CN112736892B - 一种防止直流电网电压越限的协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止直流电网电压越限的协调控制方法，包括如下步骤：步骤S1、将AC/DC变流器对直流侧电压采取的电压‑功率下垂控制曲线分为三段不同斜率的曲线；步骤S2、将曲线中高电压段的拐点的电压设置为光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压；步骤S3、将曲线中低电压段的拐点的电压设置为给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压；步骤S4、第二控制器检测直流母线电压的电压值，并与第二组DC/DC变流器的最高限制运行电压比较，执行第一控制策略；步骤S5、第二控制器检测直流母线电压的电压值，并与第二组DC/DC变流器的最低限制运行电压比较，执行第二控制策略。杆方法可以防止直流电网电压越限，提高直流电网容量的利用率。
Description
技术领域
本发明设计配电网技术领域，具体的，涉及一种防止直流电网电压越限的协调控制方法。
背景技术
光伏发电与电动汽车充电桩通过直流电网连接，可以避免直流到交流及交流到直流的多次转换，提高电能效率。为提高直流电网可靠性，直流电网通常通过AC/DC变流器与交流电网连接。在直流电网中，如果存在多台AC/DC变流器并联运行，可以采用主从式的控制方式，一台AC/DC变流器控制直流电压，其它的控制功率；也可以采用分布式控制，即各AC/DC变流器都采用电压-功率下垂控制方式。采用分布式控制，不需要主机，各变流器之间也不需要通信。各变流器通过检测直流电压的大小，调整传送功率的大小与方向，达到功率在各变流器的合理分配。
目前，AC/DC变流器采用的电压-功率下垂控制方式都是一条斜线，即：在功率-电压坐标系上，通过一条直线连接最高运行电压、反向最大功率与最低运行电压、最大功率这两点。当直流电网中一台或多台AC/DC变流器停运检修时，可能出现光伏发电总功率大于直流负荷总功率与未检修AC/DC变流器总功率之和，也可能出现直流负荷总功率大于光伏发电总功率与未检修AC/DC变流器总功率之和，此时如果没有其他通信设施控制，易出现电压越限。
为防止电压越限，应该对光伏DC/DC变流器设置最高运行电压限值，对负荷DC/DC变流器设置最低运行电压限值。在已有的电压-功率下垂控制方式下，一条斜线比较平坦，再加上电压测量误差，会导致以下情况：1、对光伏DC/DC变流器，限值设置太低，则出现AC/DC变流器还有足够容量情况下，光伏不再提高功率输出，不利于光伏发电的利用；限值设置太高，则出现AC/DC变流器剩余容量不足时，光伏依然按最高跟踪功率输出，可能造成直流系统过电压。2、对给负荷供电DC/DC变流器，限值设置太高，则出现AC/DC变流器还有足够容量情况下，充电DC/DC变流器降低功率输出或停止运行，降低了系统的工作效率；限值设置太低，则出现AC/DC变流器剩余容量不足时，充电DC/DC变流器依然全功率运行，可能造成直流系统低电压甚至导致直流系统电压崩溃，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是为直流电网提供一种特殊情况下控制直流电压的方法。本发明方法通过在AC/DC变流器已有的下垂控制斜线中，增加两个拐点，将一条下垂控制斜线变为三段斜率不同的斜线，在直流运行电压靠近最高或最低允许电压时，斜率变大，在系统允许运行电压范围的中部时斜率变小，同时，将电压较高的拐点电压设置为光伏DC/DC变流器最高运行电压限值，将电压较低的拐点电压设置为负荷DC/DC变流器最低运行电压限值。当运行电压到达拐点时，相应的DC/DC变流器减少功率输送，防止直流电网电压越限，同时直流电网容量的利用率也得到充分利用。
为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种防止直流电网电压越限的协调控制方法，适用于直流配电网系统，所述直流配电网系统包括有若干个AC/DC变流器，所述AC/DC变流器的一端接电网，另一端接直流母线，若干个负载分别通过第一组DC/DC变流器与直流母线电连接，若干个光伏电源分别通过第二组DC/DC变流器与直流母线电连接，第一组DC/DC变流器的控制端与第一控制器的控制端电连接，第一控制器的检测端通过第一电压互感器与直流母线电连接；第二组DC/DC变流器的控制端与第二控制器的控制端电连接，第二控制器的检测端通过第一电压互感器与直流母线电连接，若干个AC/DC变流器的控制端与第三控制器的控制端电连接，第三控制器的检测端通过第三电压互感器与直流母线电连接，包括如下步骤：
步骤S1、将AC/DC变流器对直流侧电压采取的电压-功率下垂控制曲线分为三段不同斜率的曲线；其中，下垂控制曲线两端的曲线斜率的绝对值大于中间段曲线斜率的绝对值；
步骤S2、将曲线中高电压段的拐点的电压设置为光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压；
步骤S3、将曲线中低电压段的拐点的电压设置为给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压；
