CN105071372A - 一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法，属于直流配电系统电压控制技术领域。该方法主站采用定电压和定无功功率控制，作为松弛节点控制系统直流电压，为整个直流配网提供电压参考值，并在交流系统发生故障时向交流侧提供无功支援；从站采用P-U-I控制器，在系统稳态运行时，换流站VSC处于功率控制模式PQ，功率可调、电压可控，功率环控制P根据能量管理系统EMS发送的系统功率优化指令调节VSC的出力，优化配网潮流；在系统暂态运行时，VSC处于VdcQ模式，电压环控制U维持系统直流电压，使系统以额定电压的上限或下限运行。本发明的方法结构简单、层次分明且易于实现，可以大大节约硬件通讯成本和简化系统控制，该方法有广泛的适应性和可扩展性。

Description

一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法，是一种调节直流配网能量，控制直流配网电压的控制方法，属于直流配电系统电压控制技术领域。

背景技术

近年来，随着城市规模的不断扩大、分布式电源、可再生能源的高密度接入以及信息技术和电力电子技术的蓬勃发展，采用直流配电网可以节省大量的DC/AC换流环节，提高线路传输的功率和效率，增加系统供电容量和半径并且具有一定的环保优势，与此同时，用户对电能质量以及供电可靠性等要求不断提高。直流配电网可以有效解决现有交流配电网供电走廊紧张、线路损耗大以及电压波动、电网谐波、三相不平衡等一系列电能质量问题，大大提高配电网的可靠性和可控性，因此具有更大的技术优势和发展潜力，发展直流配网将是未来城市配电网建设的必然趋势。

直流配电网可由风、光、储能等分布式电源，交直流负荷，微电网以及柔性直流换流站等“源-网-荷”组成，不确定因素多，因此，直流配电网的电压控制是其首要问题。

目前，大多数文献还是集中在变换器本身或微网控制技术的研究与分析，尚没有成熟的直流配电网控制方法，相关的柔性直流配电网电压协同控制方法主要参考柔性直流输电中的电压控制方法，柔性直流配电网是指配网中的VSC均采用全控型电力电子器件构成，可对配网系统的潮流进行灵活控制。其中适用于柔性直流配电网的电压控制方法主要有三种：主从控制方式(Master/SlaveControl)，电压下垂控制方式(DroopControl)和电压裕度控制(MarginControl)。主从控制是利用一个换流站作为松弛节点控制系统直流电压，其它换流站采用定功率控制，这种控制模式依赖各变换器之间的快速通讯，且主站调节压力较大。电压下垂控制方式是指所有具备功率调节能力的换流站利用给定的各直流功率(或电流)与直流电压的斜率关系来实现多个站共同承担直流电压控制，该控制方式无需上层控制器和通信，具有较好的模块性和扩展性，但稳态运行时存在偏差，而直流配网负荷变化复杂，频繁大量的负荷变化将会导致电压波动，甚至稳定运行时电压偏差超出额定范围，该控制方法斜率的选取较为困难。电压裕度控制方式是当主换流站发生故障或功率超限而无法继续维持直流电压恒定时，另一个换流站将切换至定直流电压控制模式并运行于新的直流电压参考值，这种控制方法无需站间通讯，但直流配网结构复杂，负荷变化大，电压波动厉害，使得电压裕度的选取较为复杂，同时多个后备定电压换流站的优先级确定困难。可见，相对柔性直流输电系统，直流配电网的节点多、潮流更为复杂，因此采用主从控制方式比其他方式更易于实现直流配电网的稳定运行。

然而，当配网系统由于直流配网线路断开、部分可控设备退出运行等原因导致运行方式改变后，换流站(VSC)需要复杂的检测、分析和控制才能进行相应的模式切换(VSC的工作模式通常有：功率控制模式(PQ)，定交流电压/频率控制模式(Vf)，定直流电压/无功功率模式(VdcQ)和STATCOM模式，系统在不同运行方式下，VSC的工作模式也不尽相同。)，因而模式切换面临许多问题。首先系统监测点多，检测点位置的选择没有系统的依据，且模式切换判据难找，无法通过简单的检测线路电压或电流等电气量确定系统运行方式的变化。其次，模式切换需要依靠快速的通讯，增加了系统运行成本。最后，系统检测、控制以及开关状态的延时，会对系统的控制带来影响。

