CN115102173A - 一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,包括:建立基于配电互联变换器的柔性互联化配电网的网架结构;基于所述网架结构并分别根据三个层级控制的结构及原理构建分层分布式控制策略,实现对柔性互联配电网***的潮流控制。本发明实现了配电互联变换器对于柔性互联化配电网的多网协调控制与优化运行,能够提高多区域配电馈线电压质量,减小线路损耗,优化配电网运行水平,并可实现***级控制和本地控制的无缝灵活切换。
Description
技术领域
本发明涉及电力***中电力电子技术、自动控制的技术领域,尤其涉及一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法。
背景技术
随着能源电力领域的革新和变化,传统配电网的局限性日益突出,所面临的挑战日益严峻。其中,主要问题包括:分布式可再生能源大规模并入电网,配电网功率双向流动,馈线间负载不平衡,节点电压越限;负荷种类多样化,传统配电网的结构和运行模式无法满足各种灵活负荷的需求;用户对于供电的可靠性和电能质量有着更高的要求。
在配电网中,线路电压低压越限经常存在和发生于城市配电网和其他地区配电网中,对电力***的稳定运行和工业、商业、居民用电而言,都产生了严重影响。长久以来,学界及电力公司的关注点在于中高压***的电能质量问题,而并未考虑配电网的电能质量问题。随着我国经济的发展,人民生活水平不断提高,对电能的需求越来越高。配电网的负荷越来越重、负荷类型越来越多、容量越来越大,因此,配电网的电压质量难以保证。
随着电力电子器件的发展,柔性直流配电技术不断完善。以电压源换流器为基础的柔性直流配电技术在中低压柔性互联配电技术中得到示范应用,形成了交直流混合的柔性互联化配电网,可以预见,未来的配电网中将会存在越来越多的分布式电源以及多种类型的负荷,对配电网的稳定运行来说,将会是一个挑战。
发明内容
本发明解决的技术问题是:配电网的负荷越来越重、负荷类型越来越多、容量越来越大,因此,配电网的电压质量难以保证,未来的配电网中将会存在越来越多的分布式电源以及多种类型的负荷,对配电网的稳定运行来说,将会是一个挑战。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:建立基于配电互联变换器的柔性互联化配电网的网架结构;基于所述网架结构并分别根据三个层级控制的结构及原理构建分层分布式控制策略,实现对柔性互联配电***的潮流控制。
作为优选,所述网架结构包括将各个多互联变换器配置在配电馈线末端,通过所述多互联变换器间的直流母线进行互联。
作为优选,所述三个层级包括换流器、本地、***级三个层面。
作为优选,所述换流器层面的控制原理包括,定义三相电压型PWM整流器作为交直流换流器,其经过坐标变换的数学模型为:
其中,ed,eq为交流电压源电压dq轴分量,id,iq为三相交流电流dq轴分量,电阻R与电感L是交流侧主电路中的电感与电阻,vdc为直流侧电压, sd,sq为开关函数的dq轴分量,C为直流电容,RL负载电阻;
定义所述交流侧电感L与直流侧电容C为:
式中,Em为电网相电动势,Ts为开关周期,vdc为直流电压,Im为交流基波相电流,Δimax为电流最大允许脉动量,取20%Im,Timax为最大惯性时间常数,ΔPL,max为负载功率最大变化量,Δvdc,max为直流电压最大变化量,为限定直流电压上升时间,RLe为额定直流负载电阻,Idm为额定直流电流,vd0为直流电压稳态最低值,vde为直流电压额定值;
在控制中引入PI控制器,将所述PI控制器的增益参数定义为:
其中,Ts为PWM开关周期,KPWM为整流桥等效增益,与调制方式有关, KP、KI分别是PI调节器的比例环节和积分环节的增益系数;
将控制环的闭环传递函数简化为一个惯性环节:
作为优选,所述本地层面的控制原理包括一次调压控制和二次调压控制。
作为优选,所述一次调压控制包括,
建立下垂方程,归一化方程及经过归一化后的下垂方程为:
Pac1=P1+Pdc1
控制交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等,即:
......
