电网长距离低压供电问题串联型治理装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及储能技术应用领域，具体是一种电网长距离低压供电问题串联型治理装置及其控制方法。


背景技术：

2.偏远地区农村电网远离配网核心区域，普遍存在台区供电半径大、输电线路长、设备性能陈旧、用电可靠性低及电能质量差等特点。受地形地貌影响，农村存在大量的单辐射型长线路低压弱联电网，供电可靠性形式严峻。此外，由于农村电网普遍存在的季节性负荷、不平衡负荷等导致居民用电及生产用电矛盾突出，居民投诉率居高不下，迫切需要解决电压低及经常性停电的问题。以现场实际案例为例，某农网供电台区配置了一台10kv、80kva变压器，供电户数42户，部分分支线路距离长(如1户单独供电距离长达5km，6户集中供电距离为4km)，虽然采用了35mm2铝芯电缆来尽量减小线路压降，但末端用户仍无法正常用电，供电电压随线路负荷情况在140～240v间波动。整个台区年用电量不足2万度，负荷率不足10％，线损率高达40～60％。其核心问题在于有功功率输送能力不足，现有无功补偿及有载调压技术难以解决末端电网用电问题，采用10kv网架改造的常规网改方案资金负担也较为突出。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种电网长距离低压供电问题串联型治理装置及其控制方法，解决了目前偏远弱联电网中普遍存在的线路末端低压单户因功率不足而导致的低电压、电压频繁大范围波动等电能质量问题。
4.本发明所采用的技术方案如下：
5.一种电网长距离低压供电问题串联型治理装置，包括整流模块、逆变模块、储能电池模块、控制系统专用模块、通讯模块及旁路开关；
6.所述整流模块和所述逆变模块串联后接在交流配电网及用户侧之间，所述整流模块和所述逆变模块具有接入光直流电源和负载的拓展接口；
7.所述储能电池模块与所述整流模块、所述逆变模块之间的直流母线相连；
8.所述控制系统专用模块与所述整流模块、所述逆变模块、所述储能电池模块及所述旁路开关的控制端相连，并通过通讯模块与远程监控平台进行信息互联，所述控制系统专用模块用于实时采集装置前端线路侧电压、储能soc、各模块状态信息，根据控制逻辑下发指令给整流模块、逆变模块、旁路开关，控制治理装置进行储能充、放电及旁路开关的闭合、开断操作；
9.所述通讯模块用于实时上传治理装置的运行数据至远程监控平台，以实现远程状态监视及运维管理；
10.所述旁路开关接在交流配电网及用户侧之间，用于根据控制系统专用模块的控制指令控制交流配电网与用户侧间的通断。
11.进一步的，所述控制系统专用模块根据控制逻辑下发指令给整流模块、逆变模块、旁路开关，具体包括：
12.在装置前端电压u位于储能补电区间(u1,u
max
)时，其中u
max
为装置可正常运行范围的最高前端电压，使整流模块投入，对储能电池模块进行充电，在其他电压条件下，使整流模块均处于退出状态；
13.当装置前端电压位于低电压治理区间u＜u0或者过电压区间u
max
＜u范围内时，使逆变模块投入，通过储能电池模块支撑后端用户侧电压；在其他电压条件下使逆变模块均处于退出状态；
14.在装置前端电压位于储能补电区间(u1,u
max
)时，使储能电池模块处于补电状态，旁路开关闭合，为用户供电；在装置前端电压位于电压正常区间(u0,u1)时，装置不进行低电压治理，旁路开关闭合供电；其余条件下，优先采用储能供电，旁路开关断开，直至储能soc达到soc
min
后旁路开关再次闭合，以实现最大限度地保障用户供电，其中soc
min
为保障储能电池能够正常运行的荷电状态最小值。
15.进一步的，所述通讯模块为4g无线通信模块。
16.一种如上所述治理装置的控制方法，包括如下步骤：
17.步骤a，治理装置投入运行后，启动装置自检模式，对储能soc与考虑自放电条件下储能安全运行保障值soc1进行比较：若soc≥soc1，则控制流程进入步骤b；若soc＜soc1，则装置采用储能最小电流充电的方式对储能进行充电，直至满足soc≥soc1的状态要求；
