CN111431166B - 确保直流母线电压稳定运行的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种确保直流母线电压稳定运行的控制方法，所述方法包括如下步骤：S1：确定直流配网中直流母线的电压偏差值；S2：确定直流配网中电压源换流器的电压参考值；S3：确定控制换流器工作的PWM驱动信号；根据电压源换流器直流侧电压实际测量值和电压源换流器直流侧参考电压输入双环控制系统获得PWM驱动信号。本发明提出的确保直流母线电压稳定运行的控制方法，能够有效优化系统运行过程中各换流器直流侧出口电流的比例系数，确保直流母线电压的稳定运行，提高控制精确性。

Description

确保直流母线电压稳定运行的控制方法
技术领域
本发明涉及直流配电网运行控制技术领域，尤其涉及一种确保直流母线电压稳定运行的控制方法。
背景技术
由于全球范围内一次化石能源不断消耗和日益严峻的环境问题，电力和能源行业正朝着可再生清洁能源、能源储存单元和现代负荷整合方向发展，其方式是在传统的交流电网基础设施内建设灵活、高效的多端直流配电网。其中，直流母线电压作为衡量直流配网稳定和功率合理分配的重要因素，对其控制方法的研究具有实际及学术意义。现有应用较多的控制直流母线电压稳定运行的方法是直流下垂控制，其是在交流系统下垂控制的基础上提出，控制过程中无需上层控制器参与，也无需利用通信系统，具有较好的模块性和扩展性。但其缺点也十分明显，首先为适应不同容量的换流站和不同负荷水平的运行工况，一个准确的下垂系数(droop ratio)对系统稳定运行起着十分重要的作用，选取不准确时会严重影响母线电压的稳定控制；其次传统下垂控制作用下，由于下垂控制相较于主从控制模式对线路阻抗敏感程度更高，当计及传输线路阻抗时，直流配电系统中的母线电压与设定值的偏差值越小的前提满足较小的下垂系数，而下垂系数偏小会一定程度上影响系统响应速度和功率分配精度；另外下垂控制运行结果还会存在稳态误差。
因此，亟需一种新的确保直流母线电压稳定运行的控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种确保直流母线电压稳定运行的控制方法，以解决现有技术的不足。
本发明提供一种确保直流母线电压稳定运行的控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：确定直流配网中直流母线的电压偏差值；
S2：确定直流配网中电压源换流器的电压参考值；
S3：确定控制换流器工作的PWM驱动信号；根据电压源换流器直流侧电压实际测量值和电压源换流器直流侧参考电压输入双环控制系统获得PWM驱动信号。
进一步，所述电压偏差值通过如下方式确定：
Figure GDA0003548505260000021
其中，VPC表示直流母线的电压偏差值，
Figure GDA0003548505260000022
表示直流母线电压参考值，Vbus表示直流母线电压实际值。
进一步，所述电压参考值采用如下方法确定：
TuDVref＝keVPC-dIdc其中，D(·)为微分项，Tu为积分系数，Vref表示电压源换流器的电压参考值，ke为积分器比例系数，d为下垂系数，VPC表示直流母线的电压偏差值，Idc为换流器直流侧出口电流。
本发明的有益技术效果：本发明提出的确保直流母线电压稳定运行的控制方法，能够有效优化系统运行过程中各换流器直流侧出口电流的比例系数，确保直流母线电压的稳定运行，提高控制精确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为含三端换流器的直流配网结构图。
图2为所提换流器双环控制电压外环参考值计算原理图。
图3为含所提控制策略的换流器输出阻抗建模原理图。
图4为所提控制策略的系统运行结果。
图5为传统下垂控制策略的系统运行结果。
图6为所提控制策略的换流器输出阻抗Nyquist曲线。