发明内容

本发明针对直流配网系统因运行方式变化后VSC面临复杂模式切换的问题，提出一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法，该方法在不需要对线路进行检测的情况下，在系统运行方式变化后能自动实现VSC工作模式的无缝切换，降低系统对于通讯检测的要求。

本发明提出的一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法，其特征在于：包括主站控制和从站控制方式；主站采用传统的定电压和定无功功率控制VdcQ，作为松弛节点控制系统直流电压，为整个直流配网提供电压参考值，并在交流系统发生故障时向交流侧提供无功支援；从站采用P-U-I控制器，在系统稳态运行时，换流站VSC处于功率控制模式PQ，功率可调、电压可控，功率环控制P根据能量管理系统EMS发送的系统功率优化指令调节VSC的出力，优化配网潮流；在系统暂态运行时，VSC处于VdcQ模式，电压环控制U维持系统直流电压，使系统以额定电压的上限或下限运行，不管系统切换到何种运行方式，始终有VSC维持与其相连的直流配网母线电压，不需要任何模式切换就能保证配网在额定的电压范围内稳定运行。

本发明的特点是：不管系统切换到何种运行方式(所述的模式切换是指当系统由于直流配网线路断开、部分可控设备退出运行等原因导致系统运行方式发生改变时，VSC工作模式相应的改变。)，始终有VSC维持与其相连的直流配网母线电压，不需要任何模式切换就能保证配网在额定的电压范围内稳定运行。

本发明的有益效果：

本发明的柔性直流配电网的电压控制方法简单、层次分明且易于实现，无需对线路进行繁琐的检测和通讯就能够有效解决直流配电系统中因运行方式切换而造成的复杂的换流站工作模式切换问题，真正实现控制模式的无缝切换，可以大大节约硬件通讯成本和简化系统控制，该方法具有广泛的适应性和可扩展性。

附图说明

图1为本发明的柔性直流配电网电压控制方法原理示意图

图2为本发明的柔性直流配电网电压控制方法流程图。

具体实施方式

对本发明所采用的一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法结合附图介绍如下：

该发明所用的方法是基于主从控制的一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法，包括主站控制方式和从站控制控制方式，其实施例控制流程如图1、2所示，包括以下步骤：

1)在直流配网系统中选取容量较大，调节能力强的换流站作为主站，采用主站控制方式，其余与交流系统相连的换流站作为从站，采用从站控制方式；

2)主站控制方式采用定电压和定无功功率控制方式(VdcQ)，使主站作为松弛节点控制系统直流电压，即作为整个直流配网系统的电压参考值，并在交流系统发生故障时(如电压跌落)提供无功功率支援，如图1和2所示，具体控制步骤包括：

21)直流配网的能量管理系统给主站控制器发送电压和无功功率指令，作为主站控制方式中外环控制(主站控制方式中的控制统一就叫做外环控制和内环控制了)的电压参考值U_dcref1和无功功率参考值Q_ref1，通过外环控制和内环控制的作用，向主站发送相应的脉冲信号，分别用于控制直流配网电压U_dc1和主站向交流系统1支援的无功功率Q₁。

22)外环控制根据电压和无功功率参考值(U_dcref1和Q_ref1)与主站实际直流电压和无功功率(U_dc1和Q₁)的偏差，经PI调节器6和7，计算得到内环控制器的电流电流d轴和q轴的参考值(i_dref1和i_qref1)；将测量得到的主换流站阀侧交流电压和交流电流经dq变换得到电压和电流的d轴和q轴分量(U_d1、U_q1、i_d1和i_q1)，通过由PI调节器8和9构成的解耦控制，得到换流站电压调节指令V_d1和无功调节指令V_q1，调节指令经PWM(脉冲宽度)调制，产生换流站阀级的脉冲触发信号，控制主站电压和无功功率。

3)从站控制采用一种新型的P-U-I控制方式，结构如图1所示，该控制方式依次包括功率环控制P、电压环控制U和电流环控制I，其中电压环控制U和电流环控制I可看做带有电压限幅的VdcQ控制，属于换流站级控制，用于控制从站的直流电压，而功率环控制P则属于直流配网系统级控制，用于优化配网能量。

