CN110086193A - 适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，将自适应控制、预测控制与传统下垂控制方式结合，提出适用于柔性直流配电系统的附加直流电压偏差补偿和各下垂系数按最大动态功率裕度自适应调整的新型下垂控制策略。再引入模型预测电流控制，进一步提高系统控制响应速度。自适应下垂控制既实现了直流电压的无静差调节，又能自动优化下垂系数，使各换流站下垂曲线按动态功率裕度原则自适应偏移，合理分配不平衡功率，能够较好的适用于柔性直流配电系统。

Description

适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法。

背景技术

柔性直流配电系统具有传输容量大、控制灵活等优势，在减少换流环节的同时提升了能量转换效率，是实现集中式或分布式能源生产、消耗、转换等单元互联，解决城市密集多元供电需求的理想方式。作为新一代综合能源配电系统的关键技术，近年来国内外已有大量机构和相关学者对其系统架构、应用场景、电压等级、关键设备、控制策略以及保护体系等技术展开了理论研究和应用示范。其中，合理的控制策略是提高电能质量，保证系统可靠性的关键环节。

电压下垂控制具备较强的抗干扰能力和可移植性，应用范围广泛。其本质是通过预先设定下垂系数，以电压静差为代价参与调节有功功率。其大小决定了直流电压调节范围、不平衡功率分配和系统运行状态。

由于柔性直流配电系统惯性时间常数小、运行方式多样、功率流向复杂，并且分布式电源出力具有非线性、多目标性和间歇性。使得柔性直流配电系统的功率波动具有不确定性。当功率波动较大时，因预设下垂系数产生的直流电压偏差可能超过最大允许电压偏移范围，降低电能质量，严重时将会导致系统失稳。如果在调节过程中忽略各换流站功率的动态裕量，应对复杂工况下的灵活性较差，则换流站可能因满载而切换为定有功功率控制，失去对潮流变化的快速响应能力，降低系统的灵活性和可靠性。

发明内容

本发明是针对柔性直流配电系统换流站采用的传统下垂控制存在系统稳定性差、电压动态调节不理想和功率分配不合理的问题，提出了一种适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，将自适应控制、预测控制与传统下垂控制方式结合，提出适用于柔性直流配电系统的附加直流电压偏差补偿和各下垂系数按最大动态功率裕度自适应调整的新型下垂控制策略。再引入模型预测电流控制，进一步提高系统控制响应速度。

本发明的技术方案为：一种适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，具体包括如下步骤：

1)柔性直流配电系统在功率波动或运行方式变化时，检测系统检测由波动或变化引起的各换流站直流电压偏差大小及直流电压偏差符号、并检测各换流站实时功率；

2)各换流站直流电压偏差经过对应积分器调节后补偿至直流电压参考值，更新各换流站直流电压参考值，实现直流无差调节；

3)根据各换流站直流电压偏差符号和各换流站实时功率计算各换流站最大功率裕度，按照以5％的最大允许电压偏移标准自适应调整各换流站的下垂系数，实现各换流站合理分配不平衡功率；

4)实时修正换流站外环控制输出，即内环电流参考值，再配合内环有限集模型预测电流控制快速跟踪内环电流参考值，抑制直流电压变化。

所述步骤2)和3)调整后基于直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的控制规律为：

U_dci＝U_dcref+K_i(P₀-P_i)+∫K_iI(U_dcref-U_dci)dt

式中：U_dci为第i个换流站直流侧电压；U_dcref为系统直流电压参考值；P_i为第i个换流站实际发出或吸收的有功功率，设P_i>0发出有功，P_i<0吸收有功；P₀为换流站在U_dcref下的有功功率；K_i为第i个换流站下垂系数，按各自额定容量、运行工况条件预先设定；K_iI为第i个换流站补偿控制的积分时间常数；

