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基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略

李盈含 高亮

李盈含, 高亮. 基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略[J]. 现代电力, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
引用本文: 李盈含, 高亮. 基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略[J]. 现代电力, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
LI Yinghan, GAO Liang. Control Strategy of Flexible DC Distribution System Based on Droop Characteristics[J]. Modern Electric Power, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
Citation: LI Yinghan, GAO Liang. Control Strategy of Flexible DC Distribution System Based on Droop Characteristics[J]. Modern Electric Power, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574

基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略

doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
基金项目: 国家自然科学基金项目(51777119)
详细信息
    作者简介:

    李盈含(1995),女,硕士研究生,研究方向为柔性直流配电系统控制策略与保护技术,E-mail: 384148528@qq.com

    高亮(1960),男,教授,研究方向为电力系统继电保护,数字化变电站等,E-mail:gaoliang@shiep.edu.cn

  • 中图分类号: TM72

Control Strategy of Flexible DC Distribution System Based on Droop Characteristics

Funds: Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51777119)
  • 摘要: 柔性直流配电系统运行方式多样且源荷功率波动具有高频随机性。为解决传统下垂控制下电能质量较低、功率分配不合理和电压动态调节不理想等问题,提出一种将自适应控制、预测控制与下垂控制相结合的控制策略。首先设计直流电压偏差补偿器实时追踪系统的稳定工作电压,并对传统下垂系数设置动态影响因子,自适应调整下垂系数,按各换流站功率裕度合理分配出力;然后在内环电流控制中引入模型预测控制方法,避免因PI参数整定不当弱化控制效果,进一步提高系统的动态响应能力。在PSCAD上搭建双端柔性直流配电系统仿真模型,对不同运行工况进行仿真,验证了该策略的有效性。
  • 图  1  双端柔性直流配电系统

    T1~T6:端口编号①~④:直流母线编号l1~l7:直流线路

    Figure  1.  Double-ended flexible DC power distribution system

    图  2  直流电压偏差补偿原理

    Figure  2.  DC voltage deviation compensation principle

    图  3  下垂系数自适应调整原理

    Figure  3.  Droop coefficient adaptive adjustment principle

    A1  改进下垂控制策略控制结构

    A2  电压源型换流器拓扑结构

    A3  模型预测电流控制算法流程图

    A4  模型预测电流控制结构

    图  4  控制I下稳态仿真图

    Figure  4.  Steady-state simulation diagram under control I

    图  6  控制III下稳态仿真图

    Figure  6.  Steady-state simulation diagram under control III

    图  5  控制方式II下稳态仿真图

    Figure  5.  Steady-state simulation diagram under control II

    图  7  控制I下暂态仿真图

    Figure  7.  Transient simulation diagram under control I

    图  9  控制III下暂态仿真图

    Figure  9.  Transient simulation diagram under control III

    图  8  控制II下暂态仿真图

    Figure  8.  Transient simulation diagram under control II

    图  10  换流站内环d轴电流变化波形对比

    Figure  10.  Comparison of d-axis current variation waveforms in the inner ring of converter station

    图  11  换流站电压变化波形对比

    Figure  11.  Converter station voltage variation waveform comparison

    表  1  柔性直流配电系统主要仿真参数

    Table  1.   Main simulation parameters of flexible DC power distribution system

    参数名称参考值
    VSC1额定容量Pref1/MVA15
    VSC2额定容量Pref2/MVA10
    VSC3额定容量Pref3/MVA10
    风机额定容量Pf/MVA20
    光伏额定出力Ppv/MVA2
    直流母线额定电压Udc/kV20
    交流系统额定电压Us/kV10
    换流器直流侧电容C/μF2 000
    直流线路电阻r0/Ω/km0.013 9
    直流线路电感L0/mH/km0.159
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-23
  • 网络出版日期:  2020-07-30
  • 刊出日期:  2020-08-10

