CN108631293B - 一种直流配网用dc/dc变换器运行模式及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，根据直流配网典型拓扑中的不同应用场景，确定DC/DC变换器采用自由传输模式或定功率模式，使得DC/DC变换器两侧功率自由传输或维持恒定，能够满足不同应用场景下DC/DC变换器的运行需求。本发明提出的直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，控制结构简单，控制目标全面，为直流配网用DC/DC变换器提供了合适的运行模式参考和实际的运行控制策略。
Description
技术领域
本发明属于直流配电网控制运行领域，具体涉及一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法。
背景技术
随着社会经济发展和城市化进程的不断推进，配电网的规模在不断扩大，用电需求迅速增长,传统配电网正面临着关键节点短路电流超标以及重要区域无功支撑不足等问题。另一方面，大规模可再生能源与分布式能源发展迅速并大量接入电网，考虑到可再生能源的间歇性、随机性特点，迫切要求提髙传统配电网的电力装备、电网结构和运行技术等接纳可再生能源的能力。随着配电网的进一步发展，传统配电网技术将无法满足运行需求，迫切需要采用新技术主动应对越来越严峻的挑战。
与传统交流配网技术相比，直流配网技术在提髙电网控制灵活性、限制同步电网规模、降低电网复杂度、减少电网损耗等诸多方面具有优势。特别是基于电压源型换流器的柔性直流(VSC-HVDC)技术，具有输电容量大、可控性好、控制迅速、不增加系统短路电流、具备动态无功补偿、良好的可再生能源消纳能力和改善电能质量能力以及环境友好等优点于一身，是应对跨区大容量电力传输及交易、城市电网改造，提升供电可靠性和安全性、满足分布式新能源开发、并网和利用等问题有效手段。
针对直流配网目前尚无统一的电压标准，主流电压等级包括±100kV、±10kV和400V等。由于直流配电网中存在多种电压等级，这将为直流配网的互联提出挑战。直流配网不能像交流配网那样采用磁耦合变压器实现电压的变换和能量的传输，必须使用DC/DC变换器实现不同电压等级直流配网间的电压变换、能量交换和电气隔离。
目前，对直流配网用DC/DC变换器的研究主要集中在电路拓扑、仿真计算方面，而对DC/DC变换器在直流配网中的运行模式与控制方法研究较少。随着电力电子技术的迅速发展，直流配网用DC/DC变换器的工业应用已进入起步阶段，对其运行模式与控制方法的研究具有十分重要的指导意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，本发明可满足不同应用场景下直流配网用DC/DC变换器的运行需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，基于直流配网典型拓扑，所述典型拓扑包括中压直流配网，所述中压直流配网通过DC/DC变换器或换流站连接低压直流配网、风力发电、储能设备、交流负荷与直流负荷；
所述DC/DC变换器为DC-AC-DC式DC/DC变换器拓扑，该拓扑由DC-AC换流器、AC-DC换流器及中频变压器构成；DC-AC换流器采用定交流电压控制以维持变换器内部交流电压稳定；AC-DC换流器采用自由传输模式或定功率模式，使得DC/DC变换器两侧功率自由传输或维持恒定。
进一步的，所述中压直流配网包括但不限于两端型、辐射型或环网型结构。
进一步的，所述低压直流配网包含一个或多个换流站，存在分布式能源。
进一步的，所述风力发电为直流配网周围的风电场。
进一步的，所述储能设备包括但不限于电动汽车和燃气轮机。
一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，根据直流配网的应用场景，确定DC/DC变换器采用自由传输模式或定功率模式，使得DC/DC变换器两侧功率自由传输或维持恒定。
进一步的，自由传输模式适用于低压侧含新能源或储能接入的直流网络的连接，直流配网用DC/DC变换器采用定直流电压控制，两侧功率自由传输，功率传输的大小与方向由两侧系统的功率交换决定。
