CN109038642B - 一种自储能多端柔直系统控制方法和装置 - Google Patents

一种自储能多端柔直系统控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自储能多端柔直系统控制方法和装置，在建立自储能多端柔直系统数学模型的基础上，提出了基于电压裕度控制的协调控制策略，对系统典型的运行模式设计控制策略，详细分析系统的工作原理，使系统在不同工况均能稳定运行。设计指令滤波反推电压控制器，解决了系统模式切换导致的功率振荡与电压波动问题，提高了系统的鲁棒性与动态响应性能。仿真验证了所提方法的可行性与有效性，为自储能多端柔直系统协调控制提供了理论依据和技术支持。

Description

一种自储能多端柔直系统控制方法和装置
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种自储能多端柔直系统控制方法和装置。
背景技术
配电网上联电网主网架，下联千企万户，是连接主网、各类用户和分布式能源的关键环节。近年来，我国电力工业蓬勃发展，各级电网结构得到了显著加强。然而，随着经济社会的持续高速发展，高可靠性供电、高渗透率分布式能源友好接入对配电网建设运行提出了更高要求。与传统两端柔性直流输电系统相比，多端背靠背柔性直流输电系统在灵活性和可靠性方面具有较大优势。储能技术作为时间轴的“能量容器”，具有对功率和能量的时间迁移能力，可起到削峰填谷、平衡功率、对母线电压提供支撑的功能，将储能与多端柔直系统进行有机融合，可更好地解决多端柔直系统的协调问题，系统运行更加灵活、稳定。
目前，国内外对直流输电系统的研究多集中在拓扑结构与换流器的控制，尚未见成熟的控制策略。多端柔直系统的常见控制策略有主从控制、电压裕度控制、下垂控制三种控制方式。主从控制是选取一个换流器作为主换流器定直流电压控制，其它换流器各自按指令功率进行定功率控制，主换流器故障退出运行时由一从换流器切换为定直流电压控制成为新的主换流器，该控制方式需要通讯，主换流器调节压力比较大。电压裕度控制是主从控制的优化，当系统无法维持直流电压，直流电压偏差达到设定裕度时，由一从换流器切换为定直流电压控制成为新的主换流器，这种控制方式不依赖通信，但是直流电压波动比较大。下垂控制所有换流器根据各自换流器的功率和直流电压的斜率关系来共同稳定直流电压与功率平衡，该方法不需要通信，但系统运行误差较大，斜率设计较为复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种自储能多端背靠背柔直控制方法和装置，解决了系统模式切换导致的功率振荡与电压波动问题，提高了系统的鲁棒性与动态响应性能。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种自储能多端柔直系统控制方法，所述自储能多端柔直系统包括第一换流器和若干个第二换流器，所述第一换流器设于储能端口；所述第二换流器设于柔直端口；将其中一个第二换流器设为主换流器，将其余的第二换流器设为第二从换流器，将第一换流器设置为第一从换流器；所有换流器的直流侧公用；所述控制方法包括：
获取自储能多端柔直系统的数据；根据获得的自储能多端柔直系统的数据，判断自储能多端柔直系统的工作模式；
以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，所述设定的控制策略为定直流电压控制、定功率控制、下垂控制中的任一种。
进一步地，所述自储能多端柔直系统为自储能多端背靠背柔直系统，所述第一换流器和系统中其他所有第二换流器的直流侧通过并联方式连接；
所述自储能多端柔直系统的数据包括自储能多端背靠背柔直系统的数学模型；所述自储能多端背靠背柔直系统的数学模型具体为：
Figure GDA0001833511780000021
式中，C表示直流侧电容，Udc表示直流母线电压，
Figure GDA0001833511780000022
表示电压Udc对时间t导数，Usdi、idi分别表示柔直端口处的换流器交流电压与电流的d轴分量，Ub表示储能装置出口电压，ib表示储能装置出口侧电流。
进一步地，所述的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当判断出直流电压波动的幅度在设定范围内，系统的工作模式为稳态运行模式，则：
对主换流器采用定直流电压控制策略控制，由主换流器完成系统功率平衡；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当直流电压波动范围在设定的第一阈值范围内时，对第一从换流器采用定功率控制策略控制；当直流电压波动超出设定的第一阈值范围时，对第一从换流器采用下垂控制策略控制，第一从换流器通过充放电调节功率波动对直流电压的影响，第一从换流器补偿部分缺额功率，当第一从换流器处于待命状态时可通过定功率参与配电网优化运行。
进一步地，所述下垂控制策略中，下垂特性曲线表示为：
Udc＝Udcref+K(P-Pref)
式中，Udc表示直流母线电压，Udcref为直流母线电压参考值，K为有功调节系数，P为实际功率值，Pref为指令功率值。
进一步地，所述的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当判断出系统功率波动超出主换流器调节裕度时，系统的工作模式为非稳态运行模式，则：
主换流器退出定直流电压控制模式，进入限流模式，直流电压上升或者下降；