基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略

doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
    基金项目:  国家自然科学基金项目(51777119)
    作者简介:

    李盈含(1995),女,硕士研究生,研究方向为柔性直流配电系统控制策略与保护技术,E-mail: 384148528@qq.com

    高亮(1960),男,教授,研究方向为电力系统继电保护,数字化变电站等,E-mail:gaoliang@shiep.edu.cn

  • 中图分类号: TM72

摘要: 柔性直流配电系统运行方式多样且源荷功率波动具有高频随机性。为解决传统下垂控制下电能质量较低、功率分配不合理和电压动态调节不理想等问题,提出一种将自适应控制、预测控制与下垂控制相结合的控制策略。首先设计直流电压偏差补偿器实时追踪系统的稳定工作电压,并对传统下垂系数设置动态影响因子,自适应调整下垂系数,按各换流站功率裕度合理分配出力;然后在内环电流控制中引入模型预测控制方法,避免因PI参数整定不当弱化控制效果,进一步提高系统的动态响应能力。在PSCAD上搭建双端柔性直流配电系统仿真模型,对不同运行工况进行仿真,验证了该策略的有效性。

English Abstract

李盈含, 高亮. 基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略[J]. 现代电力, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
引用本文: 李盈含, 高亮. 基于下垂特性的柔性直流配电系统控制策略[J]. 现代电力, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
LI Yinghan, GAO Liang. Control Strategy of Flexible DC Distribution System Based on Droop Characteristics[J]. Modern Electric Power, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
Citation: LI Yinghan, GAO Liang. Control Strategy of Flexible DC Distribution System Based on Droop Characteristics[J]. Modern Electric Power, 2020, 37(4): 391-398. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0574
    • 柔性直流配电系统具有传输容量大、控制灵活等优势,在减少换流环节的同时提升了能量转换效率[1-2]。作为新一代综合能源配电系统的关键技术,近年来国内外已有大量机构和学者对其系统架构、应用场景、电压等级、关键设备、控制策略以及保护体系等技术展开了理论研究和应用示范[3-7]。其中,合理的控制策略是提高电能质量,保证系统可靠性的关键环节。

      由于柔性直流配电系统惯性时间常数小、运行方式多样、功率流向复杂,并且分布式电源出力具有非线性、多目标性和间歇性。传统下垂控制中下垂系数固定不变,未计及源荷变化的动态裕量,存在着不同程度的电能质量下降,甚至电压越限及换流站过载等问题,易对敏感负荷和系统稳定造成不利影响,无法适应系统的控制要求。文献[8]为提升潮流控制精度,利用通信设备采集主站直流电压偏差补偿到其余各换流器;文献[9]将下垂控制和实时功率控制相结合,提出了新型源-荷电压控制策略(Novel Load-Generation Voltage Control,NLGVC);文献[10]结合虚拟惯性控制和下垂控制,根据储能单元的惯性裕度自适应调整换流器的下垂系数摆动范围,为系统提供了惯性支持。但是需要综合电压动态支撑和电压恢复速率,合理提升虚拟惯性。文献[11]针对有无通信分别采用基于潮流优化比例系数和随机功率因子的改进下垂控制,实现了系统不同工况的稳定平衡。另有基于虚拟阻抗法和带通滤波的前馈补偿下垂控制法[12],改善了直流电网因低阻尼导致的高频振荡失稳问题;对于高渗透率的分布式电源出力波动造成的电压闪变现象,文献[13]通过虚拟电压差控制储能单元响应频率波动及电压波动,充分利用储能单元的功率调节裕量,消除了电压越限的同时减小了功率波动对主网电能质量的影响,提升了系统鲁棒性与故障穿越能力。

