一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法

技术领域

本发明涉及配电技术领域，特别涉及一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法。

背景技术

10千伏及以上的配电网扩展能力较低且分布较少，距离较长，对于偏远乡镇而言，配电网线路的供电半径较大，线径较小，因此会出现末端电压偏低的问题，严重影响了用户的正常用电，同时造成经济损失和资源浪费。

目前，配电网低压治理提出使用动态电压恢复器(DVR)进行无功功率补偿方法，当系统发生电压暂降时；DVR注入与系统同频的交流电压以抵消系统电压的改变，将无功功率注入敏感负载或配电网络来调节电压。然而，直流侧供电通常由储能元件完成，因此无法长时间供能治理配电网末端低压问题。

相比于DVR，统一电能质量调节器(UPQC)可以治理长时间电压偏低的问题；但是，在实际配电网中，相邻交流母线可能会同时出现末端电压偏低的问题；当多条线路同时需要补偿时，使用UPQC进行电压补偿需要多个并联整流单元，造成设备冗余，会增加投入和运行维护的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，能够长时间应对多条母线电压偏低的现象，同时节约设备投入成本。

一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，包括如下步骤：

S1、在带有发电单元的直流母线上分别通过一个逆变器单元串联一组交流母线的电网侧以及至少一组的交流出线，通过一个整流器单元并联所述交流母线的负载侧；

S2、设置基于电源电压与理想负载电压之差的电压源控制策略，以控制所述逆变器单元；

S3、若存在交流母线或所述交流出线的负载侧出现低压现象，则控制所述逆变器单元、所述发电单元以及所述整流器单元，通过所述发电单元和/或电网提供电压补偿给相应的所述交流母线或所述交流出线。

本发明的有益效果在于：提供一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，通过串联逆变器单元，使得多组母线共享一条直流母线以及直流母线上的整流器单元和发电单元，在运行过程中，由电网和/或发电单元结合相对应的逆变器单元来对存在低压的交流母线进行电压补偿，而对于存在低压的交流出线，则可由电网通过整流器单元和/或发电单元通过相应的相对应的逆变器单元来进行电压补偿，无需在交流出线单独连接整流器单元，且发电单元自身能够持续供电，从而长时间应对多条母线电压偏低的现象，同时节约设备投入成本。

附图说明

图1为本发明的一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法的步骤示意图；

图2为本发明的一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法的电路连接示意图；

图3至图13为一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法在不同情况下的功率流路径图；

图14为本发明的一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法的逆变器及其控制框图；

图15为本发明的一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法的并联整流器及其控制框图；

图16为本发明的一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法的光伏DC/DC单元及其MPPT控制框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图16，一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，包括如下步骤：

S1、在带有发电单元的直流母线上分别通过一个逆变器单元串联一组交流母线的电网侧以及至少一组的交流出线，通过一个整流器单元并联所述交流母线的负载侧；

S2、设置基于电源电压与理想负载电压之差的电压源控制策略，以控制所述逆变器单元；

S3、若存在交流母线或所述交流出线的负载侧出现低压现象，则控制所述逆变器单元、所述发电单元以及所述整流器单元，通过所述发电单元和/或电网提供电压补偿给相应的所述交流母线或所述交流出线。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，通过串联逆变器单元，使得多组母线共享一条直流母线以及直流母线上的整流器单元和发电单元，在运行过程中，由电网和/或发电单元结合相对应的逆变器单元来对存在低压的交流母线进行电压补偿，而对于存在低压的交流出线，则可由电网通过整流器单元和/或发电单元通过相应的相对应的逆变器单元来进行电压补偿，无需在交流出线单独连接整流器单元，且发电单元自身能够持续供电，从而长时间应对多条母线电压偏低的现象，同时节约设备投入成本。

进一步地，所述步骤S1之前还包括：

S0、在所述直流母线上接入串联的DC/DC变换器和光伏阵列，以组成所述发电单元。

从上述描述可知，发电单元由DC/DC变换器和光伏阵列组成，将光能转化为用作电压补偿的电能，不仅能够提高可持续的供电能力，减轻供电负担，而且节能环保。

进一步地，所述步骤S3还包括：

在通过所述发电单元提供电压补偿时，持续检测所述光伏阵列的输出信号，根据所述输出信号调节所述DC/DC变换器的控制信号，以实现所述光伏阵列的最大功率跟踪。

从上述描述可知，通过设置控制策略，调节发电单元的输出能力，有效实现对电能质量的综合治理和对电网末端的低压补偿等功能。

进一步地，所述步骤S3还包括：

S31、获取并根据所述发电单元当前的有功功率输出能力，选择由所述发电单元和电网共同提供电压补偿或所述发电单元单独提供电压补偿。

其中，所述步骤S31具体包括：

获取并判断所述发电单元当前的有功功率输出能力是否大于或等于电网的书输出功率，若是，则由所述发电单元单独提供电压补偿给相应的所述交流母线或所述交流出线，否则由所述发电单元和电网共同提供电压补偿给相应的所述交流母线或所述交流出线。