当直流电压波动到第二设定阈值或第三设定阈值时，第一从换流器取代主换流器，对其采用定直流电压控制策略控制；其中，所述的第二设定阈值大于第三设定阈值；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当原主换流器满足稳定运行条件时，自储能多端柔直系统的工作模式恢复为稳态运行模式，则运用对应的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，同时，储能装置进行荷电状态恢复。
进一步地，所述的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器具体包括：
当主换流器因故障退出运行，直流电压跌落至第三设定阈值时，对第一从换流器采用定直流电压控制策略控制；
当直流电压继续跌落至第四设定阈值时，所述第四设定阈值小于第三设定阈值，主换流器因故障退出运行，系统的直流电压由其中一个第二从换流器控制，并对该第二从换流器采用定直流电压控制策略控制，其它第二从换流器仍采用定功率控制策略控制；
当主换流器的故障消除重新投入运行时，系统可恢复至稳态运行模式。
进一步地，当主换流器因故障退出运行，系统中与所述第一换流器相连的储能装置以最大功率放电平衡部分缺额功率，所述储能装置需设定SOC限值，当储能装置达到SOC限值且系统故障仍未消除时，储能装置退出最大功率运行模式，并立即进行SOC恢复，其中，储能装置的荷电状态与充放电功率维持在设定范围内，约束条件为：
SOCmin≤SOC(ti)≤SOCmax
Figure GDA0001833511780000031
-Pchmax≤PB(ti)≤Pdismax
式中，SOC(ti)、SOC(ti-1)分别表示ti、ti-1时刻储能装置的荷电状态值，PB(ti)为ti时刻储能装置输出有功功率，QB为储能装置额定容量，Δt为时间步长，SOCmax、SOCmin分别为储能装置荷电状态的上下限，Pchmax、Pdismax分别为储能装置所允许的最大充放电功率。
进一步地，所述定直流电压控制策略中采用反推法设计控制器，且在控制器的设计过程中引入指令滤波器和自适应控制，并对自储能多端柔直系统中的自适应参数进行优化。
进一步地，所述采用反推法设计控制器的控制率为：
Figure GDA0001833511780000041
Figure GDA0001833511780000042
式中，Urd1、Urq1分别为换流器交流侧出口电压矢量d轴和q轴的分量，
Figure GDA0001833511780000043
Figure GDA0001833511780000044
C代表电容，R代表电阻，L代表电感；id1、iq1分别为换流器交流侧电流矢量d轴和q轴的分量，ω为电网角频率，k1、k2、k3为大于0的可调参数；
Figure GDA0001833511780000045
为电流参考值，
Figure GDA0001833511780000046
为考虑了指令滤波器误差的影响的电压跟踪误差，Usd1、Usq1分别为电压源换流器网侧电压矢量d轴和q轴的分量；z2和z3为电流跟踪误差。
进一步地，所述不确定参数的自适应律设计为：
Figure GDA0001833511780000047
Figure GDA0001833511780000048
Figure GDA0001833511780000049
式中，γ1、γ2、γ3为误差系数，Usdi、idi表示交流电压与电流的d轴分量。
第二方面，本发明提供了一种自储能多端柔直系统控制装置，所述自储能多端柔直系统包括第一换流器和若干个第二换流器，所述第一换流器设于储能端口；所述第二换流器设于柔直端口；将其中一个第二换流器设为主换流器，将其余的第二换流器设为第二从换流器，将第一换流器设置为第一从换流器；所有换流器的直流侧公用；所述控制装置包括：
数据获取模块，用于获取自储能多端柔直系统的数据；
判断模块，用于根据获得的自储能多端柔直系统的数据，判断自储能多端柔直系统的工作模式；
执行模块，用于以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，所述设定的控制策略为定直流电压控制、定功率控制、下垂控制中的任一种。
进一步地，所述自储能多端柔直系统为自储能多端背靠背柔直系统；所述第一换流器和系统中其他所有第二换流器的直流侧通过并联方式连接；
所述自储能多端柔直系统的数据包括获取自储能多端背靠背柔直系统的数学模型；所述自储能多端背靠背柔直系统的数学模型具体为：
Figure GDA0001833511780000051
式中，C表示直流侧电容，Udc表示直流母线电压，
Figure GDA0001833511780000052
表示电压Udc对时间t导数，Usdi、idi分别表示柔直端口处的换流器交流电压与电流的d轴分量，Ub表示储能装置出口电压，ib表示储能装置出口侧电流。
进一步地，所述执行模块中的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当判断出直流电压波动的幅度在设定范围内时，系统的工作模式为稳态运行模式，则：
对主换流器采用定直流电压控制策略控制，由主换流器完成系统功率平衡；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当直流电压波动范围在设定的第一阈值范围内时，对第一从换流器采用定功率控制策略控制；当直流电压波动超出设定的第一阈值范围时，对第一从换流器采用下垂控制策略控制，第一从换流器通过充放电调节功率波动对直流电压的影响，第一从换流器补偿部分缺额功率，当第一从换流器处于待命状态时可通过定功率参与配电网优化运行。
进一步地，所述下垂控制策略中，下垂特性曲线表示为：
Udc＝Udcref+K(P-Pref)
式中，Udc表示直流母线电压，Udcref为直流母线电压参考值，K为有功调节系数，P为实际功率值，Pref为指令功率值。
