CN112542850B - 基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法 - Google Patents

基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法，包括如下过程：变电站1用于调节配电系统电压，设置为功率平衡主站，换流器VSC1采用VdcQ控制，换流器VSC2和换流器VSC3采用定功率控制；建立自适应电压无差控制模型，实时反馈系统电压偏差，并进行补偿控制。本发明通过主动功率平衡对主从控制进行了改进研究：基于现有控制方法响应快、电压无偏差的优点，提出主动功率补偿快速调节系统变电站发出和吸收的功率，形成自适应电压无差控制策略，保证系统电压无偏差。摆脱了对通信设备的依赖，根据系统电压偏差，快速准确调整变电站出力，实现系统电压和出力的快速、无差调节。

Description

基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法
技术领域
本发明涉及配电网领域，具体是基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法。
背景技术
随着化石能源的枯竭，光伏、风力等可再生能源的开发与利用受到越来越多的关注。由于新能源大多通过直流形式接入现有电网，多端柔性直流配电网(Multi terminalsflexible DC distribution network，MTFDCDN)凭借换流环节少、损耗低、投资省、占地少、容量大、控制灵活等优势，在中低压配电系统得到广泛的关注与应用。但是多端柔性直流配电系统的控制依然存在很多问题，例如直流电压受传输功率和实时潮流的影响，容易产生电压偏差，在阈值附近波动，影响供电可靠性和系统稳定性；其次，当系统发生故障等工况切换时，系统动态响应特性差，过渡时间冗长，过电压现象明显，可能导致系统失衡；最后，某些换流站控制方法需要考虑其他换流站状态，模式切换的判据难以确定，并且高度依赖通信系统进行信号传递，对通信系统的同步能力要求高，增加了系统不确定性。多端柔性直流配电系统的控制模式主要分为主从控制和下垂控制。其中，主从控制的基本控制方法是由一容量足够大的换流站承担主站角色，根据系统潮流实时调整功率出力，稳定系统电压；当主站故障退出时，由另一容量较大的备用主站顶替原主站的位置，调节吞吐功率，稳定系统电压。主从控制能有效控制系统额定电压在给定值附近，但是工况变化的暂态过程调节速度慢，可能导致电压超调、换流站过载等问题，并且高度依赖通信。为了降低主从控制通信设备同步能力的依赖，衍生了电压裕度控制，备用主站通过监测系统电压是否达到电压上下限值，对控制功率进行自动调节，避免了依赖通信设备传递主站退出的信号。但是存在备用主站优先级选择困难、系统电压偏差大、动态响应慢、过电压、过载等问题。下垂控制分为电压-功率控制和电压-电流控制，有多个下垂控制站投入系统运行，根据系统电压动态调节输出功率，能实现系统功率的快速调节，并且便于模块化拓展，但是存在下垂系数整定困难、存在电压偏差等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法，包括如下过程：
变电站1用于调节配电系统电压，设置为功率平衡主站，换流器VSC1采用VdcQ控制，换流器VSC2和换流器VSC3采用定功率控制；建立自适应电压无差控制模型，实时反馈系统电压偏差，并进行补偿控制；
多端柔性直流配电系统电压的调节由变电站1承担，直流端电压Udc、功率Ps和idref之间的关系如下所示：
idrefi＝((KP3i+KI3i/s)(Udcrefi-Udci)+Psrefi-Psi)*(KP1i+KI1i/s)
其中KP3i和KI3i分别表示补偿电压的比例参数和积分参数，KP1i和KI1i分别表示功率环的比例参数和积分参数；系统的无功功率的调节由主站及备用主站承担，直流端无功功率Qdc和iqref之间存在如下关系：
iqref1＝(Qdcrefi-Qdci)*(KP2i+KI2i/s)
则系统调制电压计算方法如下：
Figure GDA0003576659170000021
通过信号调制后产生PWM驱动信号，从而控制系统的电压、有功功率和无功功率，达到系统要求。
