CN109510229B - 基于下垂控制的直流配电网ac/dc变流器的简化建模方法 - Google Patents

基于下垂控制的直流配电网ac/dc变流器的简化建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直流配电网AC/DC变流器的仿真建模技术领域，提出基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法，包括构建AC/DC变流器简化模型和构建下垂控制器简化模型两个步骤。AC/DC变流器简化模型包括：由受控交流电压源和线路电感串联构成的交流部分简化模型，由第一阻抗、受控直流电压源和第二阻抗串联构成的直流部分简化模型。下垂控制器简化模型包括Q‑U控制器简化模型和P‑f控制器简化模型，控制直流部分简化模型的直流电压实现交直流有功功率无差跟踪，控制交流部分简化模型的交流电压和交流频率实现变流器的P‑f、Q‑U下垂控制。简化模型仿真速率高，排除变流器精细化模型电力电子开关器件的损耗，适用于直流配电网系统的稳定性分析及控制研究。

Description

基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法
技术领域
本发明涉及直流配电网AC/DC变流器的仿真建模技术领域，特别涉及基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法。
背景技术
随着传统化石能源的枯竭、现代电力电子技术的发展、越来越多的分布式能源被开发以及各式各样的直流负荷出现，直流配电网由于具有便于分布式能源接入、线损低、不存在无功功率损耗、谐波含量低、不存在交流系统三相不平衡、传输效率高、方便储能接入等诸多优点，因而具有十分广阔的应用前景。
目前，直流配电网控制策略尚不成熟，相关的柔性直流配电网协调控制方法主要参考柔性直流输电中的控制方法，其中适用于柔性直流配电网的电压控制方法主要有三种：主从控制、下垂控制和电压裕度控制。相比其他两种控制方法，下垂控制可以灵活的并网、离网和分网运行，且系统控制方法具有较强的可移植性，很好的适应柔性直流配电网的特点。
现有技术中，直流配电网AC/DC变流器在采用精细化模型时，其下垂控制整体控制框图如图1所示，该下垂控制采用了传统的双闭环矢量控制来实现电压电流控制。变流器交流侧的三相交流电压Uabc和三相电流Iabc，经Clarke变换后通过瞬时功率计算得到变流器的有功功率P和无功功率Q。所得到的功率值作为下垂控制器的输入量，分别与给定有功功率Pref和给定无功功率Qref经下垂控制算法后，得到控制指令的幅值E和相位θ，再通过矢量合成方法得到三相电压控制指令U* abc，将得到的三相电压控制指令经过坐标变换后作为电压电流双闭环矢量控制器的输入量；双闭环矢量控制采取解耦控制，以电容电压作为电压外环的反馈信息，以电感电流作为电流内环的反馈值，采用PI调节器以实现参考值和实际值的无差跟踪，最后经过坐标变换等得到三相调制波，将三相调制波加到相应桥臂的开关管的门级输入端驱动开关管导通，从而使AC/DC变流器正常工作。
直流配电网仿真作为直流配电网规划设计和调度运行的基础，在直流配电网分析中占有十分重要的地位，而仿真模型的建立对直流配电网仿真的速率和仿真结果具有十分重要的影响。随着直流配电网仿真规模的扩大，以AC/DC变换器的精细化模型开展仿真，由于模型中大量电力电子开关器件的应用会造成系统仿真速度严重下降，并且谐波含量也随之大幅度增加，严重时还会造成系统不收敛，从而影响了整个系统仿真的效率和精度。并且，对于系统级的直流配电网仿真而言，更加侧重于变流器相互之间的协调配合以及系统级的控制策略研究，而对单个变换器精细化模型的仿真状态并不是十分关注。因此，在系统级的直流配电网仿真情况下，需要提出基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法，构建AC/DC变流器简化模型和下垂控制器简化模型，通过下垂控制模块实现可控电压源的输出电压，达到调控电源的目的，并且排除变流器精细化模型中电力电子开关器件带来的影响与损耗，便于直流配电网系统的稳定性分析及满足系统控制研究的需要。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器简化建模方法，包括如下步骤：
步骤1：构建AC/DC变流器简化模型；
步骤2：构建下垂控制器简化模型。
简化建模方法步骤1中的AC/DC变流器简化模型包括：AC/DC变流器的交流部分简化模型和AC/DC变流器的直流部分简化模型。