      本文对基于下垂特性的柔性直流配电系统展开研究。在系统功率波动和运行方式改变时,为实现直流电压无差调节,充分利用各换流站的功率调节裕度,尽量避免换流器参数越限,提高电压质量及系统稳定性,一方面通过设计直流电压偏差补偿器,实时更新换流站电压参考值;另一方面考虑各换流站实际出力情况定义动态影响因子,对传统下垂系数进行自适应调整。进一步提出采用模型预测电流控制(Model Predictive Control,MPC)代替传统基于PI调节的内环电流解耦控制,无需进行复杂的参数整定,提升系统的动态响应能力,为所提控制策略提供了保障。最后基于PSCAD/EMTDC搭建了含分布式电源的双端柔性直流配电系统模型,对不同工况进行仿真,验证了所提方法的有效性。

    • 按源、荷连接及供电形式,柔性直流配电系统的拓扑结构可分为辐射式、双端供电式及环网式[3]。本文所采用的双端柔性直流配电系统见图1

      图  1  双端柔性直流配电系统

      Figure 1.  Double-ended flexible DC power distribution system

      图1中主要包括:

      1)并网换流器VSC1、VSC2:稳态运行时连接至交流系统,采用电压下垂控制的方式共同维持直流电压稳定。

      2)分布式电源:永磁式直流驱动风力发电机和光伏分别经逆变器VSC3和单向直流变压器UDCT并入直流配网。为提高分布式电源利用率,采用最大光伏功率追踪(Maximum Photovoltaic Power Tracking,MPPT)控制。

      3)负荷单元:直流负载经双向直流变压器BDCT、交流负载经逆变器VSC4连接至直流母线。VSC4通过定交流电压控制以实现交流负载侧电压稳定。

    • 本文采用基于U-P特性的直流电压下垂控制,在系统稳态运行期间,利用VSC1、VSC2有功功率与直流电压的斜率关系,快速响应功率波动,共同维持电压稳定和功率平衡。

      控制规律如下所示:

      $${U_{i,{\rm{dc}}}} = {U_{{\rm{dcref}}}} + {K_i}({P_{i,{\rm{ref}}}} - {P_i})$$ (1)

      式中:Ui,dc为换流站i(i=1,2)直流侧电压;Udcref为直流电压参考值;Pii站实际发出或吸收有功功率(设Pi>0发出有功,Pi<0吸收有功);Pi,ref为两换流站在Udcref下的有功功率;Kii站下垂系数,按各自额定容量、运行工况等预先设定。

      设最大允许电压偏移为±5%Udcref,则VSC1、VSC2的下垂系数为

      $$\left\{ \begin{aligned} {K_1} = \dfrac{{0.05{U_{{\rm{dcref}}}}}}{{{P_{1,\max }} - {P_{1,{\rm{ref}}}}}}\\ {K_2} = \dfrac{{0.05{U_{{\rm{dcref}}}}}}{{{P_{2,\max }} - {P_{2,{\rm{ref}}}}}} \end{aligned} \right.$$ (2)

      式中:β为调节常数,保证直流电压在允许偏移范围内具有更好的可调性,0≤β≤1,本文取0.75;Pi,maxi站允许发出或吸收的最大功率。当|Pi|>|Pi,max|时,换流站自动切换至定有功功率控制。

    • 下垂控制其本质是以电压静差为代价参与调节有功功率。当功率波动较大时,因下垂系数产生的直流电压偏差Udcref-Ui,dc可能超过最大允许电压偏移范围,对敏感负荷造成不利影响,严重时将会导致系统失稳。

      为实现电压无差调节,在保证两换流器各自承担功率不变的情况下,将直流电压偏差经过积分器调节后补偿至直流电压参考值,平移下垂曲线,实时追踪直流电压参考值[8]。经直流电压偏差补偿后的下垂控制规律为

      $$\left\{ \begin{aligned} & {U_{i,{\rm{dc}}}} = U_{i,{\rm{dcref}}}^* + {K_i}({P_{i,{\rm{ref}}}} - {P_i})\\ & U_{i,{\rm{dcref}}}^* = {U_{{\rm{dcref}}}} + \smallint {K_{i,{\rm{I}}}}({U_{{\rm{dcref}}}} - {U_{i,{\rm{dc}}}}){\rm{d}}t \end{aligned} \right.$$ (3)