18.步骤b，比较装置前端电压是否位于正常电压区间(u0,u1)内，其中u0、u1为根据线路电压情况设置的能保障用户正常用电的自定义电压值，若u在(u0,u1)内，则储能不动作，旁路闭合给用户供电，流程回到步骤a；若u不在(u0,u1)内，则控制流程进入步骤c；
19.步骤c，比较装置前端电压是否位于储能补电区间(u1,u
max
)内，其中u
max
为装置可正常运行范围的最高前端电压：若u在(u1,u
max
)内，则延时t后再次判断是否仍在此区间内。若不在，则流程直接回到步骤a；若仍在(u1,u
max
)内，则整流模块投入，逆变模块退出，进行第一后续流程：
20.步骤d，比较装置前端电压是否位于u＜u0或者u
max
＜u范围内：若u在该范围内，则延时t后再次判断是否仍在此区间内。若不在，则流程直接回到步骤a；若u不在该范围内，则整流模块退出，逆变模块投入，旁路断开，进行第二后续流程。
21.进一步的，步骤c中的第一后续流程，具体为：
22.(1)若u在(u1,u
max
)内，说明此时用户侧电压不存在低电压治理需求，则进行储能充电操作，并闭合旁路开关给用户供电，首先比较储能soc与储能启动充电最大限值soc2的大小：
①
若soc＜soc2，则此时可进行充电操作，每次充电后首先比较是否soc＜soc
max
，其中soc
max
为保障储能电池能够正常运行的荷电状态最大值，若成立则再比较u是否位于(u1,umax)内，若在区间内则继续进行充电；若soc＝soc
max
，则储能无法进行充电，流程回到步骤a；
②
若soc≥soc2，则流程直接回到步骤a；
23.(2)若u不在(u1,u
max
)内，说明此时用户侧电压不满足储能补电要求，控制流程进入步骤d。
24.进一步的，步骤d中的第二后续流程，具体包括：
25.(1)若u位于u＜u0或者u
max
＜u范围内，则说明此时用户侧电压存在低电压治理需
求或者过电压风险，无法通过旁路供电直接保障用户的正常用电，此时优先进行储能电池模块放电操作，为后端用户提供电压支撑：首先比较储能soc与储能soc
min
的大小，其中soc
min
为保障储能电池能够正常运行的荷电状态最小值：
①
若soc＞soc
min
，则此时可进行储能放电，每次放电后重复比较是否u＜u0或者umax＜u，若电压依旧异常则继续进行放电，直至soc＝soc
min
；
②
若soc≤soc
min
，则储能无法进行放电，闭合旁路对用户侧进行供电，流程回到步骤a；
26.(2)若u不在u＜u0或者u
max
＜u范围内，则控制流程重新回到步骤a。
27.进一步的，步骤c中延时t取0.5s。
28.本发明的有益效果是：
29.1、本发明针对偏远弱联电网长距离低压单户独立供电这一典型用电场景中存在的低电压问题，采用成熟的电力电子技术和储能技术，将治理装置串联安装在低电压用户入户线处，当用户侧用电需求因系统侧电压异常(低电压或者过电压)而得不到满足时，本装置可自动将用户侧与系统隔离，同时向用户输送有功功率，保障正常用电需要。同时，通过储能和旁路两种供电方式的灵活切换，可最大限度地保障各电压条件下的用户供电可靠性，大大提高农村电网的供电效率和电能质量，有效解决了偏远弱联电网末端用户的低电压问题；
30.2、常规低电压问题一般采用集中治理方式，如台区配变有载调压、安装无功补偿等，但受台区供电半径大、线路导线选择不当、负荷分散等因素影响，对于末端用户治理效果有限。本发明则采用分散布置的方式，将装置按需分散安装于低电压用户入户线处，有针对性地对用户进行低电压治理。与常规方式相比，安装位置更灵活，同时大幅减小了线路传输过程中造成的功率损耗及电压降落，治理效果更好；
31.3、本发明成本约1万元，单台装置即可满足台区长距离线路末端低电压单户的用电需求。在台区低电压问题突出的不同末端用户处可分别装设多台装置，即可满足台区总体治理需求，预计安装量为3～5台，总成本不超过5万元。相比于传统网改方案动辄30～80万元的改造费用，本发明在经济性上具有明显优势，可极大地节省网改开支；
32.4、本发明装置为后期光伏、风电等新能源的接入预留了拓展接口，并配置了储能电池模块平抑功率波动，可有效实现能量的就地平衡，为未来新型电力系统的安全稳定提供技术保障。
附图说明