下垂系数K_i自适应调整公式为：

式中：P_imax为第i个换流站最大功率输出；δ是为防止下垂系数频繁波动引入的滞环环宽，取值为0.02。

所述步骤4)具体控制方法如下：选用状态方程作为内环电流预测模型，遍历能够改变控制变量即换流器输出电压的8种换流器开关状态组合，结合当前换流器输出电流值i_si ^(k)和采样频率ω_s ^(k)，预测下一时刻换流器输出电流值i_si ^(k+1)，根据反馈环节计算出的误差e＝i_si ^(k)-i_si ^(k-1)对换流器输出电流预测值进行补偿，随后将电流预测值代入定义的价值评估函数g进行性能评估，选取函数最小值对应的开关状态作为最优输出，在下一时刻作用于换流器，

g＝(i_sdref-i_sd ^(k+1))²+(i_sqref-i_sq ^(k+1))²

式中：i_sdref、i_sqref分别为dq旋转坐标系下交流侧电网电流参考值，i_sd ^(k+1)、i_sq ^(k+1)为dq旋转坐标系下电流预测值。

本发明的有益效果在于：本发明适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，自适应下垂控制既实现了直流电压的无静差调节，又能自动优化下垂系数，使各换流站下垂曲线按动态功率裕度原则自适应偏移，合理分配不平衡功率，能够较好的适用于柔性直流配电系统。

附图说明

图1为本发明适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法流程图；

图2为本发明提供的直流电压偏差补偿原理图；

图3为本发明提供的下垂系数自适应调整原理图；

图4为本发明提供的直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的下垂控制结构图；

图5为本发明提供的模型预测电流控制结构图；

图6为本发明提供的20KV双端柔性直流配电系统结构图；

图7a为传统下垂控制下系统直流电压变化波形图；

图7b为传统下垂控制下两换流站功率变化波形图；

图8a为本发明下垂控制方法下系统直流电压变化波形图；

图8b为本发明下垂控制方法下两换流站功率变化波形图；

图8c为本发明下垂控制方法下两换流站下垂系数变化波形图；

图9a为传统下垂控制下系统暂态时直流电压变化波形图；

图9b为传统下垂控制下系统暂态时两换流站功率变化波形图；

图10a为本发明下垂控制方法下系统暂态时直流电压变化波形图；

图10b为本发明下垂控制方法下系统暂态时两换流站功率变化波形图；

图10c为本发明下垂控制方法下系统暂态时两换流站下垂系数变化波形图；

图11a为本发明提供的换流站内环d轴电流变化波形对比图；

图11b为本发明提供的换流站内环d轴电流变化波形对比图；

图12a为本发明提供的换流站电压变化波形对比图；

图12b为本发明提供的换流站电压变化波形对比图。

具体实施方式

针对柔性直流配电系统的功率波动或运行方式变化，本发明利用自适应下垂调节的控制方法，一方面采用直流电压偏差补偿，实时更新换流站电压参考值；另一方面，根据电压偏差符号和实际出力情况计算各站最大功率裕度，自适应调整各换流站下垂系数，减小了换流站参数越限的几率，实现了不平衡功率的优化配置和直流电压的无静差调节，提高了系统稳定性和电能质量。最后通过引入模型电流预测控制，避免了电流内环控制复杂的PI参数整定，进一步提升了系统动态响应速度。

一种适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

A:柔性系统在功率波动或运行方式变化时，检测系统检测由波动或变化引起的各换流站直流电压偏差大小及直流电压偏差符号、并检测各换流站实时功率；

B:各换流站直流电压偏差经过对应积分器调节后补偿至直流电压参考值，更新各换流站直流电压参考值，实现直流无差调节；

C:根据各换流站直流电压偏差符号和各换流站实时功率计算各换流站最大功率裕度，按照以5％的最大允许电压偏移标准自适应调整各换流站的下垂系数，实现各换流站合理分配不平衡功率；