AC/DC变流器的交流部分简化模型，是一个受控交流电压源和一个线路电感串联而成的电路；线路电感远离受控交流电压源的一端与交流电网连接，受控交流电压源远离线路电感的一端直接接地。
AC/DC变流器的直流部分简化模型，是第一阻抗、受控直流电压源和第二阻抗串联而成的电路；第一阻抗一端和受控直流电压源的正极相连接，另一端构成直流电压输出端的正极；第二阻抗的一端和受控直流电压源的负极相连接，另一端构成直流电压输出端的负极。
AC/DC变流器简化模型有三个输入端，分别是交流电压Uout输入端、直流电压Udcout输入端和交流频率fout输入端；AC/DC变流器简化模型有两个输出端，分别是交流电压Uabc输出端和直流电压Udc输出端。
AC/DC变流器的交流部分简化模型有两个输入端，分别接入交流电压Uout输入端和交流频率fout输入端；AC/DC变流器的交流部分简化模型有一个输出端，接入交流电压Uabc输出端。
AC/DC变流器的直流部分简化模型有一个输入端，接入直流电压Udcout输入端；AC/DC变流器的直流部分简化模型有一个输出端，接入直流电压Udc输出端。
简化建模方法步骤2中下垂控制器简化模型包括：Q-U控制器简化模型和P-f控制器简化模型；Q-U控制器简化模型和P-f控制器简化模型均为闭环PI调节器。
下垂控制器简化模型有四个输入端，分别是变流器有功功率P输入端、变流器无功功率Q输入端、给定有功功率Pref输入端和给定无功功率Qref输入端；下垂控制器简化模型有三个输出端，分别是交流电压Uout输出端、直流电压Udcout输出端和交流频率fout输出端，其中交流电压Uout输出端与AC/DC变流器简化模型中交流电压Uout输入端连接，直流电压Udcout输出端与AC/DC变流器简化模型中直流电压Udcout输入端连接，交流频率fout输出端与AC/DC变流器简化模型中交流频率fout输入端连接。
Q-U控制器简化模型有两个输入端，分别接入变流器无功功率Q输入端和给定无功功率Qref输入端；Q-U控制器简化模型有一个输出端，接入交流电压Uout输出端。
P-f控制器简化模型有三个输入端，分别接入变流器有功功率P输入端、给定有功功率Pref输入端和直流电压Udcout输出端；P-f控制器简化模型有两个输出端，分别接入直流电压Udcout输出端和交流频率fout输出端。
下垂控制器简化模型，通过控制AC/DC变流器的直流部分简化模型的直流电压Udcout实现交直流有功功率的无差跟踪，并通过控制AC/DC变流器的交流部分简化模型的交流电压Uout和交流频率fout实现AC/DC变流器的P-f、Q-U的下垂控制。
下垂控制器简化模型还可以实时采集交流侧的有功功率变化ΔP和无功功率变化ΔQ，当存在功率变化时，通过闭环PI调节器，得到频率和电压的变化值Δf和ΔU，通过比较器比较后得到受控源的频率和电压的指令值。
下垂控制器简化模型还可以实时检测交流侧的有功功率，根据变流器的传递效率经过换算得到直流侧的功率参考值，通过PI调节得到直流侧电压的变化值ΔUdc，通过比较器比较后得到受控源的直流电压的指令值。将得到的控制指令作用到相应的受控源，控制相应的功率、频率和电压输出，实现AC/DC变流器的下垂控制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果；
(1)采用本发明提出方法构建的直流配电网AC/DC变流器简化模型，在仿真中能够真实还原AC/DC变流器在直流配电网中的电气特性，具有高效的仿真速率。
(2)采用本发明提出方法构建的直流配电网AC/DC变流器简化模型，不含有谐波含量，排除了变流器精细化模型中电力电子开关器件带来的影响与损耗。
(3)采用本发明提出方法构建的直流配电网AC/DC变流器简化模型，通过下垂控制模块实现可控电压源的输出电压，达到调控电源的目的，便于直流配电网系统的稳定性分析及满足系统控制研究的需要。
附图说明
图1是直流配电网AC/DC变流器在采用精细化模型时，其下垂控制的整体控制框图；
图2为采用本发明提出的基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法所构建的简化模型示意图；
图3为AC/DC变流器精细化模型P-f下垂控制仿真波形；
图4为AC/DC变流器精细化模型Q-U下垂控制仿真波形；
图5为AC/DC变流器简化模型交流侧有功功率和直流侧有功功率仿真波形；
图6为AC/DC变流器简化模型P-f下垂控制曲线仿真波形；
图7为AC/DC变流器简化模型Q-U下垂控制曲线仿真波形；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图2为采用基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法所构建的简化模型示意图，该简化模型包括两个方面：
