CN114142514B - 一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法，属于电气工程技术领域。功率控制换流器将描述直流侧电压与额定电压偏差的状态变量η_i与相邻换流器进行交换，从而保证电压恢复控制时能兼顾功率控制换流器直流侧电压大小；电压控制换流器将电压‑有功下垂控制的功率分配状态变量ξ_i与其他电压控制换流器进行交换，从而保证电压控制换流器之间有功功率分配的准确，同时与其他换流器交换η_i，施加二次电压控制能够实现多端柔性直流电网整体电压的恢复。本发明能够以较小的通讯量实现多端柔性直流电网电压恢复以及功率的准确分配。

Description

一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法。

背景技术

随着低碳经济和可持续发展的需求，海上风电等可再生能源的开发利用受到了越来越广泛的关注。基于电压源换流器的多端直流电网(VSC-MTDC)具有多点供电、多电源、灵活的潮流远程控制等优点，是大规模海上风电集成的有效途径。

由于MTDC网络中涉及多个换流器，因此每个换流器之间存在控制耦合。为保证MTDC网络的稳定运行，通过多台变流器相互协调，实现直流电压控制和功率分配控制，是MTDC稳定运行的关键。目前的多端直流电网控制方式主要是采用主从控制、下垂控制和集中控制，对于主从控制的MTDC系统，只有一个换流器采用恒直流电压控制，其余的换流器采用恒有功功率控制，然而，当电压控制站发生故障时，MTDC系统就会面临电压崩溃；对于下垂控制系统，多个换流器都支撑直流电压，并根据电压-功率(V-P)的下降特性自动分配功率，但下垂特性无法保证功率分配的准确性，且直流电压低于系统额定值；对于集中控制系统，虽然可以实现电压和功率的精确控制，但是存在单点故障，无法保证大容量的多端直流电网安全运行。

同时，现有的多端柔性直流分布式控制方法，控制准确性会受到通讯时延的影响，不适合运用到通讯距离较长的多端柔性直流网络中。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法，旨在以较少的通信数据量解决现有的多端柔性直流分布式控制无法在通讯时延情况下保证控制准确性的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法，所述多端柔性直流电网包括N个换流器，其中，第1至第m个为功率控制换流器，第m+1至第N个为电压控制换流器，m≥1，N≥2，包括：

S1，构建第i个换流器直流电压偏差的状态变量η_i的状态方程：

当i＝1,…,m时，根据第i个换流器的直流电压偏差、第i个换流器的直流电压偏差状态变量η_i以及通过通信网络得到的相邻换流器的直流电压偏差状态变量η_j，构建η_i的状态方程；当i＝m+1,…,N时，根据第i个换流器的功率分配状态变量ξ_i以及通过通信网络得到的相邻电压控制换流器的功率分配状态变量ξ_k，构建η_i的状态方程；

S2，针对第m+1至第N个换流器，根据相应的η_i、η_j、ξ_i以及ξ_k，构建第i个换流器的二次电压补偿量u_seci的状态方程；

S3，联立η_i和u_seci的状态方程，求解得到u_seci；

S4，基于S3得到的u_seci，计算得到第i个换流器的直流侧电压指令值

S5，针对第1至第m个换流器，将交流侧有功功率实测值与指令值的偏差作为功率电流双环PI控制器的输入，得到相应功率控制换流器的脉冲控制信号；针对第m+1至第N个换流器，将直流侧电压实测值与指令值的偏差作为电压电流双环PI控制器的输入，得到相应电压控制换流器的脉冲控制信号。

进一步地，所述S1中，当i＝1,…,m时，η_i的状态方程表示为：

其中，为η_i的导数；b为电压通信权重系数；λ为分布式控制器全局系数；N_i为第i个换流器的相邻换流器的节点集合；/>为多端柔性直流电网额定电压；u_dci为第i个换流器的直流侧电压实测值。