33.图1是本发明电网长距离低压供电问题串联型治理装置其中一个实施例的结构示意图；
34.图2是本发明电网长距离低压供电问题串联型治理装置的总体控制流程图；
35.图3是本发明电网长距离低压供电问题串联型治理装置的功率流和信号流示意图；
36.图4是本发明电网长距离低压供电问题串联型治理装置的现场安装位置示意图。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.如图1所示，为本发明电网长距离低压供电问题串联型治理装置其中一个实施例的结构示意图，包括整流模块、逆变模块、储能电池模块、控制系统专用模块、通讯模块及旁路开关。
39.所述整流模块、所述逆变模块与220v/380v交流配电网及用户串联相连，同时提供后期接入光伏、风电及电动汽车等直流电源、负载的拓展接口；
40.所述储能电池模块与所述整流模块、所述逆变模块构建的直流母线相连，采用可扩展、便插拔的接入设计，并配有充放电保护电路单元；
41.所述控制系统专用模块则通过有线通讯媒介与所述整流模块、所述逆变模块、所述储能电池模块及所述旁路开关相连，并通过通讯模块(例如4g无线通信模块)实现与远程监控平台的信息互联；
42.所述通讯模块用于实时上送装置运行数据至远程监控平台，以实现远程状态监视及运维管理；
43.所述旁路开关与其他部分为并联关系，通过旁路开关控制线路侧与用户侧间的通断。图1中的实线、虚线分别表示装置的电气量连接和信号量连接。
44.所述控制系统专用模块用于实时采集装置前端线路侧电压、储能soc、各模块状态信息，根据控制逻辑下发指令给整流模块、逆变模块、旁路开关，控制治理装置进行储能充、放电及旁路开关的闭合、开断操作，具体的：
45.在装置前端电压u位于储能补电区间(u1,umax)时，所述控制系统专用模块下发控制指令使整流模块投入，对储能电池模块进行充电，在其他电压条件下，使整流模块均处于退出状态；
46.当装置前端电压位于低电压治理区间u＜u0或者过电压区间u
max
＜u范围内时，所述控制系统专用模块下发控制指令使逆变模块投入，通过储能电池模块支撑后端用户侧电压；在其他电压条件下使逆变模块均处于退出状态；
47.在装置前端电压位于储能补电区间(u1,u
max
)时，所述控制系统专用模块下发控制指令使储能电池模块处于补电状态，旁路开关闭合，为用户供电；在装置前端电压位于电压正常区间(u0,u1)时，装置不进行低电压治理，旁路开关闭合供电；其余条件下，优先采用储能供电，旁路开关断开，直至储能soc达到soc
min
后旁路开关再次闭合，以实现最大限度地保障用户供电。
48.如图2所示，本发明实施例还提供一种电网长距离低压供电问题串联型治理装置的控制方法，从能量流动的角度分析，具体按照以下步骤实施：
49.步骤a，治理装置投入运行后，启动装置自检模式，对储能soc与考虑自放电条件下储能安全运行保障值soc1进行比较，若soc≥soc1，则控制流程进入步骤b；若soc＜soc1，则装置采用储能最小电流充电的方式对储能进行充电，直至满足soc≥soc1的状态要求；
50.步骤b，比较装置前端电压是否位于正常电压区间(u0,u1)内，其中u0、u1为根据线路电压情况设置的能保障用户正常用电的自定义电压值。若u在(u0,u1)内，则说明此时线路电压正常，无需治理，储能不动作，旁路闭合给用户供电，流程重新回到步骤a；若u不在
(u0,u1)内，则说明此时线路电压不正常，控制流程进入步骤c；
51.步骤c，比较装置前端电压u是否位于储能补电区间(u1,umax)内。若u在(u1,u
max
)内，其中u
max
为装置可正常运行范围的最高前端电压，可取参考值u
max
＝250v。为避免因短时电压波动造成的装置频繁动作，则延时t(一般可取0.5s)后再次判断是否仍在此区间内，若不在，则流程直接回到步骤a；若仍在此区间内，则整流模块投入，逆变模块退出，进行后续流程：
52.(1)若u在(u1,umax)内，则说明此时用户侧电压不存在低电压治理需求，为保障储能电池的状态良好，应进行储能充电操作，并闭合旁路开关给用户供电。首先比较储能soc与储能启动充电最大限值soc2的大小。
①