一方面，AC/DC变流器的简化模型30，包括：AC/DC变流器的交流部分模型10和AC/DC变流器的直流部分模型20。AC/DC变流器的交流部分模型10，等效为一个受控交流电压源11和一个线路电感12串联连接；线路电感12远离受控交流电压源11的一端与交流电网连接，受控交流电压源11远离线路电感12的一端直接接地。AC/DC变流器的直流部分模型20，等效为第一阻抗21、受控直流电压源22和第二阻抗23串联连接；第一阻抗21一端和受控直流电压源22的正极相连接，另一端构成直流电压输出端的正极；第二阻抗23的一端和受控直流电压源22的负极相连接，另一端构成直流电压输出端的负极。
AC/DC变流器简化模型30有三个输入端，分别是交流电压Uout输入端、直流电压Udcout输入端和交流频率fout输入端；AC/DC变流器简化模型30有两个输出端，分别是交流电压Uabc输出端和直流电压Udc输出端。
AC/DC变流器的交流部分简化模型10有两个输入端，分别接入交流电压Uout输入端和交流频率fout输入端；AC/DC变流器的交流部分简化模型10有一个输出端，接入交流电压Uabc输出端。
AC/DC变流器的直流部分简化模型20有一个输入端，接入直流电压Udcout输入端；AC/DC变流器的直流部分简化模型20有一个输出端，接入直流电压Udc输出端。
另一方面，下垂控制器模型100，包括：Q-U控制器200和P-f控制器300。下垂控制器模型100有四个输入端，分别是变流器有功功率P输入端、变流器无功功率Q输入端、给定有功功率Pref输入端和给定无功功率Qref输入端。下垂控制器模型100有三个输出端，分别是交流电压Uout输出端、直流电压Udcout输出端和交流频率fout输出端。其中，Q-U控制器200有两个输入端，分别接入变流器无功功率Q输入端和给定无功功率Qref输入端；Q-U控制器(200)有一个输出端，接入交流电压Uout输出端。P-f控制器300有三个输入端，分别接入变流器有功功率P输入端、给定有功功率Pref输入端和直流电压Udcout输出端；P-f控制器300有两个输出端，分别接入直流电压Udcout输出端和交流频率fout输出端。
采用基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法所构建的变流器简化模型，从电网侧采集变流器输出的电压电流值进行瞬时功率计算，得到变流器的有功功率P和无功功率Q，并作为下垂控制器模型100的输入量。首先将得到的有功功率P作为P-f控制器300的输入信号，经过闭环PI调节器得到直流电压输出值Udcout控制受控直流电压源22，再将其作为P-f控制器300的输入信号，经过闭环PI调节器得到交流频率fout输出值控制受控交流电压源(11)的频率f；最后将无功功率Q作为Q-U控制器200的输入信号，经过闭环PI调节器得到交流电压Uout输出值控制受控交流电压源11的电压U。该简化模型实现了功率传递，并且实现了频率f和电压幅值U的无差跟踪。
简化模型实时采集交流侧的有功功率变化ΔP和无功功率变化ΔQ，当存在功率变化时，通过闭环PI调节器，得到频率和电压的变化值Δf和ΔU，通过比较器比较后得到受控源的频率和电压的指令值，实现无差跟踪调节。
简化模型实时检测交流侧的有功功率，根据变流器的传递效率经过换算得到直流侧的功率参考值，通过PI调节得到直流侧电压的变化值ΔUdc，通过比较器比较后得到受控源的直流电压的指令值。
建立AC/DC变流器的P-f、Q-U下垂控制特性曲线，由最大允许功率和频率和电压允许偏差值，计算出有功下垂控制系数m和有功下垂控制系数n，具体公式如下：
Figure BDA0001872298070000051
Figure BDA0001872298070000052
其中，m、n分别为AC/DC变流器的有功下垂控制系数和无功下垂控制系数；fmax和Pmax分别为系统允许的最大频率和有功功率；Umax和Qmax系统允许的最大电压幅值和最大无功功率。
根据系统指令确定有功功率功率指令和无功功率指令，确定AC/DC变流器的功率因数η；直流侧的参考功率Pdcref可由交流侧所需功率P决定：Pdcref＝η*P。
将得到的指令参考值用于闭环PI调节器，得到电压和频率指令作用于受控源，控制AC/DC变流器输出的电压和频率值，实现频率和电压的平滑调节。
