CN106786761A - 基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子装置在配电网中的应用领域，尤其是涉及一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法。应用柔性环网装置将多个交流配电网互连形成环网，实现在某端电网发生故障时，故障端能通过下垂控制工作于逆变状态，使输出电压及频率具有下垂特性并为故障端负载进行持续可靠供电，且可与故障端分布式电源及储能装置并联运行；非故障端通过恒功率控制工作于整流状态；通过测量逆变侧负荷的有功功率和无功功率大小，得到逆变端的电压和频率指令及整流端功率调度指令。本发明为柔性环网装置在某端电网故障时的供电运行提供了理论依据。从仿真结果可以看到，本发明能够为柔性环网装置故障端进行持续供电并具有下垂输出特性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子装置在配电网中的应用领域，尤其涉及一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法。
背景技术
电力电子器件及其应用装置已经日益广泛的运用到电力系统中，可再生能源的并网发电、储能装置的功率转换、交直流电网的柔性互联、配用电能的双向流动、无功和谐波的动态补偿都需要依靠电力电子装置来实现。随着能源问题的日益凸显，提高能源利用率成为能源相关行业的首要任务之一。目前各地区配电网之间均处于相互独立的状态，其能源分布不均和供求不平衡问题大大降低了能源利用率，为了解决此问题并提高配电网的供电可靠性及灵活性，提出了一种基于柔性直流技术的交直流混合配电网。
柔性环网装置将多个相互独立的配电网通过直流线路连接，改变了传统配电网的拓扑，增强了配电网的调控能力。当某端电网出现故障时，故障端换流器可工作于逆变状态，通过下垂控制，实现有功与频率的下垂特性,无功与幅值的下垂特性，频率和电压变化范围均在电能质量允许范围内，从而向故障端负载持续供电。故障端换流器输出的功率可由其他非故障端电网通过有功无功解耦功率控制提供，并有其中一非故障端加入直流电压控制，稳定直流线路电压。目前，下垂控制的方法有多种：已有技术[1]，见电力系统保护与控制，第41卷第16期出版的独立型微电网基于虚拟阻抗的改进下垂控制，已有技术[2]，见中国电机工程学报，第34卷第3期出版的基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略。本发明针对于配电网中柔性环网装置在某端电网发生故障时，运用下垂控制为负载进行持续供电并与故障端分布式发电及储能装置并联运行，其模型和方法和其他情况不同。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，用于在某端电网故障时，通过下垂控制实现与故障端分布式电源及储能装置并联运行并为故障端负载提供持续供电。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是考虑多端柔性环网装置在运行时具备的功率调度能力，建立基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，其特征在于与具有将多个交流配电网互连功能的柔性环网装置相连的某端电网发生故障而断电后,应用下垂控制将柔性环网装置故障端控制为电压源,对负载进行供电,实现供电的持续性；柔性环网装置应用下垂控制的端口实现有功无功解耦控制,实现有功与频率下垂特性,无功与幅值下垂特性；有功功率在柔性环网装置各端之间流动；通过下垂控制实现无通信线下柔性环网装置与分布式电源和储能装置的并联运行，并为故障端负载提供电压及频率支撑。
其中，所述的一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，多端表示端口数大于2。
所述的一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，故障端应用下垂控制，非故障端应用有功无功解耦恒功率控制。
所述的根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，故障端应用下垂控制，频率和幅值不恒定，频率随有功功率变化，电压幅值随无功功率变化，但频率波动范围为49.8Hz 至50.2Hz，电压幅值波动范围为0.93至1.07倍的电网电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，在多端柔性环网装置某端电网发生故障时能通过该方法实现输出频率与有功功率的下垂特性，输出电压与无功功率的下垂特性，且输出频率与输出电压范围均在电能质量允许范围内，从而向故障端负载持续供电，并可与故障端分布式电压及储能装置并联运行，有利于提高装置在配电网中的可靠性并提高分布式电源利用率；通过建模，为多端柔性环网装置在某端电网发生故障时的运行提供了理论依据；柔性环网装置在某端发生故障时，本方法能够准确地为故障端负载持续可靠供电。
附图说明
图1为本发明的多端柔性环网装置示意图；
图2为本发明的柔性环网装置故障端单相等效电路图；
图3为本发明的下垂控制运行特性图；
图4为本发明的下垂控制框图；
图5为本发明的电压电流双环控制框图；
图6为本发明的柔性环网装置故障端下垂控制框图；
图7为本发明的柔性环网装置非故障端控制框图；
