CN110380397A - 一种适用于中低压直流配用电系统的控制架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于中低压直流配用电系统的控制方法，包括三个控制层，顶层是最优控制，中间层是统一控制，底层是分布式自治控制，如下：1)最优控制作为顶层控制：在能量管理中实现最优控制，为系统控制中心提供可靠的调度指令，输入数据包括预测数据，相邻交流配电系统的实时运行状态信息和中低压直流配用电系统的实时运行状态信息，能量优化管理的输出数据是调度数据，包括电压、功率参考点和控制参数，能量优化管理的内部功能包括三部分，即参考点优化，控制参数优化和两时间尺度协调策略；2)统一控制作为中间控制层；3)分布式自治控制作为底层控制。

Description

一种适用于中低压直流配用电系统的控制架构

技术领域

本发明是一种适用于中低压直流配用电系统的控制架构，属于直流配用电系统控制保护领域。

背景技术

随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求不断提高，现有交流配电网面临分布式电源接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化，以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战。并且，随着城市规模的迅速增长和信息技术的高速发展，电网中的敏感负荷、重要负荷及非线性负荷越来越多，交流配用电系统需要面对线路损耗大、供电走廊紧张，以及电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题，迫切需要改变现有的配用网结构和供电方式。相比交流配电网，直流配电网具有线路成本低、输电损耗小、供电质量高，潮流可控等自身优势，适合智能电网和能源互联网的发展

然而，随着间歇性分布式电源和电动汽车等随机性负荷的大量接入，直流配用电系统由风、光、储能等分布式电源，交直流负荷，微电网以及柔性直流换流站等“源-网-荷”组成，不确定因素多，系统功率变化快，系统运行方式多样。因此，直流配用电系统需要一套通用的控制架构以保证配用电系统在不同运行方式下都能满足负荷的电能质量要求。

综上所述，研究一套通用的直流配用电系统控制架构，在具有大量分布式电源及电动汽车等直流负荷接入的直流配用电系统领域具有重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现功率合理分配以及能量优化调度管理的中低压直流配用电系统控制方法。技术方案如下：

一种适用于中低压直流配用电系统的控制方法，包括三个控制层，顶层是最优控制，中间层是统一控制，底层是分布式自治控制，具体如下：

1)最优控制作为顶层控制：

在能量管理中实现最优控制，为系统控制中心提供可靠的调度指令，输入数据包括预测数据，相邻交流配电系统的实时运行状态信息和中低压直流配用电系统的实时运行状态信息，能量优化管理的输出数据是调度数据，包括电压、功率参考点和控制参数，能量优化管理的内部功能包括三部分，即参考点优化，控制参数优化和两时间尺度协调策略，其中，

A.参考点优化：基于长期预测数据，对包括分布式电源、电动汽车、储能、电压源型换流器及直流变压器在内的可控设备的运行参考点进行优化调度，以实现节能运行；

B.控制参数优化：基于短期预测数据，优化包括下垂系数在内的控制参数，以确保调度间隔内的系统安全性；

C.两时间尺度协调策略：两时间尺度协调策略是长期和短期优化之间的滚动策略；

2)统一控制作为中间控制层：

统一控制在系统控制中心中实现，根据调度指令和实时运行状态信息为可控设备生成实时控制指令，包括电压，功率和控制模式；系统控制中心实现工作模式管理，系统启停控制，故障穿越控制，直流电压控制，有功功率控制和无功功率控制；

A.工作模式管理：对于电压源型换流器，有三种控制模式：直流电压控制模式、恒功率控制模式和恒交流电压和频率控制模式，在直流电压控制模式下，换流器相当于有功平衡节点，保持有功功率平衡和直流电压稳定，在恒功率控制模式下，通过调节交流侧电压源型换流器的输出电压幅值和相位，将交换的有功功率和无功功率控制为预设值，恒交流电压和频率控制模式用于无源场合；

B.启停控制：平滑地为每个直流电容充电，以防止过电压或者过电流，从而减轻电气设备的压力，采用具有启动电阻的自励预充电方法；

C.故障穿越控制：拓扑结构采用伪双极拓扑结构，接地方式采用换流变压器的高阻接地方式，低压和过流保护用于主保护，差动保护作为系统的后备保护，利用故障限流器限制故障电流的上升速率，直流断路器快速切除直流故障的方法来实现故障穿越；

D.直流电压和功率控制：电压源型换流器采用电压外环—电流内环的控制结构，内环是电流控制，实现d/q轴的解耦控制；外环控制根据控制对象的不同分为定电压控制、定功率控制和定交流电压控制模式；

