CN117293890B - 一种多电压等级柔直系统及其母线间的协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电压等级柔直系统及其母线间的协调控制方法。本发明的多电压等级柔直系统，其包括依次串联的光伏单元、中压直流变压器、高压直流变压器和高压直流逆变换流站；光伏单元与中压直流变压器之间设有低压直流母线，中压直流变压器与高压直流变压器之间设有中压直流母线，高压直流变压器与高压直流逆变换流站之间设有高压直流母线；中压直流变压器用于控制低压直流母线电压恒定，高压直流变压器用于控制中压直流母线电压恒定，高压直流逆变换流站连接交流电网并控制高压直流母线电压恒定。本发明可实现母线间的协调控制，缩减直流母线两侧功率差，减小直流电压波动。

Description

一种多电压等级柔直系统及其母线间的协调控制方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体地说是一种多电压等级柔直系统及其母线间的协调控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术能够有效地消纳波动性较大、稳定性较差的新能源以及馈入的再生能源，减少输电系统的占地空间，提高输电系统的输送容量；同时，该柔性直流输电技术可有效改善配电网电能质量且提高供电可靠性。因此，研究柔性直流输电系统结构及对其控制器进行优化设计显得尤为重要，能够为其在工程中的应用与推广提供一定的理论支持与设计参考。
然而，当柔直系统(柔性直流系统)中存在输入扰动时，柔直系统中的母线电压会随之产生波动，柔直系统存在稳定性问题。
当柔直系统包含多个电压等级时，稳定性分析变得更加困难，所建立的模型及分析过程都较为复杂。对于柔直系统的稳定性分析，最常见的分析方法是构建互联变换器在不同控制模式下的系统等效阻抗模型，得到系统在中、低压侧的等效共母线子系统，进行稳定性分析。此方法建模复杂且不具有输入扰动分析的针对性。
对于柔直系统的控制策略，大部分是以直流电网中单一换流设备的优化控制方法为主，并没有考虑整个系统的协调控制。即便有提出应用于两级式DC-DC变换器或级联DC/DC变流器的协调控制策略，但系统中不同电压等级母线间即不同变换器之间的协调控制问题尚未引起足够的重视。
在多电压等级柔直系统中，直流母线是能量交换的中介，系统中变流器之间或和电网之间会相互影响，再加上负载扰动等外部因素，母线电压极易发生波动，导致系统的整体性能下降，出现稳定性问题。
为此，需要在不同电压等级母线之间加入协调控制方法，保证多电压等级柔直汇集系统的安全稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种多电压等级柔直系统，其可以对各连接端口的电压、功率进行连续调节，以实现多种运行模式的无缝切换，在系统发生故障时对故障进行快速隔离，对受影响的母线端口建立起电压支撑。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种多电压等级柔直系统，其包括依次串联的光伏单元、中压直流变压器、高压直流变压器和高压直流逆变换流站；
所述的光伏单元与中压直流变压器之间设有低压直流母线，中压直流变压器与高压直流变压器之间设有中压直流母线，高压直流变压器与高压直流逆变换流站之间设有高压直流母线；
所述的中压直流变压器用于控制低压直流母线电压恒定，高压直流变压器用于控制中压直流母线电压恒定，高压直流逆变换流站连接交流电网并控制高压直流母线电压恒定。
进一步地，所述低压直流母线的电压级别为±750V，中压直流母线的电压级别为±20kV，高压直流母线的电压级别为±200kV。
更进一步地，中压直流变压器由三相桥式逆变模块和双绕组升压变压器串联构成DC/AC-AC/DC等效变换拓扑，实现±750V到±20kV的升压；由两个模块化多电平换流器分别接入交流升压变压器原边和副边组成高压直流变压器，实现±20kV到±200kV升压。
本发明还提供上述多电压等级柔直系统母线间的协调控制方法，其包括：
