一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法，首先，通过测量柔性多状态开关各端口的三相交流电压，通过静止/旋转坐标变换得到两相交轴和直轴分量的值，进而得到各端口三相相电压的合成矢量幅值，求取各端口电压幅值的平均值作为电压的调控值。然后，对柔性多状态开关的有功功率施加扰动，根据扰动观察法得到柔性多状态开关各端口电压对有功功率的灵敏度。最后，根据电压调控值和灵敏度求得各端口的有功功率指令，调节各端口的有功功率来达到抑制电压波动越限的目的。本发明基于柔性多状态开关已有的工作模式，实现配电网电压波动越限抑制，提升配电网消纳分布式电源的能力。

说明书

技术领域

本发明属于智能电网领域，更具体地，涉及一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法。

背景技术

在化石燃料储量日益减少和环境污染问题越发严重的背景下，风能、光能等清洁可再生能源得到越来越广泛的应用。在配电网中，企业厂房和居民屋顶均可安装分布式光伏发电系统，在风力资源富集的空旷场地可以配置风力发电系统，光伏、风力发电系统并网后为负荷供电。

风电、光伏等可再生能源所具有的波动性、随机性和间歇性，会造成电网电压波动甚至越限，一旦电网电压波动越限，分布式发电系统必须脱网，导致分布式发电系统不能被完全消纳。为了防止电网电压波动越限，需要将某条或某几条馈线上分布式发电系统的部分波动功率转移到其他馈线上。常规开关的响应速度难以应对分布式发电系统出力的突变。在实际应用过程中，还涉及倒闸操作、合环电流冲击等问题，给电网运行的安全性和可靠性带来隐患。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法，由此解决在发生电网电压波动越限时，常规开关的响应速度难以应对分布式发电系统出力突变的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法，应用于含多端口柔性多状态开关的配电网拓扑，其中，各条馈线均带有分布式发电系统，馈线端口的电压源和分布式发电系统共同为对应馈线上的负载供电，各条馈线末端分别接至所述多端口柔性多状态开关的交流侧，所述方法包括：

对于任意一条馈线i，将馈线i端口的三相电压v_sa.i、v_sb.i及v_sc.i转换到dq旋转坐标系中得到v_sd.i和v_sq.i，然后由v_sd.i和v_sq.i得到馈线i端口的电压幅值V_s.i；

在所述多端口柔性多状态开关的第一个控制周期，测量变流器端口电压V_s.i[0]，在第二个控制周期，施加有功功率扰动ΔP，在第三个控制周期，测量所述多端口柔性多状态开关的交流侧电压V_s.i[1]，并持续施加有功功率扰动ΔP，在第四个控制周期，停止施加有功功率扰动ΔP，并由所述有功功率扰动ΔP、所述交流侧电压V_s.i[1]及所述变流器端口电压V_s.i[0]得到端口电压对有功功率的灵敏系数K_P，然后由所述灵敏系数K_P及所述馈线i端口的电压幅值V_s.i得到馈线i端口的变流器调节功率P_dispatch.i；

对馈线i进行m次调节分别得到各次调节对应的馈线i端口的变流器调节功率P_{dispatch.i.[l]},l＝0,1,2…,m，并对每次得到的P_{dispatch.i.[l]}进行限幅，使得P_{dispatch.i.[l]}始终满足|P_{dispatch.i.[l]}|≤|P_limit|，得到累计调节功率为P_DISPATCH.i，其中，P_limit为预设限幅值；

所述多端口柔性多状态开关按照P_DISPATCH.i进行功率调节，使得各条馈线负荷端口电压均衡且均不越限。

优选地，对于所述多端口柔性多状态开关，使其中一个端口的变流器工作在交流侧无功功率/直流侧电压控制模式，控制器外环为无功功率/直流电压环，内环为电流环，内外环均采用比例积分控制，以维持公共直流母线电压恒定的同时控制交流侧无功功率；其余端口的变流器工作在交流侧有功功率/无功功率控制模式，控制器外环为有功功率/无功功率环，内环为电流环，内外环均采用比例积分控制，以调节所述多端口柔性多状态开关所联接的馈线上的功率。