进一步地，所述执行模块中的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当判断出系统功率波动超出主换流器调节裕度时，系统的工作模式为非稳态运行模式，则：
主换流器退出定直流电压控制模式，进入限流模式，直流电压上升或者下降；
当直流电压波动到第二设定阈值或第三设定阈值时，第一从换流器取代主换流器，对其采用定直流电压控制策略控制；其中，所述的第二设定阈值大于第三设定阈值；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当原主换流器满足稳定运行条件时，自储能多端柔直系统的工作模式恢复为稳态运行模式，则运用对应的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，同时，储能装置进行荷电状态恢复。
进一步地，所述执行模块中的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当主换流器因故障退出运行，直流电压跌落至第三设定阈值时，对第一从换流器采用定直流电压控制策略控制；
当直流电压继续跌落至第四设定阈值时，所述第四设定阈值小于第三设定阈值，主换流器因故障退出运行，系统的直流电压由其中一个第二从换流器控制，并对该第二从换流器采用定直流电压控制策略控制，其它第二从换流器仍采用定功率控制策略控制；
当主换流器的故障消除重新投入运行时，系统可恢复至稳态运行模式。
进一步地，当主换流器因故障退出运行，系统中与所述第一换流器相连的储能装置以最大功率进行输出，所述储能装置需设定SOC限值，当储能装置达到SOC限值且系统故障仍未消除时，储能装置退出最大功率运行模式，并立即进行SOC恢复，其中，储能装置的荷电状态与充放电功率维持在设定范围内，约束条件为：
SOCmin≤SOC(ti)≤SOCmax
Figure GDA0001833511780000061
-Pchmax≤PB(ti)≤Pdismax
式中，SOC(ti)、SOC(ti-1)分别表示ti、ti-1时刻储能装置的荷电状态值，PB(ti)为ti时刻储能装置输出有功功率，QB为储能装置额定容量，Δt为时间步长，SOCmax、SOCmin分别为储能装置荷电状态的上下限，Pchmax、Pdismax分别为储能装置所允许的最大充放电功率。
进一步地，所述定直流电压控制策略中采用反推法设计控制器，且在控制器的设计过程中引入指令滤波器和自适应控制，并对自储能多端柔直系统中的自适应参数进行优化。
进一步地，所述采用反推法设计控制器的控制率为：
Figure GDA0001833511780000062
Figure GDA0001833511780000063
式中，Urd1、Urq1分别为换流器交流侧出口电压矢量d轴和q轴的分量，
Figure GDA0001833511780000064
Figure GDA0001833511780000065
C代表电容，R代表电阻，L代表电感；id1、iq1分别为换流器交流侧电流矢量d轴和q轴的分量，ω为电网角频率，k1、k2、k3为大于0的可调参数；
Figure GDA0001833511780000066
为电流参考值，
Figure GDA0001833511780000067
为考虑了指令滤波器误差的影响的电压跟踪误差，Usd1、Usq1分别为电压源换流器网侧电压矢量d轴和q轴的分量；z2和z3为电流跟踪误差。
进一步地，所述不确定参数的自适应律设计为：
Figure GDA0001833511780000071
Figure GDA0001833511780000072
Figure GDA0001833511780000073
式中，γ1、γ2、γ3为误差系数，Usdi、idi表示交流电压与电流的d轴分量。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在建立自储能多端柔直系统数学模型的基础上，提出了基于电压裕度控制的协调控制策略。对系统三种典型运行模式设计控制策略，详细分析系统的工作原理，使系统在不同工况均能稳定运行。设计指令滤波反推电压控制器，解决了系统模式切换导致的功率振荡与电压波动问题，提高了系统的鲁棒性与动态响应性能。仿真验证了所提方法的可行性与有效性，为自储能多端背靠背柔直协调控制提供了理论依据和技术支持。
附图说明
图1为本发明一种实施例中的SES-MBTB系统结构示意图；
图2为本发明一种实施例中的VSC拓扑结构示意图；
图3为本发明一种实施例中的工作模式基本原理图；
图4为本发明一种实施例中的储能装置控制方式示意图；
图5为本发明一种实施例中的从换流器1控制方式示意图；
图6为本发明一种实施例中的指令滤波器结构示意图；
图7为本发明一种实施例中的电压控制器控制框图；
图8(a)为本发明一种实施例中的运行模式1仿真结果示意图之一；
图8(b)为本发明一种实施例中的运行模式1仿真结果示意图之二；
图9(a)为本发明一种实施例中的运行模式2仿真结果示意图之一；
图9(b)为本发明一种实施例中的运行模式2仿真结果示意图之二；
图10(a)为本发明一种实施例中的运行模式3仿真结果示意图之一；
图10(b)为本发明一种实施例中的运行模式3仿真结果示意图之二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明提出的自储能多端柔直系统控制方法和装置，其研究了储能装置与多端柔直系统的统一协调控制，主要发明思路为：对传统的主从、电压裕度、下垂等控制策略进行合理组合，分别设计主从换流器与储能装置的工作曲线，通过合理的控制方法使自储能多端柔直系统稳定运行在不同工况下，并设计了自适应指令滤波反推电压控制器，解决了自储能多端柔直系统模式切换导致的功率振荡与电压波动问题，提高了自储能多端柔直系统的鲁棒性与动态响应性能；最后搭建了仿真模型，针对不同工况进行了仿真研究，验证了本发明所提方法的可行性与有效性。