并分为系统稳态运行时的定功率控制，和系统暂态运行时的定电压和定无功功率控制；其中，当系统稳态运行时从站控制步骤包括：

31)如图1和2所示，直流配网的能量管理系统(EMS)(能量管理系统对整个配网系统的能量进行管理，根据配网的最优潮流计算以及配网内多源多时空能量融合优化管理，给功率环控制P发送系统功率优化指令P_ref，优化换流站注入配网的功率)根据直流配电网络的最优潮流计算以及能量优化管理给从站控制器发送功率优化指令，作为从站控制器中功率环控制P中的有功功率参考值P_ref2和无功功率参考值Q_ref2，分别用于控制从站注入直流配电网络的有功功率和向交流系统2提供的无功功率Q₂；

32)功率环控制P：有功功率参考值P_ref2与从站实际有功功率P₂的差值经过PI调节器1的输出作为电压环控制U的电压参考值U_dcref2；电压环控制U的电压参考值U_dcref2具有上/下限限制，用于控制从站的直流电压最高不超过U_dcrefmax2，最低不低于U_dcrefmin2(电压限幅是指控制系统允许VSC直流电压变化的上下限，U_dcrefmax2和U_dcrefmin2的取值与从站功率允许调节的能力有关，限制范围越大，则换流站可调节的功率也就越多，同时在从站电压变化范围一定的情况下，亦可通过改变主站定电压的参考值，即改变从站电压调节的相对值来达到改变功率调节范围的目的。稳态运行时，电压参考值在限值之内变化)。

33)电压环控制U：电压参考值U_dcref2与从站实际直流电压U_dc2的差值经PI调节器3输出和功率环控制P中无功功率参考值Q_ref2与从站实际发出无功功率Q₂的差值经PI调节器2输出一起作为电流环控制I的电流d轴和q轴的参考值(i_dref2和i_qref2)。

34)通过电压/电流测量装置将测量得到的从换流站阀侧交流电压和交流电流经dq变换得到电压和电流的d轴和q轴分量(U_d2、U_q2、i_d2和i_q2)，通过由PI调节器4和5构成的解耦控制，得到从换流站有功功率调节指令V_d2和无功功率调节指令V_q2，经PWM(脉冲宽度)调制，产生换流站阀级的脉冲触发信号，控制从站有功功率和无功功率(从站控制方式相当于定功率控制方式(PQ))；

当系统暂态运行时(即系统由于线路故障或部分设备退出运行，导致系统拓扑结构发生变化，系统从一种运行方式过渡到另一种运行方式的暂态过程，在此过程中，系统电气量变化大；由于暂态过程中从站实际有功功率值P₂无法跟踪有功功率参考值P_ref2，两者差值经PI调节器1后使电压环控制U的电压参考值U_dcref2始终处于上限U_dcrefmax2或下限U_dcrefmin2，使功率环控制P失去调节作用)，主换流站控制方法不变，从站控制步骤包括：

35)将电压环控制U中电压参考值上限/下限(U_dcrefmax2/U_dcrefmin2)与从站实际直流电压U_dc2的差值经PI调节器3的输出与步骤33)功率环控制P中无功功率参考值Q_ref2与从站实际发出无功功率Q₂的差值经PI调节器2输出一起作为电流环控制I的电流d轴和q轴的参考值(i_dref2和i_qref2)；

36)通过电压/电流测量装置将测得的从换流站阀侧交流电压和交流电流经dq变换得到电压和电流的d轴和q轴分量(U_d2、U_q2、i_d2和i_q2)，通过由PI调节器4和5构成的解耦控制，得到从换流站电压调节指令V_d2和无功功率调节指令V_q2，经PWM(脉冲宽度)调制，产生换流站阀级的脉冲触发信号，控制从站直流电压和无功功率(此时从站控制器相当于定电压和定无功功率控制方式(VdcQ)，所有VSC将根据系统所需功率自行供给，始终保持系统功率平衡，因此不管系统切换到何种运行方式，在暂态过程中始终能将换流站直流电压控制在限值范围内)。

Claims (5)

1.一种适用于柔性直流配电网的电压控制方法，其特征在于：包括主站控制和从站控制方式；主站采用传统的定电压和定无功功率控制VdcQ，作为松弛节点控制系统直流电压，为整个直流配网提供电压参考值，并在交流系统发生故障时向交流侧提供无功支援；从站采用P-U-I控制器，在系统稳态运行时，换流站VSC处于功率控制模式PQ，功率可调、电压可控，功率环控制P根据能量管理系统EMS发送的系统功率优化指令调节VSC的出力，优化配网潮流；在系统暂态运行时，VSC处于VdcQ模式，电压环控制U维持系统直流电压，使系统以额定电压的上限或下限运行，不管系统切换到何种运行方式，始终有VSC维持与其相连的直流配网母线电压，不需要任何模式切换就能保证配网在额定的电压范围内稳定运行。