优选地，所述馈线i端口的电压幅值V_s.i为：

优选地，所述灵敏系数K_P为：

优选地，所述变流器调节功率P_dispatch.i为：其中，V_s.i.ref为馈线i端口电压调控值。

优选地，所述馈线i端口电压调控值V_s.i.ref为多条馈线端口电压的平均值，以使调控后多条馈线端口电压基本相等。

优选地，所述累计调节功率为P_DISPATCH.i为：P_{dispatch.i.[0]}+P_{dispatch.i.[2]}+…+P_{dispatch.i.[m]}＝P_DISPATCH.i。

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，能够取得下列有益效果：

(1)采用扰动观察法，能够实时自动确定各变流器调节功率的大小；

(2)电压调控目标为各馈线负荷端口电压相等，能够实现分布式发电系统或者负荷波动功率在多条馈线间得到均衡分配；

(3)采用逐步逼近的思想，对单次计算得到的变流器调节功率进行限幅后累加，功率调节精度高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法的原理图；

图2是本发明实施例提供的一种含三端口柔性多状态开关的配电网拓扑图；

图3是本发明实施例提供的一种变流器QV_dc控制模式原理图；

图4是本发明实施例提供的一种变流器PQ控制模式原理图；

图5是本发明实施例提供的一种扰动观察法求K_P的时序图；

图6是本发明实施例提供的一种柔性多状态开关未投入运行时，馈线2和馈线3上的分布式发电系统出现功率波动后，三条馈线负荷端口三相电压如图6(a)所示，三条馈线电压有效值如图6(b)所示；

图7是本发明实施例提供的一种柔性多状态开关投入运行且使用电压波动越限抑制方法时，馈线2和馈线3上的分布式发电系统出现功率波动后，三条馈线负荷端口三相电压如图7(a)所示，三条馈线电压有效值如图7(b)所示。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了防止某条或某几条馈线因分布式发电系统接入导致线路功率波动过大，造成馈线节点电压波动越限，通过引入多端口柔性多状态开关，采用扰动观察法，自动调节柔性多状态开关各端口的有功功率，使得分布式发电系统的波动功率在各条馈线间进行自动分配，避免单条线路功率波动过大造成的电压波动越限问题。本发明利用柔性多状态开关的快速响应特性，对配电网潮流进行实时调整，均衡馈线负载，能够提升配电网消纳分布式发电系统的能力。

如图1所示是本发明实施例提供的一种基于柔性多状态开关的配电网电压波动越限抑制方法的原理图，该方法包括：

对于任意一条馈线i，将馈线i端口的三相电压v_sa.i、v_sb.i及v_sc.i转换到dq旋转坐标系中得到v_sd.i和v_sq.i，然后由v_sd.i和v_sq.i得到馈线i端口的电压幅值V_s.i；

在多端口柔性多状态开关的第一个控制周期，测量变流器端口电压V_s.i[0]，在第二个控制周期，施加有功功率扰动ΔP，在第三个控制周期，测量所述多端口柔性多状态开关的交流侧电压V_s.i[1]，并持续施加有功功率扰动ΔP，在第四个控制周期，停止施加有功功率扰动ΔP，并由有功功率扰动ΔP、交流侧电压V_s.i[1]及变流器端口电压V_s.i[0]得到端口电压对有功功率的灵敏系数K_P，然后由灵敏系数K_P及馈线i端口的电压幅值V_s.i得到馈线i端口的变流器调节功率P_dispatch.i；

对馈线i进行m次调节分别得到各次调节对应的馈线i端口的变流器调节功率P_{dispatch.i.[l]},l＝0,1,2…,m，并对每次得到的P_{dispatch.i.[l]}进行限幅，使得P_{dispatch.i.[l]}始终满足|P_{dispatch.i.[l]}|≤|P_limit|，得到累计调节功率为P_DISPATCH.i，其中，P_limit为预设限幅值；