D:实时修正换流站外环输出，即内环电流参考值，再配合内环有限集模型预测电流控制快速跟踪内环电流参考值，抑制直流电压变化，提高自适应下垂控制动态响应能力及运行效率。

从理论分析和仿真验证可看出，本发明涉及的自适应下垂控制既实现了直流电压的无静差调节，又能自动优化下垂系数，使各换流站下垂曲线按动态功率裕度原则自适应偏移，合理分配不平衡功率，能够较好的适用于柔性直流配电系统。

一、直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的下垂控制：

1、传统直流电压下垂控制为基于U-P特性的直流电压下垂控制，在系统稳态运行期间，利用各换流站有功功率与直流电压的斜率关系，快速响应功率波动，共同维持电压稳定和功率平衡。

控制规律可写成：

U_dci＝U_dcref+K_i(P₀-P_i)

式中：U_dci为第i个换流站直流侧电压；U_dcref为系统直流电压参考值；P_i为第i个换流站实际发出或吸收的有功功率(设P_i>0发出有功，P_i<0吸收有功)；P₀为换流站在U_dcref下的有功功率；K_i为第i个换流站下垂系数，按各自额定容量、运行工况等条件预先设定。下垂系数使得系统电压水平与功率分配特性相互制约，其大小决定了直流电压调节范围、不平衡功率分配和系统运行状态。当系数较小时，侧重于电压调节，保证供电质量；系数较大时则侧重于功率合理分配，但电压对功率波动较为敏感。

设最大允许电压偏移为±5％U_dcref，则换流站的下垂系数为：

式中：P_imax为第i个换流站允许发出或吸收的最大功率。当|P_i|>|P_imax|时，第i个换流站将自动切换至定有功功率控制。

2、直流电压偏差补偿原理：

为保证各个换流器各自承担功率不变，将直流电压偏差经过积分器调节后补偿至直流电压参考值，适时平移下垂曲线，调整直流电压至参考值，在系统功率波动和运行方式改变时，实现直流电压无差调节。经直流电压偏差补偿后的下垂控制规律为:

式中：U_dcrefi ^*为第i个换流站补偿后直流电压参考值；K_iI为第i个换流站补偿控制的积分时间常数。以双端系统为例，电压补偿原理如图2所示。图2中，纵轴表示直流母线电压U_dc，横轴表示换流站实际有功功率值。为简化分析，假定两换流站初始情况下均运行于A点，在直流电压参考值处发出有功功率P₀；V₁、V₂分别表示换流站VSC1、VSC2以K₁、K₂为下垂系数的控制曲线。当系统功率波动，直流电压下降至U_dc1时，两换流站的运行点沿各自下垂曲线由A分别转移至C、B点，对应的有功功率为P_C、P_B。此时系统直流电压偏差为U_dcref-U_dc1，将该偏差积分后补偿至U_dcref得到新的电压参考值U_dcref ^*，两站下垂曲线由V₁、V₂平移至V₁′、V₂′，运行点转移至C′、B′，直流电压调整至参考值，对应有功功率仍为P_C、P_B。

3、下垂系数自适应调整原理：

基于直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的改进U-P下垂控制的控制规律为：

U_dci＝U_dcref+K_i(P₀-P_i)+∫K_iI(U_dcref-U_dci)dt

当系统功率波动或运行方式改变时，根据直流电压偏差的符号和两换流站实际功率的大小计算各站最大功率裕度，实时修正K_i。下垂系数自适应调整公式为：

式中：P_imax为第i个换流站最大功率输出；δ是为防止下垂系数频繁波动引入的滞环环宽，取值为0.02。

当系统出现功率缺额，直流电压降落幅度大于环宽时，换流站以P_imax-P_i为最大功率裕度调节下垂系数，增发功率；当系统存在剩余功率，直流电压上升幅度大于环宽时，换流站以P_imax+P_i为最大功率裕度调节下垂系数，减发功率。从而实现不平衡功率的合理分配，减小换流站切换为定有功功率控制的机率。