2.如权利要求1所述的适用于柔性直流配电网的电压控制方法，其特征在于，在直流配网系统中选取容量较大，调节能力强的换流站作为主站，采用主站控制方式，其余与交流系统相连的换流站作为从站，采用从站控制方式。

3.如权利要求2所述的适用于柔性直流配电网的电压控制方法，其特征在于，所述主站控制方式具体控制步骤包括：

21)直流配网的能量管理系统给主站控制器发送电压和无功功率指令，作为主站控制方式中外环控制的电压参考值U_dcref1和无功功率参考值Q_ref1，通过外环控制和内环控制的作用，向主站发送相应的脉冲信号，分别用于控制直流配网电压U_dc1和主站向交流系统1支援的无功功率Q₁；

22)外环控制根据电压参考值U_dcref1和无功功率参考值Q_ref1与主站实际直流电压U_dc1和无功功率Q₁的偏差，经PI调节器6和7，计算得到内环控制器的电流电流d轴轴的参考值i_dref1和q轴的参考值i_qref1；将测量得到的主换流站阀侧交流电压和交流电流经dq变换得到电压d轴和q轴分量U_d1、U_q1和电流的d轴和q轴分量i_d1和i_q1，通过PI调节器的解耦控制，得到换流站电压调节指令V_d和无功调节指令V_q，调节指令经脉冲宽度PWM调制，产生换流站阀级的脉冲触发信号，控制主站电压和无功功率。

4.如权利要求2所述的适用于柔性直流配电网的电压控制方法，其特征在于，当系统稳态运行时从站控制步骤包括：

31)直流配网的能量管理系统根据直流配电网络的最优潮流计算以及能量优化管理给从站控制器发送功率优化指令，作为从站控制器中功率环控制P中的有功功率参考值P_ref2和无功功率参考值Q_ref2，分别用于控制从站注入直流配电网络的有功功率和向交流系统2提供的无功功率Q₂；

32)功率环控制P：有功功率参考值P_ref2与从站实际有功功率P₂的差值经过PI调节器1的输出作为电压环控制U的电压参考值U_dcref2；电压环控制U的电压参考值U_dcref2具有上/下限限制，用于控制从站的直流电压最高不超过U_dcrefmax2，最低不低于U_dcrefmin2；

33)电压环控制U：电压参考值U_dcref2与从站实际直流电压U_dc2的差值经PI调节器3输出和功率环控制P中无功功率参考值Q_ref2与从站实际发出无功功率Q₂的差值经PI调节器2输出一起作为电流环控制I的电流d轴的参考值i_dref2和q轴的参考值i_qref2；

34)通过电压/电流测量装置将测量得到的从换流站阀侧交流电压和交流电流经dq变换得到电压和电流的d轴和q轴分量(U_d2、U_q2、i_d2和i_q2)，通过PI调节器的解耦控制，得到从换流站有功功率调节指令V_d2和无功功率调节指令V_q2，经PWM(脉冲宽度)调制，产生换流站阀级的脉冲触发信号，控制从站有功功率和无功功率。

5.如权利要求2所述的适用于柔性直流配电网的电压控制方法，其特征在于，当系统暂态运行时，从站控制步骤包括：

35)将电压环控制U中电压参考值上限U_dcrefmax2/下限U_dcrefmin2与从站实际直流电压U_dc2的差值经PI调节器3的输出与步骤33)功率环控制P中无功功率参考值Q_ref2与从站实际发出无功功率Q₂的差值经PI调节器2输出一起作为电流环控制I的电流d轴轴的参考值i_dref2和q轴的参考值i_qref2；

36)通过电压/电流测量装置将测得的从换流站阀侧交流电压和交流电流经dq变换得到电压d轴和q轴分量U_d2、U_q2和电流的d轴和q轴分量i_d2、i_q2，通过由PI调节器的解耦控制，得到从换流站电压调节指令V_d2和无功功率调节指令V_q2，经脉冲宽度PWM调制，产生换流站阀级的脉冲触发信号，控制从站直流电压和无功功率。