CN114156932A - 一种基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，属于电力系统稳定运行研究领域。步骤1)解析下垂控制的直流配电系统中直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系；步骤2)在系统中实时监测直流母线电压，对测得的直流电压实时进行微分运算，运算后的结果每经过设定值一次，则相应计数器累加一次，当计数器的累加值超过满足振荡发生的阈值条件时，判断为振荡发生，反之则认为未发生；步骤3)当判断结果为振荡发生后，计算振荡频率；步骤4)以获得的振荡频率为依据，实时对下垂系数进行自适应取值。本发明适用于采用多端下垂控制的运行方式，能够实时判别系统电压是否发生振荡并获得振荡频率，具有快速响应的振荡判别能力。

Description

一种基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法

技术领域

一种基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，属于电力系统稳定运行研究领域。

背景技术

直流配电系统凭借在经济性、灵活可靠等方面明显的优势，成为“碳达峰、碳中和”的远景目标下电力系统发展的重要环节。

而随着以新能源发电、电动汽车等为代表的高渗透率电力电子化设备等不断接入，直流系统中一些不同于交流系统的稳定性问题也随之出现。同时下垂控制是直流系统控制的一种重要方法，由于直流系统中的电源、负荷、控制器等元件引发的低惯性弱阻尼特性易导致下垂控制的直流配电网产生振荡乃至失稳现象。由此而来，如何分析直流配电系统下的振荡机理及对系统振荡进行抑制控制成为发展直流系统需要解决的问题。

目前关于直流配电系统振荡问题的机理分析并不明确，由此带来的抑制直流电压振荡问题的方法也各异，目前已有众多研究进展，现有技术方法多从增加阻尼、抑制或补偿直流母线电压偏差角度进行分析，与已有的振荡机理之间的关系不明确、联系不紧密，无法从解析表达式角度对振荡问题加以有理说明和合理抑制。另外传统的下垂控制方法由于控制参数为固定值，由此带来众多稳定性问题，如实际电力系统中由于负荷是实时变化的，且系统中部分电路参数由于摄动的影响也不是固定不变的，因此初始设计的控制参数不再适应于系统的变化，进而导致一系列稳定性问题，因此解决受影响引起的参数不匹配问题也成为直流配电网稳定控制的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够实时判别系统电压是否发生振荡并获得振荡频率，具有快速响应的振荡判别能力的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)解析下垂控制的直流配电系统中直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系；

步骤2)在系统中实时监测直流母线电压，对测得的直流电压实时进行微分运算，运算后的结果每经过设定值一次，则相应计数器累加一次，当计数器的累加值超过满足振荡发生的阈值条件时，判断为振荡发生，反之则认为未发生；

步骤3)当判断结果为振荡发生后，计算振荡频率；

步骤4)以获得的振荡频率为依据，实时对下垂系数进行自适应取值，并将该参数送入控制器执行。

优选的，所述方法还包括，从振荡机理的角度，提出基于解析关系的参数优化设计方法。

优选的，所述方法还包括，建立降阶的直流电压二阶微分方程：

其中，U_dc为直流电压实际值，L代表换流器等效交流侧电抗，U_ref表示直流电压参考值，k_droop为下垂系数，P和P_ref分别代表有功功率的参考值和实际值，k_vp和k_vi分别为外环PI控制器比例系数和积分系数，k_ip和k_ii分别为内环PI控制器比例系数和积分系数，d表示直轴分量，C代表滤波电容，R表示交流线路等效电阻，i_d，ref表示交流电流变换至d_q坐标系下的d轴参考值，k_pwm表示换流器等效增益，K为比例系数，S代表复频率，t表示时间，u_d代表交流电源电压在dq0坐标系下d轴的实际值，i_d为交流电流在dq0坐标系下d轴的实际值，R_l表示等值直流负载。

优选的，步骤1)中的直流申压振荡频率与控制器下垂系数的关系为：

其中，α、χ、β为中间变量，

α＝CL/K；

β＝(CR_l(R+k_pwmk_ip(1+1.5u_dk_vp))+L)/(KR_l)；

χ＝k_pwmk_vpk_ipk_droop+(R+k_pwmk_ip(1+1.5u_dk_vp))/(KR_l)。

优选的，步骤3)中当判断为振荡后，振荡频率ω为：

其中，η、ζ、ψ均为中间变量，

η＝2CL/K；

ψ＝4CLk_pwmk_vpk_ip/K；

ζ＝(4CLR+4CLk_pwmk_ip+6u_dk_vpk_pwmk_ipCL)/(R_lK²)-β²。

优选的，以步骤4)中获得的振荡频率为依据设计的目标曲线如下：

优选的，所述方法还包括，按目标关系曲线自适应取值的下垂系数k_droop为：

k_droop＝((2ηγ-ωη)²-ζ)/ψ。

优选的，通过对电压波形的处理来判断步骤2)中直流母线是否发生振荡。

优选的，判断直流母线电压振荡的方法如下：

对获得的直流电压进行微分运算，运算结果被传递至比较器；

根据比较结果确定计数器的动作，最后将计数器中的结果与鉴别振荡的阈值进行比较；

当计数器计数值超过设定限值则可以判断为发生振荡，反之则未发生。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法从振荡机理的角度，提出基于解析关系的参数优化设计方法，解析出下垂控制的直流配电系统中直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系，与频域特征值的定性分析方法相比，该解析式可直接用于控制参数定量优化设计，适用于采用多端下垂控制的运行方式；通过对直流电压实时进行微分运算、阈值触发，能够实时判别系统电压是否发生振荡并获得振荡频率，具有快速响应的振荡判别能力。

