一种柔性多状态开关装置及其控制方法与流程

本发明涉及电力系统自动化领域，特别是能够实现能量转供、潮流控制等多种功能的柔性多状态开关装置及其控制方法。

背景技术：

随着分布式发电及微电网的迅速发展，多个区域局部电网互联是实现资源和能量互补、经济高效利用电能的有效手段。由于新能源发电的渗透率越来越高，区域电网末端的电能质量问题愈发严峻，微电网应用越来越多。

微电网是由分布式电源、储能和可控负荷组成的独立可控系统，具有自治运行、多微源互补等优势。

当配电网故障时，各微电网将分别工作在不同的孤网状态，由于微电网内部的微源特性、负荷特性等存在巨大差异，各微电网的电压幅值、频率和相角会存在一定的差异。此外，各微电网的分布式能源渗透率、储能容量也不同。因而多微电网需要互联实现配电网黑启动和非故障区域恢复供电。

背靠背变流器因其直流电压可控、功率双向流动等优点，交流输配电具有十分广泛的应用。与通用变流器相比，背靠背变流器采用脉宽调制(PWM)整流，其直流母线电压可控，功率因数可调节至单位功率因数，使得其控制性能灵活多变，使用背靠背变流器使得电网之间实现互联，并且稳定运行，具有广泛的应用前景；然而，电网负载能量转供、潮流控制等问题，是工程应用中必须解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种柔性多状态开关装置结构及其控制方法。可以实现多个任意电压等级电网之间的互联，并实现电网间能量转供、潮流控制。

本发明的技术方案为：

提供一种柔性多状态开关装置，用于连接多个任意电压等级的电网A和B，其特征在于，所述柔性多状态开关装置中，依次包括：由三组双向晶闸管构成的晶闸管A、滤波器1、背靠背变流器、滤波器2、由三组双向晶闸管构成的晶闸管B；所述背靠背变流器由变流器A和变流器B构成，两个变流器的直流侧连接在一起构成直流母线，变流器A的交流侧与滤波器1相连，变流器B的交流侧与滤波器2相连，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容；所述变流器A和电网A都可以为电网A中的负载供电，所述变流器B和电网B都可以为电网B中的负载供电。

所述变流器A和2各自包含3对或4对上下桥臂，输出三相三线制或三相四线制交流电；所述变流器A和变流器B是三相六开关的全桥结构或四相八开关的全桥结构；或者所述变流器A和变流器B是多电平变流器。

所述直流支撑电容由两只串联的电容构成，串联的中点O作为零线，与变流器输出的三相交流电共同构成三相四线制交流输出。

所述变流器A和变流器B的三相交流输出端分别连接一只电感，电感的一端与变流器A和2中三相桥臂中某一相的中点连接，电感的另一端通过一只电容，连接到中点O，从而构成滤波器1和2的结构。

所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管A的一端分别连接滤波器1中电感和电容的连接点，所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管A的另一端分别通过由三组开关构成的开关A与三相电网A连接；晶闸管A与开关A的连接点上，还连接有三相负载A；

所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管B的一端分别连接滤波器2中电感和电容的连接点，所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管B的另一端分别通过由三组开关构成的开关B与三相电网B连接；晶闸管B与开关B的连接点上，还连接有三相负载B。

提供一种柔性多状态开关装置能量转供控制方法，柔性多状态开关装置，当电网A或B断电时，能够实现能量转供，其特征在于，

当电网A断电时，电网A端变流器A从无功补偿模式立即停机，切开电网A侧的开关A，然后变流器A以电压源模式启动，达到负载A运行的额定电压时，闭合晶闸管A，变流器A以电压源模式驱动负载A运行，直至电网A电压恢复；当电网A电压恢复时，断开晶闸管A，闭合开关A，以电网A向负载A供电，变流器A从电压源模式转为无功补偿模式，然后闭合晶闸管A；

或者，

当电网B断电时，电网B端变流器B从无功补偿模式立即停机，切开电网B侧的开关B，然后变流器B以电压源模式启动，达到负载B运行的额定电压时，闭合晶闸管B，变流器B以电压源模式驱动负载B运行，直至电网B电压恢复；当电网B电压恢复时，断开晶闸管B，闭合开关B，以电网B向负载B供电，变流器B从电压源模式转为无功补偿模式，然后闭合晶闸管B。

提供一种柔性多状态开关装置潮流控制方法，包含柔性多状态开关装置，能够实现电网A和B之间能量的双向流动，实现两个电网的功率平衡，其特征在于，

将当前电网A的电流IA减去电网B的电流IB，得到的差值乘以1/2后，进行有功潮流计算；

将直流侧理想电压Udc*减去当前测量电压Udc，得到的差值进行直流量计算；

将有功潮流计算和直流量计算的结果相加后，将结果分别转变为瞬时电流量1和瞬时电流量2；

将瞬时电流量1与有功潮流计算的输入值相加后，减去当前电网A的瞬时电流iaf，将差值送入PI控制器，PI控制器的输出与当前变流器的状态比较，将差值用以调节变流器A；