在中压直流变压器控制低压侧母线电压控制环节，引入中压侧直流母线电压前馈支路，将中压侧直流母线电压偏差经比例积分调节器前馈至中压直流变压器的功率/电流给定控制环节，当负载扰动引起中压母线电压变化时，母线间电压协调控制器一方面调节功率流动方向上吸收功率的高压直流变压器的功率或电流给定，调节高压直流变压器的功率传递，另一方面调节母线上功率流动方向上输出功率的中压直流变压器，对功率输出进行调节，进而缩减直流母线功率输出与功率吸收变压器二者的功率差值，减小直流电压波动。
进一步地，当柔直系统发生扰动时，实现暂态下低压直流母线能够感知中压直流母线电压的变化；当中压直流母线面临扰动时，由低压直流母线和高压直流母线电压共同抑制直流电压的波动。
进一步地，将中压直流母线电压V dc2的控制任务由中压直流变压器和高压直流变压器两级控制器共同承担，采集柔直系统中中压直流母线电压偏差，乘以协调控制系数K，叠加至功率流动方向上母线前端变流器电流给定处，形成新的直流变压器电流内环电流给定量，进而将低压、中压直流母线以协调控制的方式集成；
协调控制系数K体现两级直流电压控制在协调控制中的比重，K=0时为传统单端控制，K不为0时即引入母线协调控制，K按照端口的有功功率调节范围和直流电压波动范围确定，其值为输出功率变化范围与电压偏差范围的比值。
进一步地，直流变压器电流内环的闭环传递函数G H2为：
，
式中，G PIi2为电流控制器传递函数，脉宽调制环节等效为正比于中压直流母线电压V dc2的比例放大增益K PWM，G PIi2(s)=k pi+k ii/s，k pi和k ii分别为电流控制器的比例和积分系数；L 2 、r 2分别为直流变压器交流侧滤波电感和滤波电感的杂散电阻；
进而推导直流变压器电压外环开环及闭环传递函数分别为：
，
，
式中，G PIu2为电压控制器传递函数，脉宽调制环节等效为正比于中压直流母线电压V dc2的比例放大增益K PWM，G PIu2(s)=k pu+k iu/s；k pu和k iu分别为电压控制器的比例和积分系数；为高压直流变压器DC-AC换流电路两相旋转坐标系下的稳态占空比；C 2是直流传输线路的一侧电容。
进一步地，=V m/(2V dc)；V m为交流侧电压幅值；V dc为中压直流母线电压。
进一步地，中压直流母线电压对负载电流的传递函数为：
，
式中，G v750(s)为高压直流变压器电压控制等效传递函数，i L为流经负载的电流，V dc2为中压直流母线电压。
进一步地，协调控制下直流电压对负载电流的传递函数如下：
，
将协调控制前后传递函数表达式进行对比，相对于传统控制，前馈支路的引入使分母上增加了G v400(s)/C 2 s这一项，使负载对直流电压的扰动增益进一步减小；G v400(s)为中压直流升压变压器电压控制等效传递函数，控制器参数与传统控制参数相同。
本发明需要在不同电压等级母线之间加入协调控制策略，保证多电压等级柔直汇集系统的安全稳定运行。本发明在多电压等级柔直系统的传统电压控制基础上，增加了电压前馈控制环节，可实现母线间的协调控制。
本发明具有的有益效果如下：本发明提供的一种多电压等级柔直系统，其可以对各连接端口的电压、功率进行连续调节，实现多种运行模式的无缝切换，在系统发生故障时对故障进行快速隔离，对受影响的母线端口建立起电压支撑。本发明提供的一种多电压等级柔直系统母线间的协调控制方法，在多电压等级柔直系统的传统电压控制基础上，增加了电压前馈控制环节，可实现母线间的协调控制，缩减直流母线两侧功率差，减小直流电压波动。
附图说明
此处的附图为说明书的一部分，展示了本发明的实施例，与说明书一起用于解释本发明原理。
图1为本发明多电压等级柔直系统的结构图；
图2为本发明多电压等级柔直系统母线间协调控制方法的原理图；
图3为本发明多电压等级柔直系统母线间协调控制方法的控制框图；
图4为本发明高压直流变压器双闭环控制框图；
图5为本发明含负载扰动的柔直系统结构图；
图6为传统控制方式下负载电流对于中压直流母线电压扰动的控制示意图；
图7为本发明协调控制方法下负载电流对中压直流电压的扰动框图；
图8为本发明等效功率与母线电压控制效果示意图；
图9为稳态工况下传统控制与本发明协调控制的直流母线电压波形对比图；