步骤一、建立自储能多端柔直系统的数学模型
柔性直流输电系统分为串、并、混联三种接线方式，本发明实施例中提出的自储能多端柔直系统(self-energy storage based multiport back-to-back VSC-HVDC，SES-MBTB)采用的是并联方式，省略了直流线路环节，系统中所有的换流器的直流侧共用，有利于系统直流侧电压的稳定，控制简单灵活且易于拓展。为了便于对本发明的控制策略进行说明，在本发明的具体实施例中，以五端口SES-MBTB系统为例进行详细说明，所述的五端口SES-MBTB系统的结构拓扑如图1所示。
该柔性直流输电系统包括4端柔直端口(用于连接换流器VSC)和1端储能端口(用于连接储能装置)，直流侧并联于同一直流母线，柔直端口交流侧分别与配电网各馈线相连，实现多条馈线之间的柔性互联(交-直-交解耦)，图1中的DC/DC换流器实用于现储能装置的充放电控制，从而使SES-MBTB系统增加了能量的时序调节能力，成为高度集成的综合能量变换装置。正常运行状态下，系统中只有一个柔直端口工作在定直流电压控制策略下，其余柔直端口按照最优运行调度指令实现馈线间的有功灵活交换和无功独立控制。储能装置用于起削峰填谷、平衡系统功率、降低主换流器调节压力的作用。各换流器 VSC以注入交流网络的功率为正方向，换流器拓扑结构如图2所示。
由图2可得VSC换流器的数学模型，以VSC1为例，为实现有功、无功功率的解耦控制，在dq同步旋转坐标系下可表示为：
Figure GDA0001833511780000081
Figure GDA0001833511780000082
式中，L、R分别为交流电抗器等效电抗与等效电阻，id1、iq1分别为网侧电流矢量d轴和q轴的分量，
Figure GDA0001833511780000083
分别表示电流id1、iq1对时间t的导数，ω为电网角频率，Usd1、Usq1分别为网侧电压矢量d轴和q轴的分量，Urd1、Urq1分别为换流器交流侧出口电压矢量 d轴和q轴的分量，本发明中的网侧一般指的是交流网；由于d轴通过锁相环位于电网电压矢量方向上，所以Usd1＝Us，Us表示电网电压，Usq1＝0，电压源换流器交流出口电抗器主要起限流与滤波作用，实际电抗器呈弱阻性，电阻R很小，损耗可不计，电压源换流器吸收的有功功率和无功功率可以表示为：
Figure GDA0001833511780000091
Figure GDA0001833511780000092
由式(3)和(4)可知，通过对电压源换流器交流侧电流dq轴分量的控制，可以独立地控制有功功率和无功功率。
以储能装置充电为正方向，数学模型如下：
Figure GDA0001833511780000093
式中，Lb为等效阻抗，ib为储能装置出口侧电流，
Figure GDA0001833511780000094
表示电流ib对时间t的导数，Urb＝dUdc，其中d为占空比，Urb为储能装置桥臂侧电压，Ub为储能装置出口电压，Rb为等效电阻。
不计换流器损耗，自储能多端柔直系统交直流两端功率平衡，得到自储能背靠背多端柔直系统的数学模型具体为：
Figure GDA0001833511780000095
式中，C为直流侧电容，Udc为直流母线电压，Usdi、idi分别表示交流电压与电流的d轴分量，Ub、ib分别为储能装置的出口电压和电流。
由式(6)可知通过对电流的控制可维持直流电压的稳定，稳态运行模式下，直流电压保持恒定
Figure GDA0001833511780000096
可知系统流入功率等于流出功率，所以为了自储能多端柔直系统有功功率的平稳传输，必须保持直流电压的稳定。当功率失衡时直流电压会出现波动，由定直流电压控制的主换流器是一个具有有限容量的功率平衡点，储能装置的充放电特性可减弱功率不平衡对直流电压的影响，降低主换流器的调节压力。
步骤二、设计系统的协调控制策略
鉴于系统的集中精准化控制要求，考虑配电网可能的故障和冲击负荷扰动对直流母线电压的影响，结合储能装置对母线电压的支撑能力，设计一种基于电压裕度控制的协调控制策略。在本发明中，定义以定直流母线电压为控制目标的换流器为主换流器，由于主换流器是直流电压的一级控制单元，在稳态运行时同时承担着平衡系统功率的作用，所以首先需基于各端口所联馈线容量、负荷性质、分布式电源渗透率，馈线及其上级电网的历史故障率，优先选取主换流器，将系统中与储能装置相连的DC/DC换流器(即第一换流器) 作为第一从换流器，系统中的其它换流器为第二从换流器。各换流器和储能装置的具体工作原理如图3所示。
图3中PM_max、PM_min为主换流器输出功率的上下限值，PB_max、PB_min为储能装置的充放电功率限值，PS_max、PS_min为从换流器1输出功率的上下限值，PM、PB、PS分别为主换流器、储能装置、从换流器1的运行功率值，三个从换流器工作特性曲线除电压裕度值不同其它参数均相同，为叙述方便，图3中仅给出从换流器1的工作特性曲线。
将其中一个第二换流器设定为主换流器，其余的第二换流器设定为第二从换流器；将与储能装置相连的DC/DC换流器设置为第一从换流器；由图3可知，根据直流电压波动的幅度，系统会工作在不同的工作模式下，可以分为如下3种工作模式：
工作模式I：稳态运行模式下，主换流器采用定直流电压控制策略控制，第二从换流器根据能量管理系统给定指令采用定功率控制策略控制，由主换流器完成系统功率平衡。当直流电压波动范围在±0.01Udc时，第一从换流器工作在定功率控制下，当直流电压波动超出±0.01Udc时，第一从换流器进入下垂控制，第一从换流器通过充放电调节功率波动对直流电压的影响，降低主换流器的调节压力，第一从换流器补偿部分缺额功率，主换流器可更快进入稳态，第一从换流器处于待命状态时可通过定功率参与配电网优化运行。主换流器功率在PM_max、PM_min之间都可以维持直流母线电压稳定，系统大部分时间都运行在此工作状态下，如图3中A点。在本发明中，对第一从换流器的控制实质上就是对储能装置的控制。