进一步地，所述S1中，当i＝m+1,…,N时，η_i的状态方程表示为：

其中，M_i为第i个换流器的相邻电压控制换流器的节点集合。

进一步地，所述S2中，第i个换流器的二次电压补偿量u_seci的状态方程表示为：

其中，为u_seci的导数；a为功率通信权重系数。

进一步地，所述S4中，第i个换流器的直流侧电压指令值表示为：

进一步地，所述第i个换流器的功率分配状态变量ξ_i表示为：

ξ_i＝P_iR_i

其中，P_i是第i个换流器的输出有功功率；R_i是第i个换流器的电压-有功下垂系数。

进一步地，在得到相应功率控制换流器和电压控制换流器的脉冲控制信号后，通过控制各换流器开关管的导通和关断，对所述多端柔性直流电网进行控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明首先针对功率控制换流器和电压控制换流器分别构建描述直流侧电压与额定电压偏差状态变量的状态方程，接着构建各电压控制换流器的二次电压补偿量的状态方程，然后联立这些状态方程，求解得到各电压控制换流器的二次电压补偿量，并基于二次电压补偿量得到各电压控制换流器的直流侧电压指令值。最后，将交流侧有功功率实测值与指令值的偏差作为功率电流双环PI控制器的输入，得到相应功率控制换流器的脉冲控制信号；将直流侧电压实测值与指令值的偏差作为电压电流双环PI控制器的输入，得到相应电压控制换流器的脉冲控制信号。如此，功率控制换流器与相邻换流器仅交换一个表征电压偏差的状态变量，电压控制换流器与相邻换流器仅交换表征电压偏差和功率分配的两个状态变量，就可以在通讯延时情况下，实现电压控制换流器之间功率的准确分配以及各换流器直流侧电压平均值恢复到额定值。

附图说明

图1是本发明提供的考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制框图；

图2是实施例提供的多端柔性直流电网一次控制示意图；

图3是实施例提供的多端柔性直流电网电气接线示意图；

图4是多端柔性直流电网换流站采用本发明提供的方法在无通讯延时情况下各变量响应曲线；

图5是多端柔性直流电网换流站采用本发明提供的方法在通讯存在100ms延时情况下各变量响应曲线；

图6是多端柔性直流电网换流站采用本发明提供的方法，在其中一个电压控制换流站停机时各变量响应曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明提供的考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制框图。本发明中，多端柔性直流电网包括N个换流器，其中，第1至第m个为功率控制换流器，第m+1至第N个为电压控制换流器，m≥1，N≥2。参阅图1，对本实施例中考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法进行详细说明，该方法包括：

S1，构建第i个换流器直流电压偏差的状态变量η_i的状态方程：

S11，当i＝1,…,m时，根据第i个换流器的直流电压偏差、第i个换流器的直流电压偏差状态变量η_i以及通过通信网络得到的相邻换流器的直流电压偏差状态变量η_j，构建η_i的状态方程：

其中，为η_i的导数；b为电压通信权重系数；λ为分布式控制器全局系数；N_i为第i个换流器的相邻换流器的节点集合；/>为多端柔性直流电网额定电压；u_dci为第i个换流器的直流侧电压实测值。

S12，当i＝m+1,…,N时，根据第i个换流器的功率分配状态变量ξ_i以及通过通信网络得到的相邻电压控制换流器的功率分配状态变量ξ_k，构建η_i的状态方程：

其中，M_i为第i个换流器的相邻电压控制换流器的节点集合；ξ_i＝P_iR_i，P_i是第i个换流器的输出有功功率，R_i是第i个换流器的电压-有功下垂系数。

S2，针对第m+1至第N个换流器，根据相应的η_i、η_j、ξ_i以及ξ_k，构建第i个换流器的二次电压补偿量u_seci的状态方程：

其中，为u_seci的导数；a为功率通信权重系数。

S3，联立η_i和u_seci的状态方程，求解得到u_seci；

S4，基于S3得到的u_seci，计算得到第i个换流器的直流侧电压指令值

S5，针对第1至第m个换流器，将交流侧有功功率实测值与指令值的偏差作为功率电流双环PI控制器的输入，得到相应功率控制换流器的脉冲控制信号；针对第m+1至第N个换流器，将直流侧电压实测值与指令值的偏差作为电压电流双环PI控制器的输入，得到相应电压控制换流器的脉冲控制信号。

进一步地，在得到相应功率控制换流器和电压控制换流器的脉冲控制信号后，通过控制各换流器开关管的导通和关断，对所述多端柔性直流电网进行控制。

下面，在PSCAD/EMTDC软件中搭建了一个包含4座MMC换流站的多端柔性直流电网仿真模型对本发明提供的方法进行验证。

MMC换流器根据指令值生成脉冲控制信号的控制框图如图2所示。多端柔性直流电网电气接线图以及各状态变量的通讯图如图3所示。MMC₁为功率控制换流站，MMC₂至MMC₄为电压控制换流站。MMC₁的有功功率参考值设置为500MW，系统参数如表1所示。

表1

在图4中，本发明所提供的多端柔性直流电网分布式控制方法在t＝1s被投入。在t＝1s之前电压控制换流站采用下垂控制。由图4中(a)可以看出，所提的分布式控制方法可以将包括功率控制站在内的整个多端柔性直流电网的平均电压调节到额定值。另外，在下垂控制下，电压控制换流站的输出功率不能控制在2:1:1，而在t＝1s后，电压控制换流站输出功率可以按此比例分配。因此，所提的多端柔性直流电网分布式控制方法可以补偿下垂控制引起的电压偏差，并消除功率分配的误差。