图10为直流母线负荷阶跃扰动下传统控制与本发明协调控制的母线电压波形对比图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本实施例中的技术方案进行清晰、系统地介绍，然而，本发明描述地实施例只是本发明实施的一个效果较好实例，任何本领域技术人员在没有付出创造性工作的前提下所获得所有相关实施例，皆以本发明的保护范围。
本实施例提供一种多电压等级柔直系统及其母线间的控制方法。
1.多电压等级柔直系统
多电压等级柔直系统的结构图如图1所示，采用两级集中升压连接的方式，由光伏单元、中压直流变压器、高压直流变压器、高压直流逆变换流站以及交流电网组成，低压、中压、高压直流母线的电压级别分别为±750V、±20kV、±200kV。其中，中压直流变压器由三相桥式逆变模块和双绕组升压变压器串联构成DC/AC-AC/DC等效变换拓扑，实现±750V到±20kV的升压；由两个模块化多电平换流器分别接入交流升压变压器原边和副边组成高压直流变压器，实现±20kV到±200kV升压；高压直流逆变换流站连接交流电网并控制±200kV母线电压恒定。
在需维持直流侧电压的场合，往往采用电压外环控制，所述柔直系统控制采用分级定电压控制，中压直流变压器负责控制低压直流母线电压恒定，中压直流母线电压由高压直流变压器负责控制，高压直流逆变换流站并网端负责维持高压母线电压恒定。母线电压控制上分级划分，通过闭环控制策略可有效降低不同电压等级间的强耦合作用，但在柔直系统含有扰动的情况下仍然存在直流侧电压波动。
为此，本发明提供了一种多电压等级柔直系统母线间的协调控制方法。
2.多电压等级柔直系统母线间协调控制方法
上述多电压等级柔直系统母线间的协调控制方法，其内容如下：
引入中压直流变压器低压侧电压控制的高压侧母线电压前馈支路，将中压侧直流母线电压偏差经比例积分调节器前馈至中压直流变压器的功率/电流给定控制环节，当负载扰动引起母线电压变化时，母线间电压协调控制器一方面调节功率流动方向上吸收功率的高压直流变压器的功率或电流给定，调节高压直流变压器的功率传递，另一方面调节母线上功率流动方向上输出功率的中压直流变压器，对功率输出进行调节，进而缩减直流母线功率输出与功率吸收变压器二者的功率差值，减小直流电压波动。当柔直系统发生扰动时，实现暂态下低压母线能够感知中压直流电压的变化，相应调节功率输出。将中压直流母线电压V dc2的控制任务由中压直流变压器和高压直流变压器两级控制器共同承担，采集柔直系统中压直流母线电压偏差，乘以协调控制系数K，叠加至功率流动方向上母线前端变流器电流给定处，形成新的内环电流给定量，进而将低压、中压直流母线以协调控制的方式集成，当中压母线面临扰动时，由低压直流母线和高压直流母线电压共同抑制直流电压的波动，可改善母线电压的抗扰特性、动态响应及稳定性。
图2给出了本发明多电压等级柔直系统进行母线间协调控制方法的原理图，在含负载扰动的情况下，采集本柔直系统±20kV直流母线电压偏差叠加至±750V直流母线控制，由±750V、±20kV这两个不同电压等级的直流母线协调控制，共同维持±20kV直流母线电压恒定，抑制小干扰下的母线电压波动。
图3给出了多电压等级柔直系统母线间的协调控制框图，当柔直系统发生扰动时，采集柔直系统±20kV直流母线电压偏差，乘以系数K，经PI输出后叠加至±750V电压外环PI输出值，形成新的内环电流给定量。即将±20kV直流电压的变化反映到±750V电流给定值上，实现暂态下低压能够跟随中压直流电压的变化，由±750V直流母线和±20kV直流母线电压共同抑制直流电压的波动，运行可靠性高，使柔直系统具有在小干扰的作用下稳定运行的能力。通过将后级母线直流电压偏差的PI输出叠加至前级母线直流电压PI输出，实现了不同电压等级母线间的协调控制。在发生扰动时，由±750V母线参与控制±20kV母线电压，可以显著减小直流母线电压的波动，改善柔直系统的动态特性，使柔直系统具有在小干扰的作用下稳定运行的能力。
3.直流变压器数学模型的推导及控制方法的工作原理
对低压直流母线与中压直流母线进行扰动分析，如图2所示。i dc和i 1分别为低压直流母线的输入和输出电流；i 2i和i 20分别为中压直流母线的输入和输出电流；V dc1为低压直流母线电压，V dc2为中压直流母线电压。
