CN113783192B - 面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，包括以下步骤：(1)建立多端口FID的dq坐标系下数学模型，确定FID直流侧能量平衡关系；(2)计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si；(3)根据FID直流侧能量平衡关系及FID各端口当前时刻输入有功功率P_si确定FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi；(4)根据FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi计算FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号。本发明具有更快的波动恢复速度与波动抑制能力，可靠性高。

Description

面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体是涉及一种面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法。

背景技术

柔性互联装置(Flexible Interconnection Device，FID)是一种具有潮流调控功能的新型电力电子装置。柔性互联装置凭借可控性强、灵活性高等优点可代替配电网中的机械开关实现配电网间潮流精准调控功能。但是，由于配电网柔性互联系统内部潮流情况复杂，当采用FID实现配电网间精准潮流调控过程中会引发直流侧电压产生较大波动，甚至会导致系统出现控制失效问题。FID的直流侧电压稳定是反应直流侧功率平衡唯一指标，亦是实现配电网互联精准潮流调控实施的重要前提。因此，研究一种适用于FID的直流侧快速能量平衡控制方法具有重要意义。

当前国内外通常采用电流前馈或功率前馈方法解决FID直流侧电压稳定的问题。现有方法虽然可以一定程度上缓解直流侧电压稳定问题，但仍存在暂态冲击平抑难、动态响应速度慢、可靠性低、可扩展性不强等缺陷。

以三端口FID为例进行介绍。图1为三端口FID拓扑结构，图中u_x、i_x(x＝a,b,c)分别表示配电网侧各相电压、相电流；R为线路与电感等效电阻之和；L表示交流侧等效电感；C_f表示交流侧滤波电容；U_dc表示直流侧电压；C表示直流侧滤波电容，具有抑制直流侧电压纹波提供能量缓冲的作用。

三端口FID正常运行时，现有控制方法通常采用某一端口控制直流侧母线电压稳定，其余端口控制输出功率，进而实现FID直流侧功率平衡与精准潮流调控功能。图2为三端口FID各端口控制方法框图，2(a)为端口1定直流电压控制，2(b)为端口2定输出功率控制，2(c)为端口3定输出功率控制。现有三端口FID提出在传统直流电压控制方法(U_dc-Q控制)基础上引入功率前馈控制项(图2(a)所示)抑制直流侧电压波动，实现直流侧功率快速平衡。

如图3所示，图3(a)为传统U_dc-Q控制方法下直流侧电压图，图3(b)为功率前馈控制方法下直流侧电压图，采用功率前馈控制方法可在一定程度抑制直流侧电压波动，但仍存在暂态冲击较大、动态响应速度较慢等问题。此外，由于现有三端口FID控制通常采用某一端口稳定直流侧电压，其余端口控制输出功率的控制方法，若稳压端口出现故障，会导致整个系统发生崩溃。因此，现有控制方法下FID系统可靠性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，通过多端口FID同时对直流侧能量平衡进行控制，实现直流侧电压快速稳定，抑制母线电压波动，且能有效适用于现有多端口FID结构，易于工程实现和改造。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，包括以下步骤：

(1)建立多端口FID的dq坐标系下数学模型，确定FID直流侧能量平衡关系；

(2)计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si；

(3)根据FID直流侧能量平衡关系及FID各端口当前时刻输入有功功率P_si确定FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi；

(4)根据FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi计算FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号。

进一步，步骤(1)，具体包括以下步骤：

(1-1)建立多端口FID的dq坐标系下各端口功率传输方程：

式中，P_si表示FID各端口输入有功功率；Q_si表示FID各端口输入无功功率；u_di表示各端口网侧d轴电压；u_qi表示各端口网侧q轴电压；i_di表示各端口网侧d轴电流；i_qi表示各端口网侧q轴电流，n表示FID端口的数量；

(1-2)建立FID直流侧能量平衡方程，确定FID直流侧能量平衡关系：

式中，C表示直流侧电容值；U_dc表示FID直流侧电压；i_i表示FID各端口直流侧输出电流；

对式(2)进行变换得到：

由于FID各端口输入无功功率Q_si与直流侧不产生能量交互，FID端口直流侧仅传输有功功率，忽略FID端口传输损耗，对式(3)进行变换得到：

根据式(4)，得到FID直流侧能量平衡关系式：

进一步，步骤(1-1)中，n≥2。

进一步，步骤(2)，具体包括以下步骤：

(2-1)实时检测FID各端口网侧三相电压u_ai、u_bi、u_ci及三相电流i_ai、i_bi、i_ci；

(2-2)对各端口网侧三相电压、三相电流进行dq变换，得到dq坐标系下各端口网侧d轴电压u_di、q轴电压u_qi及各端口网侧d轴电流i_di、q轴电流i_qi；

