CN108521146A - 一种交直流配电网区域稳定控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流配电网区域稳定控制装置及控制方法，它包括交流直采模组和直流直采模组，交流直采模组和直流直采模组通过测控总线与Master控制模组连接；Master控制模组通过通讯总线与HMI模组、光纤模组和无线模组连接；控制方法包括交流区域的稳定控制方法、直流区域的稳定控制方法、交直流配电网区域稳定控制方法和对电力电子变压器和MMC的控制方法；本发明基于即插即用技术，实现灵活采集交流区域、直流区域信息，通过实时控制交流、直流区域内的分布式电源、电力电子变压器、MMC等关键设备，从而实现交流区域电压和频率、直流区域电压的稳定。

Description

一种交直流配电网区域稳定控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于交直流配电网运行控制技术领域，尤其涉及一种交直流配电网区域稳定控制装置及控制方法。

背景技术

传统配电网网络拓扑结构、自动化系统及开关设备，难以从本质上改变配电网系统级的不可控性，不能适应多元电力供应方式。即便是采用环网接线模式的城市配电网，实质上也是馈线按辐射状分区供电，各个分区之间存在负载率不均衡，相互之间缺乏有功功率和无功功率的支持，进而导致中压线路设备利用率低，电压质量参差不齐，难以满足配电网在电压/无功补偿、电能质量等方面的要求，不能适应高密度分布式电源的接入。为此，利用先进电力电子技术，提高配电网的系统可控性，将单辐射供电模式转化为闭环供电模式，提高对高密度分布式电源的消纳能力，整体提高配电网的设备利用效率、转供电能力及供电可靠性，是未来中压配电网发展的方向。随着分布式发电(distributed generation，DG)接入量的不断增加，电动汽车的快速普及，可控负荷的持续增多，现有的配电网架构已经很难满足用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求，这将促使多层次环网状、交直流混合、可观可控的新型智能配电系统的发展，实现分布式可再生能源和微电网为重点的多元电力供应。

交直流配电网存在一定的交流和直流区域，交流区域实现对该区域内的分布式电源及可控负荷的协调控制，而直流区域实现对该区域内的分布式电源及可控负荷的协调控制。无论是交流区域还是直流区域控制，都是实现对本区域内的电源与负荷的协调控制，实现基本的稳定运行，而不同区域间的协调主要是实现能量的优化管理。目前，但未见适用于交直流配网的区域稳定装置，对于交流区域的稳定控制目前多数采用传统的交流稳定控制装置实现。而在微电网运行控制领域，已见相关专利。《一种交直流混合微电网控制方法及装置》专利(申请号CN201510890747.3)根据微电网内部的优化策略以及上级能量管理系统的调度指令得出控制指令，并将控制指令下发到微电网内各部件，实现对微电网的能量管理；控制交直流混合微电网与配电网的并网、离网切换；根据上级能量管理系统的调度指令参与多个交直流混合微电网之间的能量分配。《交直流混合微电网协调控制系统》专利(申请号CN201510723960.5)能够适应混合微电网的多种运行模式，有效的适应不同建设目标的需要，能够很好的实现不同运行模式下交直流混合微电网的稳定控制。相对于交直流混合微电网的稳定控制，交直流配电网存在电力电子变压器，尤其是多端口电力电子变压器，因此对应的稳定控制策略存在较大差异。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种交直流配电网区域稳定控制装置及控制方法，用基于即插即用技术，实现灵活采集交流区域、直流区域信息，通过实时控制交流、直流区域内的分布式电源、电力电子变压器、MMC等关键设备，从而实现交流区域电压和频率、直流区域电压的稳定。

本发明技术方案：

一种交直流配电网区域稳定控制装置，它包括交流直采模组和直流直采模组，其特征在于：交流直采模组和直流直采模组通过测控总线与Master控制模组连接；Master控制模组通过通讯总线与HMI模组、光纤模组和无线模组连接。

所述Master控制模组包括核心协调控制模块、串行通讯接口以及标准RJ45网络接口，核心协调控制模块与串行通讯接口以及标准RJ45网络接口导线连接。

串行通讯接口包含2个RS232接口和4个RS485接口，标准RJ45网络接口有2个。

交流直采模组配置有交流PT、CT传感器和开入接口。

直流直采模组配置有霍尔传感器和开入接口。

一种交直流配电网区域稳定控制装置的控制方法，它包括：交流区域的稳定控制方法、直流区域的稳定控制方法、交直流配电网区域稳定控制方法和对电力电子变压器和MMC的控制方法。