图7为传统下垂控制策略的换流器输出阻抗Nyquist曲线。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供一种确保直流母线电压稳定运行的控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：确定直流配网中直流母线的电压偏差值；
S2：确定直流配网中电压源换流器的电压参考值；
S3：确定控制换流器工作的PWM驱动信号；根据电压源换流器直流侧电压实际测量值和电压源换流器直流侧参考电压输入双环控制系统获得PWM驱动信号。
根据换流器双环控制系统中电压外环参考值的确定方法，能够确保输入积分环节的值在稳态情况下等于0，即
Figure GDA0003548505260000031
i＝1,2,…,n(1)，其中，n为连接于公共直流母线上的换流器个数。对于所有换流器而言，式子1右半部分相等，根据式子1可知，式子左半部分也相等，因此得到d1Idc1＝d2Idc2＝......＝dnIdcn，也就达到了各换流站直流侧输出电流等比例的控制目的。
通过上述技术方案，可实现能够有效优化系统运行过程中各换流器直流侧出口电流的比例系数，确保直流母线电压的稳定运行，提高控制精确性。
在本实施例中，所述电压偏差值通过如下方式确定：
Figure GDA0003548505260000041
其中，VPC表示直流母线的电压偏差值，
Figure GDA0003548505260000042
表示直流母线电压参考值，Vbus表示直流母线电压实际值。
在本实施例中，所述电压参考值采用如下方法确定：如图2所示：
TuDVref＝keVPC-dIdc (3)
其中，D(·)为微分项，Tu为积分系数，Vref表示电压源换流器的电压参考值，ke为积分器比例系数，d为下垂系数，VPC表示直流母线的电压偏差值，Idc为换流器直流侧出口电流。
图4为全局下垂控制系统性能.其中，(a)直流母线电压,(b)直流母线电压局域放大图,(c)VSC出口直流电压,(d)VSC出口直流电流,(e)VSC及光伏传输有功功率,(f)VSC传输无功功率，图5为传统下垂控制系统性能.(a)直流母线电压,(b)直流母线电压局域放大图,(c)VSC出口直流电压,(d)VSC出口直流电流,(e)VSC及光伏传输有功功率,(f)VSC传输无功功率。图5为上述仿真工况下传统下垂控制运用于VSC1、VSC2、VSC3时的系统性能，其中图5(a)为母线直流电压运行水平，与上文理论分析结果一致，直流母线电压在0.2s至0.4s系统处于空载过程中保持与设定值0.75kV相当的水平。但在0.4s后加入了负载，由于线路阻抗及下垂系数的作用，母线电压相较于额定值有一定的稳态误差,只有在3.5s加入了光伏单元后母线电压水平才变化到期望水平，但这对于母线电压控制来说并不是有利的，因为相较图4(b)中母线电压受分布式能源接入影响的效果来看，传统下垂控制的抗扰能力明显不足。不仅如此，从图5(d)和图5(e)可以看出，虽然VSC1、VSC2、VSC3的额定传输有功功率相同且控制参数一致，但由于VSC1和VSC2、VSC3出口连接至直流母线的线路阻抗参数不一致，导致其出口电流和传输有功功率均不一致。因此，为保证母线电压水平与设定值保持一致，并按V-I或V-P下垂曲线等比例分配直流电流/有功功率，全局下垂思想将利用于控制器设计中。
图4为上述仿真工况下全局下垂控制运用于VSC1、VSC2、VSC3时的系统性能，其中图4(a)为直流母线电压整体运行水平，图4(b)为电压局域放大图，由图中可明显看出母线直流电压稳定于设定值750V，传统下垂控制作用时产生的稳态误差得到消除的同时系统对于负荷增减和分布式能源接入均具有较高的抗扰能力。除此之外，由图4(d)中的VSC1和VSC2、VSC3直流出口电流曲线可以看出，Idc1和Idc2、Idc3在较短的时间内就能通过控制器中积分环节而趋向一致，并且在分布式能源接入的情况下也能保证较好的控制效果。