      式中:Ui,dcref*为补偿后直流电压参考值;Ki,Ii站补偿控制的积分时间常数。补偿原理如图2所示。

      图  2  直流电压偏差补偿原理

      Figure 2.  DC voltage deviation compensation principle

      图2中,纵轴表示直流母线电压,横轴表示换流站实际有功功率值。为简化分析,假定两换流站初始情况下分别运行于A、A′点,在直流电压参考值处发出有功功率P1,refP2,refV1V2分别表示换流站VSC1、VSC2以K1K2为下垂系数的控制曲线。当系统功率波动,直流电压下降至Udc1时,两换流站的运行点沿各自下垂曲线分别转移至C、B点,对应的有功功率为PCPB。此时系统直流电压偏差为Udcref-Udc1,将该偏差积分后补偿至Udcref得到新的电压参考值Udcref*,两站下垂曲线由V1V2平移至V1V2,运行点转移至C′、B′,直流电压调整至参考值,对应有功功率仍为PCPB

    • 2.1节讨论了实现下垂控制电压无差调节的方法。但分布式电源和柔性负荷的高频随机性使得柔性直流配电系统的功率波动具有不确定性。如果在调节过程中忽略各站功率的动态裕量,采用预设下垂系数,则换流站可能因功率裕度不足而影响系统功率分配,失去对潮流变化的快速响应能力,降低系统的灵活性和可靠性。

      当系统出现功率波动时,提出为传统下垂系数设置动态影响因子,自动修正Ki,尽可能避免换流站参数越限,合理分配不平衡功率。定义影响因子ai为各换流站实时最大功率裕度与初始功率裕度之比。

      $${\alpha _i} = \left\{ \begin{aligned} \frac{{{P_{i,\max }} - {P_i}}}{{{P_{i,\max }} - {P_{i,{\rm{ref}}}}}}\;\;{U_{{\rm{dcref}}}} - {U_{i,{\rm{dc}}}} > \delta \\ \frac{{{P_{i,\max }} + {P_i}}}{{{P_{i,\max }} - {P_{i,{\rm{ref}}}}}}\;\;{U_{{\rm{dcref}}}} - {U_{i,{\rm{dc}}}} < - \delta \end{aligned} \right.$$ (4)

      式中δ是为防止下垂系数频繁波动引入的滞环环宽,取值为0.02。

      考虑动态影响因子后,自适应调整的下垂系数可表示为

      $$ K_i' = \left\{ \begin{aligned} \frac{{{K_i}}}{{{a_i}}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left| {{U_{{\rm{dcref}}}} - {U_{i,{\rm{dc}}}}} \right| > \delta \\ {\text{保持不变}}\;\;\;\;\;\;\;\left| {{U_{{\rm{dcref}}}} - {U_{i,{\rm{dc}}}}} \right| < \delta \end{aligned} \right. $$ (5)

      当系统出现功率缺额,直流电压降落幅度大于环宽时,换流站以Pi,max-Pi为最大功率裕度调节下垂系数增发功率;当系统存在剩余功率,直流电压上升幅度大于环宽,各站以Pi,max+Pi为最大功率裕度调节下垂系数减发功率。从而实现不平衡功率的合理分配,减小换流站切换为定有功功率控制的几率。

      基于直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调整的改进U-P下垂控制的控制规律为

      $${U_{i,{\rm{dc}}}} = {U_{{\rm{dcref}}}} + K_i'({P_{i,{\rm{ref}}}} - {P_i}) + \int {{K_{i,{\rm{I}}}}} ({U_{{\rm{dcref}}}} - {U_{i,{\rm{dc}}}}){\rm{d}}t$$ (6)