进一步的，自适应电压无差控制下系统功率波动值ΔPsi，ADVC与电压波动ΔUdci之间的关系如下式所示：
Figure GDA0003576659170000022
进一步的，交流系统电压Us与d轴方向一致时，与直流系统连接处的并网联结点的功率Ps计算方法如下：
Ps＝Usid。
进一步的，主从控制下系统功率波动ΔPs1,msc表示为：
ΔPs1,msc＝UsΔid＝-Us(KP1+KI1/s)*ΔUdc1
本发明的有益效果是：针对主从控制对通信设备的依赖性和下垂控制存在的电压偏差，在定功率站的内环控制引入电压偏差补偿环节，提出了自适应电压无差控制策略(AVDC)，AVDC摆脱了通信设备的依赖，还能根据系统电压偏差，快速准确调整变电站出力，实现系统电压和出力的快速、无差调节。
附图说明
图1为基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制示意图；
图2为定直流电压控制示意图；
图3为定有功功率控制示意图；
图4变电站在不同控制方式下的直流电压波形(场景1)；
图5变电站在不同控制方式下的有功功率波形(场景1)；
图6变电站在不同控制方式下的直流电压波形(场景2)；
图7变电站在不同控制方式下的有功功率波形(场景2)；
图8变电站在不同控制方式下的直流电压波形(场景3)；
图9变电站在不同控制方式下的有功功率波形(场景3)。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法，其特征在于，包括如下过程：
变电站1用于调节配电系统电压，设置为功率平衡主站，换流器VSC1采用VdcQ控制，换流器VSC2和换流器VSC3采用定功率控制；建立自适应电压无差控制模型，实时反馈系统电压偏差，并进行补偿控制；
多端柔性直流配电系统电压的调节由变电站1承担，直流端电压Udc、功率Ps和idref之间的关系如下所示：
idrefi＝((KP3i+KI3i/s)(Udcrefi-Udci)+Psrefi-Psi)*(KP1i+KI1i/s)
其中KP3i和KI3i分别表示补偿电压的比例参数和积分参数，KP1i和KI1i分别表示功率环的比例参数和积分参数；系统的无功功率的调节由主站及备用主站承担，直流端无功功率Qdc和iqref之间存在如下关系：
iqref1＝(Qdcrefi-Qdci)*(KP2i+KI2i/s)
则系统调制电压计算方法如下：
Figure GDA0003576659170000041
通过信号调制后产生PWM驱动信号，从而控制系统的电压、有功功率和无功功率，达到系统要求。
自适应电压无差控制下系统功率波动值ΔPsi，ADVC与电压波动ΔUdci之间的关系如下式所示：
Figure GDA0003576659170000042
交流系统电压Us与d轴方向一致时，与直流系统连接处的并网联结点的功率Ps计算方法如下：
Ps＝Usid。
主从控制下系统功率波动ΔPs1,msc表示为：
ΔPs1,msc＝UsΔid＝-Us(KP1+KI1/s)*ΔUdc1。
图1中的PSi和PSrefi分别表示VSC的实时功率和功率参考值；Udcrefi和Udci分别表示VSCi直流侧电压参考值和实际电压；Qdcrefi和Qdci分别表示VSCi直流侧无功功率参考值和实际值；KP1和KI1分别为VSC控制器有功功率控制的比例参数和积分参数；KP2和KI2分别为VSC控制器无功功率控制的比例参数和积分参数；KP3和KI3分别为VSC控制器直流电压动态调节的比例参数和积分参数；idmax和idmin分别为d轴电流的上下限值；iqmax和iqmin分别为q轴电流的上下限值；idrefi和iqrefi分别为VSCi直流侧d轴和q轴电流参考值；idi和iqi分别为VSCi直流侧d轴和q轴电流实际值；ω和L分别表示系统频率和等效电容；usd和usq分别表示交流网侧电压的d轴和q轴分量；Vrd和Vrq分别表示调制电压的d轴和q轴分量。
