一种适用于城市区域性配电网的多DFACTS设备协调运行控制方法

摘要

本发明涉及一种适用于城市区域性配电网典型拓扑的多DFACTS设备协调控制方法，通过以下步骤：步骤（1）：应对系统电压跌落，协调控制DVR和SSTS，步骤（2）：应对系统电压闪变与无功补偿，协调控制DSTATCOM和多组TSC，步骤（3）：结合步骤（1）和步骤（2）得到4种DFACTS设备的协调控制方法；实现城市区域性配电网多DFACTS设备的协调控制，实现方式简单；对今后城市区域性配电网的工程实践，具有指导作用。

说明书

技术领域

本发明涉及到定制电力技术领域，尤其涉及到一种适用于城市区域性配电网典型拓扑的 多DFACTS设备协调控制方法。

背景技术

随着半导体制造、IT行业、精密仪器、PLC控制的工业设备等敏感负荷的增加，电能质 量问题变得越来越突出，传统的增加配线数量的方法能提高供电可靠性，但电压闪变、无功 补偿和谐波治理等现代电能质量需求无法满足，在重要的供用电场合，往往需要建立含有多 种DFACTS设备的城市区域性配电网以满足敏感负荷对电能质量的需求。用于城市区域性配电 网的DFACTS设备主要有APF、DVR、SSTS、STATCOM、SVC和电池储能等，他们分别应对不同 的电能质量问题，应用的电压等级和工作原理各不相同，在城市区域性配电网中，各装置电 气距离较近，有些装置的功能类似，如果在发生电能质量问题时不加以协调控制，不但会影 响电能质量治理效果甚至可能会加剧电能质量问题并引起系统不稳定，区域配电网的优质电 力需要各DFACTS装置协同配合，因此，研究多DFACTS设备的协调控制策略具有重要的实际 意义和工程价值。近年来，许多学者致力于研究多种DFACTS设备的协调控制策略，但多数研 究仅考虑了两种DFACTS设备，多种DFACTS设备协调控制策略研究较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种适用于城市区域性配电网典型拓扑的多DFACTS 设备协调控制方法，该方法依托双路进线典型城市区域性配电网拓扑，针对电压闪变、电压 暂降、无功及谐波补偿等电能质量需求，给出区域配电网内DVR、SSTS、DSTATCOM和TSC等 多DFACTS设备的协调控制策略，双路进线的城市区域性配电网结构具有普适性，因此本发明 提出的综合协调控制方法可以在城市区域性配电网中进行推广。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种适用于城市区域性配电网典型拓扑的多DFACTS设备协调控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)：应对系统电压跌落，协调控制DVR和SSTS。

所述步骤(1)包括以下步骤：

步骤(1-1)：电能质量监控中心(power quality monitoring and controlling centre, PQMCC)监测主电源和备用电源的电压有效值；

步骤(1-2)：主电源电压有效值U_m1介于60％U_N和85％U_N之间，DVR不动作。若持续 时间大于2ms(为了避免A/D转换误差、高频干扰信号等导致电压跌落检测的不准确，引起DVR 的误动作)，PQMCC向DVR发出启动信号，启动DVR进行电压补偿。PQMCC监测到DVR能量耗 尽后，向SSTS发出启动信号，启动SSTS；

步骤(1-3)：主电源电压有效值U_m1小于60％U_N，PQMCC向DVR发出启动信号，启动DVR 进行电压补偿。若持续时间大于2ms，则PQMCC向SSTS发出启动信号同时向DVR发出闭锁信 号，SSTS将负荷从主电源侧切换到备用电源侧。待SSTS切换完成后，PQMCC向DVR发出相应 的动作信号，启动DVR，补偿负载切换至无故障线路后的电压暂态过程。暂态过程结束后， PQMCC向DVR发出闭锁信号；

步骤(1-4)：负荷已切换至备用电源侧。若主电源电压恢复正常，即U_m1介于95％U_N和 105％U_N之间，PQMCC向SSTS发出启动信号，启动SSTS将负荷从备用电源侧切换至主电源 侧；

其中：U_N系统的额定电压；上述步骤中的两个电压阈值为85％U_N和60％U_N，实际应用 中，可以根据敏感设备的耐压特性和DVR的补偿能力对其进行修正。

步骤(2)：应对系统电压闪变与无功补偿，协调控制DSTATCOM和多组TSC。

所述步骤(2)包括以下步骤：

步骤(2-1)：PQMCC检测出负载侧的无功功率Q_L。

步骤(2-2)：PQMCC对Q_L进行判断，若Q_L＜Q_DSTATCOM，则Num＝0，Q_ref＝Q_L；若Q_L介 于(n-1)Q_c+Q_DSTATCOM和nQ_c+Q_DSTATCOM之间，则Num＝n，Q_ref＝Q_L-nQ_c；