工作模式II：系统功率波动超出主换流器调节裕度，主换流器退出定直流电压控制模式，进入限流模式，直流电压上升或者下降，当直流电压波动到1.025Udc或0.975Udc，第一从换流器取代主换流器进入定直流电压控制模式，第二从换流器根据指令仍工作在定功率控制，如图3中B点，系统可以安全稳定运行，当运行指令发生变化满足原主换流器稳态运行条件时，系统可恢复至工作模式I，稳定后储能装置应进行荷电状态(state of charge，SOC)恢复。
工作模式III：主换流器故障退出运行，系统有功功率严重不平衡，直流电压发生大幅跌落，当跌落至0.975Udc，第一从换流器应切换为定直流电压控制，但第一从换流器此时已不足以补偿功率缺额，储能装置以最大功率充放电平衡部分缺额功率，电压继续下降，当电压跌落至0.95Udc，系统直流电压由第二从换流器1控制，其它第二从换流器仍采用定功率控制，如图3中C点。当故障消除主换流器重新投入运行，系统可恢复至运行模式1。储能装置需设定SOC限值，当储能装置达到SOC限值系统故障仍未消除时，为保证储能的安全性，储能装置需退出最大功率运行模式，并立即进行SOC恢复。
步骤三、设计各换流器控制方式
基于系统不同的运行状态，各换流器需采取合适的控制方式来实现系统直流电压的稳定与有功功率的平衡，下垂控制部分可以增加功率的调节范围，在系统出现扰动引起直流电压波动时平衡系统功率，图3中下垂特性曲线可表示为：
Udc＝Udcref+K(P-Pref) (7)
式中，Udcref为直流母线电压参考值，K为有功调节系数，P为实际功率值，Pref为指令功率值。
储能装置的控制方式如图4所示，控制器输出进行最大最小操作，这样可在定功率控制、下垂控制、定直流电压控制之间进行切换，得到iBref作为内环电流指令值控制储能装置充放电。所述的控制器输出进行最大最小操作为现有技术，具体为：
当电压在[0.99Udc，1.01Udc]之间时，则输出功率控制器控制第一从换流器(储能装置)，当电压在[0.975Udc，0.99Udc]之间时，则输出下垂功率控制器1控制第一从换流器，当电压达到0.975Udc时，则输出电压控制器1控制第一从换流器；当电压在[1.01Udc，1.025Udc]之间时，由输出下垂功率控制器2控制第一从换流器；当电压达到1.025Udc时，则输出电压控制器2控制第一从换流器。
储能装置可通过充放电平衡系统功率，稳定直流母线电压，但储能装置的容量有限，不能长时间工作在大功率充放电状态，为保证系统的稳定运行和储能装置的运行寿命，储能装置需避免出现过充过放情况，储能装置的荷电状态与充放电功率需要维持在一定范围。具体约束条件可表示为：
SOCmin≤SOC(ti)≤SOCmax (8)
Figure GDA0001833511780000111
-Pchmax≤PB(ti)≤Pdismax (10)
式中，SOC(ti)、SOC(ti-1)分别表示ti、ti-1时刻储能装置的荷电状态值，PB(ti)表示ti时刻储能装置输出有功功率，QB为储能装置额定容量，Δt为时间步长，SOCmax、SOCmin分别为储能装置荷电状态的上下限，Pchmax、Pdismax分别为储能装置所允许的最大充放电功率。
第二从换流器的控制方式如图5所示，根据直流母线电压的波动幅度从换流器1工作在定功率控制、定直流电压控制两种控制方式下，外环控制器通过最大最小操作得到内环电流参考值isref，内环电流控制器实现有功和电压的调节。所述的最大最小操作为现有技术，具体为：
当电压在[0.95Udc，1.05Udc]之间时，则输出功率控制器控制第二从换流器；当电压达到0.95Udc时，则输出电压控制器1控制第二从换流器；当电压达到1.05Udc时，则输出电压控制器2控制第二从换流器。
步骤四、电压控制器设计
换流器在模式切换时会出现功率振荡，直流电压会出现波动甚至越限的问题。由于 SES-MBTB系统数学模型复杂，呈高非线性，且传统PID控制存在数量多、参数难以整定、暂态性能差等问题。当系统发生大的扰动或故障工况时，直流电压会出现超调过大、响应时间长、难以快速恢复等问题，反推法作为非线性控制近年来得到了大量应用。本发明中将反推法应用于电压控制器，同时增加约束指令滤波器解决反推控制的微分膨胀和控制饱和问题，并设计补偿信号解决滤波器滤波误差，引入自适应控制保证系统对不确定参数的鲁棒性。在电压控制器中设计Lyapunov函数和虚拟控制量，所述的虚拟控制量需保证子系统的收敛性，系统由此获得较好的稳定性，解决了控制策略模式切换导致的功率振荡与直流电压波动问题，实现控制模式的平滑切换，具体地，所述电压控制器的设计如下：
首先定义电压跟踪误差：
Figure GDA0001833511780000121
式中，
Figure GDA0001833511780000122
为电压参考值；
设定第一个正定Lyapunov函数为：
Figure GDA0001833511780000123
Lyapunov函数V1的导数为：
Figure GDA0001833511780000124
式中，k1为一个大于0的可调控制参数，由式(12)虚拟控制量
Figure GDA0001833511780000125
可以表示为：
Figure GDA0001833511780000126
将式(13)代入式(12)可得
Figure GDA0001833511780000127
