一种交直流混合配网中柔性直流互联装置的阻抗协调重塑控制策略

1.本发明涉及一种阻抗协调重塑控制策略，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.随着对配电网供电可靠性的需求越来越高，同时其需要接纳的分布式发电设备越来越多，传统以“闭环设计、开环运行”为主的配网结构无法满足以上需求。新加坡采用的“花瓣型”配电网是由同一个变电站引出两条馈线构建一个“花瓣”，实现长期合环运行(单电压合环)。相较于开环运行，此配网结构能提高系统可靠性，可以实现馈线内故障的“无缝自愈”，但是当上级电网出现故障，需要进行跨变电站合环(多电源合环)时，因交流互联会产生较大冲击电流电流和合环电流，影响电网安全可靠运行。
3.相较于开环和交流互联，通过柔性直流互联装置将交流系统进行解耦互联，实现直流互联模式，不仅可以有效控制系统短路电流和系统潮流，在故障后对系统提供动态电压支撑，还能消除合环引起的冲击电流和循环电流，保证了合环的安全运行，大大提升了配电网的供电可靠性。
4.柔性直流互联装置由两个电压源型换流器经直流线路级联而成，通常一端换流器采用定直流电压控制，另一端换流器采用定功率控制。由于交直流混合配电网中功率可以双向传输，当功率从直流线路向采用定功率控制的换流器传输时，换流器作为恒功率负载，直流侧阻抗特性为负阻抗特性；当功率从交流线路向采用定功率控制的换流器传输时，换流器同样作为恒功率负载，交流侧阻抗特性呈负阻抗特性。所以功率双向传输下，负阻抗一直存在于交直流混合配电网内，大大降低了系统的稳定性。
5.目前，多数学者是单独针对直流系统或者交流系统存在的负阻抗问题进行研究并优化。还有学者研究了不同功率传输方向下采用定功率控制的换流器直流侧阻抗特性存在明显差异。另外还有研究分别针对海上高压及中压直流供电系统因负阻抗造成的高频振荡问题，提出了正阻尼重构稳定控制。分析了功率双向传输下并网换流器系统的稳定性差异问题，并针对交流侧负阻抗问题提出了一种阻抗优化控制，提高了系统稳定性。但上述均未综合考虑功率双向传输下换流器交流侧和直流侧都存在的负阻抗问题，提出的阻抗优化控制不能同时解决两侧的负阻抗问题，存在一定的局限性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种阻抗协调重塑控制策略，来解决功率双向传输下换流器交流侧和直流侧都存在的负阻抗问题，为解决上述问题，本发明提供了如下方案：
7.功率正向传输时，启动直流侧阻抗重塑控制，负责将功率正向传输时vsc-b直流侧负阻抗重塑为正阻抗；功率反向传输时，启动交流侧阻抗重塑控制，负责将功率反向传输时vsc-b交流侧负阻抗重塑为正阻抗。
8.首先，对于irdc控制，dc侧阻抗控制器的输入为直流电压扰动，输出信号加到有功
功率给定值上，即通过暂态下直流电压扰动调整暂态下的有功功率输出，进而实现阻抗重塑的目的。
9.其次，对于irac控制，ac侧阻抗控制器的输入为交流电压扰动，输出信号加到有功功率给定值上，即通过暂态下交流电压扰动调整暂态下的有功功率输出，进而实现阻抗重塑的目的。
10.为了使dc侧和ac侧的阻抗控制器在稳态下输出信号均为零，只在暂态下起作用，将以上两个控制器设计为比例控制器，表达式分别为：
11.g
dc
(s)＝k
dc
＝-k
dc
·idc
12.g
ac
(s)＝k
ac
＝-k
ac
·igd2
13.其中，k
dc
和k
ac
为控制器的比例系数。
14.对于交流电压扰动量u
dg2
，可以通过将实际交流电压d轴分量u
gd2
与其通过低通滤波器后得到低频稳态量做差而得到，交流电压扰动量的表达式为：
15.u
gd2～
＝u
gd2
(1-g
lpf
(s))
16.其中，g
lpf
(s)为低通滤波器的传递函数。
附图说明
17.图1是本发明交直流混合配网中柔性直流互联装置示意图；
18.图2是本发明提出的icr控制框图；
19.图3是传统直接功率控制下的仿真结果；
20.图4是应用本发明提出的阻尼协同重塑控制下的仿真结果；
21.图5是传统直接功率控制下的实验结果；
22.图6是应用本发明提出的阻尼协同重塑控制下的实验结果。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
24.图1是交直流混合配网中柔性直流互联装置示意图，柔性直流互联装置包括：两个电压源换流器(vsc-a和vsc-b)、直流线路以及直流侧稳压电容。其中，柔性直流互联装置中，vsc-a采用定直流电压控制，负责稳定直流侧电压；vsc-b采用直接功率控制，负责调节系统内传输功率的大小及方向。
25.图2是本发明提出的icr控制框图。根据功率传输方向，对交直流侧阻抗进行重塑：功率正向传输时，启动直流侧阻抗重塑控制，负责将功率正向传输时vsc-b直流侧负阻抗重塑为正阻抗；功率反向传输时，启动交流侧阻抗重塑控制，负责将功率反向传输时vsc-b交流侧负阻抗重塑为正阻抗。
26.为了使dc侧和ac侧的阻抗控制器在稳态下输出信号均为零，只在暂态下起作用，将以上两个控制器设计为比例控制器，表达式分别为：
27.g
dc
(s)＝k
dc
＝-k
dc
·idc
28.g
ac
(s)＝k
ac
＝-k
ac
·igd2
29.其中，k
dc
和k
ac
为控制器的比例系数。
30.对于交流电压扰动量u
dg2
，可以通过将实际交流电压d轴分量u
gd2
与其通过低通滤波器后得到低频稳态量做差而得到，交流电压扰动量的表达式为：
31.u
gd2～
＝u
gd2
(1-g
lpf
(s))，其中，g
lpf
(s)为低通滤波器的传递函数。
32.图3是传统直接功率控制下的仿真结果。功率从反向切换到正向时，直流侧功率、电压波动较大，达到稳态所需时间较长；而从正向切换到反向时，交流侧功率、电压波动较大。
33.图4是应用本发明提出的阻尼协同重塑控制下的仿真结果。通过对比图3和图4，在功率正反向切换中，波形都较传统直接功率控制有明显的优化。
34.图5是传统直接功率控制下的实验结果。
35.图6是应用本发明提出的阻尼协同重塑控制下的实验结果。可以看出，实验结果与仿真结果相仿，可以验证提出的阻尼协同重塑控制可以有效减小负荷波动引起的电压、功率波动，提升系统稳定性。


技术特征：
1.一种阻抗协调重塑控制策略，应用于交直流混合配网中柔性直流互联装置，柔性直流互联装置包括：两个电压源换流器(vsc-a和vsc-b)、直流线路以及直流侧稳压电容。其中，柔性直流互联装置中，vsc-a采用定直流电压控制，负责稳定直流侧电压；vsc-b采用直接功率控制，负责调节系统内传输功率的大小及方向。2.根据权利要求1所述的一种交直流混合配网中柔性直流互联装置的阻抗协调重塑控制策略，其特征在于：功率正向传输时，启动直流侧阻抗重塑(irdc，impedance reshaping on dc side)控制，负责将功率正向传输时vsc-b直流侧负阻抗重塑为正阻抗；功率反向传输时，启动交流侧阻抗重塑(irac，impedance reshaping on ac side)控制，负责将功率反向传输时vsc-b交流侧负阻抗重塑为正阻抗。使dc侧和ac侧的阻抗控制器在稳态下输出信号均为零，只在暂态下起作用，将以上两个控制器设计为比例控制器，表达式分别为：g
dc
(s)＝k
dc
＝-k
dc
·
i
dc
g
ac
(s)＝k
ac
＝-k
ac
·
i
gd2
其中，k
dc
和k
ac
为控制器的比例系数。对于交流电压扰动量u
dg2
，可以通过将实际交流电压d轴分量u
gd2
与其通过低通滤波器后得到低频稳态量做差而得到，交流电压扰动量的表达式为：u
gd2～
＝u
gd2
(1-g
lpf
(s))其中，g
lpf
(s)为低通滤波器的传递函数。

技术总结
本发明公开了一种交直流混合配网中柔性直流互联装置的阻抗协调重塑控制策略。针对功率双向传输下换流器交流侧和直流侧都存在的负阻抗问题，根据阻抗协调重塑控制，考虑重新建立优化后的阻抗模型，功率正向传输时，启动直流侧阻抗重塑控制，负责将功率正向传输时，电压源换流器VSC-B直流侧负阻抗重塑为正阻抗；功率反向传输时，启动交流侧阻抗重塑控制，负责将功率反向传输，电压源换流器VSC-B交流侧负阻抗重塑为正阻抗。本发明能够有效的减小负荷波动时，交直流侧的超调量，最终提升交直流混合配网中柔性直流互联装置的稳定性。流混合配网中柔性直流互联装置的稳定性。流混合配网中柔性直流互联装置的稳定性。


技术研发人员：田艳军 王坤
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2022/9/27