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一种适用于柔性直流配电系统的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于柔性直流配电系统的协调控制方法，包括系统级的上层控制及换流器级的底层控制，其中，系统级的上层控制的具体操作为：通过计算最优潮流给出底层换流器的控制参考值，通过控制底层换流器控制中间节点的直流电压，使其稳定；换流器级的底层控制的具体操作为：确定VSC换流器的稳定运行点，设定负荷功率变化时，VSC换流器的功率分配系数K决定负荷功率变化时VSC换流器的功率变化比例，通过设定VSC换流器的功率分配系数K及中间节点电压减小系统某一换流器功率变化造成的其余换流器直流电压偏移，该方法能够满足柔性直流配电系统的控制需求，保障系统运行的稳定性。

Description

一种适用于柔性直流配电系统的协调控制方法
技术领域
本发明属于电力系统控制领域，具体涉及一种适用于柔性直流配电系统的协调控制方法。
背景技术
当前我国能源行业正在经历着重要的变革，能源危机与环境污染的加重等问题使得风电、光伏、水电等可再生能源的利用成为能源行业发展的重要方向。随着国内外研究学者对分布式发电技术不断的研究探索，分布式发电技术日益得到完善。由于新能源并网发电接入配电系统，同时直流负荷的比重日益增大(例如电动汽车、LED灯等)，从而使交流配电网中电能变换环节随之增多，导致供配电的效率降低。所以，传统的交流配电网难以满足新能源并网发电以及大规模直流负荷的接入，迫切需要研究新型的配电系统，以适应当今配电网的发展需求。
柔性直流输电和现代配电系统的迅速发展激励了柔性直流在配电侧的应用延伸。柔性直流配电技术将成为构建灵活、坚强、高效配电网并能够充分利用可再生能源的有效途径。目前，对于柔性直流配电技术的研究主要可以分为系统架构、关键设备、控制技术和保护技术等几个方面。
在柔性直流配电系统中，中压直流配电网通过主换流器与交流大系统连接，同时，形式多样的分布式电源、储能以及交直流负载也经过不同类型的功率变换器接入直流母线。种种电力电子变换器都需要控制。在不同运行方式下，直流配电网各部分的运行状态以及变换器的控制模式需要做出相应的调整，这更需要控制系统实现协调一致的配合。因此，控制系统对柔性直流配电网的正常运行有非常重要的作用。
柔性直流配电系统的控制系统包括换流器控制和多端协调控制策略两大部分。目前应用比较广泛的VSC换流器控制方法主要采用基于PI控制器的电压、电流双闭环解耦的直接电流控制，根据外环控制对象的不同，换流器级控制可以采用定直流电压控制、定功率控制和定交流电压控制等。而目前对柔性直流配电系统的多端协调控制策略多参考与柔性直流输电系统，尚无成熟的直流配电系统多端协调控制策略。多端协调控制主要分为主从控制、下垂控制和电压裕度控制。主从控制与电压裕度控制的核心是通过单一换流站控制系统各个站的直流电压，都需要在故障时进行定电压换流站的切换；下垂控制通过多个换流站共同对系统进行调节，可以保证电气量调节的连续性，减小了电气量突变可能引起的暂态过程，但也有着潮流难以精确控制的缺点，还有着直流系统稳定运行点难以确定，受线路电阻影响较大的问题。
柔性直流配电系统控制策略的设计原则可以以现有的多端柔直控制策略为基础，包括对传统协调控制方法进行改进，以适应直流配电系统的运行特点；以及针对特定控制目标，对换流器的控制系统所进行的针对性的改进。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于柔性直流配电系统的协调控制方法，该方法能够满足柔性直流配电系统的控制需求，保障系统运行的稳定性。
为达到上述目的，本发明所述的适用于柔性直流配电系统的协调控制方法包括系统级的上层控制及换流器级的底层控制，其中，系统级的上层控制的具体操作为：通过计算最优潮流给出底层换流器的控制参考值，通过控制底层换流器控制中间节点的直流电压，使其稳定；
换流器级的底层控制的具体操作为：确定VSC换流器的稳定运行点，设定负荷功率变化时，VSC换流器的功率分配系数K决定负荷功率变化时VSC换流器的功率变化比例，通过设定VSC换流器的功率分配系数K及中间节点电压减小系统某一换流器功率变化造成的其余换流器直流电压偏移。
换流器级的底层控制的具体操作为：