从上述描述可知，根据发电单元当前的有功功率输出能力来选择电压补偿方式，在确保能够解决交流线电压偏低问题的同时，合理调配发电单元和电网的输出，实现对如太阳能资源等的发电资源的最大化利用。

进一步地，还包括：

S4、若所述交流母线以及所有所述交流出线的电压均正常，则判断所述发电单元是否具有有功功率输出，若有，则通过所述发电单元给所述交流母线所连接的负载供电。

从上述描述可知，在无需进行电压补偿时，可将发电单元的存储电能用于给母线的负载供电，减少电网的耗电量，充分利用发电单元所能产生的经济效益。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21、基于电源电压与理想负载电压之差，建立所述逆变器单元的逆变器在dq坐标系下的表达式：

其中，ω为同步旋转角频率，u

S22、将电压控制作为外环，以负载电压为与电源电压正序同相的三相平衡基波电压，则所述逆变器的输出电压的参考值为：

S23、将电流控制作为内环，采用比例控制器，得到电流内环控制表达式：

其中，u

从上述描述可知，逆变器采用电压外环以及电流内环的双闭环控制策略，其控制源为电压源，提供理想负载电压与电源电压的差值，从而和整流器以及发电单元相配合，维持交流线电压的稳定性。

进一步地，步骤S2还包括：

S24、建立所述整流器单元的整流器在dq坐标系下的表达式：

其中，L2为电感分量，R为电阻阻值，u

S25、往整流器在dq坐标系下的表达式中带入下式：

其中，k

得到：

其中，i

从上述描述可知，整流器采用双闭环PI控制策略，不仅可以提高逆变器的电压补偿能力，还可以实现负载侧无功功率、电流谐波和不平衡的补偿，改善电压质量。

请参照图1至图15，本申请的实施例一为：

一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，包括如下步骤：

S0、在直流母线上接入串联的DC/DC变换器和光伏阵列，以组成发电单元。

在本实施例中，发电单元不只是可以采用光伏发电，结合具体的应用场景，还可以采用风力发电、水力发电等其他发电形式，目的在于提供长时间的供电来源，确保电压补偿功能的可持续性。

S1、在带有发电单元的直流母线上分别通过一个逆变器单元串联一组交流母线的电网侧以及至少一组的交流出线，通过一个整流器单元并联交流母线的负载侧；

在本实施例中，如图2和图14所示，逆变器单元由变压器和逆变器(AC/DC2或3)组成，由变压器将交流母线或交流出线接入逆变器的交流侧，进而由逆变器的直流侧与直流母线相连接，在补偿时，通过逆变器将发电单元提供的补偿电压转换为与电网同相同频同幅值的交流电，从而并网运行。

如图2和图15所示，整流器单元由整流器、变压器以及逆变器(AC/DC1)组成，由变压器将交流母线或交流出线接入整流器的交流侧，进而由整流器的直流侧与直流母线相连接；交流母线通过并联整流器给逆变器供电，逆变器输出一个特定的电压，该电压经滤波和串联逆变器叠加到交流母线上，可以长时间维持线路末端的电压稳定，保证负荷基本不受影响。

S2、设置基于电源电压与理想负载电压之差的电压源控制策略，以控制逆变器单元；

在本实施例中，结合图14所示，其中，s表示系统侧分量，l表示负载侧分量，L

隔离型串并联AC/DC变换器。串联逆变器控制为电压源，提供理想负载电压与电源电压的差值。并联整流器控制为电流源，用于补偿负载的谐波电流，同时从系统直接获取能量，即通过整流电路连续输出能量，提供给串联逆变器的直流侧，来维持交流母线电压的稳定。由此设计出交流母线的电压补偿环节，其包括如下过程：