定义各条线路的直流归一化电压相等,为:
联立以上式子,经过本地层面控制的一次调压后,可以得到:
其中,N表示有N个配网柔性互联,Z1,…,Zn分别为第1,…,n个配网的线路阻抗,P1,…,Pn分别为第1,…,n个配网的负载功率,Vac1,…,Vacn分别为第1,…,n个配网的线路末端电压,Pc1,…,Pcn分别为第1,…,n个配网的交直流变换器传递的有功功率,Qc1,…,Qcn分别为第1,…,n个配网的交直流变换器传递的无功功率,Pdc为直流源或荷的功率。
......
稳态时,功率与电压方程满足:
***满足:
各线路经柔性互联后,定义各条线路的直流归一化电压相等,为:
联立以上式子,可以得到:
作为优选,所述***层面的控制原理包括,根据***采集的各节点的电压信息及功率信息,通过智能算法的检索,计算得到***的最优运行状态。
作为优选,还包括,根据一般数学模型建立实际问题的数学模型,所述一般数学模型为:
minf=f(x,u)
{s.t.g(x,u)=0
h(x,u)≤0
其中,f(x,u)是目标函数,g(x,u)和h(x,u)分别为等式约束和不等式约束,x、u分别为控制变量和状态变量。
本发明的有益效果:本发明实现了配电互联变换器对于柔性互联化配电网的多网协调控制与优化运行,能够提高多区域配电馈线电压质量,减小线路损耗,优化配电网运行水平,并可实现***级控制和本地控制的无缝灵活切换。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的整体流程结构示意图;
图2为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的***结构示意图;
图3为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的基于前馈解耦合的电流内环控制框图;
图4为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的单个配网线路等效电路图;
图5为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的本地层面控制的无通讯的一次调压控制框图;
图6为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的柔性互联化配电网等效电路图;
图7为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的本地层面控制的无通讯的一次调压原理示意图;
图8为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的本地层面控制的有通讯的二次调压控制框图;
图9为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的本地层面控制的有通讯的二次调压原理示意图;
图10为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的***层面控制的算法框图;
图11为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的仿真算例电路图;
图12为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的线路1、线路2的有功功率传递的仿真结果示意图;
图13为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的线路1、线路2的无功功率传递的仿真结果示意图;
图14为本发明一个实施例提供的一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法的线路1各节点电压的仿真结果示意图。
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1-图10,为本发明的一个实施例,提供了一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,包括:
S1:建立基于配电互联变换器的柔性互联化配电网的网架结构;需要说明的是:
网架结构包括将各个多互联变换器配置在配电馈线末端,通过多互联变换器间的直流母线进行互联。
三个层级包括换流器、本地、***级三个层面。