      以系统功率波动引起直流电压下降为例,给出两站下垂系数自适应调整的原理,见图3。其中两换流站分别以K1K2为下垂系数运行在曲线V1V2的C′、B′点。当系统出现功率波动,直流电压降落至Udc2时,Udcref-Udc2>δ,直流电压偏差大于滞环环宽,两换流站实际最大功率裕度分别为P1,max-PCP2,max-PB,考虑动态影响因子后,各站下垂系数自动调整为式(7),并有K1>K1K2>K2;两换流站下垂曲线由V1V2变为V1V2;运行点转移到曲线V1V2Udc2相交的E、D点,实际发出有功功率为PEPD。再结合直流电压偏差补偿,更新电压参考值,下垂曲线平移至V′′′1V′′′2,最终运行于E′、D′点。

      图  3  下垂系数自适应调整原理

      Figure 3.  Droop coefficient adaptive adjustment principle

      $$\left\{ \begin{aligned} K_1^{''} = \frac{{{K_1}}}{{{\alpha _1}}}\;\;\;\;{\alpha _1} = \frac{{{P_{1,\max }} - {P_C}}}{{{P_{1,\max }} - {P_{1,{\rm{ref}}}}}}\\ K_2' = \frac{{{K_2}}}{{{\alpha _2}}}\;\;\;\;{\alpha _2} = \frac{{{P_{2,\max }} - {P_B}}}{{{P_{2,\max }} - {P_{2,{\rm{ref}}}}}} \end{aligned} \right.$$ (7)

      本文所提控制策略既实现了直流电压的无差调节,又能自动优化下垂系数,使各换流站下垂曲线按动态功率裕度原则自适应偏移,合理分配不平衡功率。其控制结构见附录图A1

      图  A1  改进下垂控制策略控制结构

    • 改进下垂控制策略实际上是通过修正系统功率波动时换流站的外环输出,即内环电流参考值,以抑制直流电压变化,这要求内环电流具有快速的调节响应能力。在传统双闭环矢量控制中,内环电流控制采用基于被控量偏差的PI调节。该方法对电流测量值进行PI滞后调节,其动态响应速度、实时跟踪能力受系统控制参数和内环带宽影响较大。参数整定不当会在一定程度上弱化下垂控制的效果。因此,本文提出将有限集模型预测控制(Finite Control Set MPC,FCS-MPC)引入柔性直流配电系统。FCS-MPC包括预测模型、滚动优化和反馈校正3个环节[14-15]。能够兼容系统的非线性和多约束,避免电流的被动反馈调节,无需PWM调制和复杂的参数整定,具有较强的动态响应能力,提高了系统运行效率,为改进下垂控制策略的实现提供了保障。

    • 本文选用状态方程作为内环电流预测模型。电压源型换流器拓扑结构见附录图A2

      图  A2  电压源型换流器拓扑结构

      图中,usx, isx(x=a,b,c)为交流电网三相电压、电流;ucx(x=a,b,c)为换流器三相输出电压;LgRg为交流侧滤波阻抗;Udc为直流电压;PGQG为交流电网输入的有功功率和无功功率。

      在三相静止坐标系下的数学模型为

      $$\left\{ \begin{aligned} {u_{s{\rm{a}}}} = {R_{\rm{g}}}{i_{s{\rm{a}}}} + {L_{\rm{g}}}\frac{{{\rm{d}}{i_{s{\rm{a}}}}}}{{{\rm{d}}t}} + {u_{c{\rm{a}}}}\\ {u_{s{\rm{b}}}} = {R_{\rm{g}}}{i_{s{\rm{b}}}} + {L_{\rm{g}}}\frac{{{\rm{d}}{i_{s{\rm{b}}}}}}{{{\rm{d}}t}} + {u_{c{\rm{b}}}}\\ {u_{s{\rm{c}}}} = {R_{\rm{g}}}{i_{s{\rm{c}}}} + {L_{\rm{g}}}\frac{{{\rm{d}}{i_{s{\rm{c}}}}}}{{{\rm{d}}t}} + {u_{c{\rm{c}}}} \end{aligned} \right.$$ (8)
      $${u_{\rm{c}}} = \frac{2}{3}\left( {{S_{\rm{a}}} + a{S_{\rm{b}}} + {a^2}{S_{\rm{c}}}} \right){U_{{\rm{dc}}}};a = {{\rm{e}}^{j\frac{2}{3}{\rm{\pi }}}}$$ (9)