符合Lyapunov函数稳定性理论。
在实际控制系统中，由于电容C电阻R和电感L无法获得精确值，本发明中使用自适应估计值
Figure GDA0001833511780000131
进行替换，同时，定义估计值误差为
Figure GDA0001833511780000132
Figure GDA0001833511780000133
故式(13)可改写为：
Figure GDA0001833511780000134
为得到输出信号，需要对虚拟控制量进行求导，这不仅增加了系统的复杂度，还会增加测量噪声的影响。指令滤波器可用来解决反推控制的微分膨胀和控制饱和问题，结构如图6所示，xd为输入量，ξ为指令滤波器的阻尼，ωn为带宽，xc为输出量，
Figure GDA0001833511780000135
为输出量的导数，
Figure GDA0001833511780000136
表示积分过程，指令滤波器通过积分过程代替了虚拟控制量的求导。为此，本发明中引入了约束指令滤波器，所述的约束指令滤波器的状态空间表达式表示为：
Figure GDA0001833511780000137
其中，y1＝xc，
Figure GDA0001833511780000138
δ＝xd，SR(·)和SM(·)分别代表速率和幅值约束。如果虚拟控制量的幅值和速率大于系统所能承受的最大值，必然存在误差xc-xd，通过对带宽ωn的调整虚拟控制信号xd可以更快更准确地收敛。
当系统不能追踪实际给定值时，会造成误差累积，降低系统的动态响应性能，甚至导致系统发散，因此，在控制器设计中需要考虑指令滤波器误差的影响，重新定义电压跟踪误差为：
Figure GDA0001833511780000139
补偿信号设计为：
Figure GDA00018335117800001310
根据式(6)、(14)、(17)可得：
Figure GDA00018335117800001311
定义电流跟踪误差为：
Figure GDA00018335117800001312
Figure GDA0001833511780000141
式中，
Figure GDA0001833511780000142
为电流参考值，设计第二个正定Lyapunov函数V2为：
Figure GDA0001833511780000143
γ1、γ2、γ3为误差系数，由式(1)(2)(18)(21)可得Lyapunov函数V2的导数为：
Figure GDA0001833511780000144
其中，k1、k2、k3为大于0的可调参数；得到控制量为：
Figure GDA0001833511780000145
Figure GDA0001833511780000146
不确定参数的自适应律设计为：
Figure GDA0001833511780000147
将式(23)(24)(25)代入式(22)得：
Figure GDA0001833511780000148
由式(21)可知V2为正定函数，由式(26)可知
Figure GDA0001833511780000149
为负定函数，对电压控制器V2≥0、
Figure GDA00018335117800001410
根据Lyapunov稳定性理论，在控制量Urd1、Urq1的作用下，系统最终会渐进稳定，电压控制器控制框图如图7所示。
Figure GDA00018335117800001411
作为电压控制器的输出与其它控制器输出进行最大最小操作得到内环d轴电流的期望值，实现不同控制模式间的平滑切换。当输出为电压控制器时，在控制量的作用下，系统最终会渐进稳定，储能装置中的DC/DC电压控制器可采用相同控制策略，在控制量Urb的作用下最终会渐进稳定。
为了进一步说明本发明方法的准确性和可靠性，基于Matlab/Simulink搭建了如图1所示的五端SES-MBTB系统仿真模型。
该仿真模型的参数设置如下：直流母线电压为10kV，VSC1容量为6MW，VSC2、VSC3、VSC4容量均为5MW，并网等值电阻均为50mΩ，并网等值电感均为6mH，直流母线电容为4700μF。储能装置由容量为1MW·h的蓄电池串并联组成，充放电功率最大值为±3MW，根据系统的三种运行模式分别进行仿真验证。
运行模式1：稳态模式下，初始状态，VSC1工作在定直流电压控制下，储能装置、VSC2、VSC3、VSC4的有功功率指令值分别为-0.5MW、2MW、3MW、-1MW。0.4s时 VSC3有功功率指令值由3MW降低至1MW，0.6s时VSC2有功功率指令值由2MW增加至5MW，仿真结果如图8(a)和图8(b)所示。
由图8(a)可知，0～0.4s各换流器工作在指令功率，主换流器VSC1平衡系统有功功率，稳定直流母线电压，在0.4s与0.6s时VSC1动态补偿系统的缺额功率，由图8(b)可知直流母线电压在0.4s与0.6s两个时刻波动范围超过±0.01Udc后在控制器调节下迅速稳定在10kV，储能装置根据下垂特性在0.4s与0.6s两个时刻辅助VSC1调节功率，降低了VSC1 的超调量，提高了系统的动态响应速度，VSC1可更快进入稳态。
运行模式2：系统功率波动超出主换流器的调节裕度，初始状态下，系统工作状态与运行模式1相同，0.2s时VSC2有功功率指令值由2MW增加至4MW，0.4s时VSC3有功功率指令值由3MW增加至5MW，0.6s时VSC3有功功率指令值降低至2MW，仿真结果如图9(a)和图9(b)所示。
