基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法及系统

技术领域

本发明涉及低压交直流混合配电网与电压控制领域，特别是基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法及系统。

背景技术

近年来，大量分布式光伏接入低压配电网，其间歇性、随机性出力的特点给配电网的稳定运行带来了巨大挑战。一方面，光伏在低压配电网中单相或两相接入的情况相对较多，容易导致高电压和三相不平衡问题；另一方面，在高比例光伏接入的情况下，低压配电网的消纳能力有限，易在光伏出力高峰期出现功率倒送，增大网络损耗。因此，提升低压配电网的光伏消纳能力，改善高比例光伏并网导致的电能质量问题，具有重要意义。

传统的研究中，基于电压灵敏度矩阵可以提出柔性装置无功补偿方法，改善电压越限问题，促进光伏消纳。然而，无功补偿可以在高比例光伏接入的情况下调节网络电压，但实际并不能真正实现光伏发电的本地消纳，也不能减小向上级电网返送的功率。因此，一些学者提出了通过线路间的功率转供来促进光伏消纳，研究了以光伏消纳为目标的配电网重构方法，与单纯控制无功功率相比，有效地减少了向上级电网的返送功率。然而，传统交流配电网通过改变联络开关的状态来实现功率转供，无法在短时间内连续动作，想要进一步促进光伏消纳，需要进行更灵活的功率调控方法。交直流混合配电技术将交流线路与直流线路通过柔性设备相连，VSC的调控策略对稳定线路电压、改善电能质量有很大影响。此外，VSC的功率变化同时影响交流侧和直流侧的潮流分布，需要研究VSC的有功无功协调控制策略。如何利用VSC的特性，充分促进低压配电网的光伏消纳是十分重要的研究内容。

发明内容

鉴于现有的基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理及系统中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的问题在于如何利用VSC的特性，充分促进低压配电网的光伏消纳。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法，其包括，收集台区全网数据并进行潮流计算获得台区节点电网数据。构建低压交直流混合配电网灵敏度计算模型结合所述节点电网数据计算节点功率-电压灵敏度矩阵。构建VSC调控模型判断节点是否存在电压越限或者三相不平衡问题并判断越限出现在交流侧还是直流侧。基于交直流电能质量调控策略结合VSC和直流配电网的约束治理电压越限问题或电压三相不平衡问题并再次判断是否存在问题直至全部解决。

作为本发明所述基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的一种优选方案，其中：所述低压交直流混合配电网灵敏度计算模型的构建包括，使用包含线路对地导纳和线路互阻抗的π型等效电路，定义电路的某两个节点为i节点和j节点，将线路的首节点设为参考节点，其电压为U

其中，S

根据节点位置和相位的差异将灵敏度计算场景分为第一场景，第二场景，第三场景，

所述第一场景为两节点在同一线路同一节点但不同相位；

所述第二场景为两节点在同一线路不同相位；

所述第三场景为两节点在不同线路不同相位；

其中，case 1为第一场景，case 2.1和case 2.2为第二场景的两种不同情况，case3为第三场景；根据基尔霍夫电流定律与基尔霍夫电压定律，在等效线路模型中根据两节点的输入电压、输入电流得到abcd参数计算方法

a＝X+1/2ZY

b＝Z

c＝Y+1/4YZY’

d＝X+1/2ZY

其中，矩阵a b c d与X Y Z的大小均为4×4；X Y Z分别为单位矩阵、并联导纳矩阵、线路阻抗矩阵；矩阵A B大小也为4×4。

作为本发明所述基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的一种优选方案，其中：所述VSC调控模型是基于电压源型换流器实现交流和直流线路间的电能变换，具体包括，当VSC运行时，需要满足两端有功功率平衡的约束，即交流侧注入VSC的总有功功率等于直流侧输出的有功功率，

其中，

在运行过程中，VSC的有功功率、无功功率输出都满足VSC的容量约束，如下式所示，

其中，

作为本发明所述基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的一种优选方案，其中：所述VSC和直流配电网的约束为，交流侧和直流侧VSC的总有功功率应满足VSC的容量限制，

其中，P

其中，I

作为本发明所述基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的一种优选方案，其中：所述电压越限包括直流节点电压越限和交流节点电压越限；其中，当所述直流节点电压越限时，根据下式使用有功功率调节节点电压，

其中，

若VSC的额定容量限制使得有功调节容量不足，则降低无功功率释放有功容量，则VSC的有功和无功功率将根据下式进行调整，

其中，

其中

作为本发明所述基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的一种优选方案，其中：所述交流节点电压越限应先调节VSC的无功功率，VSC交流侧无功功率的三相调整量通过下式进行计算，