3)分布式自治控制作为底层控制

分布式自治控制属于设备级控制，实现设备的即插即用，分布自治控制包括：电流内环控制，功率-电压下垂控制，单个换流器无扰并网和控制模式自动平滑切换。

本发明的技术特点是：本发明由三个控制层组成，功率优化为顶层控制，根据直流配用电系，以及与其连接的交流配电网的实时运行状态信息，在满足系统稳定性、电压波动和设备耐受能力等约束前提下，以系统运行经济性最优，功率合理分配以及满足分布式电源出力为目标，进行能量优化调度管理，为直流配电系统的集控中心提供电压、功率等优化指令。统一控制为整个直流配用电系统的中间层控制，根据直流配用电系统实时运行状态信息，结合调度指令，经过逻辑判断和数学运算，可以为各个可控设备提供模式选择、电压或者功率参考指令。分布自治为底层控制，由于直流配电系统设备类型多，外特性差别大，因此需要对不同类型设备配置不同的控制策略。该发明对中低压直流配用电系统具有通用性，应用本发明方法，可以实现中低压直流配用电系统的稳定控制。

本发明的效果是：本发明控制架构采用三层的控制架构，可以实现功率合理分配以及能量优化调度管理，使系统运行经济性最优。综合考虑了直流配用电系统的实时运行状态，为可控设备提供电压、功率、控制模式等实时指令。同时，针对不同外特性的直流配用电系统设备配置了不同的分布自治策略。本发明具有经济通用、实现简单、性能优异、安全可靠的特点，可广泛应用于具有大量分布式电源接入的直流配用电系统实际工程中。

附图说明

图1控制系统分层结构。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施，对本发明提出的基于中低压直流配用电系统的电压源型变换器的控制架构进行详细说明。

本发明提出的控制架构，根据组网元件物理特性和变换特性，将组网元件分为可控设备(例如电压源型变换器，直流变压器，可控分布式电源和储能装置等)和不可控设备(例如交直流负载及不可控分布式电源等)两大类，可以在满足系统稳定性、电压波动和设备耐受能力等约束前提下，实现系统运行经济性最优，功率合理分配，在满足分布式电源出力的前提下进行能量优化调度管理，对不同类型直流配电系统设备配置不同的控制策略。具体如下，

1)最优控制作为顶层控制：

在能量管理中实现最优控制，为系统控制中心提供经济可靠的调度指令。输入数据包括预测数据，相邻交流配电系统的实时运行状态信息和中低压直流配用电系统的实时运行状态信息。能量优化管理的输出数据是调度数据，包括电压、功率参考点，控制参数等。能量优化管理的内部功能由三部分组成，即参考点优化，控制参数优化和两时间尺度协调策略。

A.参考点优化：基于长期预测数据，对分布式电源、电动汽车、储能、电压源型换流器及直流变压器等可控设备的运行参考点进行优化调度，可以实现节能运行。

B.控制参数优化：基于短期预测数据，优化下垂系数等控制参数，以确保调度间隔内的系统安全性。

C.两时间尺度协调策略：两时间尺度协调策略是长期和短期优化之间的滚动策略。

2)统一控制作为中间控制层：

统一控制在系统控制中心中实现，根据调度指令和实时运行状态信息为可控设备生成实时指令(例如电压，功率，控制模式等)。系统控制中心有很多功能，例如工作模式管理，系统启停控制，故障穿越控制，直流电压控制，有功功率控制和无功功率控制等。

A.工作模式管理：对于电压源型换流器，有三种主要控制模式：直流电压控制模式、恒功率控制模式和恒交流电压和频率控制模式。在直流电压控制模式下，换流器相当于有功平衡节点，保持有功功率平衡和直流电压稳定。在恒功率控制模式下，通过调节交流侧电压源型换流器的输出电压幅值和相位，可以将交换的有功功率和无功功率控制为预设值。恒交流电压和频率控制模式主要用于无源场合。

B.启停控制：启动控制是平滑地为每个直流电容充电，以防止过电压或者过电流，从而减轻电气设备的压力。通常，预充电模式可以分为自励和他励模式。自励模式意味着子模块由连接的交流系统或直流系统预充电。他励模式意味着充电功率来自独立的辅助充电装置。在中低压直流配用电系统中，所有电压源型变换器都是有源的，因此，采用了具有启动电阻的自励预充电方法。