      式中Sx(x=a,b,c)为第x相桥臂开关管状态。

      $${S_x}(x = {\rm{a}},\;{\rm{b}},\;{\rm{c}}) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} 0&{{\text{上管导通}},{\text{下管关断}};}\\ 1&{{\text{下管导通}},{\text{上管关断}};} \end{array}} \right.$$ (10)

      式(8)经Park变换后,得到dq旋转坐标系下的数学模型如下:

      $$\left\{ \begin{aligned} {u_{sd}} = {R_{\rm{g}}}{i_{sd}} - {\omega _s}{L_{\rm{g}}}{i_{sq}} + {L_{\rm{g}}}\frac{{{\rm{d}}{i_{sd}}}}{{{\rm{d}}t}} + {u_{cd}}\\ {u_{sq}} = {R_{\rm{g}}}{i_{sq}} + {\omega _s}{L_{\rm{g}}}{i_{sd}} + {L_{\rm{g}}}\frac{{{\rm{d}}{i_{sq}}}}{{{\rm{d}}t}} + {u_{cq}} \end{aligned} \right.$$ (11)

      式中:usziszucz(z=d,q)分别为旋转坐标系下交流侧电网电压、电流、换流器输出电压;ws为交流侧采样频率。

      由于换流器开关状态组合Sn(n=0,1,···,7)有限,通过遍历能够改变控制变量ucz的8种开关状态组合,并结合当前电流分量isz(k)和采样频率ws(k),即可预测下一时刻电流值isz(k+1)

      $$\left\{ \begin{aligned} i_{sd}^{\left( {k + 1} \right)} = i_{sd}^{\left( k \right)} + \frac{{{T_s}}}{{{L_{\rm{g}}}}}\left[ {{u_{sd}} - {R_{\rm{g}}}i_{sd}^{\left( k \right)} + \omega _s^{\left( k \right)}{L_{\rm{g}}}i_{sq}^{\left( k \right)} - u_{cd}^{\left( k \right)}} \right]\\ i_{sq}^{\left( {k + 1} \right)} = i_{sq}^{\left( k \right)} + \frac{{{T_s}}}{{{L_{\rm{g}}}}}\left[ {{u_{sq}} - {R_{\rm{g}}}i_{sq}^{\left( k \right)} - \omega _s^{\left( k \right)}{L_{\rm{g}}}i_{sd}^{\left( k \right)} - u_{cq}^{\left( k \right)}} \right] \end{aligned} \right.$$ (12)
    • 从快速准确跟踪电流参考值的角度考虑系统控制性能,定义价值评估函数为

      $$g = {({i_{sd,{\rm{ref}}}} - i_{sd}^{(k + 1)})^2} + {({i_{sq,{\rm{ref}}}} - i_{sq}^{(k + 1)})^2}$$ (13)

      式中isz,ref(z=d,q)为旋转坐标系下交流侧电网电流参考值。将电流预测值代入系统预定义的价值函数g进行性能评估,选取函数最小值对应的开关状态作为最优输出在下一时刻作用于换流器。

    • 考虑到柔性直流配电系统中分布式电源出力、柔性负荷需求和环境干扰等因素的不确定性,在控制过程中,保持预测模型不变,通过反馈环节对预测误差$e = i_{sz}^{\left( k \right)} - i_{sz}^{\left( {k - 1} \right)}$加以补偿,构成系统闭环优化,提升电流预测精度及抗干扰能力。

