基于ST不同档位组合下电压点位的计算方法

基于st不同档位组合下电压点位的计算方法
技术领域
1.本发明属于配电网无功补偿技术领域，特别涉及含有分布式新能源与电动汽车等非线性负荷的新型配电网动态无功补偿。


背景技术：

2.为降低电能生产环节的碳排放，大量分布式新能源接入配电网，使得配电网不再呈现传统的单一功率流向；另一方面，随着电能替代逐步加快，电动汽车、空调等大量非线性负荷接入配电网，对配电网的供电质量提出了更高要求。新型配电网具有分布式新能源高比例渗透以及非线性新型负荷比重较高的特点，这些新变化对配电网中无功补偿设备提出了更高要求。
3.大量分布式新能源并网运行，并网点电压越限已成为一个影响配电网安全稳定运行的重要因素，功率流向日益复杂化。另外，例如电动汽车、空调等非线性新型负荷比例逐渐增加，配电网对无功功率的需求也日益扩大。如果配电网中长期存在无功功率大范围流动，不仅会导致网损增加，降低配电线路传输容量，而且会造成电压越限，影响配电网的供电质量。因此，需要一种能够灵活补偿新型配电网所需无功功率的装置及控制策略。
4.采用传统静止无功补偿器(static var compensator，svc)时，结构简单，造价较低，能够有效补偿系统所需无功，但只能实现分级调节，一般处于过补偿或欠补偿状态，而且每次电容器投切都会给系统带来一定冲击响应，影响器件寿命，使用电力电子器件也会向系统注入谐波，影响系统的供电质量；采用快速响应型装置静止无功发生器(static synchronouscompensator，statcom)时，可实现连续精准补偿，谐波问题也有了很大改善，但装置整体造价较高，考虑到电力电子器件的耐受问题，也不易实现高电压、大容量化，难以在配电网中大范围推广使用。采用svc与statcom串并联混合装置时，利用其优势互补特性，实现连续调节，降低成本，svc承担大容量调节，statcom实现小容量连续调节，但电容器投切带来的响应冲击仍然存在，影响整个设备的使用寿命。
5.因此，有必要考虑一种基于补偿电压调节器(sen transformer，st)的潮流控制装置，满足新型配电网对线路潮流精准调节成本经济、易运维、抗冲击性强和耐受性好等要求。基于st的具有快速便捷、双向潮流补偿能力，采用st代替电力电子开关管桥路，有效降低了设备成本，易高电压、大容量化。本发明的目的在于提供一种专门适用于电压补偿器接入新型配电网，提供动态潮流变化的控制方法。
6.本发明提供一种基于st不同档位组合下电压点位的计算方法，其基本思想是将st 的三相绕组接入三相电源后对三相绕组进行档位调节以合成不同的电压，其中，三相绕组分别设置若干档位，经过线路潮流控制策略测得所需补偿电压，根据补偿电压计算得出三相所需调节档位，三相绕组在不同档位下根据矢量合成原理，改变线路串入电压，进而连续改变补偿电流的幅值和相位，当补偿电压恰好达到调节线路有功和无功功率时，st可以实现线路任意功率流过的控制，使线路功率能够根据实际工况进行调节，具有灵活、快速地功率补偿能力。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是采用基于st的三相电气接线图，主要包括
①‑⑨
绕组，其中每组绕组档位数调节成5档。
①④⑦
三个绕组都接通a相电压；
②⑤⑧
三个绕组都接通b相电压；
③⑥⑨
三个绕组都接通c相电压。将
①⑤⑨
三绕组串联接入 a相线路，将
②⑥⑦
三个绕组串联接入b相线路；将
③④⑧
三个绕组串联接入c相线路。调节档位时将
①②③
三个绕组统一调整为同一档位；
④⑤⑥
三个绕组统一调整为同一档位；
⑦⑧⑨
三个绕组统一调整为同一档位。根据矢量合成原理，三相线路经过对应的三个绕组时，会在三个绕组的调节下形成三个幅值不同、相位角互差120
°
的电压相量，三个电压相量通过矢量合成原理得到st对应的三相补偿电压。实现线路的幅值相位调节。
8.与现有的svc相比，动态无功补偿器可实现连续无功补偿，解决了svc电容器分级投切带来的冲击响应以及无法精确补偿的问题，也不会向系统注入过多谐波；与快速响应型无功补偿设备statcom相比，动态无功补偿器无需使用电力电子器件，降低成本，采用 st无需考虑电力电子器件的耐压问题，无需复杂的控制策略，可在配电网中大规模推广使用。因此，动态无功补偿器具有连续双向精准补偿、成本经济、易高电压、大容量化、易运维、抗冲击性强和耐受性好等多重优势，能够满足新型配电网的无功补偿需求。