1)采集柔性直流配电系统中的电气参数，并接收调度中心的指令，通过最优潮流的方法计算各VSC换流器的功率输出及直流电压，并将各VSC换流器的功率输出及直流电压作为系统的稳定运行点，通过改变换流器的输出功率使系统工作于稳定运行点处；
2)通过最优潮流的计算确定各VSC换流器协调控制的参考值、中间节点电压U0及功率分配系数K，再根据各VSC换流器协调控制的参考值、中间节点电压U0及功率分配系数K控制各换流器，配电系统在直流电压偏移最小的运行方式下运行。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的适用于柔性直流配电系统的协调控制方法在具体操作时，当任意VSC换流器退出运行时，可以保证系统中存在至少一个VSC换流器维持中间节点电压的稳定，进而维持整个柔性直流配电系统直流电压的稳定；避免任一换流器定电压，切换定电压换流器引起系统较大的功率、电压波动，同时多VSC换流器共同参与调节直流电压，能够最大限度利用VSC换流器交流侧电网的调节能力，增强直流系统的惯性；在正常运行过程中，VSC换流器能够通过调节自身功率输出维持中间节点电压稳定，进而使得直流设备工作在稳定的状态。
附图说明
图1为实施例一中的柔性直流配电系统的结构示意图；
图2为实施例一中的柔性直流配电系统的控制系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的适用于柔性直流配电系统的协调控制方法包括系统级的上层控制及换流器级的底层控制，其中，系统级的上层控制的具体操作为：通过计算最优潮流给出底层换流器的控制参考值，通过控制底层换流器控制中间节点的直流电压，使其稳定；
换流器级的底层控制的具体操作为：确定VSC换流器的稳定运行点，设定负荷功率变化时，VSC换流器的功率分配系数K决定负荷功率变化时VSC换流器的功率变化比例，通过设定VSC换流器的功率分配系数K及中间节点电压减小系统某一换流器功率变化造成的其余换流器直流电压偏移。
换流器级的底层控制的具体操作为：
1)采集柔性直流配电系统中的电气参数，并接收调度中心的指令，通过最优潮流的方法计算各VSC换流器的功率输出及直流电压，并将各VSC换流器的功率输出及直流电压作为系统的稳定运行点，通过改变换流器的输出功率使系统工作于稳定运行点处；
2)通过最优潮流的计算确定各VSC换流器协调控制的参考值、中间节点电压U0及功率分配系数K，再根据各VSC换流器协调控制的参考值、中间节点电压U0及功率分配系数K控制各换流器，配电系统在直流电压偏移最小的运行方式下运行。
接下来以系统直流电压偏移最小为优化目标进行说明。
优化目标：系统直流电压偏移最小。
优化问题适用场景如下：设系统中任一换流器功率输出改变，其余换流器为保持系统中中间节点直流电压不变，需要改变自身的功率输出，使得系统到达新的稳态时换流器的直流电压也会改变。在给定换流器功率的输出范围内，通过调节系统的中间节点直流电压与VSC换流器功率分配系数K，以最大限度地减小直流电压的波动情况；
选取直流负荷功率变化的场景，优化减小两个VSC换流器的直流电压偏移，优化的目标函数反映VSC换流器直流电压的稳态偏移量与直流负荷功率稳态偏移量的比例；
优化计算的结果包括中间节点电压、功率变化分配系数以及各个VSC换流器的直流电压与直流功率取值，中间节点电压、功率变化分配系数以及各个VSC换流器的直流电压与直流功率取值进行上层协调控制。
其中，单位直流负荷功率变化引起的VSC换流器直流电压偏移为：
Figure BDA0002512025850000061
根据系统的等式约束求取直流电压、直流功率变量及功率分配系数与线路电阻的表达式，首先根据潮流约束，则有
Figure BDA0002512025850000062
Figure BDA0002512025850000063
对式(2)与式(3)中等式约束中的方程式求微分，则有
Figure BDA0002512025850000064
Figure BDA0002512025850000065
设系数K为功率变化的分配比例，则有
ΔP2＝KΔP3 (6)
即
Figure BDA0002512025850000066
求解得
Figure BDA0002512025850000071
Figure BDA0002512025850000072
Figure BDA0002512025850000073
由于在控制中间节点电压时，一端VSC换流器注入直流系统功率的增加会引起其他换流器直流电压的下降，F为负数，直流电压偏移最小意味着求F的模最大值。