(2-3)根据dq坐标系下各端口网侧d轴电压u_di、q轴电压u_qi及各端口网侧d轴电流i_di、q轴电流i_qi，计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si。

进一步，步骤(3)，具体包括以下步骤：

(3-1)设定FID直流侧参考电压值U_{dc_ref}，确定直流侧电容C大小；实时检测FID直流侧电压U_dc；

(3-2)将FID各端口当前时刻输入有功功率P_si经过潮流调控系统得到FID各端口下一时刻输入有功功率P_si ^*；

(3-3)根据FID直流侧能量平衡关系得到：

(3-4)基于式6及令FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi为：

(3-5)将直流侧参考电压值U_{dc_ref}与直流侧电压U_dc进行平方处理后作差，得到直流侧电压平方误差量

(3-6)将直流侧电压平方误差量输入PI调节器，并乘以比例系数C/2n，得到直流侧电容能量波动量/>

(3-7)将直流侧电容能量波动量与各端口下一时刻输入有功功率P_si ^*进行叠加，输出FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi；

进一步，步骤(4)，具体包括以下步骤：

(4-1)确定交流侧电感L大小；

(4-2)计算解耦电流I，I＝wLi_qi，其中，w表示电网电压角速度；

(4-3)将外环参考有功功率P_refi乘以系数u_di3/2，经过限幅器得到FID各端口能量平衡控制内环参考有功电流i_{d_refi}；

(4-4)计算内环参考有功电流i_{d_refi}与网侧d轴电流i_di的误差信号Δi_di，将误差信号Δi_di经过PI调节器得到有功电压调节信号u_di ^*；

(4-5)将有功电压调节信号u_di ^*取反与解耦电流I、网侧d轴电压u_di进行叠加，并经过dq反变换得到FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}；

(4-6)将FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}输入PWM调制器，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明从直流侧能量平衡角度进行分析，提出一种面向FID的能量快速平衡控制方法，该方法相较于现有控制具有更快的波动恢复速度与波动抑制能力，可有效解决现有控制方法暂态冲击平抑难、动态响应速度慢、可靠性低、可扩展性不强等缺陷，为潮流精准优化调控实施提供保障。

(2)本发明FID能量平衡控制方法下，各端口均直接参与直流侧电压稳定控制，避免了传统控制下某端口出现故障导致整个系统失效问题，极大程度提高系统可靠性。

(3)本发明能量平衡控制方法可应用于二端口、三端口、四端口、五端口等FID拓扑结构，不同端口采用一致性控制方法，控制结构与参数完全相同，便于FID冗余扩展。

附图说明

图1是现有三端口FID拓扑结构图。

图2是现有三端口FID各端口控制方法框图。

图3是现有直流稳压控制下母线电压波形图。

图4是本发明实施例FID三端口能量快速平衡控制方法框图。

图5是图4所示实施例FID各端口输出功率仿真波形图。

图6是本发明不同控制方法下直流侧电压波动对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，包括以下步骤：

(1)建立多端口FID的dq坐标系下数学模型，确定FID直流侧能量平衡关系；具体包括以下步骤：

(1-1)根据图4，建立多端口FID的dq坐标系下各端口功率传输方程：

式中，P_si表示FID各端口输入有功功率；Q_si表示FID各端口输入无功功率；u_di表示各端口网侧d轴电压；u_qi表示各端口网侧q轴电压；i_di表示各端口网侧d轴电流；i_qi表示各端口网侧q轴电流，n表示FID端口的数量，本实施例中，n＝3，以三端口FID为例进行分析。

(1-2)建立FID直流侧能量平衡方程，确定FID直流侧能量平衡关系：

式中，C表示直流侧电容值；U_dc表示FID直流侧电压；i_i表示FID各端口直流侧输出电流。

对式(2)进行变换得到：

由于FID各端口输入无功功率Q_si与直流侧不产生能量交互，FID端口直流侧仅传输有功功率，忽略FID端口传输损耗，对式(3)进行变换得到：

根据式(4)，得到FID直流侧能量平衡关系式：

通过式(5)可知，各个端口传输能量与直流侧电压的平方呈线性比例关系。因此，可将直流侧电压平方作为各端口d轴外环有功功率补偿量，实现直流侧电压快速追踪。

(2)计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si；具体包括以下步骤：

(2-1)实时检测FID各端口网侧三相电压u_ai、u_bi、u_ci及三相电流i_ai、i_bi、i_ci。

(2-2)对各端口网侧三相电压、三相电流进行dq变换，得到dq坐标系下各端口网侧d轴电压u_di、q轴电压u_qi及各端口网侧d轴电流i_di、q轴电流i_qi。