以双端系统因功率波动引起直流电压下降为例，给出换流站下垂系数自适应调整的原理，如图3所示。

图3中，两端换流站分别以K₁、K₂为下垂系数运行在曲线V₁′、V₂′的C′、B′点。当系统出现功率波动，直流电压降落至U_dc2时，U_dcref-U_dc2>δ，直流电压偏差大于滞环环宽，下垂系数分别以P_1max-P_C、P_2max-P_B为最大功率裕度自动调整为：

并且有K₁′>K₁，K₂′>K₂；两换流站下垂曲线由V₁′、V₂′变为V₁″、V₂″；运行点转移到曲线V₁″、V₂″与U_dc2相交的E、D点，实际发出的有功功率为P_E、P_D。再结合直流电压偏差补偿，更新电压参考值，下垂曲线平移至V₁″′、V₂″′，最终运行于E′、D′点。

控制结构如图4所示提供的直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的下垂控制结构图。

所以，本发明所提控制策略既实现了直流电压的无静差调节，又能自动优化下垂系数，使各换流站下垂曲线按动态功率裕度原则自适应偏移，合理分配不平衡功率。

二、内环电流模型预测控制原理：

附加直流电压偏差和自适应调整下垂系数的控制方法通过修正系统功率波动时换流站的外环输出，即内环电流参考值，以抑制直流电压变化，要求内环电流具有快速的调节响应能力。本发明将有限集模型预测控制(FCS-MPC)引入柔性直流配电系统，兼容系统的非线性和多约束，避免电流的被动反馈调节。

选用状态方程作为内环电流预测模型，遍历能够改变控制变量即换流器输出电压的8种换流器开关状态组合，结合当前换流器输出电流值i_si ^(k)和采样频率ω_s ^(k)，预测下一时刻电流值i_si ^(k+1)。

从快速准确跟踪电流参考值的角度考虑系统控制性能，定义价值评估函数为：

g＝(i_sdref-i_sd ^(k+1))²+(i_sqref-i_sq ^(k+1))²

式中：i_siref(i＝d,q)分别为旋转坐标系下交流侧电网电流参考值，i_si ^(k+1)(i＝d,q)为电流预测值。

根据反馈环节计算出的误差e＝i_si ^(k)-i_si ^(k-1)对电流预测值进行补偿，随后将电流预测值代入系统预定义的价值评估函数g进行性能评估，选取函数最小值对应的开关状态作为最优输出，在下一时刻作用于换流器。构成系统闭环优化，提升电流预测精度及抗干扰能力。换流器模型预测电流控制结构如图5所示。

有限集模型预测控制：基于换流器有限个开关状态组合，利用电流预测模型及已知信息，通过在线滚动的方式遍历不同控制变量下系统的输出，选取性能最优的开关组合作用于下一时刻。是指由于换流器开关状态组合S_n(n＝0,1,…,7)有限，通过遍历能够改变换流器控制变量u_ci的8种开关状态组合，并结合当前电流值i_si ^(k)和采样频率ω_s ^(k)，即可预测下一时刻电流值。

三、20kV双端柔性直流配电系统控制实例

为了证明提出的控制策略在柔性直流配电系统中的应用，在PSCAD4.6环境下以图6为例说明该方法在20kV双端柔性直流配电系统中的应用。图6中主要包括：

(1)并网换流器VSC1、VSC2：稳态运行时连接至交流系统，采用传统电压下垂控制或本发明涉及的新型下垂控制方法共同维持直流电压稳定。

(2)分布式电源：永磁式直流驱动风力发电机和光伏分别经逆变器VSC3和单向直流变压器UDCT并入直流配网。为提高分布式电源利用率，采用最大功率追踪(MPPT)控制。