交流区域的稳定控制方法的交流区域平衡发电单元采用有功-频率和无功-电压幅值的下垂控制方式，k_f、k_q分别为其下垂系数，P_s,ac、Q_s,ac为交流区域总体传输的有功和无功功率，分别为系统频率和电压幅值参考值，交流区域功率发电单元的控制算法，则采用有功和无功的功率控制算法，通过功率参考值计算得到d轴电流的参考值，无功参考为0，得到q轴电流参考也为0，内环采用dq电流比例积分解耦控制，然后经过坐标变换得到交流参考电压v_ref。

直流区域的稳定控制方法的直流区域平衡发电单元采用下垂控制算法，P_s,dc为平衡单元传输的有功功率，k_dc为下垂系数，u_dc为直流区域配电网电压，U_B,dc为母线电压的额定值，i_s,ref为内环电流控制的参考电流；直流区域功率发电单元的控制算法采用固定功率控制算法，P_pset为有功功率的设定值，除以电压u_p,dc得到电流的参考值i_ref，然后经过PI控制得到占空比d，经过PWM调制完成控制。

对于交流、直流区域交互的电力电子变压器或MMC，各子系统相互支撑能力的功率控制采用下式实现：

式中，ΔP_ap,ac为交直流配电网对外总体交换功率,k_ac、k_dc为功率支撑系数，为交流区域的额定角频率，ω_ac为交流区域的实时角频率，为直流区域的额定电压，u_dc为直流区域的实时电压；

对于电力电子变压器和MMC的控制分为外环控制和内环控制；

所述在外环控制中，通过下述公式满足功率调度

式中，和P_IC,ac分别为电力电子变压器和MMC互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率，G_dp,dc(s)为外环控制中的PI控制器；通过上述控制得到功率参考增量ΔP_dp,ac；通过外环控制获得功率参考值增量后，再经内环功率闭环控制，实现互联装置输出功率跟踪给定功率值；

内环控制采用具有模拟惯性环节的电压源型控制方式，在互联功率控制、直流电压控制和交流电压/频率控制模式间实现切换，无需切换控制系统。

本发明的有益效果：

本发明适用于交直流配电网的硬件架构及其各个模组；本发明装置可广泛应用于典型交直流配电网的稳定运行控制中，提高系统运行的稳定性和可靠性；本发明基于即插即用技术，实现灵活采集交流区域、直流区域信息，通过实时控制交流、直流区域内的分布式电源、电力电子变压器、MMC等关键设备，从而实现交流区域电压和频率、直流区域电压的稳定。

附图说明：

图1为装置硬件架构示意图；

图2为装置各模组接口图；

图3为交流区域平衡发电单元稳定控制框图；

图4为交流区域功率发电单元稳定控制框图；

图5为直流区域平衡发电单元稳定控制框图；

图6为直流区域功率发电单元稳定控制框图。

具体实施方式：

本发明提供的一种交直流配电网区域稳定控制装置及控制方法，考虑交流、直流区域不同控制特点，解决了现有交直流配电网中多个区域稳定控制复杂的技术难点，采用基于即插即用技术，可灵活采集交流区域、直流区域信息，通过实时控制交流、直流区域内的分布式电源、电力电子变压器、MMC等关键设备。本发明提供了一种交直流配电网中不同区域稳定控制的方法，为交直流配电网的稳定运行提供了一种协调控制装置。下面结合附图阐述本发明的发明构思。

所述一种交直流配电网区域稳定控制装置，其硬件架构如图1所示，主要包括：电源模块、采样与控制部分、通讯与人机交互部分。采样与控制部分设置有Master控制模组、交流直采模组、直流直采模组，其中Master控制模组包含有核心协调控制模块、串行通讯接口以及标准RJ45网络接口。各模组间通过内部快速测控总线将交流和直流直采模组的直采信息上送至Master控制模组，并且Master控制模组将计算的开出指令通过内部快速测控总线下发至交流和直流直采模组。同时，通讯与人机交互部分设置有HMI模组(人机交互模组)、光纤模组、无线模组。各模组间通过内部快速通讯总线与Master控制模组进行信息交互，为满足光纤快速通讯和无线数据传输的需求，可灵活接入光纤模组和无线模组。