单位电压偏移可以分解为
Figure BDA0002512025850000074
Figure BDA0002512025850000075
Figure BDA0002512025850000076
如式(11)所示，影响优化目标的待求控制参数包括功率变化分配系数K与中间节点直流电压，功率变化分配系数K与中间节点直流电压对于优化目标的影响可以单独分析，由于该系统处于同一电压等级下，其中，
Figure BDA0002512025850000081
接近1，视为常数，求F1对K的导数，则有
Figure BDA0002512025850000082
式(14)表明，功率变化分配系数K对优化目标的影响是相对独立的，可以与其他变量分开单独讨论，并且功率变化分配系数K对优化目标的影响仅与VSC换流器与中间节点之间的线路电阻有关，在变量不越限的前提下，当R3<R2，K应当选取取值范围内的最小值，反之，应当选取取值范围内的最大值。
式(13)中，当通过控制中间节点电压减小VSC换流器电压变化量，则需要选取允许范围内中间节点电压较高的值，当直流负荷的功率和电压不变时，式(13)中只有中间节点电压一个可控变量。此时整个优化问题可以转化为在满足约束条件下，求中间节点电压的最大值，即优化问题可以转化为：
Figure BDA0002512025850000083
其中，p为变量个数，i为变量编号，该优化问题中，各换流器都有不等式约束，限定了直流电压与直流功率的上限与下限。
直流输电系统最优潮流计算的变量为：
直流负荷节点：直流电压U1，直流功率P1。
VSC1换流器：直流电压U2，直流功率P2。
VSC2换流器：直流电压U3，直流功率P3。
换流器控制参考值：中间节点电压U0，功率变化分配系数K。
该优化问题有如下不等式约束：
Figure BDA0002512025850000091
Figure BDA0002512025850000092
Figure BDA0002512025850000093
柔性直流配电系统需要满足潮流方程约束，因此有如下等式约束：
Figure BDA0002512025850000094
其中，n编号从0到3，分别为中间节点、直流负荷、VSC1换流器及VSC2换流器的编号，Yin为i节点与n节点之间的导纳，Pn为节点的注入功率，中间节点的注入功率为0，换流器的注入功率为各个换流器的输入功率，节点导纳可以通过线路阻抗计算得出。
对于直流负荷节点，有如下等式约束：
P1＝I1U1 (20)
在给定系统各变量的取值范围时，优化电压偏移问题可以转化为优化中间节点直流电压的问题。
由于在直流配电系统中各节点的直流电压均在一定范围内，且中间节点电压在给定的运行方式下一般不会是系统中电压的最大值或者最小值，因此中间节点电压取最大值，意味着其他节点的电压或者功率已经达到了优化问题中给出的限值。
值得注意的是，在本发明中求解优化问题的首要目标是给出换流器外环控制的参考值，但在求解参考值的同时，还可以给出满足系统优化目标的稳定运行点，这一目标对于系统整体的调度是有参考价值的。

Claims (1)

1.一种适用于柔性直流配电系统的协调控制方法，其特征在于，包括系统级的上层控制及换流器级的底层控制；
系统级的上层控制的具体操作为：通过计算最优潮流给出底层换流器的控制参考值，通过控制底层换流器控制中间节点的直流电压，使其稳定；
换流器级的底层控制的具体操作为：确定VSC换流器的稳定运行点，设定负荷功率变化时，VSC换流器的功率分配系数K决定负荷功率变化时VSC换流器的功率变化比例，通过设定VSC换流器的功率分配系数K及中间节点电压减小系统某一换流器功率变化造成的其余换流器直流电压偏移；
换流器级的底层控制的具体操作为：
1)采集柔性直流配电系统中的电气参数，并接收调度中心的指令，通过最优潮流的方法计算各VSC换流器的功率输出及直流电压，并将各VSC换流器的功率输出及直流电压作为系统的稳定运行点，通过改变换流器的输出功率使系统工作于稳定运行点处；
2)通过最优潮流的计算确定各VSC换流器协调控制的参考值、中间节点电压U0及功率分配系数K，再根据各VSC换流器协调控制的参考值、中间节点电压U0及功率分配系数K控制各换流器，配电系统在直流电压偏移最小的运行方式下运行。
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