CN106972520B - 一种用于柔性直流配电网的ac/dc标准节点模型的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法，AC/DC标准节点模型包括交流侧的一个三相AC电压源模型以及直流侧的一个双极性DC电源模型，其控制方法包括定直流电压控制和定功率控制。本发明实现对柔性直流配电网中直流系统和交流环节的连接以及其运行控制，一方面能满足柔性直流配电网和上级交流电网进行连接和功率传递的需求，另一方面能连接柔性直流配电网中存在的各种交流负荷以及交流电源。

Description

一种用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法

技术领域

本发明涉及到直流配电网技术领域，具体地，涉及一种适用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术、信息控制技术的进步和发展，尤其是以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的全控型可关断器件的快速发展，电力系统内开始采用IGBT构成电压源变流器(VSC)来进行直流输电，通过脉冲宽度调制(PWM)技术，可以准确快速的控制电压源变流器的幅值和电压。

另一方面，随着现代配电系统中的电源、负荷日趋直流化，大量分布式可再生能源的输出方式为直流电或可经过简单整流后变成直流电，并且很多电气设备采用直接由直流电驱动的方式，或者由采用变频技术来进行供电。直接采用直流进行配电可以省去大量AC/DC环节，节省设备成本，提高供电效率。现代配电系统中，分布式电源、储能设备和负荷的直流化发展趋势进一步推动了柔性直流配电网的发展。

在柔性直流配电网中，AC/DC节点是重要的组成部分，一方面由于直流配电网需要和上级交流电网进行连接和功率传递，另一方面直流配电网中存在各种交流负荷以及交流电源。然而现有的AC/DC变换器建模和控制技术主要针对交流系统以及直流输电系统，并且包含有大量非线性器件，难以应用于大规模的柔性直流配电系仿真运行分析。

发明内容

针对前面所述的现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法，能够模拟柔性直流配电网中AC/DC节点的电压-功率特性，同时极大减少仿真计算量，节约计算机的运算时间。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法，所述AC/DC标准节点模型包括一个双极性DC电源模型和一个三相AC电压源模型，所述AC/DC标准节点模型将直流配电网节点电压维持在恒定值，为直流配电网主网络的电压提供支撑，控制方法包括如下步骤：

S1：根据AC/DC标准节点模型接入的直流配电网主电网电压等级设定模型的基准电压V_b；再根据计算出的模型输出功率判断模型是否超出容量限制，如果模型输出功率超过AC/DC节点的容量，则采用功率源模型的功率控制，如果模型功率在AC/DC节点的容量范围之内，则模型通过内部的电压测量模块测量出第k步的模型的外部端口电压V(k)，根据公式ΔV(k)＝V(k)-V_b，计算出模型的端口电压偏移量ΔV(k)，其中k为大于等于1的整数；

S2：根据模型的端口电压偏移量ΔV(k)绝对值的大小判断模型端口电压是否处于基准电压死区内，若是，则不进行电压调节，即控制器向可控电压源发出的电压信号V_out(k)不改变；若否，再判断模型端口电压是否处于有条件电压调节死区区域内，若是，模型控制器将不对模型电压进行调节，若否，则进行电压调节，通过比例控制将模型的端口电压调节至死区区域内。

S3：根据公式ΔV_out(k)＝k_p×ΔV(k)和公式V_out(k)＝V_out(k-1)+ΔV_out(k)计算控制器发送给可控电压源的电压信号V_out(k)，控制器判断k-1步时的运行状态是否进行了电压调节，若是，则继续按照该步骤中的公式进行电压调节；若否，则不进行电压调节，即控制器向可控电压源发出的电压信号V_out(k)不改变。

进一步地，所述功率源模型的功率控制包括：

S101：设定控制过程中变流器端电压变化量与功率变化量的比值为-k，对应变流器下垂控制P-V特性曲线中的斜率，该斜率的表达式为：

式中，V表示变流器P-V特性曲线上某一运行点的端电压，V^*表示变流器的额定电压，P表示变流器P-V特性曲线上某一运行点的功率，P^*表示AC/DC节点的额定功率；

S102：根据上式计算AC/DC节点的输出功率为：

当端电压升高时变流器输出功率会相应减少或者吸收功率相应增大；当端电压降低时变流器输出功率会相应增大或者吸收功率相应减少，其中，当模型端口电压跌落至一定程度时，模型转变为恒功率输出。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的AC/DC标准节点模型能使直流配电网和上级交流电网进行连接和功率传递，有效连接直流配电网中存在各种交流负荷以及交流电源，并且所述的AC/DC标准节点模型控制方法能够满足直流配电系统定电压和定功率控制的运行需求。