图4给出了根据图1、图2和不含后级母线电压前馈支路的图3构建的高压直流变压器双闭环控制框图。V * dc2为中压直流母线电压参考值；I dref为两相旋转坐标系下交流侧电感电流d轴参考值；i d1、u d为变压器一次侧d轴电感电流与电压值，i s2、u s2为三相静止坐标系下变压器二次侧交流电感电流与电压值，d 2为高压直流变压器原边DC/AC变换环节在静止坐标系下的占空比，电压外环和电流内环采用PI调节器，G PIu2和G PIi2为电压、电流调节器传递函数，脉宽调制环节等效为正比于中压直流母线电压V dc2的比例放大增益K PWM（K PWM≈V dc2）。
由图4可得电流内环的闭环传递函数为：
，
进而可推导直流变压器电压外环开环及闭环传递函数分别为：
，
，
式中，为高压直流变压器DC-AC换流电路两相旋转坐标系下的稳态占空比，根据功率守恒可知，/>=V m/(2V dc)；V m为交流侧电压幅值。G PIu2(s)=k pu+k iu/s；G PIi2(s)=k pi+k ii/s，k p和k i分别为控制器的比例和积分系数。
图5给出了在图2中压直流母线处施加负载扰动的系统图。V dc2是中压直流母线电压，C 2、C 3是直流传输线路两侧电容，i L、i C3、i C2分别为流经负载和直流线路两侧电容电流，其余参数如前所述。对传统控制下含负载扰动时的直流母线电压进行响应建模。
图6给出了传统控制方式下负载电流对于中压直流母线电压扰动的控制示意图，G v750(s)为高压直流变压器电压控制等效传递函数。
中压直流母线电压对负载电流的传递函数为：
，
引入后级母线电压前馈支路，当负载扰动引起母线电压变化时，母线电压控制器的输出一方面作为该级变换器电流给定量，调节变换器传递功率，另一方面直接经过高压直流变压器电流环，对其变换器传递的功率进行调节，可以有效缩减直流母线两侧功率差，减小直流电压波动。协调控制系数K体现了两级直流电压控制在协调控制中的比重，K=0时就是传统单端控制，K不为0时即引入母线协调控制，K需要按照端口的有功功率调节范围和直流电压波动范围确定。
图7给出了协调控制方法下负载电流对中压直流电压的扰动传递函数框图。G v400(s)为中压直流升压变压器电压控制等效传递函数，控制器参数与传统控制参数相同。与传统控制相比，负载扰动输入到中压直流母线电压的传递函数增加了一个功率输送端直流变压器反馈环路，等效使传递函数幅频增益降低，扰动信号得到进一步衰减，同时使用两级电压控制器进行调节，比传统的单变换器调节具有更大的等效增益，增强了直流母线电压控制。
协调控制方法下直流电压对负载电流的传递函数如下：
，
将协调控制前后传递函数进行对比，相对于传统控制，后级母线电压前馈支路的引入使分母上增加了G v400(s)/C 2s这一项，使负载对直流电压的扰动增益进一步减小。本发明的协调控制方法可改善母线电压的抗扰特性、动态响应及稳定性。
图8给出了中压直流母线电压运行特性电压-功率等效运行特性静态曲线图，传统控制策略中，中压直流母线由高压直流变压器维持恒定，中压直流变压器对于中压直流母线等效运行在恒功率模式，如图中虚线所示。所提出控制策略中，低压直流变压器根据中压母线电压偏差情况适时调整功率输出，母线电压升高响应减小功率送出，母线电压降低则增加功率送出。
4.多电压等级柔直系统的协调控制波形图
图9给出了不含输入扰动，仅含直流传输线路阻抗的直流电压波形图，在0.6s时加入本发明协调控制方法，可以看到控制后直流母线波动得到抑制，电压最大波动幅度由0.0085p.u.变为0.0048p.u.，且调节时间较短。
在柔直系统±20KV母线处施加负载扰动，通过改变电流源的给定幅值改变扰动信号，给定幅值80A时，得到其传统控制与协调控制的母线电压波形如图10所示。加入本发明的协调控制方法后，直流母线电压的波动得到有效抑制，控制效果明显。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多电压等级柔直系统母线间的协调控制方法，所述的多电压等级柔直系统包括依次串联的光伏单元、中压直流变压器、高压直流变压器和高压直流逆变换流站；所述的光伏单元与中压直流变压器之间设有低压直流母线，中压直流变压器与高压直流变压器之间设有中压直流母线，高压直流变压器与高压直流逆变换流站之间设有高压直流母线；所述的中压直流变压器用于控制低压直流母线电压恒定，高压直流变压器用于控制中压直流母线电压恒定，高压直流逆变换流站连接交流电网并控制高压直流母线电压恒定；其特征在于，