附图说明
9.图1为基于st的电气接线图。
10.图2为基于st的电气应用图。
11.图3为基于st接入配电线路的三相等效原理图。
12.图4为基于st接入配电线路的单相等效电路图。
13.图5为基于st的线路首末两端线路功率灵活调节范围坐标图。
14.图6为st调节第1组和第2组开关时的电压点位分布图。
15.图7为st调节第1组和第3组开关时的电压点位分布图。
16.图8为st调节第2组和第3组开关时的电压点位分布图。
17.图9为st接入线路进行功率调节的电路图。
18.图10为通过st调节使得us2侧电源向us1侧电源输送功率时的st档位，补偿电压以及相角。
19.图11为通过st调节使得us2侧电源向us1侧电源输送功率时的线路有功和无功功率。
20.图12为通过st调节使得us1和us2两侧无功率流动时的补偿电压以及相角。
21.图13为通过st调节使得us1和us2两侧无功率流动时的有功和无功功率。
具体实施方式
22.本发明提供一种基于st接入线路的潮流控制方法，所述控制方法主要包括电压合成点位幅值相角计算方法以及根据补偿电压精准选档方法。可具体应用于基于st接入三相线路的实际情况。
23.为了详细说明基于st接入线路的潮流控制方法，首先介绍基于st的结构原理，然后分析st三相档位合成电压的幅值相角计算方法以及分布规律。
24.图1为基于st的三相电气接线图，主要包括
①‑⑨
绕组，其中每组绕组档位数调节
成5档。
①④⑦
三个绕组都接通a相电压；
②⑤⑧
三个绕组都接通b相电压；
③⑥⑨
三个绕组都接通c相电压。将
①⑤⑨
三绕组串联接入a相线路，将
②⑥⑦
三个绕组串联接入b相线路；将
③④⑧
三个绕组串联接入c相线路。调节档位时将
①②③
三个绕组统一调整为同一档位；
④⑤⑥
三个绕组统一调整为同一档位；
⑦⑧⑨
三个绕组统一调整为同一档位。根据矢量合成原理，三相线路经过对应的三个绕组时，会在三个绕组的调节下形成三个幅值不同、相位角互差120
°
的电压相量，三个电压相量通过矢量合成原理得到st对应的三相补偿电压。实现线路的幅值相位调节。
25.图2为基于st接入配电线路的电气应用图；椭圆1内部是
①②③
三个绕组统一调节；椭圆2内部是
④⑤⑥
三个绕组统一调节；椭圆3内部是
⑦⑧⑨
三个绕组统一调节。基于 st的三相绕组串联接于系统等效电源和负荷之间，末端负荷可以是用电负荷或分布式新能源电源，也可以是两者任意容量比例的组合。st作为三相拓扑结构接入配电网，适用于分布式新能源并网以及电动汽车、空调等新型负荷接入，提高配电网的传输能力和供电质量，有利于配电网的经济稳定运行。
26.图3为基于st接入配电线路的三相等效原理图，忽略st的内阻，将其内电感归算到串联电感中。系统等效电源向等效阻抗为z
l
的末端负荷供电，负荷电流为st的一、二次绕组之比为t
st
(t
st
可调节)，这里可取1、0.8、0.6、0.4、0.2(三相档位数为5)，三个等效变压器的相位角分别为α1、α2和α3，相当于线路中间串联三个可控电压源，根据线路潮流进行调节得到补偿电压接入线路，即可实现线路的功率调节。
27.图4为基于st接入配电线路的单相等效电路图,合成的电压相量表示为：
[0028][0029]
图5为基于st的线路首末两端线路功率灵活调节范围坐标图，其中固定幅值为 0.2pu，相位角为0
°
≤β1≤360
°
。电压差值v
3-v2即为线路电抗x电压v
x
。随着相对相位角β1在360
°
内变化，相量vs末端绕着圆运动，其圆心为相量v1的末端。通过相量vs的旋转，形成了v
x
的幅值和相位。补偿后发送端电压v3的幅值v3和相位角δ1+β1分别位于v1+vs和 v
1-vs之间，和和之间，其中vs＝0.2pu，需要注意的是，线路电压只允许在一个较窄的范围内调节，例如标称值的10％。
[0030]
图6为st调节第1组和第2组开关时的电压点位分布图。对第1组和第2组档位开关进行调节，a相电压先沿着a相方向调节，然后沿着b相方向调节；b相电压先沿着b 相方向调节，然后沿着c相方向调节；c相电压先沿着c相方向调节，然后沿着a相方向调节。由坐标根据三角形求边公式可知：
