CN118117615A - 一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法及系统，包括：采集输电系统的数据，计算UI控制引起的电压偏差；基于功率裕度比改进下垂控制，计算下垂系数；根据母线电压和功率的波动情况调整下垂系数，实现功率的准确分配。本发明基于传统下垂控制，提出了基于换流站之间功率裕度比设计可变下垂系数的方法，同时考虑线路电阻的影响。设置直流母线电压变化固定量，通过实际电压变化量与的比较来判断是否改变下垂系数，增加平移下垂曲线的控制环节来保证在固定量之内的直流母线波动电压得到控制。最终实现功率平均分配和实现直流母线电压无差调节，增加系统响应效率和稳定性。

Description

一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子及电力系统应用技术领域，具体为一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法及系统。

背景技术

可再生能源的大力推广、负荷的迅速增长及多元化接入正改变着传统配电网的结构形态与运行特点。现有配电系统面临供电容量不足、电能质量难以保障、供电可靠性降低等问题。新的发、用电形势对配电智能化提出了更高要求。如何高效利用可再生能源并兼容多元化用电需求，在保障电能经济化传输、分配的同时提高供电质量与可靠性是智能配电网发展的重要目标。

20世纪90年代后期，随着电力电子器件与控制技术的快速发展，以电压源换流器(voltagesourceconverter，VSC)为基础的柔性直流技术在输电网层面得到广泛应用。近些年，为满足高质量电力的供应需求，柔性直流技术逐渐扩展到配电层面。已开展的研究表明，基于柔性直流的智能配电技术可有效改善电能质量、增强供电可靠性、提升新能源消纳水平，发展前景广阔。

而多台换流器参与的多端口柔性互联系统中由于功率波动和直流母线电压波动，以及线路电阻的影响，存在换流器之间功率分配不均匀，母线电压调节不合理的问题。传统的下垂控制存在下垂系数固定以及电压无法实现无差调节的问题。基于此，本发明提出了一种改进下垂控制，旨在考虑线路电阻的影响下实现功率平均分配，同时避免下垂系数频繁变动的问题。

发明内容

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：传统的下垂控制存在下垂系数固定以及电压无法实现无差调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法，包括：采集输电系统的数据，计算UI控制引起的电压偏差；基于功率裕度比改进下垂控制，计算下垂系数；根据母线电压和功率的波动情况调整下垂系数，实现功率的准确分配。

作为本发明所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法的一种优选方案，其中：所述输电系统的数据包括，正常运行时采用下垂控制的各个换流站实际电压表示为：

U_dcn＝r_n·i_dcn+U_dcnref

直流母线电压表示为：

U＝U_dcnref+i_dcn(R_n+r_n)

其中，U_dcn表示第n个换流站的实际电压；r_n为第n个换流站本身电阻，i_dcn为第n个换流站流过的电流；U_dcnref为第n个换流站的电压参考值；U表示直流母线电压；R_n表示第n个换流站与直流母线相连接线上的电阻。

作为本发明所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法的一种优选方案，其中：所述UI控制引起的电压偏差表示为：

ΔU_dcn＝U_dcnref-U_dcn＝-r_n·i_dcn

其中，ΔU_dcn表示UI控制引起的电压偏差。

作为本发明所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法的一种优选方案，其中：所述改进下垂控制包括，计及换流站功率裕度比α与不同换流站所承担的不平衡功率的比值k作为新的下垂系数，通过改变α的选取来实现对大范围内不平衡功率的分配以及母线电压的控制，任意两个下垂控制换流站i和j的直流电流与等效电阻和线路电阻之和成反比：

下垂站有功表示为：

P_n＝(U_dcnref+r_n·i_dcn)

其中，i_dci表示换流站i的直流电流；R_i表示换流站i的线路电阻；r_i表示换流站i的等效电阻；P_n表示下垂站有功。

作为本发明所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法的一种优选方案，其中：所述改进下垂控制还包括，基于U-P下垂控制的换流站所承担的不平衡功率比值表示为：

ΔP₁：ΔP₂：…：ΔP_n＝kΔU_dc：ΔU_dc2：…：ΔU_dcn

将U-I下垂系数用U-P下垂系数表示为：

下垂系数表示为：

其中，r_i表示U-I下垂系数；k_n表示改进后的U-P下垂系数；D₃表示第三个下垂站的负荷。

作为本发明所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法的一种优选方案，其中：所述调整下垂系数包括，换流站功率裕度在功率变化时表示为：

