一种交直流混合配电网的拓扑结构及控制方法与流程

1.本发明涉及交直流混合配电网技术领域，具体来说，涉及一种交直流混 合配电网的拓扑结构及控制方法。


背景技术：

2.我国城市规模日益扩展，用电负荷逐年攀升，重要负荷，非线性负荷的占 比越来越大，对城市配电网的供电可靠性和经济性提出了更高的要求，交流配 电网面临着供电走廊紧张、损耗增多、三相不平衡普遍存在、电压波动难以控 制和谐波污染亟待治理等一系列问题。
3.同时，化石能源储量逐渐枯竭和环境污染问题已得到广泛的重视，国家鼓 励发展环境污染小，具有可再生性的清洁能源，分布式发电是一种就近接入配 电网的新型、环保、节能、高效的电能生产方式。由于一些分布式电源出力受 天气影响较大，具有很强的随机性和波动性，对配电网的安全性、可靠性、经 济性、稳定性和供电质量等都用巨大影响。
4.分布式光伏发电和风力发电是两种主要的分布式电源，分布式光伏发出的 为直流电，需要通过dc/ac换流器接入到交流配电网中，虽然风力发电输出 的一般是交流，但由于风力的波动性其发出的交流电不能直接输入配电网，需 采用ac/dc/ac变流器与电网接口，为应对分布式电源和负荷的随机波动性， 储能技术将在配电网中大量使用，电池是比较成熟的一种储能装置，也需经过 ac/dc变流器与配电网相连，过多的变流器一方面增加了电能变换环节，另 一造成了较大的损耗，降低了配电的可靠性和经济性。
5.国内对交直流配电网的研究处于探索阶段，对其研究主要集中在电压源型 换流器、直流配电技术等方面，与此同时，客户对供电可靠性、电能质量的要 求却在不断提高，例如在大型城市中，由于敏感负荷较多，即使短时的供电中 断也会带来较大的经济损失，甚至产生严重的社会影响，需要构建交直流混合 配电网的拓扑结构解决供电问题。
6.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

7.针对相关技术中的问题，本发明提出一种交直流混合配电网的拓扑结构 及控制方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
8.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
9.根据本发明的一个方面，提供了一种交直流混合配电网的拓扑结构， 包括高压输电线路、中压配电线路、低压配电网、换流站；
10.所述高压输电线路，用于通过所述换流站的换流变压器把电能输送到所述 中压配电线路；
11.所述中压配电线路，用于接收所述高压输电线路输送的电能，并通过潮流 算法向所述低压配电网进行供电；
12.所述低压配电网，用于向用户提供电能的配电网，并通过低压配电模型将 所述电
能的配电网通过低压配电线路直接输送给用户；
13.所述换流站，用于在所述高压输电线路的输电过程中，将直流电变换为交 流电的转换或将交流电变换为直流电，并保证交直流混合配电网的安全稳定；
14.其中，所述换流站包括ac/dc换流站、dc/dc换流站及dc/ac换流站。
15.进一步的，所述高压输电线路包括高压交流输电线路及高压直流输电线 路；
16.其中，高压交流输电线路，用于通过ac/dc换流站把电能输送到中压直 流配电线路；
17.高压直流输电线路，用于通过dc/dc换流站把电能输送到中压直流配电 线路，通过dc/ac换流站把电能输送到中压配电线路。
18.进一步的，所述中压配电线路包括中压直流电网与中压交流电网，且所述 中压直流电网与所述中压交流电网之间通过换流站互联；
19.进一步的，所述用于接收所述高压输电线路输送的电能，并通过潮流算法 向所述低压配电网进行供电还包括以下步骤：
20.根据给定的运行条件和网络结构确定高压输电线路输送中电能的运行状 态；
21.利用潮流计算用来分析高压输电线路输送中电能运输的稳定性，并对电能 运输的稳定性进行故障分析；
22.其中，给定的运行条件包括各个母线上的电压、电流、功率因数和功率， 且功率包括有功功率与无功功率；
23.潮流计算包括离线潮流计算与在线潮流计算；
24.所述离线潮流计算，用于规划高压输电线路输送的运输设计和安排交直流 混合配电网运行方式；
25.所述在线潮流计算，用于实时监控高压输电线路输送的运行状态。
26.进一步的，所述利用潮流计算用来分析高压输电线路输送中电能运输的稳 定性，并对电能运输的稳定性进行故障分析还包括以下步骤：
27.沿任一给定母线的指定路径到源节点修正电压和电流；