多电压等级柔直系统母线间的协调控制方法，包括：
在中压直流变压器控制低压侧母线电压控制环节，引入中压侧直流母线电压前馈支路，将中压侧直流母线电压偏差经比例积分调节器前馈至中压直流变压器的功率/电流给定控制环节，当负载扰动引起中压母线电压变化时，母线间电压协调控制器一方面调节功率流动方向上吸收功率的高压直流变压器的功率或电流给定，调节高压直流变压器的功率传递，另一方面调节母线上功率流动方向上输出功率的中压直流变压器，对功率输出进行调节，进而缩减直流母线功率输出与功率吸收变压器二者的功率差值，减小直流电压波动。
2.根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于，所述低压直流母线的电压级别为±750V，中压直流母线的电压级别为±20kV，高压直流母线的电压级别为±200kV。
3.根据权利要求2所述的协调控制方法，其特征在于，中压直流变压器由三相桥式逆变模块和双绕组升压变压器串联构成DC/AC-AC/DC等效变换拓扑，实现±750V到±20kV的升压；由两个模块化多电平换流器分别接入交流升压变压器原边和副边组成高压直流变压器，实现±20kV到±200kV升压。
4.根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于，当柔直系统发生扰动时，实现暂态下低压直流母线能够感知中压直流母线电压的变化；当中压直流母线面临扰动时，由低压直流母线和高压直流母线电压共同抑制直流电压的波动。
5.根据权利要求4所述的协调控制方法，其特征在于，将中压直流母线电压V dc2的控制任务由中压直流变压器和高压直流变压器两级控制器共同承担，采集柔直系统中中压直流母线电压偏差，乘以协调控制系数K，叠加至功率流动方向上母线前端变压器电流给定处，形成新的直流变压器电流内环电流给定量，进而将低压、中压直流母线以协调控制的方式集成；
协调控制系数K体现两级直流电压控制在协调控制中的比重，K=0时为传统单端控制，K不为0时即引入母线协调控制，K按照端口的有功功率调节范围和直流电压波动范围确定，其值为输出功率变化范围与电压偏差范围的比值。
6.根据权利要求5所述的协调控制方法，其特征在于，直流变压器电流内环的闭环传递函数G H2为：
，
式中，G PIi2为电流控制器传递函数，脉宽调制环节等效为正比于中压直流母线电压V dc2的比例放大增益K PWM，G PIi2(s)=k pi+k ii/s，k pi和k ii分别为电流控制器的比例和积分系数；L 2 、 r 2分别为直流变压器交流侧滤波电感和滤波电感的杂散电阻；
进而推导直流变压器电压外环开环及闭环传递函数分别为：
，
，
式中，G PIu2为电压控制器传递函数，脉宽调制环节等效为正比于中压直流母线电压V dc2的比例放大增益K PWM，G PIu2(s)=k pu+k iu/s；k pu和k iu分别为电压控制器的比例和积分系数；为高压直流变压器DC-AC换流电路两相旋转坐标系下的稳态占空比；C 2是直流传输线路的一侧电容。
7.根据权利要求6所述的协调控制方法，其特征在于，=V m/(2V dc2)；V m为交流侧电压幅值；V dc2为中压直流母线电压。
8.根据权利要求6所述的协调控制方法，其特征在于，中压直流母线电压对负载电流的传递函数为：
，
式中，G v750(s)为高压直流变压器电压控制等效传递函数，i L为流经负载的电流，V dc2为中压直流母线电压。
9.根据权利要求8所述的协调控制方法，其特征在于，协调控制下直流电压对负载电流的传递函数如下：
，
式中，G v400(s)为中压直流升压变压器电压控制等效传递函数，控制器参数与传统控制参数相同。
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