由图9(a)可知，0～0.2s各换流器工作在指令功率，0.2s时主换流器VSC1补偿系统有功功率缺额，功率达到5.5MW，储能装置根据下垂特性发生动作，补偿部分功率，0.4s 时系统有功功率继续增加2MW，此时主换流器VSC1优先平衡系统功率缺额，达到最大值6MW，系统有功仍未达到平衡，此时VSC1进入限流模式，以最大输出功率运行，第一从换流器动作，取代主换流器运行在定直流母线电压控制下，同时调节不平衡功率，平衡剩余的1.5MW有功功率，0.6s时VSC3有功功率降低3MW，根据上位机计算判断此时系统恢复到VSC1作为主换流器的运行条件，储能装置恢复定功率控制，系统恢复到运行模式1状态，由主换流器VSC1平衡系统有功功率，稳定直流母线电压。由图9(b)可知， 0.2s时系统还在主换流器调节范围内，直流电压发生波动后迅速恢复，0.4s时储能装置维持母线电压的稳定，根据下垂特性电压最终稳定在10.25kV，系统运行在新的稳态模式下， 0.6s时系统运行状态恢复至运行模式1，直流电压恢复到原指令电压10kV，整个切换过程自然平滑未发生功率振荡现象，暂态电压也没有出现大的波动，可见本发明设计的自适应指令滤波反推电压控制器具有良好的控制效果，既有效提高了系统的动态响应速度，又保证了系统的鲁棒性，各控制器可平滑切换，解决了功率振荡与直流电压波动问题，保证了控制策略的灵活性。
运行模式3：主换流器发生故障退出运行。初始状态下系统工作状态与运行模式1相同，0.4s时主换流器VSC1发生故障退出运行，系统有功严重失衡，经过0.2s后故障消除，VSC1重新投入运行，仿真结果如图10(a)和图10(b)所示。
由图10(a)可知，0～0.4s各换流器工作在指令功率，0.4s时主换流器VSC1突发故障退出运行，VSC1有功功率瞬间跌落至0，系统有功功率严重不平衡，直流电压大幅度跌落。此时储能装置以额定功率-3MW平衡系统有功功率，仍不足以补偿功率缺额，换流器VSC2 取代储能装置继续平衡系统缺额功率，同时稳定直流母线电压，由图10(b)可知，直流电压根据下垂特性稳定在9.5kV，系统进入新的稳态工作点，0.6s时VSC1故障消除重新投入运行，储能装置恢复定功率控制，VSC1重新以主换流器状态运行，直流电压恢复至原指令值10kV，系统恢复正常运行状态。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种自储能多端柔直系统控制方法，所述自储能多端柔直系统包括第一换流器和若干个第二换流器，所述第一换流器设于储能端口；所述第二换流器设于柔直端口；将其中一个第二换流器设为主换流器，将其余的第二换流器设为第二从换流器，将第一换流器设置为第一从换流器；所有换流器的直流侧公用；其特征在于，所述控制方法包括：
获取自储能多端柔直系统的数据；
根据获得的自储能多端柔直系统的数据，判断自储能多端柔直系统的工作模式；
以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，所述设定的控制策略为定直流电压控制、定功率控制、下垂控制中的任一种；
所述的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当判断出直流电压波动的幅度在设定范围内时，系统的工作模式为稳态运行模式，则：对主换流器采用定直流电压控制策略控制，由主换流器完成系统功率平衡；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当直流电压波动范围在设定的第一阈值范围内时，对第一从换流器采用定功率控制策略控制；当直流电压波动超出设定的第一阈值范围时，对第一从换流器采用下垂控制策略控制，第一从换流器通过充放电调节功率波动对直流电压的影响，第一从换流器补偿部分缺额功率，当第一从换流器处于待命状态时可通过定功率参与配电网优化运行；
当判断出系统功率波动超出主换流器调节裕度时，系统的工作模式为非稳态运行模式，则：
主换流器退出定直流电压控制模式，进入限流模式，直流电压上升或者下降；
当直流电压波动到第二设定阈值或第三设定阈值时，第一从换流器取代主换流器，对其采用定直流电压控制策略控制；其中，所述的第二设定阈值大于第三设定阈值；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当原主换流器满足稳定运行条件时，自储能多端柔直系统的工作模式恢复为稳态运行模式，则运用对应的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，同时，储能装置进行荷电状态恢复；
当主换流器因故障退出运行，直流电压跌落至第三设定阈值时，对第一从换流器采用定直流电压控制策略控制；
当直流电压继续跌落至第四设定阈值时，所述第四设定阈值小于第三设定阈值，主换流器因故障退出运行，系统的直流电压由其中一个第二从换流器控制，并对该第二从换流器采用定直流电压控制策略控制，其它第二从换流器仍采用定功率控制策略控制；
当主换流器的故障消除重新投入运行时，系统可恢复至稳态运行模式；
当主换流器因故障退出运行，系统中与所述第一换流器相连的储能装置以最大功率进行输出，所述储能装置需设定SOC限值，当储能装置达到SOC限值且系统故障仍未消除时，储能装置退出最大功率运行模式，并立即进行SOC恢复，其中，储能装置的荷电状态与充放电功率维持在设定范围内，约束条件为：
SOCmin≤SOC(ti)≤SOCmax
Figure FDA0002950428160000021
-Pchmax≤PB(ti)≤Pdismax
式中，SOC(ti)、SOC(ti-1)分别表示ti、ti-1时刻储能装置的荷电状态值，PB(ti)为ti时刻储能装置输出有功功率，QB为储能装置额定容量，Δt为时间步长，SOCmax、SOCmin分别为储能装置荷电状态的上下限，Pchmax、Pdismax分别为储能装置所允许的最大充放电功率。
2.根据权利要求1所述的一种自储能多端柔直系统控制方法，其特征在于：所述自储能多端柔直系统为自储能多端背靠背柔直系统；所述第一换流器和系统中其他所有第二换流器的直流侧通过并联方式连接；