28.通过回推过程计算各个负荷的注入功率流，从末节点修正节点电压；
29.通过对支路电流或者功率流进行求和计算；
30.在前推过程源节点电压作为边界条件计算各个支路电压降和末端电压；
31.修正支路功率流，对前推过程不断重复直至潮流收敛，对电能运输的 稳定性进行故障分析。
32.进一步的，所述回推过程计算包括以下步骤：
33.构建母线k的三相导纳矩阵，三相导纳矩阵公式表示如下：
[0034][0035]
构建支路电流与相对地电压用导纳矩阵联系，关联公式如下：
[0036][0037]
从线路末端的电压电流一直回推到首段源节点，根据母线k的三相电 压与电流，求出母线k-1的电压和电流，求导公式如下：
[0038][0039][0040]
从已知电压的线路首段一直前推至末节点，由母线k-1的电压和电流， 求出母线k的电压和电流，求导公式如下：
[0041][0042][0043]
式中，k、k-1均为母线；
[0044]
为三相导纳矩阵；
[0045]
r为电压系数；
[0046]
b为电流系数；
[0047]i′
与i均为三相电流；
[0048]
u为三相电压。
[0049]
进一步的，所述低压配电网包括低压配电线路及其附属电气设备；
[0050]
其中，附属电气设备包括光伏发电，风电厂及燃料电池的分布式发电 与储能装置。
[0051]
进一步的，所述用于向用户提供电能的配电网，并通过低压配电模型 将所述电能的配电网通过低压配电线路直接输送给用户还包括以下步骤：
[0052]
以单台换流变压器的供电区域为研究对象，设这个区域近似为圆形， 换流变压器在圆心位置，计算单台换流变压器的供电区域面积，面积计算 公式如下：
[0053][0054]
计算交直流变化期供电区域的平均半径，并得到每台换流变压器馈出 线组数，平均半径为：
[0055][0056]
每台变换器馈出线组数为：
[0057]
[0058]
根据常规电力线路走廊布置情况，得出每组馈线实际长度l与供电区 域半径间满足关系；
[0059]
l＝2ξ1ξ2l
[0060]
式中，w1为直流负荷需求密度，sb为交直流变换器容量，λb为交直流 变换器负载率，sl为直流馈线组供电容量(以常用的双极制2条线为例)， sl＝0.76imax，双极(或伪双极)制馈线组容量，imax为低压馈线最大允 许载流量，λ
l
为馈线负载率，ξ1为计及馈线沿街道布置后的长度因子， 取ξ1＝1.2；ξ2为考虑变换器位置偏心作用后的长度因子，即实际情况下变 换器不会正好位于供电区域中心以及供电区域也不会是个标准圆形，由此 会带来馈出线平均长度的增加，取ξ2＝1.09。
[0061]
进一步的，所述以单台换流变压器的供电区域为研究对象，设这个区 域近似为圆形，换流变压器在圆心位置，计算单台换流变压器的供电区域 面积还包括以下步骤：
[0062]
设直流低压馈线截面s，馈线直流电阻率ρ，则可进一步得到馈线单 长电阻r＝ρ/s；
[0063]
设馈线最大允许载流其中q为馈线单长散热功率；
[0064]
馈线单长投资c1＝a+bs，且a、b均为已知参数；
[0065]
对交直流变换器的容量配置、低压馈线截面及低压配电系统平均供电半 径进行优化，得到最佳低压平均供电半径。
[0066]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种交直流混合配电网的控制方法， 该方法包括以下步骤：
[0067]
通过所述换流站的换流变压器把电能输送到所述中压配电线路；
[0068]
接收所述高压输电线路输送的电能，并通过潮流算法向所述低压配电网进 行供电；
[0069]
向用户提供电能的配电网，并通过低压配电模型将所述电能的配电网通过 低压配电线路直接输送给用户；
[0070]
在所述高压输电线路的输电过程中，将直流电变换为交流电的转换或将交 流电变换为直流电，并保证交直流混合配电网的安全稳定。
[0071]
本发明的有益效果为：
[0072]
1、本发明在交直流配电网络结构中，包含了高压输电线路，中压配电线 路，低压配电网，高压交流输电线路通过ac/dc换流站把电能输送到中压直 流配电线路，高压直流输电线路通过dc/dc换流站把电能输送到中压直流配 电线路，高压交流输电线路通过变压器把电能输送到中压交流配电线路，高压 直流输电线路通过dc/ac换流站把电能输送到中压交流配电线路，中压配电 线路向低压配电网供电时，整合了包括光伏发电，风电厂，燃料电池等形式的 分布式发电和储能装置，中压直流电网和中压交流电网之间通过换流站互联， 保证了整个交直流混合配电网的供电可靠性。