步骤S4、第二控制器检测直流母线电压的电压值，并与第二组DC/DC变流器的最高限制运行电压比较，执行第一控制策略；
步骤S5、第二控制器检测直流母线电压的电压值，并与第二组DC/DC变流器的最低限制运行电压比较，执行第二控制策略。
步骤S4中，包括如下步骤:
步骤S41、当第二控制器检测到直流母线的电压低于第二组DC/DC变流器的最高限制运行电压时，第二组DC/DC变流器按最大功率跟踪控制方式运行；
步骤S42、当直流电网电压高于光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压时，第二组DC/DC变流器按定电压控制方式运行，定电压的定值设定为光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压。
步骤S5中，包括如下步骤：
步骤S51、当直流电网电压高于给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压时，给负荷供电DC/DC变流器按负荷要求控制方式运行；
步骤S52、当直流电网电压低于给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压时，给负荷供电DC/DC变流器按定电压控制方式运行或者按预先设定降低供给负荷的功率，定电压的定值设定为给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压。
三段曲线的斜率计算包括如下步骤：
设定AC/DC变流器下垂控制曲线中高电压段的斜率为-k1，设定AC/DC变流器下垂控制曲线中低电压段的斜率为-k3，设定中间段下垂控制曲线斜率为-k2；
通过在AC/DC变流器电压运行区间[U2，U1]、功率运行区间[-P1，P2]内设置两个拐点(-P3，U3)、(P4，U4)，使得k1>k2，同时k3>k2；其中，U1为直流电网允许最高运行电压，U2为直流电网允许最低运行电压，AC/DC变流器向直流电网传送功率记为正方向；
若AC/DC变流器直流侧额定电流大小记为Ie，则P1＝Ie*U1，P2＝Ie*U2；
斜率k1、k2以及k3通过以下公式计算：
k1＝-(U3-U1)/(P1-P3)
k2＝-(U4-U3)/(P4+P3)
k3＝-(U2-U4)/(P2-P4)。
拐点(-P3，U3)的设置方式如下：
U3＝ku3*U1，P3＝ki3*Ie*U3；
其中，ku3和ki3为小于1的比例系数。
拐点(P4，U4)的设置方式如下：
U4＝ku4*U2，P4＝ki4*Ie*U4；
其中，ku4为大于1的比例系数，ki4为小于1的比例系数。
ku3的取值范围为：0.99>ku3>0.9；ki3的取值范围为：0.99>ki3>0.8。
ku4的取值范围为：1.1>ku4>1.01；ki4的取值范围为：0.99>ki4>0.8。
本发明的有益效果：本发明所述一种防止直流电网电压越限的协调控制方法，通过在下垂曲线中增加两个拐点，并将两个拐点的电压分别设置为光伏变流器、负荷变流器运行电压的一个限值。在AC/DC变流器向交流输送功率接近额定功率并进一步向额定值靠近时，降低光伏变流器的输送功率；在AC/DC变流器向直流输送功率接近额定功率并进一步向额定值靠近时，降低负荷变流器的输送功率，达到了防止直流电网电压越限的目的。通过本发明协调控制方法，在一个或若干个AC/DC变流器停运检修时，不需要另外建立通信设施，就可实现电压不越限的情况下，充分利用直流电网的容量的目的。
附图说明
图1为配电网系统的结构示意图。
图2为AC/DC变流器的控制框图。
图3为一种防止直流电网电压越限的协调控制方法的下垂控制曲线图。
图中标记说明：1-交流电网、2-直流母线、3-第一组DC/DC变流器、4-AC/DC变流器、5-负载、6-第三控制器、7-第一控制器、8-第三电压互感器、9-第一电压互感器、10-光伏电源、11-第二组DC/DC变流器、12-第二控制器、13-第二电压互感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图1所示，直流配电网系统包括有若干个AC/DC变流器4，AC/DC变流器4的一端接交流电网1，另一端接直流母线2，若干个负载5分别通过第一组DC/DC变流器3与直流母线电连接，若干个光伏电源10分别通过第二组DC/DC变流器11与直流母线电连接，第一组DC/DC变流器的控制端与第一控制器7的控制端电连接，第一控制器的检测端通过第一电压互感器9与直流母线电连接；第二组DC/DC变流器的控制端与第二控制器12的控制端电连接，第二控制器的检测端通过第二电压互感器13与直流母线电连接，若干个AC/DC变流器的控制端与第三控制器6的控制端电连接，第三控制器的检测端通过第三电压互感器8与直流母线电连接；本实施例中，在太阳能发电、电动汽车充电领域，AC/DC变流器、DC/DC变流器是常用的电力电子设备，如图1所示，750V直流电网通过3个50kW光伏DC/DC变流器连接3个光伏电池矩阵、通过4个30kW负荷DC/DC变流器连接4个充电负荷、通过2个直流侧额定电流为150A的AC/DC变流器连接380V交流电网。