ΔP_max＝P_max+P(ΔU_dc＜0)

ΔP_max＝P_max-P(ΔU_dc＞0)

下垂控制的功率裕度比表示为：

其中，ΔP_max表示换流站功率裕度；α_i表示功率下降时的功率裕度比；α_j表示功率上升时的功率裕度比。

作为本发明所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法的一种优选方案，其中：所述调整下垂系数还包括，引入母线电压变化固定量β来作为滞环，将实际母线电压变化量ΔU_dc与β进行比较，下垂系数的变化表示为：

k_n保持不变(-β≤ΔU_dc≤β)

当直流电压的变化量在电压变化量固定值β之内时，下垂系数保持不变，系统只通过平移下垂曲线的方式来实现电压的无差调节；若电压下降或上升的幅度大于固定值β时，换流站通过功率裕度来改变下垂系数，实现功率平衡和各个换流站之间功率的平均分配。

第二方面，本发明还提供了基于功率裕度的自适应下垂控制系统，包括，采集模块，采集输电系统的数据，计算正常运行时换流站的实际电压和母线电压，得到UI控制引起的电压偏差；计算模块，计及换流站功率裕度比与不同换流站所承担的不平衡功率的比值作为新的下垂系数，基于功率裕度比改进下垂控制；调整模块，引入母线电压变化固定量来作为滞环，将实际母线电压变化量与母线电压变化固定量进行比较，根据不同换流站的功率裕度灵活调节下垂系数。

第三方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述基于功率裕度的自适应下垂控制方法的步骤。

第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述基于功率裕度的自适应下垂控制方法的步骤。

本发明的有益效果：本发明基于传统下垂控制，提出了基于换流站之间功率裕度比设计可变下垂系数的方法，同时考虑线路电阻的影响。设置直流母线电压变化固定量，通过实际电压变化量与的比较来判断是否改变下垂系数，增加平移下垂曲线的控制环节来保证在固定量之内的直流母线波动电压得到控制。最终实现功率平均分配和实现直流母线电压无差调节，增加系统响应效率和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法的整体流程图；

图2为本发明第二个实施例提供的一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法的平移下垂曲线控制器示意图；

图3为本发明第二个实施例提供的一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法的基于功率裕度比和平移曲线的改进下垂控制器示意图；

图4为本发明第二个实施例提供的一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法的多端直流输电带电阻拓扑结构示意图；

图5为本发明第二个实施例提供的一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法的两换流站的功率变化波形图；

图6为本发明第二个实施例提供的一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法的两换流站的直流电压变化波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

实施例1

参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法，包括：

S1：采集输电系统的数据，计算UI控制引起的电压偏差。

进一步的，精确记录换流站的实时功率数据，包括功率输入输出以及功率裕度，持续监控电压波动情况，记录直流母线电压的稳定性。此外，系统负载需求的动态变化数据，以及换流站内部和连接线路的电阻值数据，都是确保下垂控制策略有效性的基础。

正常运行时采用下垂控制的各个换流站实际电压表示为：

U_dcn＝r_n·i_dcn+U_dcnref

直流母线电压表示为：

U＝U_dcnref+i_dcn(R_n+r_n)

其中，U_dcn表示第n个换流站的实际电压；r_n为第n个换流站本身电阻，i_dcn为第n个换流站流过的电流；U_dcnref为第n个换流站的电压参考值；U表示直流母线电压；R_n表示第n个换流站与直流母线相连接线上的电阻。

由UI控制引起的电压偏差表示为：

ΔU_dcn＝U_dcnref-U_dcn＝-r_n·i_dcn

其中，ΔU_dcn表示UI控制引起的电压偏差。

S2：基于功率裕度比改进下垂控制，计算下垂系数。

进一步的，传统下垂控制的下垂系数为常数，调节不灵活，控制效果受下垂系数选取影响较大，系统动态性能较差。基于传统下垂控制，基于换流站之间功率裕度比设计可变下垂系数的方法，同时考虑线路电阻的影响。

更进一步的，可变下垂系数方法包括关联各个换流站之间的功率裕度比改进下垂控制和平移曲线改进下垂控制，基于功率裕度比的改进下垂控制：计及换流站功率裕度比与不同换流站所承担的不平衡功率的比值作为新的下垂系数，通过改变换流站功率裕度比的选取来实现对大范围内不平衡功率的分配以及母线电压的控制。