进一步的，在自由传输模式下，传输功率应在DC/DC变换器额定功率范围内，若需要传输的功率超过额定功率，DC/DC变换器传输功率保持为额定功率不变。
进一步的，定功率模式适用于低压侧直流负荷相对固定的直流网络的连接，直流配网用DC/DC变换器采用定有功功率控制，两侧传输功率的大小与方向恒定。
进一步的，在定功率模式下，若所连低压侧出现较大扰动，需对DC/DC变换器进行功率调整，包括两种调整方法：正常调整方法与自动调整方法。
更进一步的，在正常调整方法下，监测DC/DC变换器所连低压侧的功率传输状态，若低压侧出现的扰动ΔP超出低压侧所能承受的最大扰动Pmax，计算低压侧的功率缺额，重新设定DC/DC变换器的功率参考值，由中压直流配网消纳低压侧的不平衡功率，经过一个调整周期，系统恢复功率平衡，低压侧直流电压返回额定值。
更进一步的，为避免上述正常调整方法因通信中断而失败，加入自动调整方法：在DC/DC变换器本地控制中加入下垂控制，监测其低压侧的直流电压值，若直流电压值变化量ΔU超过门槛值Uth，本地控制自动启动，DC/DC变换器自动进入下垂控制，DC/DC换流器的功率参考值将加入直流电压变化引起的附加量。
更进一步的，自动调整方法下，门槛值Uth设置需要满足两个条件：(1)应保证在正常调整方法过程中不启动自动调整方法，即门槛值Uth须保证大于正常调整方法过程中的电压波动最大值；(2)门槛值Uth须在直流电压偏差允许值以内。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明提出的直流配网用DC/DC变换器的运行模式及控制方法，顺应未来直流配网发展趋势，具有技术前瞻性。
2.本发明提出的自由传输模式与定功率模式能够满足不同应用场景下DC/DC变换器的运行需求。
3.本发明提出的功率调整方法适应不同工况下DC/DC变换器的运行，且在通信中断时也能正常动作。
4.本发明提出的直流配网用DC/DC变换器的运行模式及控制方法，控制结构简单，控制目标全面，为直流配网用DC/DC变换器提供了合适的运行模式参考和实际的运行控制策略。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明给出的直流配网典型拓扑示意图；
图2为本发明中的直流配网用DC/DC变换器示意图；
图3为本发明所提的直流配网用DC-DC变换器的运行模式示意图；
图4为本发明所提的直流配网用DC-DC变换器正常调整方法示意图；
图5为本发明所提的直流配网用DC/DC变换器下垂控制示意图；
图6为本发明所提的直流配网用DC/DC变换器功率调整示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例从以下几个方面进行详细描述：
(1)：给出一种含DC/DC变换器的直流配网典型拓扑，该拓扑涵盖多种网络连接形式和DC/DC变换器应用场景。
(2)：为了适应DC/DC变换器两侧功率传输灵活的应用场景，提出自由传输模式，该模式下DC/DC变换器两侧功率自由传输，功率传输的大小与方向由两侧系统的功率交换决定。
(3)：为了适应DC/DC变换器两侧功率传输较固定的应用场景，提出定功率模式，该模式下变换器两侧传输功率维持恒定。
(4)：定功率模式下DC/DC变换器低压侧发生较大扰动时需进行功率调整，提出定功率模式下的正常调整方法，所述正常调整方法依赖通信。
(5)：若出现通信中断，为保证DC/DC变换器仍能完成功率调整，提出自动调整方法。
如图1所示，为直流配电网典型拓扑，由中压直流配网，低压直流配网，换流站，储能设备，风力发电，交流负荷，直流负荷及DC/DC变换器构成。所述中压直流配网拓扑可为不同结构，如两端型、辐射型、环网型等；所述低压直流配网包含一个或多个换流站，存在分布式能源如分布式光伏；所述风力发电为直流配网周围的小型风电场；所述储能设备包括多种形式如电动汽车，小型燃气轮机等；所述交、直流负荷为配网中的交、直流负荷。
由于直流配网用DC/DC变换器需实现较高变比并具备电气隔离特性，所述直流配网用DC/DC变换器采用图2所示的DC-AC-DC式DC/DC变换器拓扑，该拓扑由DC-AC换流器、AC-DC换流器及中频变压器构成。其中，DC-AC换流器一般采用定交流电压控制以维持变换器内部交流电压稳定；AC-DC换流器可采用不同控制方式，故以下提及的DC-DC变换器控制方式均指AC-DC换流器的控制方式。