AC/DC变流器的控制方式采用电流内环和电压外环的双环控制方式，如图2所示，P是AC/DC变流器当前传送的有功功率值，Utdref和Utqref分别为AC/DC变流器端电压d轴分量和q轴分量，Ud和Uq分别为AC/DC变流器并网点的电压d轴分量和q轴分量，Id和Iq分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量，Uref为直流侧电压参考值，Idref与Iqref分别d轴和q轴电流参考值，GI(s)为电流内环传递函数，GFF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数，Gdc(s)为直流电压外环传递函数；电流内环控制是目前常见的控制。外环控制中，除包含传统的直流电压外环传递函数Gdc(s)控制环节外，还加入了本发明所述的三斜率下垂控制。其过程是，首先将变流器当前输出的有功功率值输入至电压外环，通过本发明所述的下垂控制得到直流电压的参考值，再将直流电压的参考值与直流电压测量值通过PI环节得到电流参考值，最后将电流参考值输入至电流内环得到变流器的交流端d、q轴电压参考值。将本发明所述的下垂控制详细表述如下：750V电网最高运行电压U1＝800V，最低运行电压U2＝650V，向交流可输出最大功率P1＝800*150＝120000W，向直流可输出最大功率P2＝650*150＝97500W，为充分利用AC/DC变流器容量，下垂控制曲线可设置ku3＝0.95、ki3＝0.9的第一个拐点(-P3，U3)，则U3＝760V，-P3＝-102600W，再设置ku4＝1.04、ki4＝0.9的第二个拐点(P4，U4)，则U4＝676V，P4＝91260W，此时，k1＝0.0023，k2＝0.000433，k3＝0.00417。光伏DC/DC变流器最高运行电压限值设置为760V，负荷DC/DC变流器最低运行电压限值设置为676V。
若此时一台AC/DC变流器停运检修，3台光伏发电功率之和达到110000W，负荷功率为0时，则AC/DC变流器向交流输送功率Pn＝110000W，显然-Pn<-P3，应采用-k1的斜率计算电压参考值，通过图3可以计算电压参考值Uref＝(-Pn+P3)*-k1+U3＝777V，将777V直流电压的参考值与直流电压测量值通过PI环节得到d轴电流参考值Idref，由于系统没有无功要求，q轴电流参考值Iqref可设为零。最后将电流参考值输入至电流内环，最后，由电流内环控制AC/DC变流器的功率输出。通过AC/DC变流器的控制过程，此时，直流电网电压稳定在777V，大于拐点电压760V，只要DC/DC变流器电压测量环节误差不大于10V，DC/DC变流器就可以检测到直流电网电压达到其最高限值，从而将其控制方式转为定电压控制方式，电压定值为760V，光伏不再提高功率输出，不会产生过电压，同时，AC/DC变流器剩余功率为10kW，光伏发电也得到充分利用。
若此时一台AC/DC变流器停运检修，4个充电负荷功率之和达到95000W，光伏发电为0时，则AC/DC变流器向直流流输送功率Pn＝95000W，显然P4<Pn<P2，应采用-k3的斜率计算电压参考值，如图3所示，横坐标P为AC/DC变流器输出的有功功率，正数代表向直流侧输送有功功率，纵坐标U为直流电网电压；通过图3可以计算电压参考值Uref＝(Pn-P4)*-k2+U4＝660.4V，将660.4V直流电压的参考值与直流电压测量值通过PI环节得到d轴电流参考值Idref，由于系统没有无功要求，q轴电流参考值Iqref可设为零。最后将电流参考值输入至电流内环，最后，由电流内环控制AC/DC变流器的功率输出。通过AC/DC变流器的控制过程，此时，直流电网电压稳定在660.4V，小于拐点电压676V，只要DC/DC变流器电压测量环节误差不大于10V，DC/DC变流器就可以检测到直流电网电压达到其最低限值，从而将其控制方式转为定电网电压控制方式，降低供给负荷的有功功率，或根据预先的设置，停运1台DC/DC变流器。这样，不会导致直流电网电压崩溃，同时，AC/DC变流器剩余功率仅为2.5kW，系统供电能力也得到充分利用。
以上所述之具体实施方式为本发明一种防止直流电网电压越限的协调控制方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种防止直流电网电压越限的协调控制方法，适用于直流配电网系统，所述直流配电网系统包括有若干个AC/DC变流器，所述AC/DC变流器的一端接交流电网，另一端接直流母线，若干个负载分别通过第一组DC/DC变流器与直流母线电连接，若干个光伏电源分别通过第二组DC/DC变流器与直流母线电连接，第一组DC/DC变流器的控制端与第一控制器的控制端电连接，第一控制器的检测端通过第一电压互感器与直流母线电连接；第二组DC/DC变流器的控制端与第二控制器的控制端电连接，第二控制器的检测端通过第二电压互感器与直流母线电连接，若干个AC/DC变流器的控制端与第三控制器的控制端电连接，第三控制器的检测端通过第三电压互感器与直流母线电连接，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将AC/DC变流器对直流侧电压采取的电压-功率下垂控制曲线分为三段不同斜率的曲线；其中，下垂控制曲线两端的曲线斜率的绝对值大于中间段曲线斜率的绝对值；