其中，

当有功容量足够时，通过协调VSC交流侧a、b、c三相无功功率，解决交流线路中单相或多相的过电压问题；

根据上式可得VSC的三相调节值，包括

当在缓解交流侧过电压时无功容量不足，有功和无功功率将被用于协调调节节点电压，

当交流侧有功功率调节发生变化时，直流侧VSC的有功功率调节也会相应变化，当交流侧VSC的无功功率调节时，直流侧没有影响。

作为本发明所述基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的一种优选方案，其中：所述电压三相不平衡问题的处理包括，

低压配电网i节点三相不平衡度VUF

其中

当交流侧出现三相不平衡，考虑到配电网调节下的电压裕度，初步调整无功功率，以将三相电压调节至节点i的平均电压；

若无功容量不足，则将协调控制有功和无功功率，从而实现三相电压平衡。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理系统，其包括：构建模块，构建低压交直流混合配电网灵敏度计算模型计算全网功率-电压灵敏度矩阵。判断模块，构建VSC调控模型判断各节点是否存在电压越限或者三相不平衡问题并判断越限出现在交流侧还是直流侧。治理模块，基于交直流电能质量调控策略考虑VSC和直流配电网的约束治理电压越限问题或电压三相不平衡问题。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的任一步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的任一步骤。

本发明有益效果为本发明充分协调控制柔性设备的有功和无功，最大限度利用了柔性设备的功率转供能力，实现了交直流之间的功率互济，提升了配电网光伏消纳能力。基于灵敏度的调控策略能够快速有效解决配电网中出现的电压越限与三相不平衡的电能质量问题，提升配电台区电能质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1低压交流配电网三相四线制线路模型图；

图2低压直流配电网双极线路模型图；

图3VSC运行范围图；

图4交直流混合低压配电网电压控制流程图；

图5贵州省某台区交直流混合配电网典型拓扑图；

图6关庄新村交流侧灵敏度计算图；

图7关庄新村交流侧各节点阻抗；

图8关庄新村直流线路有功-电压灵敏度矩阵图；

图9调控前24小时内三相不平衡与电压最值图；

图10调控前13时三相电压曲线图；

图11调控后24小时内三相不平衡与电压最值图；

图12调控后13时三相电压曲线与柱状图；

图13调控后13时直流电压曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～图4，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法，包括：

S1收集台区全网数据并进行潮流计算获得台区节点电网数据。

考虑低压交流侧三相四线制网络结构，使用了包含线路对地导纳和线路互阻抗的π型等效电路。图1为节点i与j间的线路模型。将线路的首节点设为参考节点，其电压为U

S2构建低压交直流混合配电网灵敏度计算模型结合所述节点电网数据计算节点功率-电压灵敏度矩阵。

在配电网中，i节点注入有功和无功功率对j节点电压的灵敏度：

其中，S

在低压交流侧三相四线线路中，节点的位置和相位对灵敏度的计算都有很大的影响。根据节点位置和相位的差异将灵敏度计算场景分为以下几种情况：

Case 1：两节点在同一线路同一节点但不同相位

Case 2：两节点在同一线路不同相位

Case 3：两节点在不同线路不同相位

其中，根据基尔霍夫电流定律与基尔霍夫电压定律，在等效线路模型中根据两节点的输入电压、输入电流得到abcd参数计算方法：

a＝X+1/2ZY

b＝Z

c＝Y+1/4YZY’

d＝X+1/2ZY

其中，

只要网络配置不变，且∑Rl和∑Xl是恒定的，则它们的值一旦计算好后就被存储在控制器中，更新一下灵敏度的值。ABCD参数的计算方法同样适用于直流侧配电网，只是在计算直流侧电压灵敏度时，直流线路的电感和电容为零。

S3构建VSC调控模型判断节点是否存在电压越限或者三相不平衡问题并判断越限出现在交流侧还是直流侧。

电压源型换流器是一种电力电子元件，通过其整流和逆变电路的作用，能够实现交流和直流线路间的电能变换。在交直流混合配电网中，VSC具有建立直流电压和实现交直流线路功率转移的功能。

VSC运行时，需要满足两端有功功率平衡的约束，即交流侧注入VSC的总有功功率应该等于直流侧输出的有功功率：

式中：

VSC的有功、无功输出功率交换方式是双向的，VSC交流侧的有功、无功的输入输出可正可负，在四象限内都可运行，如图3所示。在运行过程中，VSC的有功功率、无功功率输出都需要满足VSC的容量约束，如下所示。

式中，S

S4基于交直流电能质量调控策略结合VSC和直流配电网的约束治理电压越限问题或电压三相不平衡问题并再次判断是否存在问题直至全部解决。

如果首先考虑交流侧的三相不平衡问题，调整电压不平衡系数(VUF)可能会导致电压正常相的过电压。因此，需要首先解决过电压，然后再解决三相不平衡问题。在电压控制过程中充分考虑VSC和直流配电网的约束。