(2-3)根据dq坐标系下各端口网侧d轴电压u_di、q轴电压u_qi及各端口网侧d轴电流i_di、q轴电流i_qi，计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si。

(3)根据FID直流侧能量平衡关系及FID各端口当前时刻输入有功功率P_si确定FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi；具体包括以下步骤：

(3-1)设定FID直流侧参考电压值U_{dc_ref}，确定直流侧电容C大小；实时检测FID直流侧电压U_dc。

(3-2)将FID各端口当前时刻输入有功功率P_si经过潮流调控系统得到FID各端口下一时刻输入有功功率P_si ^*。

(3-3)根据FID直流侧能量平衡关系可得：

(3-4)基于式6及令FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi为：

(3-5)将直流侧参考电压值U_{dc_ref}与直流侧电压U_dc进行平方处理后作差，得到直流侧电压平方误差量

(3-6)将直流侧电压平方误差量输入PI调节器，并乘以比例系数C/2n，得到直流侧电容能量波动量/>

(3-7)将直流侧电容能量波动量与各端口下一时刻输入有功功率P_si ^*进行叠加，输出FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi：

(4)根据FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi计算FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号，具体包括以下步骤：

(4-1)确定交流侧电感L大小。

(4-2)计算解耦电流I，I＝wLi_qi，其中，w表示电网电压角速度，w＝50*2π。

(4-3)将外环参考有功功率P_refi乘以系数u_di3/2，经过限幅器得到FID各端口能量平衡控制内环参考有功电流i_{d_refi}。

(4-4)计算内环参考有功电流i_{d_refi}与网侧d轴电流i_di的误差信号Δi_di，将误差信号Δi_di经过PI调节器得到有功电压调节信号u_di ^*。

(4-5)将有功电压调节信号u_di ^*取反与解耦电流I、网侧d轴电压u_di进行叠加，并经过dq反变换得到FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}。

(4-6)将FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}输入PWM调制器，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号。

本发明FID能量快速平衡控制方法仿真验证如下。

本发明在MATLAB/Simulink仿真平台搭建三端口FID模型，验证本发明所提出能量快速平衡控制方法的有效性与正确性。仿真如表1所示。

表1 FID仿真参数

为模拟FID并网运行时实际工作状态，验证能量快速平衡控制方法精准潮流调控功能与直流侧电压波动抑制能力的有效性。本发明在充分考虑配电网台区多种复杂运行工况与极端功率突变基础上，设计端口潮流调控实况信息如表2所示。

表2 FID潮流调控实况信息表

本实施例FID各端口输出功率波形如图5所示，不同控制方法下FID直流侧电压波形如图6所示，其中，6(a)为U_dc-Q控制与本发明控制方法下直流侧电压对比图，6(b)为功率前馈控制与本发明控制方法下直流侧电压对比图。

由图5可知，本发明所提FID能量快速平衡控制方法可实现潮流精准调控功能。根据图6直流侧电压仿真结果可以看出，采用U_dc-Q控制时直流侧电压暂态波动超过80V，恢复稳定时长0.1s左右；采用功率前馈控制时电压暂态波动30V，恢复稳定时长0.07s；而采用本发明所提出能量快速平衡控制方法时电压暂态波动小于20V，恢复稳定时长小于0.03s，电压波动比小于2.5％。由对比结果可知，本发明所提出能量快速平衡控制方法相较现有控制方法具有更快的波动恢复速度与波动抑制能力，可为潮流精准优化调控实施提供可靠保障。

本发明中FID各端口同步调整有功功率参考信号，从而消除有功指令变化对直流侧电压暂态冲击，有效提高直流侧波动恢复速度与波动抑制能力。此外，本发明所提出能量快速平衡控制方法中三端口控制完全相同，可有效避免传统柔性互联装置控制中某一端口失效导致系统整体崩溃的问题，提系统可靠性，便于冗余扩展。