所述一种交直流配电网区域稳定控制装置，其各模组接口如图1所示。电源模块可支持24V直流、220V交流或直流供电。Master控制模组包含有核心协调控制模块、串行通讯接口以及2个标准RJ45网络接口，串行通讯接口包含2个RS232接口和4个RS485接口，2个标准RJ45网络接口可分别接入主网和备用网络，实现系统双网冗余功能。交流直采模组配置有交流PT、CT传感器，可测量交流电压和交流电流；直流直采模组配置有霍尔传感器，可测量直流电压和电流。同时交流和直流直采模组都配置有开入接口，可通过开入接口检测开关等设备的运行状态。

所述装置的HMI模组(人机交互模组)，该模组与装置采用分体式结构，与Master控制模组的串口接口连接，该模组可实现装置测控信息的监视，关键参数设置，以及维护调校等功能。

所述装置的通讯模组包含光纤模组和无线模组，光纤模组具有专用ST和LC两种类型接口的模组可供选择，光纤模组支持IEC-61850GOOSE快速通讯规约，从而实现对各设备的快速控制。同时为了实现光纤准确对时，光纤模组设计有IRGB对时接口。无线模组具有4G无线模组和Lora无线模组两种，并且考虑5G技术的发展，已新开发有5G无线模组。

本发明提供了交直流配电网区域稳定控制的方法，包括交直流配电网区域稳定控制的方法包括直流母线电压、交流母线电压和频率稳定控制。同时，为实现各区域稳定，对于交流、直流区域交互的电力电子变压器或MMC，设计了通用功率控制算法。

所述交流区域的稳定控制方法中，交流区域平衡发电单元采用有功-频率、无功-电压幅值的下垂控制策略，如图3所示。k_f、k_q分别为其下垂系数，P_s,ac、Q_s,ac为交流区域总体传输的有功和无功功率， 分别为系统频率和电压幅值参考值。交流区域功率发电单元的控制算法，则采用有功和无功的功率控制算法，如图4所示。通过功率参考值计算得到d轴电流的参考值，无功参考为0，可得q轴电流参考也为0，内环采用dq电流比例积分解耦控制，然后经过坐标变换得到交流参考电压v_ref。

所述直流区域的稳定控制方法中，直流区域平衡发电单元采用下垂控制算法，如图5所示，P_s,dc为平衡单元传输的有功功率，k_dc为下垂系数，u_dc为直流区域配电网电压，U_B,dc为母线电压的额定值，i_s,ref为内环电流控制的参考电流。直流区域功率发电单元的控制算法，则采用固定功率控制算法，如图6所示，P_pset为有功功率的设定值，除以电压u_p,dc得到电流的参考值i_ref，然后经过PI控制得到占空比d，经过PWM调制即可完成控制。

所述交直流配电网区域稳定控制方法中，为实现各区域稳定和满足通用控制策略设计原则，对于交流、直流区域交互的电力电子变压器或MMC，本发明设计了各子系统相互支撑能力的功率控制律，如下式所示：

式中，ΔP_ap,ac为交直流配电网对外总体交换功率,k_ac、k_dc为功率支撑系数，为交流区域的额定角频率，ω_ac为交流区域的实时角频率，为直流区域的额定电压，u_dc为直流区域的实时电压。通过对公式(1)的控制可实现系统内所有平衡单元暂态功率快速响应，以增强各区域抗扰能力和相互支撑能力，提升各子系统电压(频率)稳定性。

对于电力电子变压器和MMC的控制可以分为外环控制和内环控制。a)外环控制从控制方式上看是获得内环控制的功率参考值，从控制功能来分析主要为满足互联装置的功率调度和故障情况下的功率相互支撑；b)内环控制从控制方式上看是功率闭环控制，跟踪外环控制输出的功率参考值。

在外环控制中，为满足功率调度功能，设计如下控制功能：

式中，和P_IC,ac分别为电力电子变压器和MMC互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率，G_dp,dc(s)为外环控制中的PI控制器；通过上述控制得到功率参考增量ΔP_dp,ac。过外环控制获得内环功率参考值后，再经内环功率闭环控制，即可实现互联装置输出功率跟踪给定功率值。电力电子变压器和MMC内环控制采用具有模拟惯性环节的电压源型控制策略，可在互联功率控制、直流电压控制和交流电压/频率控制模式间实现平滑切换，无需切换控制系统。