多端口柔性多状态开关按照P_DISPATCH.i进行功率调节，使得各条馈线负荷端口电压均衡且均不越限。

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

以三端口柔性多状态开关为例，说明本发明的技术方案，含三端口柔性多状态开关的配电网拓扑如图2所示。

配电网中3条馈线上分别含有分布式发电系统DG₁、DG₂、DG₃和负载1、负载2、负载3。电压源U₁、U₂、U₃和分布式发电系统DG₁、DG₂、DG₃共同为负载1、负载2、负载3供电，3条馈线末端分别连接至3端口柔性多状态开关的交流侧。

特别地，该配电网电气参数如下：三条馈线额定电压均为10kv，容量为10MVA，线路阻抗为(0.7796+j0.7796)Ω(即0.1p.u.)。

馈线1端口的变流器工作在QV_dc(即交流侧无功功率/直流侧电压)控制模式，其控制架构为QV_dc外环加电流内环，均采用PI(比例积分)控制，维持柔性多状态开关直流母线电压恒定的同时，还可以向交流侧补偿无功功率；馈线2和馈线3端口变流器工作在PQ(即交流侧有功功率/无功功率)控制模式，其控制架构为PQ外环加电流内环，也采用PI控制，对各馈线的有功功率和无功功率进行控制。变流器QV_dc控制模式原理图如图3所示，变流器PQ控制模式原理图如图4所示。

上述QV_dc外环控制方式为：分别设置端口变流器输出无功功率和直流侧电压的指令值为Q_ref、V_ref，变流器实际输出无功功率与无功功率指令值的差值(Q_ref-Q)经PI调节得到变流器输入电流交轴分量参考值I_{q_ref}；直流侧电压实际值和电压指令值的差值(V_ref-V)经PI调节后得到变流器输入电流直轴分量参考值I_{d_ref}。

优选地，QV_dc外环PI控制参数为：K_P＝0.0002，K_I＝0.02。

上述PQ外环控制方式为：分别设置端口变流器输出有功功率、无功功率的指令值为P_ref、Q_ref，变流器实际输出有功功率与有功功率指令值的差值(P_ref-P)经PI调节得到变流器输入电流直轴分量参考值I_{d_ref}；变流器实际输出无功功率与无功功率指令值的差值(Q_ref-Q)经PI调节得到变流器输入电流交轴分量参考值I_{q_ref}。

优选地，PQ外环PI控制参数为：K_P＝15，K_I＝500。

上述电流内环控制方式为：在dq坐标系中，变流器输入电流直轴分量实际值I_d和直轴分量参考值I_{d_ref}的差值(I_{d_ref}-I_d)经PI调节得到变流器调制波电压直轴分量U_{d_ref}；变流器输入电流交轴分量实际值I_q和交轴分量参考值I_{q_ref}的差值(I_{q_ref}-I_q)经PI调节得到变流器调制波电压交轴分量U_{q_ref}。

优选地，电流内环PI控制参数为：K_P＝15，K_I＝1800。

在没有柔性多状态开关的配电网中，对于馈线i，电源功率和分布式发电系统功率之和正好等于负荷功率，即P_SN.i+P_DGN.i＝P_loadN.i。当馈线i中分布式发电系统功率P_DG.i大于额定功率P_DGN.i时，负荷端口电压上升；反之，负荷端口电压下降。

为了防止某条或某几条馈线因分布式发电系统功率波动过大造成该线路负荷端口电压波动越限，本发明实施例通过三端柔性多状态开关，采用扰动观察法，自动调节柔性多状态开关各端口的有功功率指令值，对各端口的功率进行准确地控制使得分布式发电系统的波动功率在3条馈线间进行均衡分配，避免单条线路的波动功率过大造成电压波动越限。

柔性多状态开关端口变流器的采样频率为f_s，控制周期为在第一个控制周期，测量变流器交流侧电压V_s.i[0]；在第二个控制周期，施加有功功率扰动ΔP；在第三个控制周期，测量变流器交流侧电压V_s.i[1]，并持续施加有功功率扰动ΔP；在第四个控制周期，停止施加有功功率扰动ΔP。求得变流器交流侧端口电压幅值对有功功率的灵敏系数K_P为