(3)负荷单元：直流负载经双向直流变压器BDCT、交流负载经逆变器VSC4连接至直流母线。VSC4通过定交流电压控制以实现交流负载侧电压稳定。

直流线路长度：l₁＝l₃＝10km，l₂＝l₄＝l₅＝l₆＝l₇＝5km。系统主要参数如表1所示。初始设置：等效直流负荷消耗功率10MW；交流负荷消耗功率3MV；风机出力4MW；光伏出力2MW。为表示方便，对直流电压进行了标幺化处理。

表1

本实施例分别对传统下垂控制(Ι)和新型下垂控制(ΙΙ)在稳态和暂态两种工况下进行结果对比。

1、稳态工况

系统初始阶段稳态运行，设定6s时，风机增发功率16MW；8s时，光伏出力增大6MW；10s时，风机出力减小20MW；12s时，直流负载由10MW变为17MW。

图7a、7b给出了在传统下垂控制下系统直流电压变化波形和两换流站功率变化波形图。由7a可知，当系统出现功率波动时，直流电压将偏离参考值。6s和8s时，系统电压随分布式电源出力增加而上升；10s和12s时，电压随风机出力减小、直流负载增大而下降。并且在8-10s段由于分布式电源波动较大，系统直流电压已超过允许偏移范围，对电压要求较高的敏感负荷以及系统稳定性造成了不利影响。12s时系统带直流重载运行，由于换流站采用预定下垂系数，未考虑实际负载情况和换流站承担功率的动态裕量，从图7b可知此时VSC1出力8.5MW，VSC2出力6.5MW。若系统功率再次波动，VSC2因容量较小，极易发生功率越限，切换为定功率控制，失去对系统电压的调节能力。

图8a、8b、8c为采用本发明所提直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调节的下垂控制方法下，系统直流电压变化波形、两换流站功率变化波形、两换流站下垂系数变化波形图。6s时，系统出现功率剩余，直流电压偏差大于设定阈值0.02，两换流站应减小出力实现系统功率平衡，分别以P_imax+P_i为最大功率裕度调整K_i，此时换流站1的功率裕度较大，承担较多的有功，而换流站2承担有功较少。8s时，由于检测到的直流电压偏差在阈值范围内，两站下垂系数保持不变。10s和12s时，系统出现功率缺额，换流站增发功率，并且电压偏差大于阈值，两换流站分别以P_imax-P_i为最大功率裕度调整K_i，VSC1裕度较大，承担较多功率，合理分配不平衡功率，减少VSC2功率越限几率。不仅消除了直流电压偏差，还实现了不平衡功率按各站实时功率裕度的合理分配。

2、暂态工况：

设定6s时，直流线路l₂断开；8s时，切除交流负载；10s时，l₂恢复；12s时，VSC1退出运行。图9a、9b给出了在传统下垂控制下系统暂态时直流电压变化波形和两换流站功率变化波形图；图10a、10b、10c为采用本发明的下垂控制方法下，系统暂态时直流电压变化波形、两换流站功率变化波形、两换流站下垂系数变化波形图。

6s时发生l₂断线，系统运行状态由双端供电变为两端隔离运行。VSC1与风机承担直流负载，VSC2与光伏承担交流负载，分别实现功率平衡。8s时切除交流负载，不平衡功率由VSC2单独承担，VSC2侧直流电压U₂发生波动，光伏出力通过VSC2馈入主网，因此VSC2吸收有功接近4MW。10s时线路l₂恢复，系统重新进入双端运行模式，两换流站共同承担系统功率。12s时VSC1退出运行，P₁＝0，系统运行方式为单端运行，由VSC2维持系统电压和功率平衡。

由图9a、10a可知，新型下垂控制在所设暂态工况下能够实现直流电压无静差。图10b、10c为控制ΙΙ下系统功率分配和两站下垂系数变化情况。由于暂态工况中系统发生断线和换流站退出，只有在0～6s、10～12s时两换流站按功率裕度共同实现系统功率平衡。从上述结果得出，所提策略将自适应控制和下垂控制相结合，使得系统在不同运行方式切换过程中能够实现电压无差调节和功率按各站裕度合理分配，满足了柔性直流配电系统运行方式多样化对电能质量和系统灵活性的要求。