S21、基于电源电压与理想负载电压之差，建立逆变器单元的逆变器在dq坐标系下的表达式：

其中，ω为同步旋转角频率，u

S22、将电压控制作为外环，以负载电压为与电源电压正序同相的三相平衡基波电压，则逆变器的输出电压的参考值为：

S23、将电流控制作为内环，采用比例控制器，得到电流内环控制表达式：

其中，u

S24、建立整流器单元的整流器在dq坐标系下的表达式：

其中，L2为电感分量，R为电阻阻值，u

S25、往整流器在dq坐标系下的表达式中带入下式，以进行前馈解耦：

其中，k

得到：

其中，i

结合图15所示，u

S3、若存在交流母线或交流出线的负载侧出现低压现象，则控制逆变器单元、发电单元以及整流器单元，通过发电单元和/或电网提供电压补偿给相应的交流母线或交流出线。

在本实施例中，步骤S3包括：

S31、获取并根据发电单元当前的有功功率输出能力，选择由发电单元和电网共同提供电压补偿或发电单元单独提供电压补偿，结合图3至图13，其包括如下几种情况：

当交流电网1(交流母线)与交流电网2(交流出线)同时出现低压问题时，若此时光照不足，光伏阵列与DC/DC变换器提供的有功功率低于电网，则由光伏阵列与DC/DC变换器以及电网同时为串联逆变器AC/DC22、AC/DC23供电进行低压补偿，功率流路径如图3所示；

若此时光照充足，光伏供电单元提供的有功功率高于电网，则由光伏阵列与DC/DC变换器通过串联逆变器AC/DC2、AC/DC23供电进行低压补偿，同时通过并联逆变器AC/DC1为电网提供有功功率，功率流路径如图4所示；

若此时处于夜间，光伏阵列与DC/DC变换器无有功功率输出，则仅由电网通过并联逆变器AC/DC1进行低压补偿，功率流路径如图5所示。

当交流电网1出现低压问题而交流电网2电压正常时，相同情况下，光伏阵列与DC/DC变换器以及电网仅需向逆变器ACDC2供电，为交流电网1进行低压补偿，功率流路径如图6至图8所示。

当交流电网1电压正常而交流电网2出现低压问题时，相同情况下，光伏供电单元与电网仅需向串联变换器ACDC3供电，为交流电网2进行低压补偿，功率流路径如图9至图11所示。

S4、若交流母线以及所有交流出线的电压均正常，则判断发电单元是否具有有功功率输出，若有，则通过发电单元给交流母线所连接的负载供电。

当交流电网1和交流电网2的末端电压均正常时，功率流向仅需考虑光伏DC/DC单元是否供电的情况。当日间有光照时，光伏阵列与DC/DC变换器通过并联变换器AC/DC1向电网负载提供有功功率，功率流路径如图12所示；当夜间无光照时，光伏阵列与DC/DC变换器无有功功率输出，功率流路径如图13所示。

请参照图16，本申请的实施例二为：

一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，在上述实施例一的基础上，包括如下步骤：步骤S3还包括：

在通过发电单元提供电压补偿时，持续检测光伏阵列的输出信号，根据输出信号调节DC/DC变换器的控制信号，以实现光伏阵列的最大功率跟踪。

在本实施例中，如图16所示，DC/DC变换器采用的是DC/DCBoost升压电路。该Boost变换器主要是用于调节输出电压和输入电压的比值，使得光伏阵列的输出电压与负载电压能够匹配，同时改变光伏阵列的等效输入电阻(即调节占空比)，实现光伏阵列的最大功率跟踪控制(MPPT)，以便充分地利用太阳能。由于将光伏发电系统接入直流母线，可以有效实现对电能质量的综合治理和对电网末端的低压补偿等功能。其中，MPPT控制策略如下：

通过MPPT模块不断检测光伏阵列出口电压电流U

综上所述，本发明提供的一种基于直流母线互联的配电网低压治理方法，具有如下优点：

1.交流母线通过并联整流器给串联逆变器供电，逆变器输出一个特定的电压，该电压经滤波和串联逆变器叠加到交流母线上，可以长时间维持线路末端的电压稳定，保证负荷基本不受影响。

2.通过并联整流器，不仅可以提高串联逆变器的电压补偿能力，还可以实现负载侧无功功率、电流谐波和不平衡的补偿，改善电压质量。

3.利用偏远地区地广人稀的优势，集成光伏发电单元为进行供电，可以通过串联逆变器实现电压补偿，也可以通过并联变换器将电能馈入母线，减轻系统供电的负担，具有无污染，噪音小等优点，能够实现节能减排。

4.其他交流出线通过母线串联变压器及逆变器接入直流母线共享母线并联变压器、整流器及光伏DC/DC单元，既可持续有效地补偿电压，又可减小制造和运行成本，提高了装置的经济性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。