综上所述，本发明在离网旋转电源转储能主电源柔性切换时基于负荷渐进转移控制，大大减小了切换过程中对系统的冲击。在离网储能转旋转电源主电源柔性切换时基于旋转电源逆功率和储能功率调节，有效保护了旋转电源，实现了储能PCS功率的智能调节。同时，采用了逐次逐台渐进控制原则，最大限度地降低了切换过程中对系统的冲击，可广泛应用于大型微电网(如MW级微电网)离网运行时的主电源平滑无缝切换，以增强系统切换过程中的柔性和平滑性。

综上所述，本发明的一种交直流配电网区域稳定控制装置，具有以下有益效果：采用基于即插即用技术，可灵活采集交流区域、直流区域信息，通过实时控制交流、直流区域内的分布式电源、电力电子变压器、MMC等关键设备，解决了现有交直流配电网中多个区域稳定控制复杂的技术难点。同时，本发明提供了一种交直流配电网中不同区域稳定控制的方法，为交直流配电网的稳定运行提供了有效地解决方法。本发明装置可广泛应用于典型交直流配电网的稳定运行控制中，提高系统运行的稳定性和可靠性。

Claims (9)

1.一种交直流配电网区域稳定控制装置，它包括交流直采模组和直流直采模组，其特征在于：交流直采模组和直流直采模组通过测控总线与Master控制模组连接；Master控制模组通过通讯总线与HMI模组、光纤模组和无线模组连接。

2.根据权利要求1所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置，其特征在于：所述Master控制模组包括核心协调控制模块、串行通讯接口以及标准RJ45网络接口，核心协调控制模块与串行通讯接口以及标准RJ45网络接口导线连接。

3.根据权利要求2所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置，其特征在于：串行通讯接口包含2个RS232接口和4个RS485接口，标准RJ45网络接口有2个。

4.根据权利要求1所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置，其特征在于：交流直采模组配置有交流PT、CT传感器和开入接口。

5.根据权利要求1所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置，其特征在于：直流直采模组配置有霍尔传感器和开入接口。

6.根据权利要求1所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置的控制方法，它包括：交流区域的稳定控制方法、直流区域的稳定控制方法、交直流配电网区域稳定控制方法和对电力电子变压器和MMC的控制方法。

7.根据权利要求6所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置的控制方法，其特征在于：交流区域的稳定控制方法的交流区域平衡发电单元采用有功-频率和无功-电压幅值的下垂控制方式，k_f、k_q分别为其下垂系数，P_s,ac、Q_s,ac为交流区域总体传输的有功和无功功率，分别为系统频率和电压幅值参考值，交流区域功率发电单元的控制算法，则采用有功和无功的功率控制算法，通过功率参考值计算得到d轴电流的参考值，无功参考为0，得到q轴电流参考也为0，内环采用dq电流比例积分解耦控制，然后经过坐标变换得到交流参考电压v_ref。

8.根据权利要求6所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置的控制方法，其特征在于：直流区域的稳定控制方法的直流区域平衡发电单元采用下垂控制算法，P_s,dc为平衡单元传输的有功功率，k_dc为下垂系数，u_dc为直流区域配电网电压，U_B,dc为母线电压的额定值，i_s,ref为内环电流控制的参考电流；直流区域功率发电单元的控制算法采用固定功率控制算法，P_pset为有功功率的设定值，除以电压u_p,dc得到电流的参考值i_ref，然后经过PI控制得到占空比d，经过PWM调制完成控制。

9.根据权利要求6所述的一种交直流配电网区域稳定控制装置的控制方法，其特征在于：对于交流、直流区域交互的电力电子变压器或MMC，各子系统相互支撑能力的功率控制采用下式实现：

式中，ΔP_ap,ac为交直流配电网对外总体交换功率,k_ac、k_dc为功率支撑系数，为交流区域的额定角频率，ω_ac为交流区域的实时角频率，为直流区域的额定电压，u_dc为直流区域的实时电压；

对于电力电子变压器和MMC的控制分为外环控制和内环控制；

所述在外环控制中，通过下述公式满足功率调度

式中，和P_IC,ac分别为电力电子变压器和MMC互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率，G_dp,dc(s)为外环控制中的PI控制器；通过上述控制得到功率参考增量ΔP_dp,ac；通过外环控制获得功率参考值增量后，再经内环功率闭环控制，实现互联装置输出功率跟踪给定功率值；

内环控制采用具有模拟惯性环节的电压源型控制方式，在互联功率控制、直流电压控制和交流电压/频率控制模式间实现切换，无需切换控制系统。