[0073]
2、本发明中利用了潮流算法中的前推回推法，前推回推法根据基尔霍夫 电压定律、基尔霍夫电流定律和欧姆定律进行计算，不需要计算潮流方程偏微 分，在辐射型结构配电系统潮流计算得到了广泛的应用。
[0074]
3、本发明中建立数学模型研究在不同负荷需求条件下，对交直流混合配 电网变
换器及以下低压系统的供电成本估算，分析比较了采用低压交流系统与 交直流混合系统在供电经济性上的差别，研究了在不同交直流负荷构成条件 下，如何选择低压配电系统的最佳供电模式，并进一步找到影响这个选择结果 的负荷临界构成条件，建立了交直流混合配电系统中直流变换器与相关低压馈 出线的容量配置。
附图说明
[0075]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例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他的附图。
[0076]
图1是根据本发明实施例的一种交直流混合配电网的拓扑结构的原理框 图；
[0077]
图2是根据本发明实施例的一种交直流混合配电网的拓扑结构中直流配 电网结构。
[0078]
图中：
[0079]
1、高压输电线路；11、高压交流输电线路；12、高压直流输电线路；2、 中压配电线路；21、中压直流电网；22、中压交流电网；3、低压配电网；31、 低压配电线路；32、附属电气设备；321、光伏发电；322、风电厂；323、燃 料电池的分布式发电；324、储能装置；4、换流站。
具体实施方式
[0080]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容 的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例 的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实 施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通 常用来表示类似的组件。
[0081]
根据本发明的实施例，提供了一种交直流混合配电网的拓扑结构及控制 方法。
[0082]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发 明实施例的交直流混合配电网的拓扑结构，包括高压输电线路1、中压配电 线路2、低压配电网3、换流站4；
[0083]
所述高压输电线路1，用于通过所述换流站的换流变压器把电能输送到所 述中压配电线路2；
[0084]
在一个实施例中，所述高压输电线路1包括高压交流输电线路11及高压 直流输电线路12；
[0085]
其中，高压交流输电线路11，用于通过ac/dc换流站把电能输送到中压 直流配电线路21；
[0086]
高压直流输电线路12，用于通过dc/dc换流站把电能输送到中压直流配 电线路12，通过dc/ac换流站把电能输送到中压配电线路2。
[0087]
所述中压配电线路2，用于接收所述高压输电线路1输送的电能，并通过 潮流算法向所述低压配电网3进行供电；
[0088]
在一个实施例中，所述中压配电线路2包括中压直流电网21与中压交流 电网22，且所述中压直流电网21与所述中压交流电网22之间通过换流站互 联；
[0089]
在一个实施例中，所述用于接收所述高压输电线路1输送的电能，并通过 潮流算法向所述低压配电网3进行供电还包括以下步骤：
[0090]
根据给定的运行条件和网络结构确定高压输电线路1输送中电能的运行 状态；
[0091]
利用潮流计算用来分析高压输电线路1输送中电能运输的稳定性，并对电 能运输的稳定性进行故障分析；
[0092]
其中，给定的运行条件包括各个母线上的电压、电流、功率因数和功率， 且功率包括有功功率与无功功率；
[0093]
潮流计算包括离线潮流计算与在线潮流计算；
[0094]
所述离线潮流计算，用于规划高压输电线路输送的运输设计和安排交直流 混合配电网运行方式；
[0095]
所述在线潮流计算，用于实时监控高压输电线路输送的运行状态；
[0096]
在一个实施例中，所述利用潮流计算用来分析高压输电线路1输送中电能 运输的稳定性，并对电能运输的稳定性进行故障分析还包括以下步骤：
[0097]