具体的，针对图1所示的多端柔性直流配电网系统，假设变电站1容量足够调节该配电系统电压，设置为功率平衡站，VSC1采用VdcQ控制，其控制框图如图6(a)所示，其中Udcref1和idref1分别为VSC1直流侧电压参考值和d轴电流参考值；Udc1为VSC1直流侧实际电压；KP1和KI1分别为VSC1控制器的比例参数和积分参数；idmax和idmin分别为d轴电流的上下限值。VSC2和VSC3采用定功率控制，其控制框图如图6(b)所示，其中PS2和PSref2分别表示换流站2的实时功率和功率参考值；KP2和KI2分别为VSC2控制器的比例参数和积分参数；usd表示交流网侧电压的d轴分量。
根据图2可知，多端柔性直流配电系统电压的调节主要有变电站1承担，直流端电压Udc1和idref1之间存在如下关系：
idref1＝(Udcref1-Udc1)*(KP1+KI1/s)(1)
其次，当交流系统电压Us与假设的d轴方向一致时，与直流系统连接处的并网联结点的功率Ps计算方法如下：
Ps＝Usid (2)
结合式(1)可知，主从控制下系统功率波动ΔPs1,msc可以表示为：
ΔPs1,msc＝UsΔid＝-Us(KP1+KI1/s)*ΔUdc1(3)
由式(3)可知，主从控制下系统功率波动主要和主站直流电压波动有关，并且通过一组PI控制器进行调节，调节速度慢；且只有一个功率平衡站参与电压调节，调节能力有限；另一方面当系统功率波动时，也容易导致系统电压的波动。由图2和图3可知，主从控制下的MTFDCDN系统由主站和从站分别对系统直流电压和有功功率进行独立控制，无法动态快速协调系统功率偏差导致的电压波动。因此，在功率偏差计算环节，添加系统电压的动态补偿项，建立自适应电压无差控制模型(adaptive voltage differential control，AVDC)，实时反馈系统电压偏差，并进行补偿控制，实现电压无差控制，其控制框图如1所示。
由1可知，系统直流端电压Udc和idref之间存在如下关系：
idrefi＝((KP3i+KI3i/s)(Udcrefi-Udci)+Psrefi-Psi)*(KP1i+KI1i/s) (4)
其中KP3i和KI3i分别表示补偿电压的比例参数和积分参数，KP1i和KI1i分别表示功率环的比例参数和积分参数。
在式(2)的假设下，自适应电压无差控制下系统功率波动值ΔPsi,ADVC与电压波动ΔUdci之间的关系如下：
Figure GDA0003576659170000061
结合式(3)可知，与传统主从控制相比，自适应电压无差控制添加了电压误差补偿项，相当于引入串联校正函数H(s)，增加了功率修正项，能更加快速地修正由功率不匹配导致的电压偏差，并且可以设置多个备用站采用自适应电压无差控制，同时参与电压偏差的调节，加强系统稳定性，加快系统调节速度。与下垂控制相比，AVDC能实现电压无差控制，避免换流站过载；与主从控制相比，AVDC能通过监测系统网压，对系统电压变化做出快速响应，避免了对通信系统的依赖。本专利所提出的控制策略AVDC的控制效果具体可以通过仿真进一步分析验证。为了验证所提控制策略AVDC在不依赖通信系统下的动态响应效果和稳态运行特性，本文分别选择了主从控制(Master Slave Control,MSC)与季一润提出的典型控制(Typical Operation Control by JI,TO-J)与AVDC进行对比分析。根据图1所示的拓扑结构，在PSCAD中分别基于MSC、ADVC和TO-J控制，搭建了时序仿真模型，模型搭载了2个容量为2.67MW的储能单元和1个容量为2.67MW的直流负载，其他相关控制模式和参数如表1所示，其中S表示各换流站的额定容量，Udc表示系统额定直流电压。
表1仿真系统主要参数
单位：U/kV、P/MW
Figure GDA0003576659170000062
为了分析所提控制策略对系统故障或动作后的响应效果，分别设置负载切除和主站退出等工况，通过系统各端口电压和有功出力等信号，验证所提控制策略控制效果。
场景1：负荷切除
场景1模拟了负载退出运行导致系统功率过剩，并且超过了主站调节能力，导致直流母线电压上升超过正常值的运行场景。在仿真中，2号站发出12MW功率，3号站发出10MW功率，设置6MW的负载在1s时退出运行，AVDC和TO-J控制检测直流母线电压过高自动投入运行，参与三端供电系统的功率调节，各变电站的电压和功率的仿真波形如图4和图5所示，通过图4和图5的仿真结果可知，负载退出运行前(0s～1s)，三种控制方式下，系统电压能在0.1s内迅速稳定给定值20kV附近，相关稳态参数如表2所示，其中ΔP表示系统功率损耗。主从控制下，VSC2和VSC3分别提供12MW和10MW的有功功率，主站VSC1吸收14.8MW有功功率，系统损耗约为1.2MW；在ADVC和TO-J控制下，VSC2和VSC3分别提供12MW和10MW的有功功率，两种控制策略的系统损耗分别为1.3MW和1.5MW。