本发明提出的面向FID的能量快速平衡控制方法，为FID工程实际应用开辟一条新的途径。所提能量平衡控制方法在实现FID潮流精准调控功能同时，可有效解决现有控制方法暂态冲击平抑难、动态响应速度慢、可靠性低、可扩展性不强等缺陷，为FID精准潮流调控策略实施提供可靠保障。所提能量平衡控制方法可适用于不同容量、不同电压等级配电网互联，其工程实用性强，为未来中低压配网互联的工程化和实用化提供重要参考和借鉴。

值得说明的是，本发明仅以三端口FID为例进行分析，本发明亦可适用于不同拓扑类型、容量、电压等级、端口数量的配电网多端柔性互联装备，当应用于其他场景时根据实际情况调整控制参数即可。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立多端口FID的dq坐标系下数学模型，确定FID直流侧能量平衡关系；

(2)计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si；

(3)根据FID直流侧能量平衡关系及FID各端口当前时刻输入有功功率P_si确定FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi；

(4)根据FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi计算FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号；

步骤(3)，具体包括以下步骤：

(3-1)设定FID直流侧参考电压值U_{dc_ref}，确定直流侧电容C大小；实时检测FID直流侧电压U_dc；

(3-2)将FID各端口当前时刻输入有功功率P_si经过潮流调控系统得到FID各端口下一时刻输入有功功率P_si ^*；

(3-3)根据FID直流侧能量平衡关系得到：

(3-4)基于式6及令FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi为：

(3-5)将直流侧参考电压值U_{dc_ref}与直流侧电压U_dc进行平方处理后作差，得到直流侧电压平方误差量

(3-6)将直流侧电压平方误差量输入PI调节器，并乘以比例系数C/2n，得到直流侧电容能量波动量/>

(3-7)将直流侧电容能量波动量与各端口下一时刻输入有功功率P_si ^*进行叠加，输出FID各端口能量平衡控制外环参考有功功率P_refi；

2.如权利要求1所述的面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，其特征在于：步骤(1)，具体包括以下步骤：

(1-1)建立多端口FID的dq坐标系下各端口功率传输方程：

式中，P_si表示FID各端口输入有功功率；Q_si表示FID各端口输入无功功率；u_di表示各端口网侧d轴电压；u_qi表示各端口网侧q轴电压；i_di表示各端口网侧d轴电流；i_qi表示各端口网侧q轴电流，n表示FID端口的数量；

(1-2)建立FID直流侧能量平衡方程，确定FID直流侧能量平衡关系：

式中，C表示直流侧电容值；U_dc表示FID直流侧电压；i_i表示FID各端口直流侧输出电流；

对式(2)进行变换得到：

对式(3)进行变换得到：

根据式(4)，得到FID直流侧能量平衡关系式：

3.如权利要求2所述的面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，其特征在于：步骤(1-1)中，n≥2。

4.如权利要求1所述的面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，其特征在于：步骤(2)，具体包括以下步骤：

(2-1)实时检测FID各端口网侧三相电压u_ai、u_bi、u_ci及三相电流i_ai、i_bi、i_ci；

(2-2)对各端口网侧三相电压、三相电流进行dq变换，得到dq坐标系下各端口网侧d轴电压u_di、q轴电压u_qi及各端口网侧d轴电流i_di、q轴电流i_qi；

(2-3)根据dq坐标系下各端口网侧d轴电压u_di、q轴电压u_qi及各端口网侧d轴电流i_di、q轴电流i_qi，计算FID各端口当前时刻输入有功功率P_si。

5.如权利要求1所述的面向配电网多端柔性互联的能量快速平衡控制方法，其特征在于：步骤(4)，具体包括以下步骤：

(4-1)确定交流侧电感L大小；

(4-2)计算解耦电流I，I＝wLi_qi，其中，w表示电网电压角速度；

(4-3)将外环参考有功功率P_refi乘以系数u_di3/2，经过限幅器得到FID各端口能量平衡控制内环参考有功电流i_{d_refi}；

(4-4)计算内环参考有功电流i_{d_refi}与网侧d轴电流i_di的误差信号Δi_di，将误差信号Δi_di经过PI调节器得到有功电压调节信号u_di ^*；

(4-5)将有功电压调节信号u_di ^*取反与解耦电流I、网侧d轴电压u_di进行叠加，并经过dq反变换得到FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}；

(4-6)将FID各端口三相调制电压U_{ref_abci}输入PWM调制器，通过PWM调制器输出FID各端口控制信号。