若soc＜soc2，则此时可以进行充电操作，每次充电后首先比较是否soc＜soc
max
，其中soc
max
为保障储能电池能够正常运行的荷电状态最大值，若成立则再比较u是否位于(u1,umax)内，若在区间内则继续进行充电；若soc＝soc
max
，则储能无法进行充电，流程回到步骤a；
②
若soc≥soc2，则流程直接回到步骤a。
53.(2)若u不在(u1,umax)内，则说明此时用户侧电压不满足储能补电要求，控制流程进入步骤d。
54.步骤d，比较装置前端电压是否位于u＜u0或者u
max
＜u范围内。若u在该范围内，则延时t后再次判断是否仍在此区间内。若不在，则流程直接回到步骤a；若仍在此区间内，则整流模块退出，逆变模块投入，旁路断开，进行后续流程：
55.(1)若u位于u＜u0或者u
max
＜u范围内，则说明此时用户侧电压存在低电压治理需求或者过电压风险，无法通过旁路供电直接保障用户的正常用电，此时优先进行储能电池模块放电操作，为后端用户提供电压支撑。首先比较储能soc与储能soc
min
的大小，看是否具备放电条件，其中soc
min
为保障储能电池能够正常运行的荷电状态最小值。
①
若soc＞soc
min
，则此时可进行储能放电，每次放电后重复比较是否u＜u0或者u
max
＜u，若电压依旧异常则继续进行放电，直至soc＝soc
min
；
②
若soc≤soc
min
，则储能无法进行放电，为避免用户侧失电，闭合旁路对用户侧进行供电，流程回到步骤a。
56.(2)若u不在u＜u0或者u
max
＜u范围内，则控制流程重新回到步骤a。
57.其中，所述整流模块的控制流程为：在装置前端电压位于储能补电区间(u1,umax)时，整流模块投入，对储能电池模块进行充电以保障储能soc状态良好；在其他电压条件下，由于不具备充电条件，整流模块均处于退出状态。
58.所述逆变模块的控制流程为：当装置前端电压位于低电压治理区间u＜u0或者过电压区间u
max
＜u范围内时，旁路供电已无法满足用户侧需求，此时逆变模块投入，通过储能电池模块支撑后端用户侧电压；在其他电压条件下，由于可通过旁路供电，逆变模块均处于退出状态。
59.所述控制系统专用模块的控制流程为：实时采集装置前端线路侧电压、储能soc、各模块状态等信息，根据控制逻辑下发指令给整流模块、逆变模块、旁路开关，控制治理装置进行储能充、放电及旁路开关的闭合、开断操作，以实现储能与旁路的双重灵活供电，最大限度地满足用户正常用电需求。
60.所述通讯模块的控制流程为：实时监测控制模块采集、下发的指令信息，并通过无线4g通讯实现与远程监控平台的信息互联与参数远程设置。
61.所述旁路开关的控制流程为：在装置前端电压位于储能补电区间(u1,u
max
)时，储
能电池模块处于补电状态，旁路开关闭合，为用户供电；在装置前端电压位于电压正常区间(u0,u1)时，装置不进行低电压治理，旁路开关闭合供电；其余条件下，优先采用储能供电，旁路开关断开，直至储能soc达到soc
min
后旁路开关再次闭合，以实现最大限度地保障用户供电。
62.如图3所示，本发明治理装置正常工作过程时的功率流和信号流分别由实线和虚线表示，其中带双向箭头的实线表示能量是可以双向流动的，控制系统通过采集储能电池的soc值、装置前端线路侧电压等信号流，在不同的控制策略下反馈给储能电池模块及整流逆变功率模块信号，从而实现低电压治理的目的。
63.如图4所示，本发明治理装置现场安装布置在偏远农村长距离输电线路末端的低压用户侧，直接针对末端低电压用户进行治理。
64.本发明串联型治理装置以储能电池模块、整流模块、逆变模块、控制系统专用模块、通讯模块及旁路为核心，针对偏远弱联电网长距离低压单户独立供电这一典型用电场景，将装置以串联方式接入用户侧前端入户线处，通过最优能量控制策略，充分利用储能与旁路双重灵活供电方式，降低供电成本，提升供电质量，满足线路末端用户用电需求，解决目前农网中存在的缺电、限电这一“卡脖子”问题。
65.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，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。