在本实施例中，如图1所示，直流配网系统主要分为三个区域，控制母线电压稳定的VSC1、VSC2、VSC3分别与380V，50Hz的交流电网连接构成第一区域，通过传统下垂控制/全局下垂控制对换流器直流侧出口电流进行管理，以准确维持母线电压稳定；第二区域为通过Boost升压直流变压器与直流配网母线相连的光伏模块；第三区域为配置无源负载的直流微网。在第一区域中，两种控制方法分别运用于控制器中，以比较其控制效果的差异。第二区域中的Boost换流器采用传统PI控制器，其余详细的系统参数及控制器参数见附表1-表3。首先，为验证所提控制器对于换流器直流侧电流等比例控制的有效性，对传统下垂控制和所提控制进行仿真分析，VSC1、VSC2、VSC3于0.2s连接于直流母线，下垂控制系数均为0.05kV/kA，然后在0.4s时第三区域中0.28MW(2Ω)的静态阻性负荷连接于直流配网，温度为20℃，辐射强度为600W/m2的光伏模块在3.5s时连接于直流母线，最后5.5s时另一0.14MW(4Ω)的静态阻性负荷接入。其中，为了测试控制器在干扰下的性能，Boost变换器通过一个初始不充电的电容器连接到直流电网。
表1仿真系统参数
Figure GDA0003548505260000061
表2光伏系统仿真参数
Figure GDA0003548505260000062
表3仿真控制参数
Figure GDA0003548505260000071
如图3所示，利用建立的换流器输出电压控制结构模型，通过阻抗建模对换流器稳定性进行验证。换流器输出阻抗计算公式为：
Figure GDA0003548505260000072
其中，
Figure GDA0003548505260000073
其中，G1(s)为全局下垂控制中的电流控制环节，Rl和Ll为换流器直流侧线路阻抗；G2(s)为换流器ΔId(s)到ΔVdc(s)的传递函数，Ls和R为换流器交流侧滤波电感和电阻，Ceq和Leq为直流侧电容和电感，Id0为交流侧d轴电流稳态运行点对应的值，Vsd0为d轴对应电压稳态值，Vdc0为直流侧电压稳态值，Ploss0为换流器内部损耗稳态值，Idc0为直流侧电流稳态值；G3(s)为直流侧电压反馈环节；Gi(s)为包含d轴电流内环在内的简化电流控制环节，τi由下式决定：
Figure GDA0003548505260000081
其中，kpi和kii为对应的比例系数和积分系数，Ls为换流器交流侧滤波电感，Rs表示，ron表示。
如图6所示，换流器输出阻抗的Nyquist曲线不包含(-1,0)点即表征系统达到小干扰稳定。
由图6和图7可看出，全局下垂控制和传统下垂控制分别作用于VSC闭环控制时，其输出阻抗的奈奎斯特曲线均没有包围(-1,0)点，即均满足稳定的充要条件。由图6可看出，全局下垂控制作用时，ke、d、Rl、Ceq变化均会对换流器输出阻抗奈奎斯特曲线造成不同程度的影响，从换流器输出阻抗的角度验证了全局下垂控制对于系统参数变化的鲁棒控制能力，保证系统稳定性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种确保直流母线电压稳定运行的控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：确定直流配网中直流母线的电压偏差值；
S2：确定直流配网中电压源换流器的电压参考值；
S3：确定控制换流器工作的PWM驱动信号；根据电压源换流器直流侧电压实际测量值和电压源换流器直流侧参考电压输入双环控制系统获得PWM驱动信号；其中，利用建立的换流器输出电压控制结构模型，通过阻抗建模对换流器稳定性进行验证；
所述电压参考值采用如下方法确定：
TuDVref＝keVPC-dIdc
其中，D(·)为微分项，Tu为积分系数，Vref表示电压源换流器的电压参考值，ke为积分器比例系数，d为下垂系数，VPC表示直流母线的电压偏差值，Idc为换流器直流侧出口电流。
2.根据权利要求1所述确保直流母线电压稳定运行的控制方法，其特征在于：所述电压偏差值通过如下方式确定：
Figure FDA0003548505250000011
其中，VPC表示直流母线的电压偏差值，
Figure FDA0003548505250000012
表示直流母线电压参考值，Vbus表示直流母线电压实际值。
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