(1)治理电压越限

交流侧和直流侧VSC的总有功功率应满足VSC的容量限制：

其中，P

其中I

(1.1)如果直流节点电压越限，将根据下式使用有功功率来调节节点电压。

其中

如果由于VSC的额定容量限制使得有功调节容量不足，则降低无功功率释放有功容量。此时，VSC的有功和无功功率将根据下式进行调整。

其中

其中

(1.2)由于DC线路不受交流侧无功功率调节的影响，当交流节点电压超过限值时首先考虑调节VSC的无功功率。VSC交流侧无功功率的三相调整量可通过下式进行初步计算。

其中，

当VSC的有功功率、无功功率输出都满足VSC的容量约束则有功容量足够，通过协调VSC交流侧a、b、c三相无功功率，可以妥善解决交流线路中任何单相或多相的过电压问题。通过求解，不仅可以根据上式可得VSC的三相调节值，包括

当VSC的有功功率、无功功率输出大于VSC的容量约束则无功容量不足，有功和无功功率将被用于协调调节节点电压：

当交流侧有功功率调节发生变化时，直流侧VSC的有功功率调节也会相应变化。然而，交流侧VSC的无功功率调节对直流侧没有影响。为了减小有功功率调节对直流电压的影响，有功功率调节值应尽可能小。取

(2)解决三相不平衡问题

低压配电网三相不平衡度定义如下：

其中V

在配电网正常运行时，电压三相不平衡度应小于2％。应当指出，

进一步的，本实施例还提供一种基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理系统，包括：

构建模块，构建低压交直流混合配电网灵敏度计算模型计算全网功率-电压灵敏度矩阵；

判断模块，构建VSC调控模型判断各节点是否存在电压越限或者三相不平衡问题并判断越限出现在交流侧还是直流侧；

治理模块，基于交直流电能质量调控策略考虑VSC和直流配电网的约束治理电压越限问题或电压三相不平衡问题。

本实施例还提供一种计算机设备，适用于基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法的情况，包括存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法。

该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法。

本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的数据存储方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。

本发明充分协调控制柔性设备的有功和无功，最大限度利用了柔性设备的功率转供能力，实现了交直流之间的功率互济，提升了配电网光伏消纳能力。基于灵敏度的调控策略能够快速有效解决配电网中出现的电压越限与三相不平衡的电能质量问题，提升配电台区电能质量。

实施例2

参照图5～图13，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种基于VSC的低压交直流配电台区电能质量治理方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。

如图5所示的交直流混合配电网，位于线路首端的换流器(VSC1)的主要作用是稳定首端直流电压，因此选择V

关庄新村的线路型号均为JKLYJ-70，线路阻抗为0.46+j0.31Ω/km，除0-1-2线路阻抗为0.0092+j0.0062Ω外，其余线路阻抗均为0.00322+j0.00217Ω。

关庄新村交流侧灵敏度计算结果如图6，由于中性线上无可调容量，没有计算中性线的灵敏度。故关庄新村共33个节点的交流三相四线配电网络，计算得到31×31的有功-电压灵敏度元胞数组，每一个灵敏度元胞数组代表一个节点功率变化对另一节点电压的影响，且每个元胞数组的大小为4×3的矩阵。

交流配电网有功-电压灵敏度热力图如图7所示，其中，31节点有功对31节点电压的三相四线灵敏度为表1所示：

表1，三相四线灵敏度表

可以看到处于线路末端的32节点和23节点的功率电压灵敏度最大，线路末节点的功率变化时末端的电压波动最为明显，相应调节末端设备的效果最好，这与示范区将区内并联直流线路的VSC安装在主线路末端的措施一致。

由灵敏度矩阵可以得出结论，节点的设备功率调节对全网不同节点的调节效果不同，因此考虑接入位置不同的多设备协调控制策略对治理台区电能质量问题具有重要研究意义。

关庄新村直流侧线路有功-电压灵敏度矩阵热力图如图8所示，关庄新村直流线路有功-电压灵敏度计算结果如表2所示：

表2直流线路有功-电压灵敏度计算结果表

调控前对配电台区进行潮流计算，判断是否出现电压越限和三相不平衡问题。由图9和图10可知，配电台区9:00-15:00均存在比较严重的三相不平衡问题，在11:00-14:00时还同时出现了电压越上限问题。调控后交流侧配电台区电压曲线图如图11和图12所示。

通过电压越限和三相不平衡调节后，24小时内VUF最大为1.42％，电压不再越限。在13时VSC无功调控量为-45kvar，负值表示VSC功率流向为从交流流向直流。这是因为13时光伏电压越限严重，潮流返送使电压过高，通过VSC将光伏发出过多的功率从交流侧转供进直流，实现光伏消纳，提升了全网的电能质量。

直流侧13时节点电压如图13所示，由于直流线路上没有负荷，线路压降非常小。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。