      综合模型预测电流控制的算法流程见附录图A3。图中Sn为换流器开关状态;mv为中间变量,分别表示价值评估函数最小值以及8种换流器开关状态组合;g(v)为第v种开关状态下价值评估函数值。

      图  A3  模型预测电流控制算法流程图

      换流器模型预测电流控制结构见附录图A4

      图  A4  模型预测电流控制结构

    • 为验证所提控制方法的有效性,基于PSCAD/EMTDC搭建了如图1所示的20 kV双端柔性直流配电系统仿真模型。直流线路长度:l1=l3=10 km,l2=l4=l5=l6=l7=5 km。系统主要参数如表1所示[8]。仿真初始设置:等效直流负荷消耗功率10 MW;交流负荷消耗功率3 MV;风机出力4 MW;光伏出力2 MW。为结果表示方便,对直流电压进行了标幺化处理。

      表 1  柔性直流配电系统主要仿真参数

      Table 1.  Main simulation parameters of flexible DC power distribution system

      参数名称参考值
      VSC1额定容量Pref1/MVA15
      VSC2额定容量Pref2/MVA10
      VSC3额定容量Pref3/MVA10
      风机额定容量Pf/MVA20
      光伏额定出力Ppv/MVA2
      直流母线额定电压Udc/kV20
      交流系统额定电压Us/kV10
      换流器直流侧电容C/μF2 000
      直流线路电阻r0/Ω/km0.013 9
      直流线路电感L0/mH/km0.159
    • 本文分别对传统下垂控制(I)、带直流电压偏差补偿下垂控制(II)和直流电压偏差补偿+下垂系数随影响因子自适应调整下垂控制(III)在稳态和暂态两种工况下进行仿真。

    • 系统初始阶段稳态运行,设定6 s时,风机增发功率16 MW;8 s时,光伏出力增大6 MW;10 s时,风机出力减小20 MW;12 s时,直流负载由10 MW变为17 MW。仿真结果如图46所示。

      图  4  控制I下稳态仿真图

      Figure 4.  Steady-state simulation diagram under control I

      图  6  控制III下稳态仿真图

      Figure 6.  Steady-state simulation diagram under control III

      图4给出了在传统下垂控制下系统直流电压和两换流站功率变化波形。由4(a)可知,当系统出现功率波动时,直流电压将偏离参考值。6 s和8 s时,系统电压随分布式电源出力增加而上升;10 s和12 s时,电压随风机出力减小、直流负载增大而下降。并且在8~10 s段由于分布式电源波动较大,系统直流电压已超过允许偏移范围,对电压要求较高的敏感负荷以及系统稳定性造成了不利影响。12 s时系统带直流重载运行,由于换流站采用预定下垂系数,未考虑实际负载情况和换流站承担功率的动态裕量,从图4(b)可知此时VSC1出力8.5 MW,VSC2出力6.5 MW。若系统功率再次波动,VSC2因容量较小,极易发生功率越限,切换为定功率控制,失去对系统电压的调节能力。

      图5为附加直流电压偏差补偿的下垂控制仿真结果。由5(a)可以看出,系统发生功率波动后,电压经偏差补偿后,能够恢复到参考值,实现了电压无差调节,提高了电能质量。如图5(b),控制II在预设下垂系数和电压补偿控制的积分时间常数的双重影响下,仍难以实现功率分配和电压波动之间的权衡。图6为采用所提直流电压偏差补偿和下垂系数自适应调节的下垂控制。6 s时,系统出现功率剩余,直流电压偏差大于设定阈值0.02,两换流站应减小出力实现系统功率平衡,分别以Pi,max+Pi为最大功率裕度修正Ki,此时VSC1的功率裕度较大,承担较多的有功,而VSC2承担有功较少。8 s时,由于检测到的直流电压偏差在阈值范围内,两站下垂系数保持不变。10 s和12 s时,系统出现功率缺额,换流站增发功率,并且电压偏差大于阈值,考虑影响因子后两换流站分别以Pi,max-Pi为最大功率裕度修正Ki,其中VSC1裕度较大承担较多功率,减少了VSC2功率越限的几率。

