一种智能配电台区主动调控与优化运行方案的制作方法

1.本发明涉及配电网技术领域，尤其涉及一种智能配电台区主动调控与优化 运行方案。


背景技术：

2.在“双碳”目标驱动下，国家及地方政府出台多项政策扶持和推动新能源产业 的快速发展，海量风/光新能源、电动汽车等新型源/荷将持续接入中低压配电系 统中，将增大配电网电力电量平衡难度，造成配电台区电压波动大、电压高、 三相负荷不平衡、台区容量不足等问题，分布式电源承载能力受限。
3.随着配电台区智能电网的发展，传统的变压器单一的功能使得其不能完全 满足这些新时代的需求；变压器高、低压侧电压会受负荷大小和特性的影响， 电压不恒定且会带来电能质量问题，不具备对电压、电流的调节和控制能力， 不能参与电网其他设备的互动，不利于可再生能源高效的并网运行。而电力电 子变压器除了具备常规电力变压器所具有的电压变换、电气隔离以及能量传递 等基本功能，还具有提高电能质量、无功补偿以及潮流控制等功能。但是现阶 段的电力电子器件的水平以及其本身的结构和控制方法的复杂性，应用较为困 难。
4.借鉴电力电子变压器及传统变压器的优势及特点，结合二者优势，利用先 进的电力电子技术和配电网技术，现提出一种基于混合型固态智能配电变压器 技术的智能配电台区主动调控与优化运行方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于通过传统的工频变压器与电力电子变压器的结合，形成 兼具电能传输以及电能质量治理的多功能混合型固态智能配电变压器，进而提 供一种智能配电台区主动调控与优化运行方案。
6.本发明通过如下技术方案实现：
7.一种智能配电台区主动调控与优化运行方案，包括以下步骤：
8.s1、设计以工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器的拓扑结构；
9.s2、制定工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器的高效协调控 制方案；
10.s3、建立引入分时电价机制的主动配电网柔性负荷调度模型；
11.s4、进行混合型固态智能配电变压器研制与应用。
12.进一步的，所述步骤s1中混合型智能配电变压器的拓扑结构包括有双绕组 工频变压器、前级电压源变换器(cv1)和后级电压源变换器(cv2)，其中双绕组 工频变压器由工频变压器和耦合变压器组成，耦合变压器高压侧绕组与传统变 压器高压侧绕组串联形成组合绕组；前级电压源变换器(cv1)采用vsc结构， 交流侧的三相端口连接至耦合变压器低压绕组三相端口；后级电压源变换器 (cv2)采用三相四桥臂结构，其中三相交流端口连接
e2；
22.内环控制方程线性化可得：
23.式中，式中，
24.将式(4)代入式(7)，可得：
25.式中，式中，b3＝e2 k
p2
a6b1，b4＝a6b2；
26.内环输出信号经过pwm调制后输出变换器桥臂开关管控制信号，pwm调制可 等效为一阶惯性环节，由于pwm调制载波频率远大于开关频率，时间常数很 小，理想状况下可忽略pwm调制动态特性，即认为δu
1dq
＝δu
*1dq
，cv2交流侧小 信号模型如下：
27.式中， a
13
＝a
11-a
12
a8，b5＝a
12-a
12
b3；
28.由以上分析可得，取状态变量δx1＝[δα1δα2δα3δα4δi
1d
δi
1q
δu
dc1
]，联立式(2)、式(6)、 式(5)和式(7)，即可得cv2小信号状态空间模型；
[0029]
对于电力电子变压器中cv1数学模型以及控制系统结构，引入瞬时功率理论计 算pet输出功率，由电力电子变压器cv1输出电压和输出电流可计算瞬时功率， 将其线性化：
[0030]
瞬时无功功率通过低通滤波器后得到 平均功率，对其线性化可得低通滤波器小信号模型：
[0031]
式中：ωc为低通滤波器(lpf)截止频率；
[0032]
假定pll输出能够准确锁定电网电压相位，δ为cv1坐标系与参考坐标系的夹 角，有：
[0033]
cv1内环采用电压电流双闭环控制，定义状 态变量β1和β2：
[0034]
对式(13)线性化，并将式(10)代入，锁相使得参考电 压幅值位于d轴，即可得到内环控制器的小信号模型：
[0035]
式中，由电压环控制方程可知，将内环输出信号线性化可得：
[0036]
式中，式中，
[0037]