由于直流配网用DC-DC变换器存在多种应用场景，本发明基于不同应用场景需求提出直流配网用DC/DC变换器的2种运行模式，如图3所示。
模式1：自由传输模式：直流配网用DC/DC变换器采用定直流电压控制，两侧功率自由传输，功率传输的大小与方向由两侧系统的功率交换决定。该模式功率输出灵活，适用于低压侧含新能源或储能接入的直流网络的连接，如图1中连接储能设备及低压直流配网的DC/DC变换器。
模式2：定功率模式：直流配网用DC/DC变换器采用定有功功率控制，两侧传输功率的大小与方向恒定。该模式适用于低压侧直流负荷相对固定的直流网络的连接，如图1中连接直流负荷的DC/DC变换器。
DC/DC变换器工作在自由传输模式时，传输功率应在DC/DC变换器额定功率范围内，即传输功率应满足：
|Pdc/dc|≤Prated
1)
其中，Pdc/dc为DC/DC变换器传输的功率，Prated为DC/DC变换器的额定功率。为了保证设备安全，自由传输模式下DC/DC变换器设置功率限值，若需要传输的功率超过额定功率，DC/DC变换器传输功率保持为额定功率不变。
DC/DC变换器工作在定功率模式时，正常运行时传输功率的大小与方向恒定。若所连低压侧出现较大扰动，低压侧系统无法维持功率平衡，此时需对DC/DC变换器进行功率调整，即改变DC/DC变换器的功率参考值。
如图4所示为正常调整方法的流程。信号监测系统监测DC/DC变换器所连低压侧的功率传输状态，若低压侧出现的扰动ΔP超出低压侧所能承受的最大扰动Pmax，若不进行调整低压侧将无法维持功率平衡。此时，信号监测系统将发送功率调整信号给控制中心，控制中心计算低压侧的功率缺额，重新设定DC/DC变换器的功率参考值，由中压直流配网消纳低压侧的不平衡功率，经过一个调整周期，系统恢复功率平衡，低压侧直流电压返回额定值。
以上功率调整过程称为正常调整方法，由于正常调整方法需要依赖通信，当通信中断时，功率调整将无法完成，可能造成DC/DC变换器所连低压侧失去控制。因此，设置自动调整方法，作为正常调整方法失败的后备。
为实现自动调整方法，在DC/DC变换器本地控制中加入如图5所示的下垂控制。自动调整方法的步骤如下，DC/DC本地监测系统监测其低压侧的直流电压值，若直流电压值变化量ΔU超过门槛值Uth，本地控制自动启动，DC/DC变换器自动进入下垂控制，DC/DC换流器的功率参考值将加入直流电压变化引起的附加量，即
其中Pnew为DC/DC变换器新的功率参考值，P0为原功率参考值，K为下垂斜率。
自动调整方法中门槛值Uth设置需要满足两个条件。一方面，应保证在正常调整方法过程中不启动自动调整方法，即门槛值Uth须保证大于正常调整方法过程中的电压波动最大值：
Uth＞ΔUnormal
3)
其中，ΔUnormal为正常调整方法过程中的最大电压波动值。
另一方面，门槛值Uth须在直流电压偏差允许值以内，即Uth取值应满足
Uth＜ΔUmax-δ
4)
其中，ΔUmax为所在低压直流配网的最大允许电压偏差；由于上述计算未考虑直流线路的电压损耗，对于线路较长的节点，其直流电压跌落较大，故增加一个安全裕度δ，以确保所有节点的直流电压均在允许值内。
与正常调整方法相比，自动调整方法存在两点劣势：1)无法将低压侧的直流电压返回额定值，而仅能运行在下垂控制的电压值上；2)动作时间较慢，一般需要在正常调整方法失败后才能启动。但是，由于自动调整方法为正常调整方法失败的后备，控制精度与快速性要求较低，且能避免低压侧系统失去控制，因此其控制效果能够满足运行要求。
图6为DC/DC变换器工作在定功率模式下的功率调整流程图，当所连低压侧无法维持功率平衡时，信号监测中心向控制中心发送功率调整信号，控制中心经过计算下发DC/DC变换器新的功率参考值，经过一个调整周期低压侧功率恢复平衡；若上述正常调整方法失败，低压侧由于功率不平衡直流电压持续改变，直流电压越过下垂控制门槛值后，本地控制中的下垂控制自动启动，DC/DC变换器的传输功率响应直流电压的变化而改变，经过一个调整周期低压侧恢复平衡。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，其特征是：直流配网典型拓扑包括中压直流配网，所述中压直流配网通过DC/DC变换器或换流站连接低压直流配网、风力发电、储能设备、交流负荷与直流负荷；