通过直流电压参考值、直流电流参考值和线路电阻，实现基于U-P下垂控制的有功功率按比例系数准确分配。功率分配比例系数由固定值更换为功率裕度比，记及换流站功率裕度的得到新的下垂系数，避免换流站过载。因为各个换流站的直流电压参考值都相同，任意两个下垂控制换流站i和j的直流电流与等效电阻和线路电阻之和成反比：

下垂站有功表示为：

P_n＝(U_dcnref+r_n·i_dcn)

其中，i_dci表示换流站i的直流电流；R_i表示换流站i的线路电阻；r_i表示换流站i的等效电阻；P_n表示下垂站有功。

基于U-P下垂控制的换流站所承担的不平衡功率比值表示为：

ΔP₁：ΔP₂：…：ΔP_n＝kΔU_dc1：ΔU_dc2：…：ΔU_dcn

将U-I下垂系数用U-P下垂系数表示为：

下垂系数表示为：

其中，r_i表示U-I下垂系数；k_n表示改进后的U-P下垂系数；D₃表示第三个下垂站的负荷。

平移下垂曲线控制：通过将下垂曲线上移，解决在小范围内直流母线电压过低或功率过大而产生的偏差，通过将下垂曲线下移，解决在小范围内直流母线电压过高或功率过大而产生的偏差。

S3：根据母线电压和功率的波动情况调整下垂系数，实现功率的准确分配。

进一步的，在母线电压和功率大范围变动的情况下，引入换流站功率裕度比值来改变下垂系数，在母线电压和功率小范围波动的情况下只使用平移下垂曲线进行控制。

换流站功率裕度在功率变化时表示为：

ΔP_max＝P_max+P(ΔU_dc＜0)

ΔP_max＝P_max-P(ΔU_dc＞0)

下垂控制的功率裕度比表示为：

其中，ΔP_max表示换流站功率裕度；α_i表示功率下降时的功率裕度比；α_j表示功率上升时的功率裕度比。

引入母线电压变化固定量β来作为滞环，将实际母线电压变化量ΔU_dc与β进行比较，在ΔU_dc大于β时采用改变下垂系数的控制方式，在ΔU_dc小于β时保持下垂系数不变，只采用平移下垂曲线实现无差调节，同时避免k值频繁变动使系统震荡。下垂系数的变化表示为：

k_n保持不变(-β≤ΔU_dc≤β)

当直流电压的变化量在电压变化量固定值β之内时，下垂系数保持不变，系统只通过平移下垂曲线的方式来实现电压的无差调节；若电压下降或上升的幅度大于固定值β时，换流站通过功率裕度来改变下垂系数，实现功率平衡和各个换流站之间功率的平均分配。

本实施例还提供了一种基于功率裕度的自适应下垂控制系统，包括，采集模块，采集输电系统的数据，计算正常运行时换流站的实际电压和母线电压，得到UI控制引起的电压偏差；计算模块，计及换流站功率裕度比与不同换流站所承担的不平衡功率的比值作为新的下垂系数，基于功率裕度比改进下垂控制；调整模块，引入母线电压变化固定量来作为滞环，将实际母线电压变化量与母线电压变化固定量进行比较，根据不同换流站的功率裕度灵活调节下垂系数。

本实施例还提供一种计算设备，包括，存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的实现基于功率裕度的自适应下垂控制方法。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的基于功率裕度的自适应下垂控制方法。

本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的基于功率裕度的自适应下垂控制方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(ReadOnly，Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

实施例2

参照图2-6，为本发明的一个实施例，提供了一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法，为了验证本发明的有益效果，通过仿真实验进行科学论证。

如图2所示，为本发明采用的的平移下垂曲线控制器，在电压波动不超过固定值β的情况下系统采用平移下垂曲线控制。实现电压波动无差调节。

如图3所示，为本发明改进的传统下垂控制器，图中Hysteresis loop为滞环，判断电压波动是否大于β值；N/D单元为计算新的下垂系数，ΔUdcmax为最大电压偏差。在平移下垂控制器的基础上增加变下垂系数的自适应下垂控制器。与传统下垂控制的显著区别在于：1、关联换流器之间功率裕度比α来改进下垂控制，2、增加平移下垂曲线控制环节。