对背景技术中提及的基于下垂控制特性的AC/DC变流器精细化模型，以及根据本发明提出的基于下垂控制特性的AC/DC变流器的简化建模方法而得到AC/DC变流器简化模型，开展仿真研究。仿真对象是直流电源经AC/DC变流器逆变后为交流负荷提供功率的过程。仿真参数如下：仿真时间为10s；直流侧电压为1.2kV，交流侧电压幅值为0.38kV；有功下垂控制系数m取1，无功下垂控制系数n取0.05。初始时的系统负载为200kW有功、200kvar无功；t＝2s时向系统增加200kW有功、150kvar无功；t＝4s时向系统增加150kvar无功；t＝6s时向系统增加200kW有功、150kvar无功；t＝8s时令系统减少200kW有功、150kvar无功。
图3和图4分别为AC/DC变流器精细化模型P-f下垂控制和Q-U下垂控制的仿真波形。
图5为本发明所提出的简化模型的直流侧和交流侧有功功率的传递情况，取传递效率为0.97，由仿真波形可以看出，该简化模型具备交直流侧功率快速准确传递的性能。
图6和图7分别为简化模型P-f下垂控制和Q-U下垂控制的仿真波形，与图3和图4相比可知，该简化模型具备频率和电压良好的跟踪特性和响应特性，同时还具备更高的仿真速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法，其特征在于：所述简化建模方法包括如下步骤：
步骤1：构建AC/DC变流器简化模型(30)；
步骤2：构建下垂控制器简化模型(100)；
所述步骤1中的AC/DC变流器简化模型(30)包括：AC/DC变流器的交流部分简化模型(10)和AC/DC变流器的直流部分简化模型(20)；所述AC/DC变流器的交流部分简化模型(10)，是一个受控交流电压源(11)和一个线路电感(12)串联而成的电路；线路电感(12)远离受控交流电压源(11)的一端与交流电网连接，受控交流电压源(11)远离线路电感(12)的一端直接接地；所述AC/DC变流器的直流部分简化模型(20)，是第一阻抗(21)、受控直流电压源(22)和 第二阻抗(23)串联而成的电路；第一阻抗(21)一端和受控直流电压源(22)的正极相连接，另一端构成直流电压输出端的正极；第二阻抗(23)的一端和受控直流电压源(22)的负极相连接，另一端构成直流电压输出端的负极；所述AC/DC变流器简化模型(30)有三个输入端，分别是交流电压Uout输入端、直流电压 Udcout输入端和交流频率fout输入端；所述AC/DC变流器简化模型(30)有两个输出端，分别是交流电压Uabc输出端和直流电压Udc输出端；所述AC/DC变流器的交流部分简化模型(10)有两个输入端，分别接入交流电压Uout输入端和交流频率fout输入端；所述AC/DC变流器的交流部分简化模型(10)有一个输出端，接入交流电压Uabc输出端；所述AC/DC变流器的直流部分简化模型(20)有一个输入端，接入直流电压Udcout输入端；所述AC/DC变流器的直流部分简化模型(20)有一个输出端，接入直流电压Udc输出端；
所述步骤2中下垂控制器简化模型(100)包括：Q-U控制器简化模型(200)和P-f控制器简化模型(300)；所述Q-U控制器简化模型(200)和P-f控制器简化模型(300)均为闭环PI调节器；所述下垂控制器简化模型(100)有四个输入端，分别是变流器有功功率P输入端、变流器无功功率Q输入端、给定有功功率Pref输入端和给定无功功率Qref输入端；所述下垂控制器简化模型(100)有三个输出端，分别是交流电压Uout输出端、直流电压Udcout输出端和交流频率fout输出端，其中交流电压Uout输出端与AC/DC变流器简化模型(30)中交流电压Uout输入端连接，直流电压Udcout输出端与AC/DC变流器简化模型(30)中直流电压Udcout输入端连接，交流频率fout输出端与AC/DC变流器简化模型(30)中交流频率fout输入端连接；所述Q-U控制器简化模型(200)有两个输入端，分别接入变流器无功功率Q输入端和给 定无功功率Qref输入端；所述Q-U控制器简化模型(200)有一个输出端，接入交流电压Uout输出端；所述P-f控制器简化模型(300)有三个输入端，分别接入变流器有功功率P输入端、给定有功功率Pref输入端和直流电压Udcout输出端；所述P-f控制器简化模型(300)有两个输出端，分别接入直流电压Udcout输出端和交流频率fout输出端。
2.根据权利要求1所述的基于下垂控制的直流配电网AC/DC变流器的简化建模方法，其特征在于：所述下垂控制器简化模型(100)，通过控制AC/DC变流器的直流部分简化模型(20)的直流电压Udcout实现交直流有功功率的无差跟踪，并通过控制AC/DC变流器的交流部分简化模型(10)的交流电压Uout和交流频率fout实现AC/DC变流器的P-f、Q-U的下垂控制。
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