CN110797902A - 一种直流配电网改进主从控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流配电网改进主从控制方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、设计带死区的自适应下垂控制器；步骤2、设定其中一个MMC换流站为主站，工作模式为恒压控制模式，设定其他MMC换流站为从站，工作模式采用步骤1的带死区的自适应下垂控制器的控制模式。本发明能够在通信故障时实现运行模式的无缝切换和确保直流电压的稳定。

Description

一种直流配电网改进主从控制方法

技术领域

本发明属于直流配电网技术领域，涉及换流站的控制方法，尤其是一种直流配电网改进主从控制方法。

背景技术

随着可再生能源的快速发展，越来越多的新能源发电和储能大量接入配电网，配电网的潮流变成了双向流动，这对配电网的容量、可靠性、电能质量等提出了更高的要求，而目前传统的交流配电网并不是针对双向潮流而设计的，已经不能满足某些用户的要求。另外，随着电力电子技术和直流负荷技术取得了较大的进展，使得直流配电网受到了国内外学者的广泛关注。模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter,MMC)相较于传统的电网换相型换流器(Line Commutated Converter,LCC)具有不存在换相失败、输出特性好、结构模块化、能实现快速解耦控制等优势，近些年在直流配电网换流站得到了广泛的应用。

目前，对于直流配电网电压控制大多数文献还是集中在变换器本身或微网控制技术的研究与分析，尚没有成熟的直流配电网控制策略，相关的柔性直流配电网电压协同控制方法主要参考柔性直流输电中的电压控制方法，其中适用于柔性直流配电网的电压控制方法主要有三种：主从控制方式(Master/Slave Control)，电压下垂控制方式(DroopControl)和电压裕度控制(Margin Control)。主从控制是利用一个换流站作为松弛节点控制系统直流电压，其它换流站采用定功率控制，这种控制模式依赖各变换器之间的快速通讯，且主站调节压力较大。直流电压下垂控制是指所有具备功率调节能力的换流站利用给定的各直流功率(或电流)与直流电压的斜率关系来实现多个站共同承担直流电压控制，该控制方式无需上层控制器和通信，具有较好的模块性和扩展性，但稳态运行时存在偏差，而直流配网负荷变化复杂，频繁大量的负荷变化将会导致电压波动，甚至稳定运行时电压偏差超出额定范围，该控制方法斜率的选取较为困难。电压裕度控制是当主换流站发生故障或功率超限而无法继续维持直流电压恒定时，另一个换流站将切换至定直流电压控制模式并运行于新的直流电压参考值，这种控制方法无需站间通讯，但直流配网结构复杂，负荷变化大，电压波动厉害，使得电压裕度的选取较为复杂，同时多个后备定电压换流站的优先级确定困难。可见，相对柔性直流输电系统，直流配电网的节点多、潮流更为复杂，而采用主从控制方式比其他方式更易于实现直流配电网的稳定运行，但现有的直流配电网的主从控制方法，仍存在主从控制在通信故障时无法实现运行模式的切换和直流电压稳定控制难的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种直流配电网改进主从控制方法，能够使主从控制在通信故障时实现运行模式的切换和直流电压稳定控制，并在直流配电网受到扰动时提高了直流电压控制的快速性和可靠性。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种直流配电网改进主从控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设计带死区的自适应下垂控制器；

步骤2、设定其中一个MMC换流站为主站，工作模式为恒压控制模式，设定其他MMC换流站为从站，工作模式采用步骤1的带死区的自适应下垂控制器的控制模式。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)测量MMC网侧三相电压和电流，测量MMC直流侧电压和电流；

(2)根据步骤(1)测量获得的三相交流电压，通过锁相获得交流电网的参考相位θ和角频率ω；

(3)根据步骤(2)获得的交流电网的参考相位θ对MMC网侧三相交流电压和电流进行dq变换，得到电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q，得到电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

(4)根据步骤(3)得到的u_d、u_q，、i_d、i_q计算有功功率P_g和无功功率Q_g；

(5)设计MMC交流侧外环控制器为定无功功率控制，将无功功率参考值Q^*和MMC实际输出无功功率Q_g经过PI从而计算电流内环q轴参考值i_q ^*；设计MMC直流侧外环控制为带死区自适应下垂控制，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*；

(6)设计dq坐标系下解耦的电流内环控制器，通过PI控制器，电压前馈和耦合补偿从而计算获得MMC调制所需的输出电压参考值。

而且，所述步骤1中第(5)步设计MMC直流侧外环控制为带死区自适应下垂控制，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*的具体包括：