其中：Q_DSTATCOM和Q_c分别为DSTATCOM的容量和单台TSC的容量；Num为需要投入的TSC 的台数；Q_ref为DSTATCOM的无功指令值；

步骤(2-3)：根据步骤(2-2)，PQMCC向Num台TSC发出投入信号，向DSTATCOM发出 无功指令Q_ref；

步骤(2-4)：DSTATCOM进行无功储备控制，以便DSTATCOM留有足够的裕量进行电压闪 变的抑制。

步骤(3)：结合步骤(1)和步骤(2)得到4种DFACTS设备的协调控制策略。

所述步骤(3)包括以下步骤：

步骤(3-1)：PQMCC监测主电源和备用电源的电压有效值以及负载侧的无功功率；

步骤(3-2):主电源电压有效值U_m1介于90％U_N和110％U_N之间，DSTATCOM运行于无 功模式，并按照步骤(2)与TSC进行协调控制；DSTATCOM剩余容量用于电压闪变的抑制；

步骤(3-3)：主电源电压有效值U_m1小于90％U_N,主电源侧的DSTATCOM运行于电压模式 来抑制系统电压的跌落；

步骤(3-4)：与步骤(1-2)相同；

步骤(3-5)：与步骤(1-3)相同；

步骤(3-6)：当SSTS将负荷从主电源侧切换到备用电源侧后，根据步骤(2)，PQMCC 向备用电源侧的DSTATCOM发出无功指令Q_ref，并向Num台TSC发出投入信号；

步骤(3-7)：与步骤(1-4)相同；

采用本发明方法后，其有益效果为：

本发明是基于PQMCC实现的应对城市区域性配电网电压跌落、电压闪变和无功补偿的综 合协调控制方案，PQMCC根据相应的监测量，按照一定的规则控制各DFACTS的开关状态即可 实现城市区域性配电网多DFACTS设备的协调控制，实现方式简单；对今后城市区域性配电网 的工程实践，具有指导作用。

附图说明

图1为双路进线城市区域性配电网典型拓扑结构；

图2为DSTATCOM和TSC的协调控制框图；

图3为4种DFACTS设备协调控制框图；

图4为相电压有效值检测框图；

图5为负载侧无功功率检测方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

适用于城市区域性配电网典型拓扑的多DFACTS设备协调控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)：DVR和SSTS之间的协调控制策略。

所述步骤(1)包括以下步骤：

步骤(1-1)：如图3，电能质量监控中心(power quality monitoring and controlling  centre,PQMCC)监测主电源的电压有效值(图1中10KVⅠ段母线电压)和备用电源的电压 有效值(图1中10KVⅡ段母线电压)；假设第k(k＝a,b,c)相电压表达式为:

(公式1)

式中：U为电压有效值，ω₀为工频角频率，为初相角；

电压有效值可采用如下步骤获得：

步骤(1-1-1):对公式(1)求导数，可得：

(公式2)

步骤(1-1-2):对公式(1)和公式(2)采取公式(3)所示的运算：

(公式3)

步骤(1-1-3)：为了避免求导数过程引入的高频噪声信号影响电压有效值的检测精度，采 用低通滤波器(low pass filter,LPF)对公式(3)得到的电压有效值U进行滤波后的值即为实 际的电压有效值；相电压有效值检测过程如图4所示；

步骤(1-2)：如图3，主电源电压有效值U_m1介于60％U_N和85％U_N之间，DVR不动作。 若持续时间大于2ms(为了避免A/D转换误差、高频干扰信号等导致电压跌落检测的不准确， 引起DVR的误动作)，PQMCC向DVR发出启动信号，启动DVR进行电压补偿。PQMCC监测到DVR 能量耗尽后，向SSTS发出启动信号，启动SSTS；

步骤(1-3)：如图3，主电源电压有效值U_m1小于60％U_N，PQMCC向DVR发出启动信号， 启动DVR进行电压补偿。若持续时间大于2ms，则PQMCC向SSTS发出启动信号同时向DVR发 出闭锁信号，SSTS将负荷从主电源侧切换到备用电源侧。待SSTS切换完成后，PQMCC向DVR 发出相应的动作信号，启动DVR，补偿负载切换至无故障线路后的电压暂态过程。暂态过程 结束后，PQMCC向DVR发出闭锁信号；