沿任一给定母线的指定路径到源节点修正电压和电流；
[0098]
通过回推过程计算各个负荷的注入功率流，从末节点修正节点电压；
[0099]
通过对支路电流或者功率流进行求和计算；
[0100]
在前推过程源节点电压作为边界条件计算各个支路电压降和末端电 压；
[0101]
修正支路功率流，对前推过程不断重复直至潮流收敛，对电能运输的 稳定性进行故障分析；
[0102]
在一个实施例中，所述回推过程计算包括以下步骤：
[0103]
构建母线k的三相导纳矩阵，三相导纳矩阵公式表示如下：
[0104][0105]
构建支路电流与相对地电压用导纳矩阵联系，关联公式如下：
[0106][0107]
从线路末端的电压电流一直回推到首段源节点，根据母线k的三相电 压与电流，求出母线k-1的电压和电流，求导公式如下：
[0108][0109][0110]
从已知电压的线路首段一直前推至末节点，由母线k-1的电压和电流， 求出母线k的电压和电流，其中，求导公式如下：
[0111][0112]
[0113]
式中，k、k-1均为母线；
[0114]
为三相导纳矩阵；
[0115]
r为电压系数；
[0116]
b为电流系数；
[0117]i′
与i均为三相电流；
[0118]
u为三相电压。
[0119]
在具体应用时，研究电力系统稳态运行需要进行潮流计算，潮流计算 是根据给定的运行条件和网络结构从而确定整个系统的运行状态，如各个 母线上的电压、电流、功率因数和功率(有功功率和无功功率)，潮流计 算用来分析电力系统稳定计算，也可以对电力系统进行故障分析。在电力 系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算，潮流计算可以 比较系统运行方式，也规划供电方案的可行性和经济性，同时，进行大量 而快速的潮流计算可以监控电力系统的运行状态。在潮流计算中，离线潮 流计算用来规划系统设计和安排系统运行方式，在线潮流计算用来实时监 控电力系统运行状态，电力系统潮流计算数学模型是一组非线性代数方程， 不包含微分方程，因为其不涉及元件动态特性，属于稳态计算，其求解需 进行迭代计算。潮流计算要求结果可靠收敛，求出最优解。随着电力系统 规模的扩大，潮流方程式阶数增高，大规模的方程式不易用数学方法求解， 电力系统人员需要根据实际寻找更加方便，更加可靠的计算方法；
[0120]
在具体应用时，潮流计算的方法有z
bus
高斯法、回路阻抗法、牛顿
‑‑ꢀ
拉夫逊法及前推回推法，本发明中优选为前推回推法，前推回推法根据基 尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律和欧姆定律进行计算，不需要计算潮 流方程偏微分，在辐射型结构配电系统潮流计算得到了广泛的应用。
[0121]
所述低压配电网3，用于向用户提供电能的配电网，并通过低压配电 模型将所述电能的配电网通过低压配电线路直接输送给用户；
[0122]
在一个实施例中，所述低压配电网3包括低压配电线路31及其附属电 气设备32；
[0123]
其中，附属电气设备32包括光伏发电321，风电厂322及燃料电池的 分布式发电323与储能装置324；
[0124]
在一个实施例中，所述用于向用户提供电能的配电网，并通过低压配 电模型将所述电能的配电网通过低压配电线路直接输送给用户还包括以下 步骤：
[0125]
以单台换流变压器的供电区域为研究对象，设这个区域近似为圆形， 换流变压器在圆心位置，计算单台换流变压器的供电区域面积，面积计算 公式如下：
[0126][0127]
计算交直流变化期供电区域的平均半径，并得到每台换流变压器馈出 线组数，平均半径为：
[0128]
[0129]
每台变换器馈出线组数为：
[0130][0131]
根据常规电力线路走廊布置情况，得出每组馈线实际长度l与供电区 域半径间满足关系；
[0132]
l＝2ξ1ξ2l
[0133]
式中，w1为直流负荷需求密度，sb为交直流变换器容量，λb为交直流 变换器负载率，sl为直流馈线组供电容量(以常用的双极制2条线为例)， sl＝0.76imax，双极(或伪双极)制馈线组容量，imax为低压馈线最大允 许载流量，λ
l
为馈线负载率，ξ1为计及馈线沿街道布置后的长度因子， 取ξ1＝1.2；ξ2为考虑变换器位置偏心作用后的长度因子，即实际情况下变 换器不会正好位于供电区域中心以及供电区域也不会是个标准圆形，由此 会带来馈出线平均长度的增加，取ξ2＝1.09；