      图  5  控制方式II下稳态仿真图

      Figure 5.  Steady-state simulation diagram under control II

    • 为验证系本文所提控制策略在统在不同运行方式下的有效性,设定6 s时,直流线路l2断开;8 s时,切除交流负载;10 s时,l2恢复;12 s时,VSC1退出运行。仿真结果如图79所示。

      图  7  控制I下暂态仿真图

      Figure 7.  Transient simulation diagram under control I

      图  9  控制III下暂态仿真图

      Figure 9.  Transient simulation diagram under control III

      6 s时发生l2断线,系统运行状态由双端供电变为两端隔离运行。VSC1与风机承担直流负载,VSC2与光伏承担交流负载,分别实现功率平衡。8 s时切除交流负载,不平衡功率由VSC2单独承担,VSC2侧直流电压U2发生波动,光伏出力通过VSC2馈入主网,因此VSC2吸收有功接近4 MW。10 s时线路l2恢复,系统重新进入双端运行模式,两换流站共同承担系统功率。12 s时VSC1退出运行,P1=0,系统运行方式为单端运行,由VSC2维持系统电压和功率平衡。

      图7(a)8(a)9(a)可知,改进下垂控制在所设暂态工况下能够实现直流电压无静差。图9(b)(c)为控制III下系统功率分配和两站下垂系数变化情况。由于暂态工况中系统发生断线和换流站退出,只有在0~6 s、10~12 s时两换流站按功率裕度共同实现系统功率平衡。从上述仿真结果得出,所提策略将自适应控制和下垂控制相结合,使得系统在不同运行方式切换过程中能够实现电压无差调节和功率按各站裕度合理分配,满足了柔性直流配电系统运行方式多样化对电能质量和系统灵活性的要求。

      图  8  控制II下暂态仿真图

      Figure 8.  Transient simulation diagram under control II

    • 对控制方式III下的两换流站内环电流分别采用传统PI调节控制和模型预测控制,按4.1节设定的暂态工况为例进行仿真。设变量下标p、m分别表示采用PI控制和模型预测控制的电压和电流,仿真结果对比如图1011所示。

      图  10  换流站内环d轴电流变化波形对比

      Figure 10.  Comparison of d-axis current variation waveforms in the inner ring of converter station

      图  11  换流站电压变化波形对比

      Figure 11.  Converter station voltage variation waveform comparison

      相比较于PI调节,模型预测控制通过在线滚动优化预测下一时刻电流值,无需进行复杂的参数整定。由图1011可知,在系统功率波动或运行方式改变时,内环电流能够快速准确跟踪经过外环改进下垂控制实时调整的电流参考值。两换流站侧的直流电压能够快速恢复至参考值,并且超调量和调节时间均小于传统PI控制,提高了系统的动态响应能力和鲁棒性,较好地解决了分布式能源和柔性负荷随机波动对系统安全稳定运行带来的影响。

    • 本文针对双端柔性直流配电系统提出的多源协调控制策略,结合了自适应控制、预测控制与下垂控制。减小了换流站参数越限概率,实现了不平衡功率的优化配置和直流电压无静差调节,提高了系统稳定性和电能质量。通过引入模型电流预测控制策略,避免了电流内环控制复杂PI参数整定,进一步提升了系统动态响应速度,在柔性直流配电系统中有较好适用性。后续将对系统运行方式变化时快速平滑切换各可控端控制模式,稳定系统直流电压并平衡功率等方面展开研究。

      (本刊附录请见网络版,印刷版略)

参考文献 (15)

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