所述DC/DC变换器为DC-AC-DC式DC/DC变换器拓扑，该拓扑由DC-AC换流器、AC-DC换流器及中频变压器构成；DC-AC换流器采用定交流电压控制以维持变换器内部交流电压稳定；AC-DC换流器采用自由传输模式或定功率模式，使得DC/DC变换器两侧功率自由传输或维持恒定；
所述定功率模式适用于低压侧直流负荷相对固定的直流网络的连接，直流配网用DC/DC变换器采用定有功功率控制，两侧传输功率的大小与方向恒定；
在定功率模式下，若所连低压侧出现较大扰动，需对DC/DC变换器进行功率调整，包括两种调整方法：正常调整方法与自动调整方法；
为避免上述正常调整方法因通信中断而失败，加入自动调整方法，即在DC/DC变换器本地控制中加入下垂控制，监测其低压侧的直流电压值，若直流电压值变化量ΔU超过门槛值Uth，本地控制自动启动，DC/DC变换器自动进入下垂控制，DC/DC换流器的功率参考值将加入直流电压变化引起的附加量；
自由传输模式适用于低压侧含新能源或储能接入的直流网络的连接，直流配网用DC/DC变换器采用定直流电压控制，两侧功率自由传输，功率传输的大小与方向由两侧系统的功率交换决定；
在自由传输模式下，传输功率应在DC/DC变换器额定功率范围内，若需要传输的功率超过额定功率，DC/DC变换器传输功率保持为额定功率不变。
2.如权利要求1所述的一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，其特征是：所述中压直流配网拓扑包括但不限于两端型、辐射型或环网型；
所述低压直流配网包含一个或多个换流站，存在分布式能源；
所述风力发电的设备为直流配网周围的风电场；
所述储能设备包括但不限于电动汽车和燃气轮机。
3.一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，其特征是：根据直流配网的应用场景，确定DC/DC变换器采用自由传输模式或定功率模式，使得DC/DC变换器两侧功率自由传输或维持恒定；
所述定功率模式适用于低压侧直流负荷相对固定的直流网络的连接，直流配网用DC/DC变换器采用定有功功率控制，两侧传输功率的大小与方向恒定；
在定功率模式下，若所连低压侧出现较大扰动，需对DC/DC变换器进行功率调整，包括两种调整方法：正常调整方法与自动调整方法；
为避免上述正常调整方法因通信中断而失败，加入自动调整方法，即在DC/DC变换器本地控制中加入下垂控制，监测其低压侧的直流电压值，若直流电压值变化量ΔU超过门槛值Uth，本地控制自动启动，DC/DC变换器自动进入下垂控制，DC/DC换流器的功率参考值将加入直流电压变化引起的附加量；
自由传输模式适用于低压侧含新能源或储能接入的直流网络的连接，直流配网用DC/DC变换器采用定直流电压控制，两侧功率自由传输，功率传输的大小与方向由两侧系统的功率交换决定；
在自由传输模式下，传输功率应在DC/DC变换器额定功率范围内，若需要传输的功率超过额定功率，DC/DC变换器传输功率保持为额定功率不变。
4.如权利要求3所述的一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，其特征是：在正常调整方法下，监测DC/DC变换器所连低压侧的功率传输状态，若低压侧出现的扰动ΔP超出低压侧所能承受的最大扰动Pmax，计算低压侧的功率缺额，重新设定DC/DC变换器的功率参考值，由中压直流配网消纳低压侧的不平衡功率，经过一个调整周期，系统恢复功率平衡，低压侧直流电压返回额定值。
5.如权利要求3所述的一种直流配网用DC/DC变换器运行模式及控制方法，其特征是：自动调整方法下，功率调整中门槛值Uth设置需要满足两个条件：(1)应保证在正常调整方法过程中不启动自动调整方法，即门槛值Uth须保证大于正常调整方法过程中的电压波动最大值；(2)门槛值Uth须在直流电压偏差允许值以内。
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