C.故障穿越控制：故障穿越控制受直流系统的拓扑结构和接地方式的影响较大。在中低压直流配用电系统中，拓扑结构通常采用伪双极拓扑结构，接地方式通常采用换流变压器的高阻接地方式。当发生直流单极接地故障时，由于高阻接地，所以故障电流较小，系统可以继续运行较长时间。当发生直流双极短路故障时，由于直流电容器快速放电，故障电流迅速增加，即使闭锁换流器，故障电流可以通过反并联的二极管向故障点提供短路电流。因此，为了更快响应故障，低压和过流保护用于主保护，差动保护作为系统的后备保护。然而，电压过流保护会引起故障区域偏大，在中低压直流配用电系统中，用户特别关注停电时间，所以目前通常利用故障限流器限制故障电流的上升速率，直流断路器快速切除直流故障的方法来实现故障穿越。

D.直流电压和功率控制：电压源型换流器主要采用电压外环—电流内环的控制结构。内环是电流控制，实现d/q轴的解耦控制。外环控制根据控制对象的不同可分为定电压控制、定功率控制和定交流电压控制等模式。

3)分布式自治控制作为底层控制

分布式自治控制属于设备级控制，实现设备的即插即用。分布自治控制有四个主要功能：电流内环控制，功率-电压下垂控制，单个换流器无扰并网，控制模式自动平滑切换。

针对中低压直流配用电系统，顶层控制根据采集相邻交流配电系统和中低压直流配用电系统的实时运行状态信息，通过能量优化调度方法，对中低压直流配电网集控中心下发电压、功率、工作模式等优化调度指令。中间控制层为中低压直流配用电系统集控中心，在接到调度层的优化指令后，综合中低压直流配用电系统的实时运行状态，进一步生成可以执行的电压、功率、控制模式等指令。分布自治作为底层控制，接收到集控中心发出的电压、功率、控制模式等指令后，通过内部电流环控制，电源和电压下垂控制等底层控制后，实现对可控设备的控制。

至此，本发明提出的一种适用于中低压直流配用电系统的控制架构任务全部完成。

Claims (1)

1.一种适用于中低压直流配用电系统的控制方法，包括三个控制层，顶层是最优控制，中间层是统一控制，底层是分布式自治控制，具体如下：

1)最优控制作为顶层控制：

在能量管理中实现最优控制，为系统控制中心提供可靠的调度指令，输入数据包括预测数据，相邻交流配电系统的实时运行状态信息和中低压直流配用电系统的实时运行状态信息，能量优化管理的输出数据是调度数据，包括电压、功率参考点和控制参数，能量优化管理的内部功能包括三部分，即参考点优化，控制参数优化和两时间尺度协调策略，其中，

A.参考点优化：基于长期预测数据，对包括分布式电源、电动汽车、储能、电压源型换流器及直流变压器在内的可控设备的运行参考点进行优化调度，以实现节能运行；

B.控制参数优化：基于短期预测数据，优化包括下垂系数在内的控制参数，以确保调度间隔内的系统安全性；

C.两时间尺度协调策略：两时间尺度协调策略是长期和短期优化之间的滚动策略；

2)统一控制作为中间控制层：

统一控制在系统控制中心中实现，根据调度指令和实时运行状态信息为可控设备生成实时控制指令，包括电压，功率和控制模式；系统控制中心实现工作模式管理，系统启停控制，故障穿越控制，直流电压控制，有功功率控制和无功功率控制；

A.工作模式管理：对于电压源型换流器，有三种控制模式：直流电压控制模式、恒功率控制模式和恒交流电压和频率控制模式，在直流电压控制模式下，换流器相当于有功平衡节点，保持有功功率平衡和直流电压稳定，在恒功率控制模式下，通过调节交流侧电压源型换流器的输出电压幅值和相位，将交换的有功功率和无功功率控制为预设值，恒交流电压和频率控制模式用于无源场合；

B.启停控制：平滑地为每个直流电容充电，以防止过电压或者过电流，从而减轻电气设备的压力，采用具有启动电阻的自励预充电方法；

C.故障穿越控制：拓扑结构采用伪双极拓扑结构，接地方式采用换流变压器的高阻接地方式，低压和过流保护用于主保护，差动保护作为系统的后备保护，利用故障限流器限制故障电流的上升速率，直流断路器快速切除直流故障的方法来实现故障穿越；

D.直流电压和功率控制：电压源型换流器采用电压外环—电流内环的控制结构，内环是电流控制，实现d/q轴的解耦控制；外环控制根据控制对象的不同分为定电压控制、定功率控制和定交流电压控制模式；

3)分布式自治控制作为底层控制

分布式自治控制属于设备级控制，实现设备的即插即用，分布自治控制包括：电流内环控制，功率-电压下垂控制，单个换流器无扰并网和控制模式自动平滑切换。