(1)根据配电网极端运行状况，计算直流配电网在稳定运行时从换流站MMC2直流侧电压可能达到的最大值U_dc2max和最小值U_dc2min；

(2)根据U_dc2max和U_dc2min确定自适应下垂控制器的死区上界值和下界值

(3)根据测得的从站MMC直流电压与

和

的关系确定符号函数的值；

设

(4)设计自适应下垂系数的倒数

式中，P_2max为MMC2换流站可以输出的最大有功功率，P₂ ^*为MMC2换流站有功功率的设定值，δ为直流电压允许的最大偏差范围；

(5)根据直流电压计算从换流站有功功率调节量ΔP_dc2 ^*＝sng^*β₂ ^*|ΔU_dc2|；

(6)将ΔP_dc2 ^*与有功功率给定值P₂ ^*和测量值P_g2的偏差叠加，送入PI控制器，构成带死区的自适应下垂控制器，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明在直流配电网主从控制的基础上，对从换流站的控制方法进行了改进，从换流站的功率外环设计了一种带死区的自适应下垂控制的方法，实现了当直流配电网在稳态时，从换流站工作在定功率模式，能够精确控制有功功率输出，当直流配电网出现运行状态转换和N-1故障等扰动时，例如主站满载，负荷突变，主站因故障退出运行，直流母线断线等，如果直流电压偏差过大，从站可以不依靠通信将运行状态快速切换到自适应下垂控制，辅助主站参与直流电压的快速调节。因此本发明不仅克服了主从控制在通信故障时无法实现运行模式的切换和直流电压稳定控制的缺点，而且在直流配电网受到扰动时提高了直流电压控制的快速性和可靠性。

2、本发明针对主从控制在通信故障时无法实现运行模式的切换和直流电压稳定控制的缺点,本发明提出一种直流配电网改进主从控制方法，该方法在直流配电网主从控制的基础上，对从换流站的控制方法进行了改进，给从换流站的功率外环设计了一种带死区的自适应下垂控制的方法，实现在直流配电网受到扰动时，如果直流电压偏差过大，从站可以不依靠通信将运行状态快速切换到自适应下垂控制，辅助主站参与直流电压的快速调节，提高了系统的可靠性。

3、本发明既适用于双端直流配电网又适用于多端和环状直流配电网，实现了在直流配电网在稳态运行时，从换流站可以精确地控制有功功率的输出。

附图说明

图1为本发明的双端手拉手直流配电系统结构图；

图2为本发明的dq坐标系下解耦的电流内环控制器示意图；

图3为本发明的d轴带死区自适应下垂控制器示意图；

图4为本发明的q轴无功功率控制器示意图；

图5为本发明的Simulink仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

本发明涉及的中压直流配电系统包括两个MMC换流站，即主换流站和从换流站，如图1所示，两个换流站以手拉手的方式构成了双端直流配电网结构,其中一个换流站MMC1设定为主站，另外一个换流站MMC2设定为从站。

一种直流配电网改进主从控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设计带死区的自适应下垂控制器；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)测量MMC2网侧三相电压和电流，测量MMC2直流侧电压和电流；

(2)根据步骤(1)测量获得的三相交流电压，通过锁相获得交流电网的参考相位θ和角频率ω；

(3)根据步骤(2)获得的交流电网的参考相位θ对MMC2网侧三相交流电压和电流进行dq变换，得到电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q，得到电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

(4)根据步骤(3)得到的u_d、u_q，、i_d、i_q计算有功功率P_g和无功功率Q_g；

(5)设计MMC2交流侧外环控制器为定无功功率控制，如图4所示，将无功功率参考值Q^*和MMC实际输出无功功率Q_g经过PI从而计算电流内环q轴参考值i_q ^*；设计MMC直流侧外环控制为带死区自适应下垂控制，如图3所示，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*；

(6)设计dq坐标系下解耦的电流内环控制器，如图2所示，通过PI控制器，电压前馈和耦合补偿从而计算获得MMC调制所需的输出电压参考值。

步骤2、主换流站MMC1设定为定电压控制模式，负责直流电压的控制，从换流站MMC2采用带死区的自适应下垂控制，负责有功功率调节。

在本实施例中，所述步骤1中第(5)步的设计MMC2直流侧外环控制为带死区自适应下垂控制，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*的具体步骤包括：