3、模型预测电流控制

对控制方式ΙΙ下的两换流站内环电流分别采用传统PI调节控制和模型预测控制进行对比。以设定的暂态工况为例，设变量下标为p、m分别表示采用PI控制和模型预测控制的电压和电流。图11a为本发明提供的换流站内环d轴电流变化波形对比图；图11b为本发明提供的换流站内环d轴电流变化波形对比图；图12a为本发明提供的换流站电压变化波形对比图；图12b为本发明提供的换流站电压变化波形对比图。

从对比图中可以看出，在系统功率波动或运行方式改变时，内环电流能够快速准确跟踪经过外环改进下垂控制实时调整的电流参考值。两端换流站侧的直流电压能够快速恢复至参考值，并且超调量和调节时间均小于传统PI控制，提高了系统的动态响应能力和鲁棒性，较好的解决了分布式能源和柔性负荷随机波动对系统安全稳定运行带来的影响，给新型下垂控制策略提供了保障。

Claims (3)

1.一种适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)柔性直流配电系统在功率波动或运行方式变化时，检测系统检测由波动或变化引起的各换流站直流电压偏差大小及直流电压偏差符号、并检测各换流站实时功率；

2)各换流站直流电压偏差经过对应积分器调节后补偿至直流电压参考值，更新各换流站直流电压参考值，实现直流无差调节；

3)根据各换流站直流电压偏差符号和各换流站实时功率计算各换流站最大功率裕度，按照以5％的最大允许电压偏移标准自适应调整各换流站的下垂系数，实现各换流站合理分配不平衡功率；

4)实时修正换流站外环控制输出，即内环电流参考值，再配合内环有限集模型预测电流控制快速跟踪内环电流参考值，抑制直流电压变化。

2.根据权利要求1所述适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，其特征在于，所述步骤2)和3)调整后基于直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的控制规律为：

U_dci＝U_dcref+K_i(P₀-P_i)+∫K_iI(U_dcref-U_dci)dt

式中：U_dci为第i个换流站直流侧电压；U_dcref为系统直流电压参考值；P_i为第i个换流站实际发出或吸收的有功功率，设P_i>0发出有功，P_i<0吸收有功；P₀为换流站在U_dcref下的有功功率；K_i为第i个换流站下垂系数，按各自额定容量、运行工况条件预先设定；K_iI为第i个换流站补偿控制的积分时间常数；

下垂系数K_i自适应调整公式为：

式中：P_imax为第i个换流站最大功率输出；δ是为防止下垂系数频繁波动引入的滞环环宽，取值为0.02。

3.根据权利要求1或2所述适用于柔性直流配电系统的自适应下垂控制方法，其特征在于，所述步骤4)具体控制方法如下：

选用状态方程作为内环电流预测模型，遍历能够改变控制变量即换流器输出电压的8种换流器开关状态组合，结合当前换流器输出电流值i_si ^(k)和采样频率ω_s ^(k)，预测下一时刻换流器输出电流值i_si ^(k+1)，根据反馈环节计算出的误差e＝i_si ^(k)-i_si ^(k-1)对换流器输出电流预测值进行补偿，随后将电流预测值代入定义的价值评估函数g进行性能评估，选取函数最小值对应的开关状态作为最优输出，在下一时刻作用于换流器，

g＝(i_sdref-i_sd ^(k+1))²+(i_sqref-i_sq ^(k+1))²

式中：i_sdref、i_sqref分别为dq旋转坐标系下交流侧电网电流参考值，i_sd ^(k+1)、i_sq ^(k+1)为dq旋转坐标系下电流预测值。