此外，本发明忽略了AC/DC标准节点模型内部的电力电子开关特性，实现对AC/DC标准节点输入、输出侧的电压-功率特性的模拟，极大减少了仿真分析的运算量，提高了仿真研究的效率。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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它附图。

图1为本发明的AC/DC变流节点模型接线图；

图2为本发明的恒电压控制电压调节范围图；

图3为本发明的AC/DC变流节点模型恒电压控制流程图；

图4为本发明的AC/DC变流节点模型P-V下垂特性图；

图5为本发明的AC/DC变流节点接入配电网后的运行状态图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

AC/DC标准节点模型的内部控制方式取决于AC/DC变流站的运行方式。对于直流配电网的功能实现，AC/DC变流站的有功功率、无功功率和直流电压是可以控制的几个基本电气量，选择控制不同的电气量便形成了不同的工作模式。

本发明提出了一种适用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法，所述的AC/DC标准节点包括一个双极性DC电源模型和一个三相AC电压源模型，该AC/DC标准节点模型的接线图如图1所示，其中AC/DC标准节点模型将直流配电网节点电压维持在恒定值，是直流配电网中的平衡节点，为直流配电网主网络的电压提供支撑。

定直流电压控制方法将直流配电网主干网络的额定电压设为基准电压，为防止模型因配电网的功率波动而频繁调节，在基准电压上下设置电压调节死区。当模型端口电压在电压死区范围内时模型端口电压为正常状态。在电压死区之外设定电压有条件调节区间，只有当电压偏离出有条件调节区间时控制器调节模型端口电压至死区范围内。因此模型端口电压位于有条件调节区间内而死区之外时，只有上一个时间点状态为调节状态，模型才会对端口电压进行调节。本发明的电压控制的范围如图2所示，并且对于所述的恒电压控制，电源模型的端口电压与基准电压间存在一定程度的可接受偏离，因而模型端口电压的调节算法采用最为直接的比例调节。

所述的AC/DC标准节点模型，当AC/DC变流站的AC侧到上级交流电网的线路阻抗确定时，假设上级交流电网具有稳定的母线电压，则AC侧吸收的有功功率和无功功率如下式所示：

其中，P表示AC/DC变流站的AC侧吸收的有功功率，Q表示变流站AC侧吸收的无功功率，V_{AC_line}表示上级交流电网的母线电压，V_{AC_side}表示变流站AC侧的端电压，X_{AC_line}表示变流站AC侧到上级交流电网的线路阻抗。

定直流电压控制方法将直流配电网主干网络的额定电压设为基准电压，为防止模型因配电网的功率波动而频繁调节，在基准电压上下设置电压调节死区。当模型端口电压在电压死区范围内时模型端口电压为正常状态，即当模型的端口电压在电压调节死区范围内时，模型控制器将不对模型电压进行调节。在电压死区之外设定电压有条件调节区间，模型端口电压从死区内偏移至该区域时，为防止模型过频繁调节，仍旧认为该电压是可以接受的，只有当电压偏离出有条件调节区间时控制器调节模型端口电压至死区范围内。因此模型端口电压位于有条件调节区间内而死区之外时，只有上一个时间点状态为调节状态，模型才会对端口电压进行调节。并且对于所述的恒电压控制，电源模型的端口电压与基准电压间存在一定程度的可接受偏离，因而模型端口电压的调节算法采用最为直接的比例调节。

具体的控制方法包括如下步骤：

S1：根据AC/DC标准节点模型接入的直流配电网主电网电压等级设定模型的基准电压V_b；再根据计算出的模型输出功率判断模型是否超出容量限制，如果模型输出功率超过AC/DC节点的容量，则采用功率源模型的功率控制，如果模型功率在AC/DC节点的容量范围之内，则模型通过内部的电压测量模块测量出第k步的模型的外部端口电压V(k)，根据公式ΔV(k)＝V(k)-V_b，计算出模型的端口电压偏移量ΔV(k)，其中k为大于等于1的整数；

S2：根据模型的端口电压偏移量ΔV(k)绝对值的大小判断模型端口电压是否处于基准电压死区内，若是，则不进行电压调节，即控制器向可控电压源发出的电压信号V_out(k)不改变；若否，再判断模型端口电压是否处于有条件电压调节死区区域内，若是，模型控制器将不对模型电压进行调节，若否，则进行电压调节，通过比例控制将模型的端口电压调节至死区区域内。