对应端口变流器调节功率P_dispatch.i为

上式中，V_s.i为馈线i端口电压幅值的实际值，V_s.i.ref为馈线i端口电压调控值。扰动观察法求K_P的时序图如图5所示。

馈线i端口电压调控值V_s.i.ref为三条馈线端口电压幅值的平均值，控制目标为三条馈线端口电压最终相等，即V_s1＝V_s2＝V_s3，分布式发电系统波动功率在多条馈线间得到均衡分配。

特别地，V_s.i为馈线i端口电压幅值。将馈线端口三相电压v_sa.i、v_sb.i、v_sc.i转换到dq坐标系中得到v_sd.i、v_sq.i，则

为了避免单次计算误差过大，本发明采用逐步逼近的调控思想。对馈线i单次计算得到的P_dispatch.i进行限幅，即P_dispatch.i始终满足|P_dispatch.i|≤|P_limit|。经过m次调节，累计调节功率为P_DISPATCH.i，即P_{dispstch.i.[0]}+P_{dispatch.i.[2]}+…+P_{dispatch.i.[m]}＝P_DISPATCH.i，柔性多状态开关按照P_DISPATCH.i进行功率调节，各条馈线负荷端口电压均衡且均不越限。

其中，P_limit为预设限幅值，可以根据实际需要进行确定。

特别地，馈线2和馈线3端口变流器采用PQ控制模式，可以独立控制流过各端口变流器的有功功率，P_DISPATCH.2和P_DISPATCH.3按上述计算方法得到。馈线1端口变流器采用QV_dc控制模式，不能独立控制流过各端口变流器的有功功率，在QV_dc控制方式下，馈线1所连柔性多状态开关端口的变流器维持直流侧电压恒定，当忽略柔性多状态开关的损耗时，根据功率平衡P_DISPATCH.1+P_DISPHTCH.2+P_DISPATCH.3＝0，可得P_DISPATCH.1＝-P_DISPATCH.2-P_DISPATCH.3。柔性多状态开关在实际运行中存在开关损耗，功率损耗所造成的的电压下降由馈线1进行调节。

仿真验证：

上述配电网在0.05s时由馈线2接入光伏分布式发电系统，0.1s时馈线2光伏分布式发电系统出力达到额定值，增发功率8MW；0.15s-0.2s时，馈线2光伏分布式发电系统输出功率逐渐下降；0.2s-0.5s时，馈线2光伏分布式发电系统不出力。馈线3在0.25s时接入光伏分布式发电系统，0.3s时馈线3光伏分布式发电系统出力达到额定值，增发功率5MW；0.35s-0.4s时，馈线3光伏分布式发电系统输出功率逐渐下降；0.4s-0.5s时，馈线3光伏分布式发电系统不出力

当柔性多状态开关未投入运行时，三条馈线负荷端口三相电压如图6(a)所示，三条馈线电压有效值如图6(b)所示。仿真结果显示，馈线1电压基本不变；馈线2电压有效值在0.1s-0.15s时段内上升为1.065p.u.(超过电压上限值1.05p.u.)，馈线3电压有效值在0.3s-0.35s时段内上升为1.042p.u.。

当柔性多状态开关投入运行且使用本发明所述电压波动越限抑制方法时，三条馈线负荷端口三相电压如图7(a)所示，三条馈线电压有效值如图7(b)所示。仿真结果显示，在0.1s-0.15s时段内，三条馈线电压有效值均上升至1.02p.u.附近，没有超过电压上限值1.05p.u.；在0.2s-0.25s时段内，三条馈线电压有效值恢复额定值1.0p.u.；在0.4s-0.5s时段内，三条馈线电压有效值在短暂升高的波动后可以比较快地恢复额定值1.0p.u.，证明本发明可有效抑制配电网电压波动越限。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。