[0031][0032]
原点到调节后的电压点位的距离可表示为：
[0033]
y＝(x2+1000i1x-500i2x+500i1i2)
1/2
[0034]
其中y表示原点到调节后电压点位的距离；i1表示第1组档位开调节数；i2表示第2 组档位开关调节数。
[0035]
其与坐标轴的角度可表示为:
[0036][0037]
其中α表示原点到电压点位向量与坐标轴之间的角度
[0038]
每组档位调节下的电压点位组成成的等边三角形边长可表示为：
[0039][0040]
其中s表示等边三角形的边长；
[0041]
图7为st调节第1组和第3组开关时的电压点位分布图。对第1组和第3组档位开关进行调节，a相电压先沿着a相方向调节，然后沿着c相方向调节；b相电压先沿着b 相方向调节，然后沿着a相方向调节；c相电压先沿着c相方向调节，然后沿着b相方向调节。由坐标根据三角形求边公式可知：
[0042][0043]
原点到调节后的电压点位的距离为：
[0044]
y＝(x2+1000i1x-500i2x+500i1i2)
1/2
[0045]
其中y表示原点到调节后电压点位的距离；i1表示第1组档位开关调节数；i2表示第2组档位开关调节数。
[0046]
其与坐标轴的角度可表示为:
[0047][0048]
其中α表示原点到电压点位向量与坐标轴之间的角度。
[0049]
每组档位调节下的电压点位组成成的等边三角形边长可表示为：
[0050][0051]
其中s表示等边三角形的边长。
[0052]
图8为st调节第2组和第3组开关时的电压点位分布图。对第2组和第3组档位开关进行调节，a相电压先沿着b相方向调节，然后沿着c相方向调节；b相电压先沿着c 相方向调节，然后沿着a相方向调节；c相电压先沿着a相方向调节，然后沿着b相方向调节。由坐标根据三角形求边公式可知：
[0053]
原点到调节后的电压点位的距离可表示为：
[0054]
y＝[x2+2x-500(i
2-n)x+500i1(i
2-n)]
1/2
[0055]
其中y表示原点到调节后电压点位的距离；n代表第二个调节方向到达坐标轴的档位；i1表示第1组档位开关调节数；i2表示第组档位开关调节数。
[0056]
其与坐标轴的角度可表示为:
[0057]
[0058]
其中α表示原点到电压点位向量与坐标轴之间的角度。
[0059]
每组档位调节下的电压点位组成成的等边三角形边长可表示为：
[0060][0061]
其中s表示等边三角形的边长。
[0062]
图9为st接入线路进行功率调节的电路图。线路中的潮流分布主要体现于电压幅值相位角间的关系，通过在电源us1侧电压u1和电源us2侧电压u1之间的线路中串入st，当线路潮流发生变化时，us1和u1之间的幅值相位差务必会偏离正常状态，此时需要在线路中串入一合适的电压和相角，使其调整为原来的设定值。
[0063]
图10-图11为通过st调节使得us2侧电源向us1侧电源输送功率时的st档位、补偿电压相角以及有功和无功功率。通过计算线路潮流功率，得到线路所需补偿电压，将补偿电压的幅值和相位按照上述进行计算，得到相应的档位，将得到的每一相档位接入st并入的三相线路，以验证功率以及补偿电压的准确性。两端电压us1和us2的电压幅值为 10.5kv，频率为50hz；左侧节点功率s1为10e6+j2e6；右侧节点功率为s2：3e6+j3e5，导线型号采用lgj240，其中l1＝10km，l2＝6km。由于us1侧负荷较重，直接合环可能导致用电不安全等问题，根据用电需求，假设令us2向us1侧流出1mw左右有功。
[0064]
图12-图13为通过st调节使得us1和us2两侧无功率流动时的补偿电压、相角以及有功和无功功率。根据合环场景，对st提出一种令us1、us2之间尽量不产生潮流的效果，根据开关闭合前两侧电压相角，计算st的参数，u1＝1000v∠82.8195；u2＝1000v∠
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57.0358。在0-1s时，开关处于断开状态，1s时开关闭合，此时由于us2一侧处于高负荷状态，此时us1侧向us2流出大量有功，在第2s时投入st，此时合环点处潮流流动接近0。