本发明提出依据振荡频率的自适应下垂系数设计方法，根据得到的下垂系数与振荡频率的实际关系设计目标曲线，控制器的下垂系数按照目标曲线自适应调整，解决了传统下垂控制的直流配电系统中下垂系数与实时系统参数不匹配的问题和由参数不匹配引起的直流电压振荡问题。

附图说明

图1为下垂控制的直流配电系统控制结构图。

图2为直流母线电压振荡判别过程图。

图3为目标曲线选取示意图。

图4为自适应下垂系数设计流程图图。

图5为双端仿真系统结构图。

图6为直流电压经微分运算结果图。

图7为场景1的仿真波形图。

图8为场景2的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。

图1～8是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～8对本发明做进一步说明。

一种基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，包括如下步骤：

步骤1)从振荡机理的角度，提出基于解析关系的参数优化设计方法，解析下垂控制的直流配电系统中直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系。

如图1所示的直流配电系统的控制结构下，直流电压的二阶微分方程可表示为：

其中，U_dc为直流电压实际值，L代表换流器等效交流侧电抗，U_ref表示直流电压参考值，k_droop为下垂系数，P和P_ref分别代表有功功率的参考值和实际值，k_vp和k_vi分别为外环PI控制器比例系数和积分系数，k_ip和k_ii分别为内环PI控制器比例系数和积分系数，d表示直轴分量，C代表滤波电容，R表示交流线路等效电阻，i_d，ref表示交流电流变换至dq坐标系下的d轴参考值，k_pwm表示换流器等效增益，K为比例系数，S代表复频率，t表示时间，u_d代表交流电源电压在dq0坐标系下d轴的实际值，i_d为交流电流在dq0坐标系下d轴的实际值，R_l表示等值直流负载。

直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系为：

其中，α、χ、β为中间变量，

α＝CL/K；

β＝(CR_l(R+k_pwmk_ip(1+1.5u_dk_vp))+L)/(KR_l)；

χ＝k_pwmk_vpk_ipk_droop+(R+k_pwmk_ip(1+1.5u_dk_vp))/(KR_l)。

步骤2)分析系统的振荡情况，通过实时监测直流母线电压，对测得的直流电压波形实时进行运算，判断是否振荡。

鉴于电压振荡发生时直流母线电压波形会交替经过稳态值，因此通过对电压波形的处理可用来判断是否发生振荡，以作为触发自适应下垂系数的前提。判断直流母线电压振荡的过程如图2所示，首先对获得的直流电压进行微分运算，运算结果被送至比较器。根据比较结果确定计数器的动作，最后将计数器中的结果与鉴别振荡的阈值进行比较，当计数器计数值超过设定限值则可以判断为发生了振荡，反之则未发生振荡。

步骤3)当判断结果为振荡发生后，计算振荡频率。

振荡频率ω可进一步表示为：振荡频率ω为：

其中，η、ζ、ψ均为中间变量，

η＝2CL/K；

ψ＝4CLk_pwmk_vpk_ip/K；

ζ＝(4CLR+4CLk_pwmk_ip+6u_dk_vpk_pwmk_ipCL)/(R_lK²)-β²。

步骤4)以获得的振荡频率为依据，按照实际解析关系互异方向并考虑系统动态特性设计目标曲线，实时对下垂系数进行自适应取值，送入控制器执行。

振荡频率与下垂系数的关系表示为图3实线，得出振荡频率随下垂系数的增加而增大的结论，考虑到实际下垂系数与振荡频率对的正相关性，本发明下垂系数选取时在图3实线的基础上以ω＝γ为对称轴，将实际关系曲线按此轴对称，γ的选择考虑系统在表1参数下的动态特性，得到目标曲线表示为图3虚线，目标关系曲线的解析表达可表示为：

按目标关系曲线自适应取值的下垂系数解析式可表示为：

k_droop＝((2ηγ-ωη)²-ζ)/ψ。

该式反应了本发明的自适应下垂系数设计原则，即基于振荡频率和下垂系数间的解析关系，按照实际解析关系互异方向并考虑系统动态特性设计目标曲线。本发明下垂系数的自适应设计依据该式并按照图4所示流程进行。

下面以一个实例具体说明本发明的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，在实例中，以图5所示的下垂控制的双端直流配电系统为例说明。

当直流母线电压产生振荡时，按照图2所示方法，经微分运算得到的波形如图6所示，将其送入比较器后再经向上累加器，通过设定累加器阈值触发所自适应下垂系数设计方法。

由图6可以看出，处理后的正常运行和振荡波形在幅值上有较大差别，通过适当提高比较器比较值可快速有效判别振荡状况，且由于振荡时会往复经过比较值，使得累加器不断累加，因此选取合适的累加器触发值可快速投入本自适应设计方法。能够看出本发明直流电压振荡判别方法，能快速有效鉴别振荡是否发生。