[0134]
在一个实施例中，所述以单台换流变压器的供电区域为研究对象，设 这个区域近似为圆形，换流变压器在圆心位置，计算单台换流变压器的供 电区域面积还包括以下步骤：
[0135]
设直流低压馈线截面s，馈线直流电阻率ρ，则可进一步得到馈线单 长电阻r＝ρ/s；
[0136]
设馈线最大允许载流其中q为馈线单长散热功率；
[0137]
馈线单长投资c1＝a+bs，且a、b均为已知参数；
[0138]
对交直流变换器的容量配置、低压馈线截面及低压配电系统平均供电 半径进行优化，得到最佳低压平均供电半径。
[0139]
根据本发明的另一个实施例，一种交直流混合配电网的控制方法，该方法 包括以下步骤：
[0140]
通过所述换流站的换流变压器把电能输送到所述中压配电线路；
[0141]
接收所述高压输电线路输送的电能，并通过潮流算法向所述低压配电网进 行供电；
[0142]
向用户提供电能的配电网，并通过低压配电模型将所述电能的配电网通过 低压配电线路直接输送给用户；
[0143]
在所述高压输电线路的输电过程中，将直流电变换为交流电的转换或将交 流电变换为直流电，并保证交直流混合配电网的安全稳定。
[0144]
在具体应用时，算例1分析如下：
[0145]
已知区域总负荷需求密度w＝3.5w/m2，设台区的可用供电容量 s＝600kv
·
a，交直流变换器容量sb＝300kv
·
a，变换器负载率λb＝0.9；低 压馈线为铜芯聚乙烯绝缘聚氯z烯护套电力电缆，最大允许载流量i
max
＝122a， 馈线单长直流电阻r＝0.524q/km，低压馈线负载率λl＝0.6；变换器投资为 18x104￥，低压直流馈线单长投资c
11
＝20￥/m，低压交流馈线单长投资c
12
＝16 ￥/m，交流系统供直流负荷的单位容量整流装置成本d＝0.8￥/w，交流系统功 率因数cosφ＝0.9。当低压直流负荷占比λ＝0.5及λ＝0.1时，从投资角度分别 比
较交流供电(模式1)与交直流混合供电(模式2)的优劣，在此基础上分 析λ的临界值；
[0146]
算例2分析如下：
[0147]
低压直流负荷需求密度取为w1＝2w/m2，优化控制变量取值范围设定为：
[0148][0149]
馈线直流电阻率ρ＝1.75
×
10-8
ω
·
m，馈线单长散热功率q＝7.19w/m，低 压馈线单长投资c1＝4s￥(m.mm-2
)，直流变换器投资按对应容量取为 cr＝{6x104￥，12x104￥，18x104￥}，直流变换器运行功率损耗 δsb＝0.04sb，δv＝760
×
7％v，贴现率取为6％，其余参数沿用1、2的取值。
[0150]
所述换流站4，用于在所述高压输电线路1的输电过程中，将直流电变换 为交流电的转换或将交流电变换为直流电，并保证交直流混合配电网的安全稳 定；
[0151]
其中，如图2所示，所述换流站4包括ac/dc换流站、dc/dc换流站及 dc/ac换流站。
[0152]
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明在交直流配电网络结构 中，包含了高压输电线路，中压配电线路，低压配电网，高压交流输电线路通 过ac/dc换流站把电能输送到中压直流配电线路，高压直流输电线路通过 dc/dc换流站把电能输送到中压直流配电线路，高压交流输电线路通过变压 器把电能输送到中压交流配电线路，高压直流输电线路通过dc/ac换流站把 电能输送到中压交流配电线路，中压配电线路向低压配电网供电时，整合了包 括光伏发电，风电厂，燃料电池等形式的分布式发电和储能装置，中压直流电 网和中压交流电网之间通过换流站互联，保证了整个交直流混合配电网的供电 可靠性；本发明中利用了潮流算法中的前推回推法，前推回推法根据基尔霍夫 电压定律、基尔霍夫电流定律和欧姆定律进行计算，不需要计算潮流方程偏微 分，在辐射型结构配电系统潮流计算得到了广泛的应用；本发明中建立数学模 型研究在不同负荷需求条件下，对交直流混合配电网变换器及以下低压系统的 供电成本估算，分析比较了采用低压交流系统与交直流混合系统在供电经济性 上的差别，研究了在不同交直流负荷构成条件下，如何选择低压配电系统的最 佳供电模式，并进一步找到影响这个选择结果的负荷临界构成条件，建立了交 直流混合配电系统中直流变换器与相关低压馈出线的容量配置。
[0153]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。