图8为基于下垂控制的柔性环网装置故障端仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为本发明的多端柔性环网装置示意图，以三端或四端柔性环网装置为例，由A、B、C端构成三端柔性环网装置，若加入虚线描绘的D端，则构成四端柔性环网装置。以C端电网发生故障为例，故障后C端电网无法提供正常电压和频率支撑。此时对其余的非故障端（三端时为A、B端，四端时为A、B、D端）采用有功无功解耦恒功率控制，工作于整流状态，从相连的电网吸收功率并通过直流线路输送至故障端，且其中任意一端加入直流电压控制，稳定直流线路电压。直流侧通过VSC换流器（电压源型换流器）连接C端电网，通过下垂控制工作于逆变状态，输出具有下垂特性的频率和电压，为C端电网中的负载提供持续供电，C端分布式电源及储能装置可工作于下垂控制模式，实现与柔性环网装置的并联运行。其余各端电网发生故障时的多端柔性环网装置的工作方式同理。
图2为本发明的柔性环网装置故障端单相等效电路图，E∠θ为换流器的输出电压，R和jX分别为线路电阻和电抗，U∠0表示母线电压，当R<<X且θ很小时可以得到柔性环网装置故障端的输出功率如式（1）：
(1)。
图3为本发明的下垂控制运行特性图，当故障端负载有功功率增加时，控制换流器输出频率下降，负载有功功率减少时，控制换流器输出频率上升；当故障端负载无功功率增加时，控制换流器输出电压下降，负载无功功率减少时，控制换流器输出电压上升。下垂特性曲线斜率的确定综合考虑柔性环网装置裕度及电能质量要求，在确定柔性环网装置某端发生故障时，另外两端能提供的最大有功功率P max 的情况下，考虑电能质量允许的频率偏差范围，从而得到P-f下垂特性曲线；在确定逆变端换流器能输出的最大无功功率Q max 的情况下，考虑电能质量所允许的电压偏差范围，从而得到Q-V下垂特性曲线。
图4为本发明的下垂控制框图，采集故障端的输出功率，根据设定好的下垂曲线计算得到电压和频率指令值，经过电压合成得到三相电压指令值，下垂曲线计算公式及电压合成公式分别如式（3）、式（4）所示:
(3)
(4)
式中，为空载频率，为空载电压，m和n分别是P-f下垂曲线和Q-V下垂曲线的斜率。得到的三相电压指令值在经过派克变换以及电压电流双环控制，从而达到控制故障端的输出电压及频率随负载的变化而呈现下垂特性。
图5为本发明的电压电流双环控制图，电压电流双环控制采用双闭环PI调节的方式，其中，电压外环输入电压指令值及故障端端口经滤波器滤波后的d轴电压和q轴电压，电流内环输入电流指令值及故障端端口输出的d轴电流和q轴电流。电压电流双闭环控制可由式（4）及式（5）表示：
（4）
（5）
其中，、是换流器输出的电流经过滤波器后再进行派克变换得到的d轴电流和q轴电流。
图6为本发明的柔性环网装置故障端下垂控制框图，采集故障端的输出量：端口电流i、滤波后的电压u及滤波后的电流i。计算端口输出有功功率及无功功率，依次经过下垂特性计算、电压合成、电压电流双环控制得到故障端换流器SPWM调制波波形，从而控制故障端端口的输出电压随无功功率的下垂特性和输出频率随有功功率的下垂特性。
图7为本发明的柔性环网装置非故障端控制框图，当多端柔性环网装置某一段发生故障时，非故障端均采用有功无功解耦的恒功率控制工作与整流状态，通过直流线路为故障端提供功率，各非故障端有功功率指令值和无功功率指令值通过采集故障端端口输出功率后按一定比例分配得到。采集非故障端的电压和电流，功率指令值与端口电压经过电压外环得到电流指令值，再经过电流内环和SPWM控制，控制非故障端从电网获取的功率。在多个非故障端中选取一端加入虚线所示的直流电压控制，维持直流线路电压，从而为故障端的下垂控制提供功率和直流电压支撑。
图8为基于下垂控制的三端柔性环网装置故障端仿真结果图，通过换流器的输出电压幅值波形及频率波形变化可以看到，基于下垂控制的柔性环网装置供电运行方法可以实现在负载固定的情况下，当柔性环网装置某端电网发生故障时，对故障端负载提供持续供电；而在t=0.4s时，负载发生变化，电压从8.675kV降为8.575kV，在0.93至1.07倍的电网电压范围内，频率从50.03Hz降为49.98Hz，在49.8Hz 至50.2Hz范围内，实现故障端输出的电压随无功负荷的增加而减小，输出频率随有功负荷的增加而减少，呈现下垂特性，且能继续为故障端负载进行持续供电。
Claims (4)
1.一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，其特征在于与具有将多个交流配电网互连功能的柔性环网装置相连的某端电网发生故障而断电后,应用下垂控制将柔性环网装置故障端控制为电压源,对负载进行供电,实现供电的持续性；柔性环网装置应用下垂控制的端口实现有功无功解耦控制,实现有功与频率下垂特性,无功与幅值下垂特性；有功功率在柔性环网装置各端之间流动；通过下垂控制实现无通信线下柔性环网装置与分布式电源和储能装置的并联运行，并为故障端负载提供电压及频率支撑。
2.根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，多端表示端口数大于2。
3.根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，故障端应用下垂控制，非故障端应用有功无功解耦恒功率控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的柔性环网装置的供电运行方法，故障端应用下垂控制，频率和幅值不恒定，频率随有功功率变化，电压幅值随无功功率变化，但频率波动范围为49.8Hz 至50.2Hz，电压幅值波动范围为0.93至1.07倍的电网电压。
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