步骤(1-4)：负荷已切换至备用电源侧。若主电源电压恢复正常，即U_m1介于95％U_N和 105％U_N之间，PQMCC向SSTS发出启动信号，启动SSTS将负荷从备用电源侧切换至主电源 侧；

其中：U_N系统的额定电压；上述步骤中的两个电压阈值为85％U_N和60％U_N，实际应用 中，可以根据敏感设备的耐压特性和DVR的补偿能力对其进行修正。

步骤(2)：如图2，DSTATCOM和多台TSC之间的协调控制策略。

所述步骤(2)包括以下步骤：

步骤(2-1)：如图2，PQMCC检测出负载侧的无功功率Q_L；在实际工程中，10KV系统一 般难以检测其相电压而只能检测其线电压，因此本专利将根据实际情况采用易于检测的电压 u_ab、u_bc、u_ca和电流i_a、i_b、i_c计算负载侧的无功功率Q_L，如图5；无功功率可采用如下步 骤获得：

步骤(2-1-1):如图5，根据检测到的电流i_a、i_b、i_c，采用公式(4)所示的运算，得到电 流i_ab、i_bc、i_ca：

i_ab＝i_a-i_b

i_bc＝i_b-i_c(公式4)

i_ca＝i_c-i_a

步骤(2-1-2):如图5，对检测到的三相线电压瞬时值u_ab、u_bc、u_ca和公式(4)计算得到 的电流瞬时值i_ab、i_bc、i_ca分别进行公式(5)和公式(6)所示的αβ变换，得到u_α、u_β和i_α、 i_β；

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)=T_{\mathrm{abc}/\mathrm{\alpha \beta }}\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\\ u_{\mathrm{ca}}\end{array}\right)$(公式5)

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=T_{\mathrm{abc}/\mathrm{\alpha \beta }}\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{bc}}\\ i_{\mathrm{ca}}\end{array}\right)$(公式6)

其中，$T_{\mathrm{abc}/\mathrm{\alpha \beta }}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)$(公式7)

步骤(2-1-3):如图5，根据步骤(2-1-2)得到的u_α、u_β和i_α、i_β，采用公式(8)计算负 载侧瞬时无功功率：

$q=\frac{u_{\beta }{i}_{\alpha }-u_{\alpha }{i}_{\beta }}{3}$(公式8)

步骤(2-1-4):如图5，采用低通滤波器(LPF)滤除q中的交流分量，最终得到的直流分 量即为负载侧的无功功率Q_L。

特别说明：无论负载采用Y型接线或△型接线，本专利提出的无功功率检测方法均适用。

步骤(2-2)：如图2，PQMCC对Q_L进行判断，若Q_L＜Q_DSTATCOM，则Num＝0，Q_ref＝Q_L； 若Q_L介于(n-1)Q_c+Q_DSTATCOM和nQ_c+Q_DSTATCOM之间，则Num＝n，Q_ref＝Q_L-nQ_c；

其中：Q_DSTATCOM和Q_c分别为DSTATCOM的容量和单台TSC的容量；Num为需要投入的TSC 的台数；Q_ref为DSTATCOM的无功指令值；

步骤(2-3)：根据步骤(2-2)，PQMCC向Num台TSC发出投入信号，向DSTATCOM发出 无功指令Q_ref；

步骤(2-4)：STATCOM进行无功储备控制，以便STATCOM留有足够的裕量进行电压闪变 的抑制。

步骤(3)：如图3，结合步骤(1)和步骤(2)得到4中DFACTS设备的协调控制策略。

所述步骤(3)包括以下步骤：

步骤(3-1)：PQMCC监测主电源和备用电源的电压有效值以及负载侧的无功功率；

步骤(3-2):主电源电压有效值U_m1介于90％U_N和110％U_N之间，DSTATCOM运行于无 功模式，并按照步骤(2)与TSC进行协调控制；DSTATCOM剩余容量用于电压闪变的抑制；

步骤(3-3)：主电源电压有效值U_m1小于90％U_N,主电源侧的DSTATCOM运行于电压模式 来抑制系统电压的跌落；

步骤(3-4)：与步骤(1-2)相同；

步骤(3-5)：与步骤(1-3)相同；

步骤(3-6)：当SSTS将负荷从主电源侧切换到备用电源侧后，根据步骤(2)，PQMCC 向备用电源侧的DSTATCOM发出无功指令Q_ref，并向Num台TSC发出投入信号；

步骤(3-7)：与步骤(1-4)相同。