如图4所示，为本发明使用的多端口直流输电拓扑结构示意图，考虑到线路电阻和换流器内部电阻。

图5是本发明策略提出的仿真波形。仿真工况设置为：在1s时，换流站1和换流站2的功率分别波动到19.6kw，通过本发明所使用的控制器可以在不同换流器内阻与线路电阻不同的情况下实现换流器1和换流器2之间功率的平均分配，二者功率变化曲线基本重合，承担的不平衡功率相同，均为9.6kw。直流电压波动也相同。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于，包括：

采集输电系统的数据，计算UI控制引起的电压偏差；

基于功率裕度比改进下垂控制，计算下垂系数；

根据母线电压和功率的波动情况调整下垂系数，实现功率的准确分配。

2.如权利要求1所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述输电系统的数据包括，正常运行时采用下垂控制的各个换流站实际电压表示为：

U_dcn＝r_n·i_dcn+U_dcnref

直流母线电压表示为：

U＝U_dcnref+i_dcn(R_n+r_n)

其中，U_dcn表示第n个换流站的实际电压；r_n为第n个换流站本身电阻，i_dcn为第n个换流站流过的电流；U_dcnref为第n个换流站的电压参考值；U表示直流母线电压；R_n表示第n个换流站与直流母线相连接线上的电阻。

3.如权利要求2所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述UI控制引起的电压偏差表示为：

ΔU_dcn＝U_dcnref-U_dcn＝-r_n·i_dcn

其中，ΔU_dcn表示UI控制引起的电压偏差。

4.如权利要求3所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述改进下垂控制包括，计及换流站功率裕度比α与不同换流站所承担的不平衡功率的比值k作为新的下垂系数，通过改变α的选取来实现对大范围内不平衡功率的分配以及母线电压的控制，任意两个下垂控制换流站i和j的直流电流与等效电阻和线路电阻之和成反比：

下垂站有功表示为：

P_n＝(U_dcnref+r_n·i_dcn)

其中，i_dci表示换流站i的直流电流；R_i表示换流站i的线路电阻；r_i表示换流站i的等效电阻；P_n表示下垂站有功。

5.如权利要求4所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述改进下垂控制还包括，基于U-P下垂控制的换流站所承担的不平衡功率比值表示为：

ΔP₁：ΔP₂：…：ΔP_n＝kΔU_dc1：ΔU_dc2：…：ΔU_dcn

将U-I下垂系数用U-P下垂系数表示为：

下垂系数表示为：

其中，r_i表示U-I下垂系数；k_n表示改进后的U-P下垂系数；D₃表示第三个下垂站的负荷。

6.如权利要求5所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述调整下垂系数包括，换流站功率裕度在功率变化时表示为：

ΔP_max＝P_max+P(ΔU_dc＜0)

ΔP_max＝P_max-P(ΔU_dc>0)

下垂控制的功率裕度比表示为：

其中，ΔP_max表示换流站功率裕度；α_i表示功率下降时的功率裕度比；α_j表示功率上升时的功率裕度比。

7.如权利要求6所述的基于功率裕度的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述调整下垂系数还包括，引入母线电压变化固定量β来作为滞环，将实际母线电压变化量ΔU_dc与β进行比较，下垂系数的变化表示为：

k_n保持不变 (-β≤ΔU_dc≤β)

当直流电压的变化量在电压变化量固定值β之内时，下垂系数保持不变，系统只通过平移下垂曲线的方式来实现电压的无差调节；

若电压下降或上升的幅度大于固定值β时，换流站通过功率裕度来改变下垂系数，实现功率平衡和各个换流站之间功率的平均分配。

8.一种采用如权利要求1～7任一所述方法的基于功率裕度的自适应下垂控制系统，其特征在于，包括，

采集模块，采集输电系统的数据，计算正常运行时换流站的实际电压和母线电压，得到UI控制引起的电压偏差；

计算模块，计及换流站功率裕度比与不同换流站所承担的不平衡功率的比值作为新的下垂系数，基于功率裕度比改进下垂控制；

调整模块，引入母线电压变化固定量来作为滞环，将实际母线电压变化量与母线电压变化固定量进行比较，根据不同换流站的功率裕度灵活调节下垂系数。

9.一种计算设备，包括：存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。