(1)根据配电网极端运行状况，计算直流配电网在稳定运行时从换流站MMC2直流侧电压可能达到的最大值U_dc2max和最小值U_dc2min；

(2)根据U_dc2max和U_dc2min确定自适应下垂控制器的死区上界值

和下界值

(3)根据测得的从站MMC直流电压与

和

的关系确定符号函数的值；

设

(4)设计自适应下垂系数的倒数

式中，P_2max为MMC2换流站可以输出的最大有功功率，P₂ ^*为MMC2换流站有功功率的设定值，δ为直流电压允许的最大偏差范围；

(5)根据直流电压计算从换流站有功功率调节量ΔP_dc2 ^*＝sng^*β₂ ^*|ΔU_dc2|；

(6)将ΔP_dc2 ^*与有功功率给定值P₂ ^*和测量值P_g2的偏差叠加，送入PI控制器，构成带死区的自适应下垂控制器，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*。

为了验证上述电压控制策略的有效性和优越性通过MATLAB/Simulink工具箱搭建图1所示双端手拉手直流配电网仿真系统。系统主要仿真参数如表1所示：

表1系统主要仿真参数

启动直流配电网，在1s达到稳态，1.2s直流配电网发生负荷突变，负荷从0MW突变到7MW,1.5s主站MMC2因故障突然退出运行，1.55s从换流站切换为恒压控制模式，分别采用传统主从控制方法和发明的改进主从控制方法对系统进行了仿真，仿真结果如图5所示。从图5可以看出，采用传统主从控制时，当直流配电系统发生扰动时，直流电压的波动范围要大于改进的主从控制策略,1.5s主站MMC2因故障突然退出运行后，传统主从控制策略直流电压偏差超过了额定直流电压值的5％，改进的主从控制策略始终保证直流电压偏差范围在额定直流电压值的5％以内。验证了发明方法的有效性和优越性。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种直流配电网改进主从控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、设计带死区的自适应下垂控制器；

步骤2、设定其中一个MMC换流站为主站，工作模式为恒压控制模式，设定其他MMC换流站为从站，工作模式采用步骤1的带死区的自适应下垂控制器的控制模式。

2.根据权利要求1所述的一种直流配电网改进主从控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)测量MMC网侧三相电压和电流，测量MMC直流侧电压和电流；

(2)根据步骤(1)测量获得的三相交流电压，通过锁相，获得交流电网的参考相位θ和角频率ω；

(3)根据步骤(2)获得的交流电网的参考相位θ对MMC网侧三相交流电压和电流进行dq变换，得到电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q，得到电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

(4)根据步骤(3)得到的u_d、u_q，、i_d、i_q计算有功功率P_g和无功功率Q_g；

(5)设计MMC交流侧外环控制器为定无功功率控制，将无功功率参考值Q^*和MMC实际输出无功功率Q_g经过PI从而计算电流内环q轴参考值i_q ^*；

设计MMC直流侧外环控制为带死区自适应下垂控制，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*；

(6)设计dq坐标系下解耦的电流内环控制器，通过PI控制器，电压前馈和耦合补偿从而计算获得MMC调制所需的输出电压参考值。

3.根据权利要求2所述的一种直流配电网改进主从控制方法，其特征在于：所述步骤1中第(5)步设计MMC直流侧外环控制为带死区自适应下垂控制，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*的具体步骤包括：

(1)根据配电网极端运行状况，计算直流配电网在稳定运行时从换流站MMC2直流侧电压可能达到的最大值U_dc2max和最小值U_dc2min；

(2)根据U_ddc2max和U_dc2min确定自适应下垂控制器的死区上界值和下界值

(3)根据测得的从站MMC直流电压与

和

的关系确定符号函数的值；

设ΔU_dc2＝U_dc ^*-U_dc2，

(4)设计自适应下垂系数的倒数

式中，P_2max为MMC2换流站可以输出的最大有功功率，P₂ ^*为MMC2换流站有功功率的设定值，δ为直流电压允许的最大偏差范围；

(5)根据直流电压计算从换流站有功功率调节量ΔP_dc2 ^*＝sng*β₂*|ΔU_dc2|；

(6)将ΔP_dc2 ^*与有功功率给定值P₂ ^*和测量值P_g2的偏差叠加，送入PI控制器，构成带死区的自适应下垂控制器，从而计算电流内环d轴参考值i_d ^*。

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