γ＝90
°‑
(δ α)，δi
p
的有功电流＝δicosγ，无功电流δiq＝δisinγ。ii段电源的有功功率增量δp和无功功率增量δq分别为：
[0052][0053][0054]
两段母线之间的相位差输出功角δ、并网点电压v2、相位角α(可以设定为0)保持不变，等效电抗x
l
参数保持不变，则有功及无功分量与δv成正比的线性关系。
[0055]
从以上分析可以得出，调节两段配电线之间的电压差在一定范围内变化，即可实现两段母线之间输出有功功率在对应范围内的调节，满足电网对母线之间柔性合环的技术要求。
[0056]
因此通过调控串联耦合单元中两个交流端口之间的电压，也就是串联耦合变压器的串联补偿电压，即可实现并联耦合单元侧供电电源输出有功功率的调节，也就满足了电网柔性合环控制的要求；并联耦合单元主要实现公共直流母线的稳定控制以及并联侧无功功率的控制。
[0057]
由上述交流柔性合环控制时的简化控制图及矢量图，所述交流合环装置可以实现两段母线之间输出有功功率在对应范围内的调节，图6展示了本发明装置实现电网交流柔性合环控制时有功功率和无功功率运行范围。从图中可以看到，当α＝π/2-δ时，u
pq
线路有功
功率p的作用最大，最大作用量为同时从以上分析可以得出，调u
pq
的变化即可实现电源电压输出有功功率在需要的范围内的调节，因此该柔性合环装置可以满足两段输电线路柔性合环及功率互济的需求。
[0058]
步骤2.2中，交流柔性合环控制的控制策略框图如图7所示。对有合环需求的两段电网进行测量和计算，得到功率给定值，与实时采样反馈的实际功率的差值经过pid调节后得到变化的功率δp和δq，从而可以得到与δp、δq成线性关系的串联补偿电压δv的给定值，串联补偿电压给定值在考虑电压限制或频率范围限制后采用闭环控制，闭环控制输出值即是串联侧逆变器的控制输出。
[0059]
串联耦合单元和并联耦合单元都可采用矢量控制策略，主要的功能模块包括：用于检测串联耦合单元供电母线电压相位的pll锁相环、pi控制器(以pi为例，根据实际情况需要可以采用其他类型的控制器)、坐标变换模块(abc/dq变换和dq/abc变换器)、比较器等。通过矢量控制可以保持各个给定量(包括直流电压、网侧功率、网侧电压d轴q轴分量、负载侧电流d轴q轴分量)达到设定值。
[0060]
串联耦合单元闭环控制解决系统有功功率传输的问题，对串联在线路中的注入电压矢量δv的幅值和相角进行控制，通过如下步骤实现：
[0061]
(1)通过锁相环pll获取电网相位θs；
[0062]
(2)采集串联耦合单元供电母线的电压和电流，计算出实时有功及无功功率，和给定的有功/无功限值进行比较，得到的差值通过偏差放大器，经过电压限制器，在考虑电压电流等限幅的基础上，进行幅值和相角计算，得到δv电压的幅值和相角，根据需要，控制器可以是pi控制器，也可以是其他类型的控制器；
[0063]
(3)闭环输出的控制量直接控制功率器件的门极驱动，实现最终的控制要求。
[0064]
并联耦合单元闭环控制解决无功功率控制问题和直流侧电压稳定问题，通过如下步骤实现：
[0065]
(1)通过锁相环pll获取并联逆变器侧供电母线电压相位θs；
[0066]
(2)采集并联耦合单元供电母线的电压和电流，计算出功率因数，通过给定功率因数为1进行闭环控制，实现实时调节无功分量。或提取并联逆变器侧供电母线输出电流正序分量，检测反馈的无功电流正序分量与无功电流给定值之差，在dq轴上分别进行闭环控制。根据需要，控制器可以是pi控制器，也可以是其他类型的控制器；
[0067]
(3)检测反馈的直流母线电压与给定值之差，通过电压电流闭环控制，可以实现直流母线电压的稳定控制。根据需要，控制器可以是pi控制器，也可以是其他类型的控制器；
[0068]
(4)为了改善变换器的稳定性能和动态响应性能，加入电流环，电流环出来的电压指令，通过svpwm的调制得到相应的pwm信号，通过隔离放大驱动相应的igbt模块。
[0069]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，尤其是将基于本发明装置结构的其他调节方式与本发明本质上是一致的。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，但性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。