直流配电网下垂控制方法与流程

本发明涉及变流器控制技术领域，具体地，涉及一种直流配电网下垂控制方法。

背景技术：

随着智能电网和能源互联网的兴起，直流配电网在电力系统中的作用愈发重要。直流电压稳定和有功功率平衡是衡量直流配电网稳定运行的重要指标，只有控制电压稳定和功率协调，系统才能平稳运行，因此，控制技术是直流配电网关键技术之一。

目前主要是通过电压源型换流器vsc(voltagesourceconverter)来控制电压稳定和协调功率平衡，vsc采用的控制策略一般参考柔性直流输电和直流微电网等相关方面技术，主要集中在下垂控制和主从控制两个方面。而下垂控制因其良好的动态响应能力，成为当前的研究热点，然而传统的下垂控制由于其下垂系数固定不变，参考说明书附图3的两端供电结构直流配电网，当换流站1处于定电压控制，换流站2处于传统下垂控制，若系统有功需求减少，换流站1通过减少有功输入以维持系统电压稳定，直至功率越限切换至定功率控制后，由换流站2来调节有功功率和系统直流电压；若此时有功输入仍大于所需功率，系统电压将持续上升，换流站难以稳定系统直流电压，使得电压变化在受到大功率波动时影响较大，难以使系统电压维持在一定的范围内。

传统下垂控制外环控制器结构见说明书附图9所示，下垂控制能够迅速地对直流网络潮流变化作出响应，调整直流功率，但是不能对系统直流电压精确跟踪，固定的下垂系数难以适应多变的潮流状况；具体的下垂控制特性曲线见说明书附图10所示，当网络中功率发生变化时，换流站按照其下垂特性调节电压和功率，运行点由a点移动至b点，达到新的稳态平衡。

目前已有学者在论文《适用于vsc-mtdc的改进下垂控制》提出了一种改进的下垂控制方法，该方法在发生小扰动时可减小直流电压偏差，在发生严重故障时能够防止vsc过载运行，但该下垂控制仍然无法保证系统在全工作环境下的稳定运行。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种增强大功率扰动条件下的电压调控能力，维持系统电压稳定，保障直流配电网可靠运行的下垂控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种直流配电网下垂控制方法，下垂系数k为变量。

进一步地，通过监测本地直流电压，构建下垂系数k与电压偏差δu的函数，使直流配电网系统在电压偏差过大时，下垂系数自动减小，增强换流站电压刚性，减小电压偏差。

更进一步地，下垂系数k＝k0-δk，k0为直流配电网换流站稳定运行时初始值，δk为下垂系数修正值，δk与电压偏差δu的函数关系为δk＝αδu²，其中a为大于0的常数。

再更进一步地，设定电压上限值urefh和电压下限值urefl，换流站电压指令值udref与实际电压值udc关系为

其中uref为直流配电网系统稳定运行额定值。

再进一步地，设定系统电压裕度值δumax＝urefh-uref＝uref-urefl。

还进一步地，

进一步地，电压偏差δu应满足

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

颠覆传统下垂系数为固定值的理念，创新地将下垂系数设为变量，通过构建下垂系数与直流电压偏差函数，系统受到小功率扰动后，下垂控制能保留传统下垂控制良好的的动态响应能力，快速达到新的稳定状态；系统受到大功率扰动后，下垂系数能进行自我修正，增强电压调控能力，使系统电压稳定在一定范围内，有效减小电压偏差，维持系统电压稳定。

附图说明

图1为实施例1所述的直流配电网下垂控制方法中下垂控制外环控制器的结构示意图。

图2为实施例1所述的直流配电网下垂控制方法中下垂电压控制特性曲线；

图3为实施例1所述的两端供电结构直流配电网；

图4为实施例1所述的小功率波动仿真功率波形；

图5为实施例1所述下垂控制与传统下垂控制的小功率波动仿真电压波形对比；

图6为实施例1所述的大功率波动仿真功率波形；

图7为实施例1所述下垂控制与传统下垂控制的大功率波动仿真电压波形对比；

图8为实施例1所述的下垂系数波形；

图9为传统直流配电网下垂控制方法中下垂控制外环控制器的结构示意图；

图10为传统直流配电网下垂控制方法中下垂电压控制特性曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

提供一种直流配电网下垂控制方法，包括如下步骤：

s1.确定换流站稳定运行的初始下垂系数k0，构建下垂系数k，使下垂系数k为变量：

k＝k0-δk(式1)

其中δk为下垂系数修正值。

s2.根据需要的控制策略性能，通过监测本地直流电压，选择恰当的下垂系数修正值函数：

δk＝f(δu)(式2)