进一步的，步骤s3建立引入分时电价机制的主动配电网柔性负荷调度模型 的方法为基于功率分层的协调控制策略，在并网模式下根据功率分层，通过光 伏、储能系统和vsc协调控制，将并网模式分为峰谷套利和台区保护两种模式。
[0038]
本发明有以下优点：
[0039]
1、通过将电力电子技术与配电网技术的深度融合，提出混合型固态智能配 电变压器，能够实现对电能质量综合治理、潮流灵活调控以及新型源/荷集中管 理。
[0040]
2、通过混合型配电变压器，能够提高分布式新能源就地消纳率，满足用户 个性化、定制化供电和接入需求。
[0041]
3、能够有效提高配电台区用户供电质量，提升用户用电满意度；提高地区 配电网电力电量平衡水平，降低电厂旋转备用容量，提高电网经济运行水平； 提升台区分布式电源承载能力，减少因变台容量不足引起的台区改造费用。
附图说明
[0042]
图1为本发明基于工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器拓扑 示意图；
[0043]
图2为本发明cv2数学模型及控制系统框图；
[0044]
图3为本发明cv1数学模型及控制系统框图；
[0045]
图4为本发明系统控制结构框图；
[0046]
图5为本发明台区并网模式能量管理流程图；
[0047]
图6为本发明基于混合型固态配电变压器的新型配电网结构示意图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚明白，以下结合具体实施 例，并参照附图，对本发明所述的一种智能配电台区主动调控与优化运行方案， 进一步的详细说
明，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，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。
[0049]
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
[0050]
一种智能配电台区主动调控与优化运行方案，包括以下步骤：
[0051]
s1、设计以工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器的拓扑结构；
[0052]
s2、制定工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器的高效协调控 制方案；
[0053]
s3、建立引入分时电价机制的主动配电网柔性负荷调度模型；
[0054]
s4、进行混合型固态智能配电变压器研制与应用。
[0055]
具体地，以工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器的拓扑结构 如图1所示。在图1中t是传统的双绕组工频变压器，在混合智能配电变压器 中起着电压转换、能量传递等作用。其中t由两组变压器组成，即工频变压器 和耦合变压器，耦合变压器高压侧绕组与传统变压器高压侧绕组串联形成组合 绕组。前级电压源变化器(cv1)采用vsc结构，交流侧的三相端口连接至耦合 变压器低压绕组三相端口。后级电压源变换器(cv2)采用三相四桥臂结构，其中 三相交流端口连接至低压侧母线，第四桥臂的中线连接至线性负载中点和低压 侧绕组中线。cv1和cv2背靠背连接，同时引出低压直流端口，用于构建低压 直流配电网。
[0056]
具体来说，cv1相当于一个可控电压源，它可以补偿电网电压vgk的电压 波动和不对称性，从而使低压侧电压vsk稳定、正弦和对称。cv2相当于可控 电流源，cv2的输出电流可以补偿负载电流ilk中的谐波、无功、负序和零序分 量，从而使低压侧电流isk保持稳定、正弦、对称以及单位功率因数运行。
[0057]
为充分发挥混合型智能配电变压器的功能，更好的适应配电台区的建设， 首先对混合型智能配电变压器的电力电子变压器(pet)部分进行分析。电力电子 变压器后级电压源变换器cv2小信号模型由系统数学模型和控制系统两部分组 成，如图2所示，控制系统输出信号通过pwm调制后输出于cv2数学模型， 由所设计控制系统可知cv2外环采用定直流电压定无功功率控制，内环采用电 流环控制，定义状态变量α1和α2；
[0058]
式中，对式(1)线性化，即可得到cv2外环控制器小信号模型如下： 式中，式中，
[0059]
由外环控制方程可知，外环输出信号为：
[0060]
对式(3)线性化，并将式(2)代入，可得cv2 双环控制电压外环输出小信号模型：