S3：根据公式ΔV_out(k)＝k_p×ΔV(k)和公式V_out(k)＝V_out(k-1)+ΔV_out(k)计算控制器发送给可控电压源的电压信号V_out(k)，控制器判断k-1步时的运行状态是否进行了电压调节，若是，则继续按照该步骤中的公式进行电压调节；若否，则不进行电压调节，即控制器向可控电压源发出的电压信号V_out(k)不改变。本发明的定电压控制方法的流程如图3所示。

所述功率源模型的功率控制包括：

S101：设定控制过程中变流器端电压变化量与功率变化量的比值为-k，对应变流器下垂控制P-V特性曲线中的斜率，该斜率的表达式为：

式中，V表示变流器P-V特性曲线上某一运行点的端电压，V^*表示变流器的额定电压，P表示变流器P-V特性曲线上某一运行点的功率，P^*表示AC/DC节点的额定功率；

S102：根据上式计算AC/DC节点的输出功率为：

所述的定功率控制方法控制变流器的期望输出功率，使其随其端口电压的变化而变化，当端电压升高时变流器输出功率会相应减少或者吸收功率相应增大；当端电压降低时变流器输出功率会相应增大或者吸收功率相应减少，其中，由于AC/DC节点的容量限制，电源模型的输出功率不可能无限增大，因此当模型端口电压跌落至一定程度时，模型转变为恒功率输出，如图4所示。图5为本发明的AC/DC变流节点接入配电网后的运行状态图。

功率源模型的功率控制具有传输功率服从调度指令、功率变化时间尺度较大、直流侧具备自调节的下垂控制特性的特点。

虽然，本发明中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法，其特征在于，所述AC/DC标准节点模型包括一个双极性DC电源模型和一个三相AC电压源模型，所述AC/DC标准节点模型将直流配电网节点电压维持在恒定值，为直流配电网主网络的电压提供支撑，控制方法包括如下步骤：

S1：根据AC/DC标准节点模型接入的直流配电网主电网电压等级设定模型的基准电压V_b；再根据计算出的模型输出功率判断模型是否超出容量限制，如果模型输出功率超过AC/DC节点的容量，则采用功率源模型的功率控制，此时，重复执行第k步测量模型端口电压V(k)和输出电流I(k),计算模型输出功率P(k)，根据模型输出功率P(k)判断模型是否超出AC/DC节点的容量限制，直至模型输出功率P(k)在AC/DC节点的容量范围之内，如果模型功率在AC/DC节点的容量范围之内，则模型通过内部的电压测量模块测量出第k步的模型的外部端口电压V(k)，根据公式ΔV(k)＝V(k)-V_b，计算出模型的端口电压偏移量ΔV(k)，其中k为大于等于1的整数；

S2：根据模型的端口电压偏移量ΔV(k)绝对值的大小判断模型端口电压是否处于基准电压死区内，若是，则不进行电压调节，即控制器向可控电压源发出的电压信号V_out(k)不改变；若否，再判断模型端口电压是否处于有条件调节区间内，有条件调节区间设置在基准电压死区外，若是，模型控制器将不对模型电压进行调节，若否，则进行电压调节，通过比例控制将模型的端口电压调节至基准电压死区区域内；

S3：根据公式ΔV_out(k)＝k_p×ΔV(k)和公式V_out(k)＝V_out(k-1)+ΔV_out(k)计算控制器发送给可控电压源的电压信号V_out(k)，其中，ΔV_out(k)为电压调节增量，k_p为电压调节系数，控制器判断k-1步时的运行状态是否进行了电压调节，若是，则继续按照该步骤中的公式进行电压调节；若否，则不进行电压调节，即控制器向可控电压源发出的电压信号V_out(k)不改变。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流配电网的AC/DC标准节点模型的控制方法，其特征在于，所述功率源模型的功率控制包括：

S101：设定控制过程中变流器端电压变化量与功率变化量的比值为-k，对应变流器下垂控制P-V特性曲线中的斜率，该斜率的表达式为：

式中，V表示变流器P-V特性曲线上某一运行点的端电压，V^*表示变流器的额定电压，P表示变流器P-V特性曲线上某一运行点的功率，P^*表示AC/DC节点的额定功率；

S102：根据上式计算AC/DC节点的输出功率为：

当端电压升高时变流器输出功率会相应减少或者吸收功率相应增大；当端电压降低时变流器输出功率会相应增大或者吸收功率相应减少，其中，当模型端口电压跌落至一定程度时，模型转变为恒功率输出。

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