将瞬时电流量2与减去当前电网B的瞬时电流ibf，将差值送入另一PI控制器，该PI控制器的输出与当前变流器的状态比较，将差值用以调节变流器B。

本发明的有益效果是：本发明利用一种背靠背变流器实现能量转供，当一端电网断电断开时，断电端变流器从无功补偿模式停机，以电压源模式启动，转为电压源模式带断电端负载运行，直至电网恢复，实现能量转供；该设计平时能够实现能量双向流动，实现两个电网的功率平衡。

附图说明

图1柔性多状态开关装置原理；

图2柔性多状态开关装置结构；

图3潮流控制框图。

具体实施方式

如图1所示的柔性多状态开关装置原理，两个变流器构成一个背靠背变流器，用于连接两个交流电源Ua，Ub，电源Ua的能量能够通过背靠背变流器流入电源Ub，电源Ub的能量也能够通过背靠背变流器流入电源Ua，即能够实现能量的双向流动。

图2为背靠背变流器的拓扑结构图，该柔性多状态开关装置，用于连接两个任意电压等级的电网A和B，所述柔性多状态开关装置中，依次包括：由三组双向晶闸管构成的晶闸管A、滤波器1、背靠背变流器、滤波器2、由三组双向晶闸管构成的晶闸管B；所述背靠背变流器由变流器A和变流器B构成，两个变流器的直流侧连接在一起构成直流母线，变流器A的交流侧与滤波器1相连，变流器B的交流侧与滤波器2相连，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容；所述变流器A和电网A都可以为电网A中的负载供电，所述变流器B和电网B都可以为电网B中的负载供电。

所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管A的一端分别连接滤波器1中电感和电容的连接点，所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管A的另一端分别通过由三组开关构成的开关A与三相电网A连接；晶闸管A与开关A的连接点上，还连接有三相负载A；

所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管B的一端分别连接滤波器2中电感和电容的连接点，所述由三组双向晶闸管构成的晶闸管B的另一端分别通过由三组开关构成的开关B与三相电网B连接；晶闸管B与开关B的连接点上，还连接有三相负载B。

所述变流器A和2各自包含3对或4对上下桥臂，输出三相三线制或三相四线制交流电；所述变流器A和变流器B是三相六开关的全桥结构或四相八开关的全桥结构；或者所述变流器A和变流器B是多电平变流器。

所述直流支撑电容由两只串联的电容构成，串联的中点O作为零线，与变流器输出的三相交流电共同构成三相四线制交流输出。

所述变流器A和变流器B的三相交流输出端分别连接一只电感，电感的一端与变流器A和2中三相桥臂中某一相的中点连接，电感的另一端通过一只电容，连接到中点O，从而构成滤波器1和2的结构。

变流器是三相三线变流器，或者，变流器是三相四线变流器，或者，变流器是三相四桥臂变流器，或者，变流器是三电平，或者，变流器是多电平，或者，变流器是由模块化多电平变流器（MMC）构成。

同时，变流器A和变流器B分别对电网A和电网B进行静止动态无功补偿（SVG）控制，和/或所述变流器A和变流器B对电网A和电网B进行有功平衡潮流控制。

当电网A或B断电时，能够实现能量转供，比如：

当电网A断电时，电网A端变流器A从无功补偿模式立即停机，切开电网A侧的开关A，然后变流器A以电压源模式启动，达到负载A运行的额定电压时，闭合晶闸管A，变流器A以电压源模式驱动负载A运行，直至电网A电压恢复；当电网A电压恢复时，断开晶闸管A，闭合开关A，以电网A向负载A供电，变流器A从电压源模式转为无功补偿模式，然后闭合晶闸管A；

或者，

当电网B断电时，电网B端变流器B从无功补偿模式立即停机，切开电网B侧的开关B，然后变流器B以电压源模式启动，达到负载B运行的额定电压时，闭合晶闸管B，变流器B以电压源模式驱动负载B运行，直至电网B电压恢复；当电网B电压恢复时，断开晶闸管B，闭合开关B，以电网B向负载B供电，变流器B从电压源模式转为无功补偿模式，然后闭合晶闸管B。

附图3是本发明的潮流控制框图，能够实现电网A和B之间能量的双向流动，实现两个电网的功率平衡，将当前电网A的电流IA减去电网B的电流IB，得到的差值乘以1/2后，进行有功潮流计算；

将直流侧理想电压Udc*减去当前测量电压Udc，得到的差值进行直流量计算；

将有功潮流计算和直流量计算的结果相加后，将结果分别转变为瞬时电流量1和瞬时电流量2；

将瞬时电流量1与有功潮流计算的输入值相加后，减去当前电网A的瞬时电流iaf，将差值送入PI控制器，PI控制器的输出与当前变流器的状态比较，将差值用以调节变流器A；

将瞬时电流量2与减去当前电网B的瞬时电流ibf，将差值送入另一PI控制器，该PI控制器的输出与当前变流器的状态比较，将差值用以调节变流器B。

上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。因此实际应用时的任何物理位置均在此专利的保护范围之内。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以用许多方式实施本发明。上述控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。