式中δu为换流站的电压指令值udc_ref与实际电压值udc的差值。

具体地，式(2)的函数关系应满足：1)换流站稳态运行时，控制器不受小电压波动的影响；2)电压偏差值较大时，要能迅速平稳地进行电压修正，下垂系数自动减小，增强换流站电压刚性，减小电压偏差，并且在偏差大到一定程度时控制器处于定电压模式。因此本实施例构建如下下垂系数修正值δk与电压偏差δu的抛物线函数：

δk＝αδu²(式3)

式中α为大于0的常数，其影响δk的变化速率。

为保证直流电压偏差达到最大值时能将系统电压限定在设定值内，下垂系数k应满足k＝0，换流站处于定电压控制，因此由得

式中δumax为预先设定系统电压裕度值，即电压偏差最大值，具体地，

δumax＝urefh-uref＝uref-urefl(式5)

式中urefh为设定的电压上限值，urefl为设定的电压下限值，uref为直流配电网系统稳定运行额定值。

因此，在确定初始下垂系数后，α由预先设定系统电压裕度值决定。

同时为避免δu过大导致下垂系数k为负数，电压偏差δu应满足：

s3.根据s1与s2得到换流站下垂控制的输出偏差：

er＝udc_ref-udc+(k0-δk)(pref-p)(式7)

随着δu的不断增大，δk同时也不断增大，k不断减小，下垂系数越小，换流站电压调控能力越强。当δu达到限定值时，δk＝k0，下垂系数减小至0，换流站相当于处于定电压控制模式，能将系统直流电压维持在限定范围内。

换流站电压指令值udref与实际电压值udc有如下限值关系：

s4.根据s1、s2及s3构建如图1所示的下垂电压外环控制器；根据外环控制器输出的有功电压指令值idref及需求的无功电流指令值iqref，构建电流内环控制器。

本实施例的下垂电压控制特性曲线如图2所示，当电压偏差较小时，本申请的改进下垂与传统下垂一致，靠初始固定下垂系数调节不平衡功率与电压，系统运行于点a。当电压偏差过大时，本申请的下垂系数将进行自我修正，增强换流站电压调控能力，若下垂系数直至减小至0，此时换流站处于定电压控制状态，可将直流电压限定在设定值内，系统运行于点b或点c。为保证系统在下垂系数修正过程中稳定运行，换流站应迅速切换至定电压控制模式，其修正过渡过程要快速平稳。

通过在pscad/emtdc仿真平台建立两端供电式直流配电网模型，验证本申请所提出的电压下垂裕度控制策略有效性，其主回路拓扑如图3所示，换流站1采用定功率控制，换流站2分别采用改进下垂控制和传统下垂控制，电压偏差裕度值取±0.5kv，系统及控制器参数如表1所示。

表1系统及控制器参数

本文在此控制方式下选取两种扰动方式来分析其动态响应特征：

1)小功率波动仿真分析，换流站1功率指令值由3mw下降至2.5mw；

2)大功率波动仿真分析，换流站1功率指令值由3mw下降至1.7mw。

在进行1)的小功率波动仿真时，换流站1在t＝3.5s时受到小功率扰动，其输出功率指令值由3mw降低至2.5mw，系统功率及电压仿真波形如图4和图5所示，在t＝3.5s时换流站1输出功率减少，为维持系统电压，在下垂特性调控下，换流站2有功输出增大，由2mw增加至2.25mw，功率偏差0.25mw，初始下垂系数0.8，可算得理论电压偏差值为0.2kv，由电压仿真波形可知，在传统下垂控制和改进下垂控制下，系统电压都由10kv降至9.8kv，与理论计算结果吻合。因此，根据仿真可知，在小功率波动下，改进下垂控制能保持传统下垂控制的优越性，控制性能及动态响应能力一致，能快速有效地调节不平衡功率，维持系统电压。

在进行2)的大功率波动仿真时，换流站1在t＝3.5s时受到大功率扰动，其输出功率指令值由3mw降低至1.7mw，系统功率及电压仿真波形如图6和图7所示，下垂系数波形如图8所示，换流站1有功输出减少后，换流站2有功输出由之前的2mw增加至2.85mw以维持系统电压稳定。在传统下垂控制下，功率偏差为0.85mw，初始下垂系数0.8，可算得理论电压偏差值为0.68kv，由电压仿真波形可知电压有之前的10kv降至9.3kv，符合计算结果。在本申请的下垂控制下，系统检测到电压偏差超出其预先设定值0.5kv，为加强电压控制能力，减小系统电压偏差，下垂系数将进行自我修正，由式(1)(3)(4)可知，此时α＝3.2，下垂系数迅速减小至0，换流站表现为定电压控制，如电压仿真波形所示，系统电压稳定在9.5kv。与传统下垂控制相比，系统直流电压偏差减小0.2kv。从图8可知，在受到扰动前，系统下垂系数能保持在初始值0.8附近，微小的电压波动不会对系统造成影响，只有在受到大扰动时，下垂系数会快速自我调整，修正过渡时间为0.06s。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。