当换流站之间的通信存在100ms延时，各变量响应曲线如图5所示。相比于无通讯延时的图4，所提的多端柔性直流电网分布式控制方法在延时情况下，动态调节时间变长，但仍能实现准确的功率分配和电压恢复。

当电压控制换流站MMC₄在t＝3s停机时，各变量响应曲线如图6所示。MMC₄交流侧的电流在t＝3s时降至零，输出功率也从原来的126.2MW降至零。0.15s后，其余两个电压控制换流站的输出功率仍按图4中(b)中的原比例分配。由于MMC₄不工作，同时与MMC₄连接的通信链路断开，因此在控制目标中不能考虑MMC₄的直流母线电压。MMC₄断电后，修改控制目标，将其余三个换流器直流侧的平均电压调整到额定值，整个系统的平均电压略有下降。在MMC₄停机情况下，该多端柔性直流电网分布式控制方法仍能保持直流母线电压接近额定值，且输出功率可按比例共享。

总体而言：

本发明包括功率控制换流器的电压偏差观测，电压控制换流器通过二次控制实现电网电压的恢复，以及电压控制换流器之间功率的准确分配。功率控制换流站按照设计的控制协议将描述直流侧电压与额定电压偏差的状态变量η_i与相邻换流站进行交换，从而保证电压恢复控制时能兼顾功率换流站直流侧电压大小；电压控制换流站将电压-有功下垂控制的功率分配状态变量ξ_i与其他电压控制换流站进行交换，从而保证电压控制换流站之间有功功率分配的准确，同时与其他换流站交换η_i，施加二次电压控制能够实现多端柔性直流电网整体电压的恢复。本发明设计的分布式二次控制策略能够在通讯延时下，以较小的通讯量实现多端柔性直流电网电压恢复以及功率的准确分配。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑通讯延时的多端柔性直流电网分布式控制方法，所述多端柔性直流电网包括N个换流器，其中，第1至第m个为功率控制换流器，第m+1至第N个为电压控制换流器，m≥1，N≥2，其特征在于，包括：

S1，构建第i个换流器直流电压偏差的状态变量η_i的状态方程：

当i＝1,…,m时，根据第i个换流器的直流电压偏差、第i个换流器的直流电压偏差状态变量η_i以及通过通信网络得到的相邻换流器的直流电压偏差状态变量η_j，构建η_i的状态方程；当i＝m+1,…,N时，根据第i个换流器的功率分配状态变量ξ_i以及通过通信网络得到的相邻电压控制换流器的功率分配状态变量ξ_k，构建η_i的状态方程；

S2，针对第m+1至第N个换流器，根据相应的η_i、η_j、ξ_i以及ξ_k，构建第i个换流器的二次电压补偿量u_seci的状态方程；其中，第i个换流器的二次电压补偿量u_seci的状态方程表示为：

其中，为u_seci的导数；a为功率通信权重系数；b为电压通信权重系数；λ为分布式控制器全局系数；M_i为第i个换流器的相邻电压控制换流器的节点集合；N_i为第i个换流器的相邻换流器的节点集合；

S3，联立η_i和u_seci的状态方程，求解得到u_seci；

S4，基于S3得到的u_seci，计算得到第i个换流器的直流侧电压指令值

S5，针对第1至第m个换流器，将交流侧有功功率实测值与指令值的偏差作为功率电流双环PI控制器的输入，得到相应功率控制换流器的脉冲控制信号；针对第m+1至第N个换流器，将直流侧电压实测值与指令值的偏差作为电压电流双环PI控制器的输入，得到相应电压控制换流器的脉冲控制信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1中，当i＝1,…,m时，η_i的状态方程表示为：

其中，为η_i的导数；/>为多端柔性直流电网额定电压；u_dci为第i个换流器的直流侧电压实测值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1中，当i＝m+1,…,N时，η_i的状态方程表示为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S4中，第i个换流器的直流侧电压指令值表示为：

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述第i个换流器的功率分配状态变量ξ_i表示为：

ξ_i＝P_iR_i

其中，P_i是第i个换流器的输出有功功率；R_i是第i个换流器的电压-有功下垂系数。

6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在得到相应功率控制换流器和电压控制换流器的脉冲控制信号后，通过控制各换流器开关管的导通和关断，对所述多端柔性直流电网进行控制。