[0061]
式中， [0062]
由所设计控制系统可知，电力电子变压器cv2内环采用电流环控制，定义状态 变量α3和α4，其中：
[0063]
外环输出信号为内环的输入信号，将式(5)线性化，并将式 (4)代入，即可得到cv2内环控制器的小信号模型：
[0064]
式中，a4＝k
p2
a1 e2；
[0065]
内环控制方程线性化可得：
[0066]
式中，式中，
[0067]
将式(4)代入式(7)，可得：
[0068]
式中，式中，b3＝e2 k
p2
a6b1，b4＝a6b2；
[0069]
内环输出信号经过pwm调制后输出变换器桥臂开关管控制信号，pwm调制可 等效为一阶惯性环节，由于pwm调制载波频率远大于开关频率，时间常数很 小，理想状况下可忽略pwm调制动态特性，即认为δu
1dq
＝δu
*1dq
，cv2交流侧小 信号模型如下：
[0070]
式中， a
13
＝a
11-a
12
a8，b5＝a
12-a
12
b3；
[0071]
由以上分析可得，取状态变量δx1＝[δα1δα2δα3δα4δi
1d
δi
1q
δu
dc1
]，联立式(2)、式(6)、 式(5)和式(7)，即可得cv2小信号状态空间模型；
[0072]
此外，电力电子变压器中cv1数学模型以及控制系统结构如图3所示，引入瞬 时功率理论计算pet输出功率，由电力电子变压器cv1输出电压和输出电流可 计算瞬时功率，将其线性化：
[0073]
瞬时无功功率通过低通滤波器后得到 平均功率，对其线性化可得低通滤波器小信号模型：
[0074]
式中：ωc为低通滤波器(lpf)截止频率；
[0075]
假定pll输出能够准确锁定电网电压相位，δ为cv1坐标系与参考坐标系的夹 角，有：
[0076]
cv1内环采用电压电流双闭环控制，定义状态变量β1和β2：
[0077]
对式(13)线性化，并将式(10)代入，锁相使得参考电 压幅值位于d轴，即可得到内环控制器的小信号模型：
[0078]
式中，由电压环控制方程可知，将内环输出信号线性化可得：
[0079]
式中，式中，
[0080]
综上所述，根据其工作过程以及小信号模型，研究工频隔离型背靠背变换 器的混合型智能配电变压器控制策略,制定整体的控制方案，并对其进行研究分 析，控制框图如图4所示。
[0081]
在需求响应机制下，利用分时电价机制可有效促进柔性负荷参与系统能量 平衡的调蓄作用，从而有效降低储能单元配置成本。基于电力需求弹性理论， 建立引入分时电价机制的主动配电网柔性负荷调度模型。针对“光-储-充”配电台 区经济运行和稳定性问
题，提出基于功率分层的协调控制策略。在并网模式下 根据功率分层，通过光伏、储能系统和vsc协调控制，将并网模式分为峰谷套 利和台区保护两种模式，并通过仿真证明了控制策略的可行性。台区并网模式 能量管理流程图如图5所示。
[0082]
如图6所示，为基于混合型固态配电变压器的新型配电网结构，该结构除 了实现柔性调压、无功补偿、高可用性、故障管理等基本要求外，还包括：
①ꢀ
提供新型源荷直流汇集端口，具备低压直流端口；
②
具备电能质量综合治理功 能，深度集成无功功率补偿、谐波电流抑制以及三相不平衡等功能；
③
工频变 压器高压侧串入调压模块，拓宽变流器功率开关管选型范围。针对混合配电变 压器可实现的多种功能，选择设计合适的控制方法。各个端口采用电压外环、 电流内环的双闭环控制策略，利用同步坐标系下的控制器来实现dq轴电流的解 耦无静差控制，电流响应快。电压平衡控制方法由使用载波移相脉宽调制策略 (cps-pwm)数字控制和具有附加电压平衡电路的模拟控制方法组成。对供电母 线电压采用下垂控制保证母线电压平稳，同时储能装置的加入，进一步增强了 直流母线电压的稳定性。根据网侧的运行情况、光伏系统状态、储能装置状态 和负荷需求，为维持母线电压稳定和提高能源利用率，将混合智能配电变压器 的工作模态进行分类，通过对多种模式的控制实现灵活切换。
[0083]
最后，研制面向源-荷-储新型配电网的10kv/50kva混合型固态智能配电变 压器样机，样机通过技术及物理验证后，在高比例分布式光伏台区试运行，检 验实际运行效果。
[0084]
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、 改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应 以所附权利要求为准。