步骤S2、将曲线中高电压段的拐点的电压设置为光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压；
步骤S3、将曲线中低电压段的拐点的电压设置为给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压；
步骤S4、第二控制器检测直流母线电压的电压值，并与第二组DC/DC变流器的最高限制运行电压比较，执行第一控制策略；
步骤S5、第二控制器检测直流母线电压的电压值，并与第二组DC/DC变流器的最低限制运行电压比较，执行第二控制策略；
步骤S4中，包括如下步骤:
步骤S41、当第二控制器检测到直流母线的电压低于第二组DC/DC变流器的最高限制运行电压时，第二组DC/DC变流器按最大功率跟踪控制方式运行；
步骤S42、当直流电网电压高于光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压时，第二组DC/DC变流器按定电压控制方式运行，定电压的定值设定为光伏发电DC/DC变流器的最高限制运行电压；
步骤S5中，包括如下步骤：
步骤S51、当直流电网电压高于给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压时，给负荷供电DC/DC变流器按负荷要求控制方式运行；
步骤S52、当直流电网电压低于给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压时，给负荷供电DC/DC变流器按定电压控制方式运行或者按预先设定降低供给负荷的功率，定电压的定值设定为给负荷供电DC/DC变流器的最低限制运行电压。
2.如权利要求1所述防止直流电网电压越限的协调控制方法，其特征在于，三段曲线的斜率计算包括如下步骤：
设定AC/DC变流器下垂控制曲线中高电压段的斜率为-k1，设定AC/DC变流器下垂控制曲线中低电压段的斜率为-k3，设定中间段下垂控制曲线斜率为-k2；
通过在AC/DC变流器电压运行区间[U2，U1]、功率运行区间[-P1，P2]内设置两个拐点(-P3，U3)、(P4，U4)，使得k1>k2，同时k3>k2；其中，U1为直流电网允许最高运行电压，U2为直流电网允许最低运行电压，AC/DC变流器向直流电网传送功率记为正方向；
若AC/DC变流器直流侧额定电流大小记为Ie，则P1＝Ie*U1，P2＝Ie*U2；
斜率k1、k2以及k3通过以下公式计算：
k1＝-(U3-U1)/(P1-P3)
k2＝-(U4-U3)/(P4+P3)
k3＝-(U2-U4)/(P2-P4)。
3.如权利要求2所述防止直流电网电压越限的协调控制方法，其特征在于，
拐点(-P3，U3)的设置方式如下：
U3＝ku3*U1，P3＝ki3*Ie*U3；
其中，ku3和ki3为小于1的比例系数。
4.如权利要求2所述防止直流电网电压越限的协调控制方法，其特征在于，
拐点(P4，U4)的设置方式如下：
U4＝ku4*U2，P4＝ki4*Ie*U4；
其中，ku4为大于1的比例系数，ki4为小于1的比例系数。
5.如权利要求3所述防止直流电网电压越限的协调控制方法，其特征在于，
ku3的取值范围为：0.99>ku3>0.9；ki3的取值范围为：0.99>ki3>0.8。
6.如权利要求4所述防止直流电网电压越限的协调控制方法，其特征在于，
ku4的取值范围为：1.1>ku4>1.01；ki4的取值范围为：0.99>ki4>0.8。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 多端柔性直流输电系统动态协调优化控制策略;黄智达;《智慧电力》;20200220;全文 * |
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| Publication number | Publication date |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Rao Haiwei Inventor after: Tang Yongqing Inventor after: Zhu Huijun Inventor after: Xu Jing Inventor after: Zhang Guoxing Inventor after: Wang Yumin Inventor after: Li Tang Inventor after: Wang Jianghai Inventor before: Tang Yongqing Inventor before: Zhu Huijun Inventor before: Xu Jing Inventor before: Zhang Guoxing Inventor before: Wang Yumin Inventor before: Li Tang |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |