一种柔性多端与直流电网协调控制方法、介质及设备

1.本发明属于柔性直流输电和配电技术领域，尤其涉及一种柔性多端与直流电网协调控制方法、介质及设备。


背景技术：

2.随着柔性直流输电系统电压等级和输电容量的不断提升，柔性直流输电系统呈现由两端到多端直流输电系统再到直流电网的发展趋势。由多个柔性直流换流站通过直流线路相互联接而组成的多端柔性直流输电系统和直流电网(以下简称“柔性多端与直流电网”)易于实现多点受电和多落点供电，在大规模分布式可再生能源并网和送出、多个非同步交流电网互联等场合都具有显著技术优势，是能源互联网发展的重要方向之一。
3.为提高柔性多端与直流电网系统动态性能，目前基本都是通过多换流器的协调控制策略来实现的，包括主从控制、裕度控制和下垂控制，以及它们的组合等。其中：主从控制和裕度控制都属于单点直流电压控制，直流系统电压动态性能较差；而下垂控制可实现多个换流站同时参与直流电压调控，从而提高直流电压的动态稳定性。因此，目前下垂控制已成为柔性多端与直流电网最受关注的协调控制策略，并已有许多文献提出了下垂控制策略的改进或优化设计方案，大多集中于以下两个方面：
4.(1)下垂控制反馈信号的选择。目前主要有两种方案：一是选择换流站本地直流电压作为其反馈信号，优点是本地信号传输延时较小；缺点是采用这种反馈信号的下垂控制属于有差调节，即在调节结束后，下垂控制站直流侧端口功率和电压与指令值都存在一定的偏差。二是柔性多端与直流电网中所有下垂控制站都采用同一反馈信号，通常选择定直流电压控制换流站的直流电压作为下垂控制的广域反馈信号，优点是这样所有下垂控制站都具有相同的控制目标，动态响应速度快；但缺点是反馈信号延时会影响下垂控制系统的稳定性，延时较大时甚至还可能造成柔性多端与直流电网系统失稳。
5.(2)下垂控制参数的整定。下垂控制参数整定会直接影响其控制效果，当整定值较小时，下垂控制效果不明显；而其值较大时，反而可能会影响直流系统电压的动态稳定性。因此，下垂控制参数的取值直接影响调控效果，需对其取值进行优化以获得较好的控制效果与动态响应之间的平衡。
6.综上所述：多端与直流电网系统协调控制策略中，下垂控制器反馈信号的选择和控制参数的取值都会直接影响其控制器的效果，如果反馈信号或控制参数选择不当，不但不能实现多换流器协调控制提高系统动态稳定性，还可能恶化直流系统电压的动态稳定性。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性多端与直流电网协调控制方法、系统、介质及设备。
8.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种柔性多端与直流电网协调控制方
法，包括：
9.步骤1，在柔性多端与直流电网中，将满足预设需求的一个或者多个换流站确定为下垂控制站，所述预设需求为外环有功功率控制模式为定有功功率，且该换流站的有功功率允许调整，选择一个或者多个外环有功功率控制模式为定有功功率、且有功功率可以灵活调整的换流站确定为下垂控制站；
10.步骤2，基于每个下垂控制站中换流器的拓扑结构，计算每个下垂控制站电容电压的平均值，并将每个下垂控制站电容电压的平均值设定为下垂控制站中下垂控制的反馈信号；
11.步骤3，建立每个下垂控制站的功率/直流电压控制系统模型，分析每个下垂控制站直流电压控制系统模型的频域特性，确定各个下垂控制站的下垂控制参数值的取值范围；根据各个下垂控制站的额定容量以及下垂控制参数值的范围，确定每个下垂控制站的下垂控制参数的初始值；
12.步骤4，根据每个下垂控制站的控制保护系统测量得到的输出有功功率、无功功率，计算每个下垂控制站的可用调节容量；根据每个下垂控制站可用调节容量与阀值的大小关系，对下垂控制参数值进行实时调节，得到每个下垂控制参数的实际值；
13.步骤5，计算每个下垂控制站的下垂控制的反馈信号的误差值，将每个下垂控制站的反馈信号的误差值与对应的下垂控制参数的实际值相乘得到下垂控制的附加功率指令，将附加功率指令叠加到下垂控制站的外环有功功率控制指令中，基于叠加后的外环有功功率控制指令对下垂控制站进行控制。
14.本发明的有益效果是：本发明提出的下垂控制的反馈信号采用换流站本地电容电压信号，无需远距离传输，可以避免反馈信号远距离传输产生的延时对直流系统电压动态稳定性的影响；本发明提出的下垂控制反馈信号选择方法可以避免采用本地直流电压作为反馈信号的下垂控制器出现有差控制问题，同时使得所有下垂控制站的控制目标都是一样的，这样就与交流系统发电机频率一次调整类似；本发明提供的方法适用于任意拓扑的直流网络结构，适用于各种网络拓扑躲多端柔性直流输电系统和直流电网等；本发明提供的方法适用于模块化多电平、两电平和三电平等多种柔性直流换流器的拓扑；适用于各种子模块结构的模块化多电平换流器，包括但不限于半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块等。
15.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
16.进一步，所述步骤2具体为：
17.当下垂控制站的类型为模块化多电平类型换流器时，将三相六个桥臂中所有子模块的电容电压相加取平均值，得到下垂控制站的电容电压的第一平均值，所述第一平均值的额定值为下垂控制站的电容电压的第一额定值；
18.当下垂控制站的类型为两/三电平类型换流器时，将直流侧所有子模块的电容电压相加取平均值，得到下垂控制站的电容电压的第二平均值，所述第二平均值的额定值为下垂控制站的电容电压的第二额定值；
19.将所述第一平均值或所述第二平均值设定为该站下垂控制的反馈信号的实际值，将所述第一额定值或所述第二额定值设定为反馈信号的参考值。
20.进一步，所述步骤3具体为：
21.根据每个下垂控站的拓扑结构和控制系统结构及数学模型，建立每个下垂控制站的功率/直流电压控制系统模型，对每个下垂控制站的功率/直流电压控制系统模型的频域特性进行分析，确定各个下垂控制站的下垂控制参数值的取值范围；
22.根据各个下垂控制站间额定容量s0之间的比例关系，对各个下垂控制站下垂控制参数之间的比例关系进行设定；根据各个下垂控制站下垂控制参数之间的比例关系和下垂控制参数值的范围，确定各个下垂控制站的下垂控制参数的初始值。
23.进一步，所述步骤4具体为：
24.根据每个下垂控制站的当前输出有功功率p、无功功率q，通过第一公式计算每个下垂控制站的可用调节容量，第一公式具体为：
[0025][0026]
基于第二公式，根据每个下垂控制站的可用调节容量与阀值
cv
的大小关系，对下垂控制参数值进行实时调节得到每个下垂控制参数的实际值
kd
；所述第二公式具体为：
[0027][0028]
进一步，所述步骤5具体为：
[0029]
将每个下垂控制站的电容电压的第一额定值与第一平均值进行相减处理或将每个下垂控制站的电容电压的第二额定值与第二平均值进行相减处理，得到每个下垂控制站的反馈信号的误差值；
[0030]
将每个下垂控制站的反馈信号的误差值与下垂控制参数的实际值
kd
进行相乘处理，得到每个下垂控制的附加功率指令；
[0031]
将所有附加功率指令叠加到下垂控制站的外环有功功率控制指令中，对所有下垂控制站进行控制。
[0032]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的一种柔性多端与直流电网协调控制方法。
[0033]
本发明的有益效果是：本发明提出的下垂控制的反馈信号采用换流站本地电容电压信号，无需远距离传输，可以避免采用本地直流电压作为反馈信号时远距离传输产生的延时对直流系统电压动态稳定性的影响；本发明提出的下垂控制反馈信号选择方法可以避免采用本地直流电压作为下垂控制器出现的有差控制问题，同时使得所有下垂控制站的控制目标都是一样的，这样就与交流系统发电机频率一次调整类似；本发明提供的方法适用于任意拓扑的直流网络结构，适用于各种网络拓扑躲多端柔性直流输电系统和直流电网等；本发明提供的方法适用于模块化多电平、两电平和三电平等多种柔性直流换流器的拓扑；适用于各种子模块结构的模块化多电平换流器，包括但不限于半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块等。
[0034]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电子设备，包括上述存储介质、执行上述存储介质内的指令的处理器。
[0035]
本发明的有益效果是：本发明提出的下垂控制的反馈信号采用换流站本地电容电压信号，无需远距离传输，可以避免采用本地直流电压作为反馈信号时远距离传输产生的延时对直流系统电压动态稳定性的影响；本发明提出的下垂控制反馈信号选择方法可以避
免采用本地直流电压作为下垂控制器出现的有差控制问题，同时使得所有下垂控制站的控制目标都是一样的，这样就与交流系统发电机频率一次调整类似；本发明提供的方法适用于任意拓扑的直流网络结构，适用于各种网络拓扑躲多端柔性直流输电系统和直流电网等；本发明提供的方法适用于模块化多电平、两电平和三电平等多种柔性直流换流器的拓扑；适用于各种子模块结构的模块化多电平换流器，包括但不限于半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块等。
附图说明
[0036]
图1为本发明一种柔性多端与直流电网的换流器协调控制方法的实施例提供的流程示意图；
[0037]
图2为本发明一种柔性多端与直流电网的换流器协调控制方法的实施例提供的模块化多电平换流器的拓扑结构图；
[0038]
图3为本发明一种柔性多端与直流电网的换流器协调控制方法的实施例提供的下垂控制结构图；
[0039]
图4为本发明一种柔性多端与直流电网的换流器协调控制方法的实施例提供的下垂控制站控制系统模型图。
具体实施方式
[0040]
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0041]
如图1所示，一种柔性多端与直流电网的换流器协调控制方法，包括：
[0042]
步骤1，在柔性多端与直流电网中，将满足预设需求的一个或者多个换流站确定为下垂控制站，所述预设需求为外环有功功率控制模式为定有功功率，且该换流站的有功功率允许调整，选择一个或者多个外环有功功率控制模式为定有功功率、且有功功率可以灵活调整的换流站确定为下垂控制站；
[0043]
步骤2，基于每个下垂控制站中换流器拓扑结构，计算每个下垂控制站电容电压的平均值，并将每个下垂控制站电容电压的平均值设定为下垂控制站中下垂控制的反馈信号；
[0044]
步骤3，建立每个下垂控制站的功率/直流电压控制系统模型，分析每个下垂控制站直流电压控制系统模型的频域特性，确定各个下垂控制站的下垂控制参数值的取值范围；根据各个下垂控制站的额定容量以及下垂控制参数值的范围，确定每个下垂控制站的下垂控制参数的初始值；
[0045]
步骤4，根据每个下垂控制站的控制保护系统测量得到的输出有功功率、无功功率，计算每个下垂控制站的可用调节容量；根据每个下垂控制站可用调节容量与阀值的大小关系，对下垂控制参数值进行实时调节，得到每个下垂控制参数的实际值；
[0046]
步骤5，计算每个下垂控制站的下垂控制的反馈信号的误差值，将每个下垂控制站的反馈信号的误差值与对应的下垂控制参数的实际值相乘得到下垂控制的附加功率指令，将附加功率指令叠加到下垂控制站的外环有功功率控制指令中，基于叠加后的外环有功功率控制指令对下垂控制站进行控制。
[0047]
在一些可能的实施方式中，本发明提出的下垂控制的反馈信号采用本地换流器电容电压信号，无需远距离传输，可以避免反馈信号远距离传输产生的延时对直流系统电压动态稳定性的影响；本发明提出的下垂控制反馈信号选择方法可以避免采用直流电压作为反馈信号的下垂控制器出现有差控制问题，同时使得所有下垂控制站的控制目标都是一样的，这样就与交流系统发电机频率一次调整类似；本发明提供的方法适用于任意拓扑的直流网络结构，适用于各种网络拓扑的多端柔性直流输电系统和直流电网等；本发明提供的方法适用于模块化多电平、两电平和三电平等多种柔性直流换流器的拓扑；适用于各种子模块结构的模块化多电平换流器，包括但不限于半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块等。
[0048]
需要说明的是，柔性直流输电技术是一种以电压源型换流器、可关断电力电子器件(例如igbt)和脉宽调制(pwm)技术为基础的新一代高压直流输电技术，具有有功和无功可独立快速调节、占地和环境影响较小、不存在换相失败问题、可作为黑启动电源、易于构建多端直流系统等特点。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)具有模块化程度高、损耗低、电压等级和容量提升灵活等优势，成为柔性直流输电工程的首选拓扑。三相mmc等效电路结构如图2所示，其中每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由n个子模块(sub-module，sm)与一个换流电抗器串联构成。
[0049]
步骤1的具体流程可参考如下内容：
[0050]
柔性直流输电系统级控制的功能是确保其平稳地在不同运行方式、运动点之间切换，其具有有功类和无功类两个可独立控制的物理量。在系统正常运行时，每个换流站可以各自独立地控制这两类物理量，但直流系统的功率必须保持平衡，即注入直流网络的有功功率必须等于直流网络输出的功率和换流站及直流网络的功率损耗之和。而直流电压是直流系统功率平衡的关键指标，因此柔性直流输电系统安全稳定运行必须要保证直流电压在允许范围内波动。
[0051]
在所需研究的柔性多端与直流电网系统中，根据交流侧电网的短路比(scr)大小来确定各个换流站的有功功率类的控制方式，选择其中一个短路比较大(通常要求scr≥3)、且功率灵活可调的换流站作为系统的定直流电压控制站，剩余换流站则采用定有功功率控制或无源控制模式。
[0052]
在定功率控制换流站中选取交流侧功率可以灵活调节的换流站作为下垂控制站，不可将定直流电压控制站和无源控制站作为下垂控制站；之后，在定功率控制站的外环有功功率控制回路附加如图4所示的下垂控制器。
[0053]
步骤2的具体流程可参考如下内容：
[0054]
拓扑结构即为换流器的具体类型，根据不同的类型通过不同的计算方式计算平均值，具体为：
[0055]
计算各个下垂控制站电容电压的平均值
ucavg
：对于模块化多电平类型换流器，将三相六个桥臂中所有子模块的电容电压相加，然后除以子模块数量，得到该站电容电压的平均值
ucavg
；对于两/三电平类型换流器，将他们直流侧电容电压相加，然后除以电容数量得到电容电压的平均值
ucavg
。模块化多电平换流器的子模块包括但不限于半桥型子模块、全桥子模块等。将计算得到的各个下垂控制站的电容电压设定为该站下垂控制的反馈信号，下垂控制结构如图3所示。
[0056]
步骤3的具体流程可参考如下内容：
[0057]
根据各个下垂控制站换流器的数学模型，建立包含下垂控制器的下垂控制站控制系统模型及传递函数，如图4所示，得到含下垂控制站控制系统模型传递函数
gd(s)
如下
[0058][0059]
其中：
[0060]
根据式(5)分析下垂控制参数
kd
对系统频域特性参数(系统带宽、相角裕度、稳态误差等)的影响，确定各个下垂控制站下垂控制参数
kd
的取值范围。
[0061]
根据各个下垂控制站间额定容量
s0
之间的比例关系，设定各个下垂控制站下垂控制参数的之间比例关系；然后，结合各个下垂控制站下垂控制参数的比例关系和取值范围，确定各个下垂控制站下垂控制参数初始值
kd0
。
[0062]
步骤4的具体流程可参考如下内容：
[0063]
根据每个下垂控制站控制保护系统得到该站当前输出有功功率p、无功功率q，计算每个下垂控制站的可用调节容量(available regulation capacity，arc)，计算公式为
[0064][0065]
给每个下垂控制站的可用调节容量设定一个阀值
cv
，建议在0.2～0.3之间选择，然后根据下垂控制站arc与其阀值
cv
的大小关系，按照式(8)实时自动调节下垂控制参数值
kd
。
[0066][0067]
步骤5的具体流程可参考如下内容：
[0068]
将各个下垂控制站的电容电压额定值减去其平均值得到下垂控制站反馈信号的误差值；将每个下垂控制站反馈信号的误差值与下垂控制参数相乘得到下垂控制的附加功率指令；将附加功率指令叠加到下垂控制站的外环有功功率控制指令中，参与功率平衡条件。
[0069]
实施例1，为提升柔性多端与直流电网系统直流电压动态稳定性，本发明一种柔性多端与直流电网协调控制方法，包括下垂控制反馈信号优化选择方法和下垂控制参数优化设计方法。本实施例提供的一种柔性多端与直流电网协调控制方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
[0070]
(1)在所需研究的柔性多端与直流电网系统中，根据交流侧电网的短路比大小来确定各个换流站的有功类的控制方式，选择其中一个短路比较大(通常要求scr≥3)、且功率灵活可调的换流站作为系统的定直流电压控制站，剩余换流站则采用定有功功率控制或无源控制模式。在定功率控制换流站中选取交流侧有功功率可以灵活调节的换流站作为下垂控制站，不可将定直流电压控制站和无源控制站作为下垂控制站。
[0071]
(2)计算各个下垂控制站电容电压的平均值
ucavg
：对于模块化多电平类型换流器，将三相六个桥臂中所有子模块的电容电压相加，然后除以子模块数量，得到该站电容电压的平均值
ucavg
；对于两/三电平类型换流器，将他们直流侧电容电压相加，然后除以电容数量得到电容电压的平均值
ucavg
。模块化多电平换流器的子模块包括但不限于半桥型子模块、全
桥子模块等。将计算得到的各个下垂控制站的电容电压设定为该站下垂控制的反馈信号，而电容电压的额定值即为反馈信号的参考值。下垂控制结构如图3所示。
[0072]
(3)根据各个下垂控制站换流器的数学模型，建立包含下垂控制器的下垂控制站控制系统模型及传递函数，如图4所示，得到含下垂控制站控制系统模型传递函数
gd(s)
如下
[0073][0074]
其中：
[0075]
根据式(9)分析下垂控制参数
kd
对系统频域特性参数(系统带宽、相角裕度、稳态误差等)的影响，确定各个下垂控制站下垂控制参数
kd
的取值范围。
[0076]
根据各个下垂控制站间额定容量
s0
之间的比例关系，设定各个下垂控制站下垂控制参数的之间比例关系；然后，结合各个下垂控制站下垂控制参数的比例关系和取值范围，确定各个下垂控制站下垂控制参数初始值
kd0
。
[0077]
(4)根据每个下垂控制站的当前输出有功功率p、无功功率q，计算每个下垂控制站的可用调节容量(available regulation capacity，arc)，计算公式为
[0078][0079]
给每个下垂控制站的可用调节容量设定一个阀值
cv
，建议在0.2～0.3之间选择，然后根据下垂控制站arc与其阀值
cv
的大小关系，按照式(8)实时自动调节下垂控制参数值
kd
。
[0080][0081]
(5)将各个下垂控制站的电容电压额定值减去其平均值得到下垂控制站反馈信号的误差值；将每个下垂控制站反馈信号的误差值与下垂控制参数相乘得到下垂控制的附加功率指令；将附加功率指令叠加到下垂控制站的外环有功功率控制指令中，参与功率平衡条件。
[0082]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0083]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的一种柔性多端与直流电网的多换流器协调控制方法。
[0084]
在一些可能的实施方式中，本发明提出的下垂控制的反馈信号即外环功率控制指令采用本地信号，无需远距离传输，可以避免反馈信号远距离传输产生的延时对直流系统电压动态稳定性的影响；本发明提出的下垂控制反馈信号选择方法可以避免下垂控制器出现有差控制问题，同时使得所有下垂控制站的控制目标都是一样的，这样就与交流系统发电机频率一次调整类似；本发明提供的方法适用于任意拓扑的直流网络结构，适用于各种网络拓扑躲多端柔性直流输电系统和直流电网等；本发明提供的方法适用于模块化多电平、两电平和三电平等多种柔性直流换流器的拓扑；适用于各种子模块结构的模块化多电平换流器，包括但不限于半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块等。
[0085]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电子设备，包括上述存储介质、执行上述存储介质内的指令的处理器。
[0086]
在一些可能的实施方式中，本发明提出的下垂控制的反馈信号即外环功率控制指令采用本地信号，无需远距离传输，可以避免反馈信号远距离传输产生的延时对直流系统电压动态稳定性的影响；本发明提出的下垂控制反馈信号选择方法可以避免下垂控制器出现有差控制问题，同时使得所有下垂控制站的控制目标都是一样的，这样就与交流系统发电机频率一次调整类似；本发明提供的方法适用于任意拓扑的直流网络结构，适用于各种网络拓扑躲多端柔性直流输电系统和直流电网等；本发明提供的方法适用于模块化多电平、两电平和三电平等多种柔性直流换流器的拓扑；适用于各种子模块结构的模块化多电平换流器，包括但不限于半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块等。
[0087]
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0088]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0089]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0090]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。