所述的自储能多端柔直系统的数据包括获取自储能多端背靠背柔直系统的数学模型；所述自储能多端背靠背柔直系统的数学模型具体为：
Figure FDA0002950428160000022
式中，C表示直流侧电容，Udc表示直流母线电压，
Figure FDA0002950428160000023
表示电压Udc对时间t导数，Usdi、idi分别表示柔直端口处的换流器交流电压与电流的d轴分量，Ub表示储能装置出口电压，ib表示储能装置出口侧电流。
3.根据权利要求1所述的一种自储能多端柔直系统控制方法，其特征在于：所述下垂控制策略中，下垂特性曲线表示为：
Udc＝Udcref+K(P-Pref)
式中，Udc表示直流母线电压，Udcref为直流母线电压参考值，K为有功调节系数，P为实际功率值，Pref为指令功率值。
4.根据权利要求1所述的一种自储能多端柔直系统控制方法，其特征在于：所述定直流电压控制策略中采用反推法设计控制器，且在控制器的设计过程中引入指令滤波器和自适应控制，并对自储能多端柔直系统中的自适应参数进行优化。
5.根据权利要求4所述的一种自储能多端柔直系统控制方法，其特征在于：所述采用反推法设计控制器的控制率为：
Figure FDA0002950428160000031
Figure FDA0002950428160000032
式中，Urd1、Urq1分别为换流器交流侧出口电压矢量d轴和q轴的分量，
Figure FDA0002950428160000033
Figure FDA0002950428160000034
C代表电容，R代表电阻，L代表电感；id1、iq1分别为换流器交流侧电流矢量d轴和q轴的分量，ω为电网角频率，k2、k3为大于0的可调参数；
Figure FDA0002950428160000035
为电流参考值，
Figure FDA0002950428160000036
为考虑了指令滤波器误差的影响的电压跟踪误差，Usd1、Usq1分别为电压源换流器网侧电压矢量d轴和q轴的分量；z2和z3为电流跟踪误差。
6.一种自储能多端柔直系统控制装置，所述自储能多端柔直系统包括第一换流器和若干个第二换流器，所述第一换流器设于储能端口；所述第二换流器设于柔直端口；将其中一个第二换流器设为主换流器，将其余的第二换流器设为第二从换流器，将第一换流器设置为第一从换流器；所有换流器的直流侧公用；其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取自储能多端柔直系统的数据；
判断模块，用于根据获得的自储能多端柔直系统的数据，判断自储能多端柔直系统的工作模式；
执行模块，用于以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，所述设定的控制策略为定直流电压控制、定功率控制、下垂控制中的任一种；
所述的以系统稳定性为目标，基于不同的工作模式选择设定的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，具体包括：
当判断出直流电压波动的幅度在设定范围内时，系统的工作模式为稳态运行模式，则：
对主换流器采用定直流电压控制策略控制，由主换流器完成系统功率平衡；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当直流电压波动范围在设定的第一阈值范围内时，对第一从换流器采用定功率控制策略控制；当直流电压波动超出设定的第一阈值范围时，对第一从换流器采用下垂控制策略控制，第一从换流器通过充放电调节功率波动对直流电压的影响，第一从换流器补偿部分缺额功率，当第一从换流器处于待命状态时可通过定功率参与配电网优化运行；
当判断出系统功率波动超出主换流器调节裕度时，系统的工作模式为非稳态运行模式，则：
主换流器退出定直流电压控制模式，进入限流模式，直流电压上升或者下降；
当直流电压波动到第二设定阈值或第三设定阈值时，第一从换流器取代主换流器，对其采用定直流电压控制策略控制；其中，所述的第二设定阈值大于第三设定阈值；
对第二从换流器采用定功率控制策略控制；
当原主换流器满足稳定运行条件时，自储能多端柔直系统的工作模式恢复为稳态运行模式，则运用对应的控制策略分别控制主换流器、第一从换流器和第二从换流器，同时，储能装置进行荷电状态恢复；
当主换流器因故障退出运行，直流电压跌落至第三设定阈值时，对第一从换流器采用定直流电压控制策略控制；
当直流电压继续跌落至第四设定阈值时，所述第四设定阈值小于第三设定阈值，主换流器因故障退出运行，系统的直流电压由其中一个第二从换流器控制，并对该第二从换流器采用定直流电压控制策略控制，其它第二从换流器仍采用定功率控制策略控制；
当主换流器的故障消除重新投入运行时，系统可恢复至稳态运行模式；
当主换流器因故障退出运行，系统中与所述第一换流器相连的储能装置以最大功率进行输出，所述储能装置需设定SOC限值，当储能装置达到SOC限值且系统故障仍未消除时，储能装置退出最大功率运行模式，并立即进行SOC恢复，其中，储能装置的荷电状态与充放电功率维持在设定范围内，约束条件为：
SOCmin≤SOC(ti)≤SOCmax
Figure FDA0002950428160000041
-Pchmax≤PB(ti)≤Pdismax
式中，SOC(ti)、SOC(ti-1)分别表示ti、ti-1时刻储能装置的荷电状态值，PB(ti)为ti时刻储能装置输出有功功率，QB为储能装置额定容量，Δt为时间步长，SOCmax、SOCmin分别为储能装置荷电状态的上下限，Pchmax、Pdismax分别为储能装置所允许的最大充放电功率。
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