然而1s时6MW的负载和储能切除后，VSC2和VSC3仍然按照系统参考值，保持发出22MW有功功率，超出了主站的调节能力，并导致直流母线电压升高。主从控制下的系统电压持续升高，超出系统正常运行电压，系统功率损耗高达3MW，严重威胁电网的安全运行；AVDC和TO-J控制能将系统电压稳定在额定电压20kV附近。然而TO-J控制下，VSC2和VSC3分别出力12MW和8.3MW，VSC1约吸收19MW，接近满负荷状态，并且系统电压抬升至21～22kV，供电电压偏差达到10％。
而AVDC控制下，负载切除后，当母线电压超过额定电压的6.67％时，备用主站T2启用AVDC控制，根据仿真结果可知，系统在切除负荷0.08s之后，安装在VSC2的AVDC环节投入运行，协助1号主站VSC1控制直流母线电压，使其稳定在20kV。AVDC环节投入运行后，系统快速响应，在0.2s内恢复平衡运行状态，变电站3保留10MW出力，由主站T1和备用主站T2平衡系统出力，分别吸收4.7MW和4.8MW，系统损耗约为0.5MW，基本实现系统功率平衡，维持系统电压。通过母线电压波形可知，负载的退出对系统电压造成的影响非常少，说明所提控制策略在不依赖通信系统的情况下，能实现系统电压波动的有效采集与监测，及时调整备用主站出力，平衡系统功率缺额，实现系统电压的无差控制。场景2：主站退出运行并及时切除负载
场景2模拟了在实际运行场景中由于主站VSC1直流侧或交流侧发生故障，导致主站VSC1退出运行，并且负荷能被及时切除的情况。仿真中设置1s时1号主站因为故障退出运行，2s时切除负载，仿真结果如图6和图7所示；根据图6和图7的仿真结果可知，主站退出运行前(0s～1s)系统运行情况与场景1类似，相关稳态参数如表2和表3所示。
主站退出系统带载运行阶段(1～2s)，MSC和TO-J控制下，从站VSC2和VSC3端的直流电压波动达20％，不满足电压偏差标准，并且VSC2和VSC3的出力存在剧烈震荡，波动范围高达10～15MW，不利于设备的稳定运转，严重威胁电力系统安全运行。相比之下，本文提出的AVDC控制下，变电站VSC1吸收的功率在0.3s内降低为0，备用主站VSC2迅速响应，由出力12MW变为吸收3.6MW，及时平衡消纳变电站VSC3发出的功率，变电站VSC3出力不变，此时VSC2和VSC3端口电压由于系统功率过剩，呈上升趋势，0.08s后端口电压上升至系统电压上限，触发备用主站VSC2启用AVDC控制，将系统电压在0.2s内拉回20kV，并保持系统在电压无差的情况下稳定运行，系统电压和变电站出力无明显波动，系统电压能快速稳定在给定值附近，实现了电压的无差控制，有利于系统安全平稳过渡，表现出良好的动静态性能。
2s时系统切除6MW的负载和储能，系统切除负载后(2～3s)，在MSC和TO-J控制下，从站VSC2和VSC3端的直流电压波动达15％，并且TO-J控制含有10％的稳态偏差。其中MSC控制下，VSC2吸收的功率达到9.4MW；同时VSC3发出的功率约为10MW。TO-J控制下，VSC2和VSC3之间达到了功率平衡，流通功率逐步下降接近零值，降低了系统损耗和能量传输，在功率控制方面表现出较好的静态性能。
AVDC控制下，备用主站VSC2吸收功率由3.6MW增加到9.4MW，几乎完全消纳变电站VSC3的出力。负载切除瞬间，VSC2和VSC3端口电压由于功率过剩，再次呈现上升趋势，0.08s后端口电压上升至系统电压上限，触发备用主站VSC2启用AVDC控制，将系统电压在0.2s内拉回20kV，并且纹波小，能使系统在电压无差的情况下保持稳定运行。通过各端口的母线电压波形可知，主站和负载的退出对系统电压造成的影响很少，说明AVDC在不依赖通信系统的情况下，能有效检测系统电压波动，及时调整备用主站出力，平衡系统功率缺额，实现系统电压的无差控制。
场景3：主站退出运行