经判别为振荡后，根据式

计算直流电压的振荡频率，将结果代入式k_droop＝((2ηγ-ωη)²-ζ)/ψ，式中ω、ψ、η均为常数，在设计本发明自适应下垂控制时，式中γ的取值取决于参考值k′_d的选择。而参考值k′_d的选择综合考虑了系统的动态特性，包括控制系统的阶跃响应和幅频特性以确定γ的值，计算的参数γ和k′_d如表1所示。

表1仿真系统主要参数

为验证本发明的有效性，在上述仿真模型中进行了验证，在t＝1s时刻，投入新的负荷为原负荷功率的60％，直流母线电压出现振荡。仿真结果如图7所示，其中灰色曲线为传统下垂控制下，因扰动而使系统发生振荡的现象，黑色波形为施加本发明所述方法，能够看出直流电压判断为振荡后自适应改变了下垂系数，使直流母线电压恢复稳定，起到了预期的效果，验证了本发明设计方法的有效性。

考虑到硬件参数的摄动，在t＝1s时刻，直流侧滤波电容由4000μF发生摄动至3000μF，引起直流母线电压振荡，如图8灰色曲线所示。采用本发明所提的自适应下垂控制方法可有效提高系统稳定性，如图8黑色曲线所示，采用本发明所提控制方法，系统在识别到振荡发生后，根据振荡频率改变下垂系数，使母线电压趋于稳定，验证了本发明控制策略的有效性。

综上，本发明提出的基于电压振荡频率的直流配电系统自适应下垂系数设计方法，从振荡机理出发，基于解析关系优化参数设计，根据得到的下垂系数与振荡频率的实际关系设计目标曲线，能有效解决下垂系数与实时系统不匹配问题及由此引发的直流配电系统电压振荡问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)解析下垂控制的直流配电系统中直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系；

步骤2)在系统中实时监测直流母线电压，对测得的直流电压实时进行微分运算，运算后的结果每经过设定值一次，则相应计数器累加一次，当计数器的累加值超过满足振荡发生的阈值条件时，判断为振荡发生，反之则认为未发生；

步骤3)当判断结果为振荡发生后，计算振荡频率；

步骤4)以获得的振荡频率为依据，实时对下垂系数进行自适应取值，并将该参数送入控制器执行。

2.根据权利要求1所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：所述方法还包括，从振荡机理的角度，提出基于解析关系的参数优化设计方法。

3.根据权利要求1所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：所述方法还包括，建立降阶的直流电压二阶微分方程：

其中，U_dc为直流电压实际值，L代表换流器等效交流侧电抗，U_ref表示直流电压参考值，k_droop为下垂系数，P和P_ref分别代表有功功率的参考值和实际值，k_vp和k_vi分别为外环PI控制器比例系数和积分系数，k_ip和k_ii分别为内环PI控制器比例系数和积分系数，d表示直轴分量，C代表滤波电容，R表示交流线路等效电阻，i_d，ref表示交流电流变换至dq坐标系下的d轴参考值，k_pwm表示换流器等效增益，K为比例系数，S代表复频率，t表示时间，u_d代表交流电源电压在dq0坐标系下d轴的实际值，i_d为交流电流在dq0坐标系下d轴的实际值，R_l表示等值直流负载。

4.根据权利要求3所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：步骤1)中的直流电压振荡频率与控制器下垂系数的关系为：

其中，α、χ、β为中间变量，

α＝CL/K；

β＝(CR_l(R+k_pwmk_ip(1+1.5u_dk_vp))+L)/(KR_l)；

χ＝k_pwmk_vpk_ipk_droop+(R+k_pwmk_ip(1+1.5u_dk_vp))/(KR_l)。

5.根据权利要求3所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：步骤3)中当判断为振荡后，振荡频率ω为：

其中，η、ζ、ψ均为中间变量，

η＝2CL/K；

ψ＝4CLk_pwmk_vpk_ip/K；

ζ＝(4CLR+4CLk_pwmk_ip+6u_dk_vpk_pwmk_ipCL)/(R_lK²)-β²。

6.根据权利要求5所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：以步骤4)中获得的振荡频率为依据设计的目标曲线如下：

7.根据权利要求6所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：所述方法还包括，按目标关系曲线自适应取值的下垂系数k_droop为：

k_droop＝((2ηγ-ωη)²-ζ)/ψ。

8.根据权利要求1所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：通过对电压波形的处理来判断步骤2)中直流母线是否发生振荡。

9.根据权利要求1或8所述的基于振荡频率的直流配电网下垂系数自适应设计方法，其特征在于：判断直流母线电压振荡的方法如下：

对获得的直流电压进行微分运算，运算结果被传递至比较器；

根据比较结果确定计数器的动作，最后将计数器中的结果与鉴别振荡的阈值进行比较；

当计数器计数值超过设定限值则可以判断为发生振荡，反之则未发生。

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