为了测试所提控制方法的韧性，场景3模拟了实际运行场景中多端柔性直流输电工程的主站端由于直流侧故障或交流测故障导致主站退出运行，但系统并未切负荷的情况。在仿真中，2号站发出12MW功率，3号站发出10MW功率，负荷为6MW，设置主站在1s时退出运行，仿真结果如图8和图9所示；根据图8和图9的仿真结果可知，主站退出运行前(0s～1s)，系统电压能在0.1s内迅速稳定给定值20kV附近，VSC2和VSC3出力分别为10MW和12MW，VSC1为了平衡系统功率并保持系统电压吸收14.8MW，其他相关稳态参数如表2所示。
1s时主站退出运行，变电站VSC1吸收的功率在0.2s内降低为0，MSC、AVDC和TO-J控制都能将系统电压稳定在20kV左右。其中MSC控制下，VSC的电压稳定在20kV左右；TO-J控制下，VSC2和VSC3的电压稳定在22kV，电压偏差约为10％；AVDC控制下，VSC1～3均能稳定在20kV，展现出良好的静态性能。而功率平衡方面，MSC控制下，备用主站VSC2迅速响应，出力由12MW变为吸收3.5MW，但主站退出瞬间VSC2功率超调达到2.67倍；VSC3的出力保持为10MW不改变；TO-J控制下，VSC2和VSC3的功率出力在控制器调节下逐渐减小，但系统电压不能稳定在给定值；AVDC控制下，VSC2的出力由吸收12MW变为发出3.6MW，VSC3稳态出力不变保持在10MW，不过TO-J控制下VSC3出力变化响应时间长达0.4s，变电站VSC2和VSC3一起为负荷供电。AVDC控制下，主站退出瞬间，VSC2和VSC3端口电压由于系统功率过剩，呈上升趋势，0.05s后VSC2端口电压上升至系统电压上限，触发备用主站VSC2启用AVDC控制，将系统电压在0.2s内拉回20kV，并保持系统在电压无差的情况下稳定运行。AVDC控制下，当VSC2和VSC3出力不超过VSC2的调节范围时，主站的退出对系统电压造成的影响较小，说明所提控制策略能有效应对主站退出导致的故障，具有较强的韧性；备用主站VSC2通过检测系统电压幅值，就可以实现出力的及时调整，平衡系统功率缺额，实现系统电压的无差控制，摆脱了对通信系统的依赖。
表2不同控制方式下的系统损耗
单位：MW
Figure GDA0003576659170000101
表3系统仿真结果分析
Figure GDA0003576659170000102
表格中发出功率为正，吸收功率为负。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法，其特征在于，包括如下过程：
变电站1用于调节配电系统电压，设置为功率平衡主站，换流器VSC1采用VdcQ控制，换流器VSC2和换流器VSC3采用定功率控制；建立自适应电压无差控制模型，实时反馈系统电压偏差，并进行补偿控制；
多端柔性直流配电系统电压的调节由变电站1承担，直流端电压Udc、功率Ps和参考控制电流idref之间的关系如下所示：
idrefi＝((KP3i+KI3i/s)(Udcrefi-Udci)+Psrefi-Psi)*(KP1i+KI1i/s)
其中KP3i和KI3i分别表示补偿电压的比例参数和积分参数，KP1i和KI1i分别表示功率环的比例参数和积分参数；系统的无功功率的调节由主站及备用主站承担，直流端无功功率Qdc和iqref之间存在如下关系：
iqrefi＝(Qdcrefi-Qdci)*(KP2i+KI2i/s)
则系统调制电压计算方法如下：
Figure FDA0003608336410000011
通过信号调制后产生PWM驱动信号，从而控制系统的电压、有功功率和无功功率，达到系统要求。
2.根据权利要求1所述的基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法，其特征在于，自适应电压无差控制下系统功率波动值ΔPsi，ADVC与电压波动ΔUdci之间的关系如下式所示：
Figure FDA0003608336410000012
3.根据权利要求1所述的基于主动功率平衡的多端直流配网电压无差控制方法，其特征在于，交流系统电压Us与d轴方向一致时，与直流系统连接处的并网联结点的功率Ps计算方法如下：
Ps＝Usid。
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