具体的,基于多互联变换器(VSC)的柔性互联化配电网的网架结构中,各个VSC将配置在配电馈线末端,通过VSC间的直流母线互联,可实现相邻馈线间柔性互联,该网架结构为多区域网间及馈线间提供了新的功率流通路径,可以实现配电网网间功率的灵活调节与互济互供。
在柔性互联化配电网的网架结构下,各VSC需根据馈线节点电压、负荷信息进行协调控制,从而实现配电网网间潮流互动与灵活调节,为此,本发明提出一种多互联变换器的分层分布式控制策略,该分层分布式控制的核心在于控制各条馈线及各个配电子网所交互的功率,从而解决交流侧线路中存在的电压越限、线路损耗大、可再生能源消纳能力不足等诸多问题,分层分布式控制通过换流器、本地、***级三个层面的控制,实现对柔性互联配电***的潮流控制,优化配电网的运行水平。
S2:基于网架结构并分别根据三个层级控制的结构及原理构建分层分布式控制策略,实现对柔性互联配电***的潮流控制;需要说明的是:
首先,换流器层面的控制目的是将输入的电流信号处理变换输出 AC/DC变换器开关PWM调制波形,控制交流测电流、直流侧电压稳定,实现功率双向流动,控制交直流侧功率交换。换流器层面的控制的原理如下:
三相电压型PWM整流器因其谐波含量少、功率因数高、动态响应快等特点,而在配网中得到广泛应用,因此,选择三相电压型PWM整流器作为交直流换流器。其经过坐标变换的数学模型为:
其中,ed,eq为交流电压源电压dq轴分量,id,iq为三相交流电流dq轴分量,电阻R与电感L是交流侧主电路中的电感与电阻,vdc为直流侧电压, sd,sq为开关函数的dq轴分量,C为直流电容,RL负载电阻;
为改善***的运行性能,需要选择适当的交流侧电感与直流侧电容,定义交流侧电感L与直流侧电容C为:
式中,Em为电网相电动势,Ts为开关周期,vdc为直流电压,Im为交流基波相电流,Δimax为电流最大允许脉动量,取20%Im,Timax为最大惯性时间常数,ΔPL,max为负载功率最大变化量,Δvdc,max为直流电压最大变化量,为限定直流电压上升时间,RLe为额定直流负载电阻,Idm额定直流电流,vd0为直流电压稳态最低值,vde为直流电压额定值;
可根据该数学模型建立基于前馈解耦合的电流内环控制,控制框图如图3所示;在控制中引入PI控制器,其参数设计将对***的动态性能产生影响,将PI控制器的增益参数定义为:
其中,Ts为PWM开关周期,KPWM为整流桥等效增益,与调制方式有关, KP、KI分别是PI调节器的比例环节和积分环节的增益系数;
最终可将控制环的闭环传递函数简化为一个惯性环节:
进一步的,本地层面的控制目的是在无通讯线路时仅根据本地电压信息控制馈线间的功率交互,改善线路末端电压质量问题,称为一次调压;以及在有通讯线路时,根据配电网各个节点的电压及功率信息,分析计算最优运行状态,并通过控制功率交互,使***运行于该最优状态,称为二次调压。
具体的,本地层面的控制的原理如下:
假设有N个配网柔性互联,Z1,…,Zn分别为第1,…,n个配网的线路阻抗, P1,…,Pn分别为第1,…,n个配网的负载功率,Vac1,…,Vacn分别为第1,…,n个配网的线路末端电压,Pc1,…,Pcn分别为第1,…,n个配网的交直流变换器传递的有功功率,Qc1,…,Qcn分别为第1,…,n个配网的交直流变换器传递的无功功率,Pdc为直流源/荷的功率,单个配电网的等效电路图如图4所示。
考虑***在无通讯线路的状态,应用一次调压,经过分析,各配网传递的有功功率与线路末端电压满足自然下垂特性,因此可以建立下垂方程,归一化方程及经过归一化后的下垂方程为:
Pac1=P1+Pdc1
本地层面控制无通讯的一次调压控制框图如图5所示,控制交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等,即:
......
各线路经柔性互联后,等效电路图如图6所示,定义各条线路的直流归一化电压相等,为:
联立以上式子,经过本地层面控制的一次调压后,可以得到:
其中,控制原理如图7所示。
在***无通讯线路时,采用本地层面控制一次调压;在配电网实际运行中,当线路阻抗一定时,线路的末端电压由线路的负载功率决定,负载功率较高,则线路末端电压降低较多;负载功率较低,线路末端电压降低较少;一次调压后的结果式表明,多条馈线柔性互联后,各条线路的交流侧归一化电压位于同一电压水平,各条线路的功率实现了互补互济。
......
本地层面控制的有通讯的二次调压控制框图如图8所示,稳态时,功率与电压方程满足:
***满足:
各线路经柔性互联后,等效电路图如图5所示,定义各条线路的直流归一化电压相等,为:
联立以上式子,可以得到:
其中,控制原理如图9所示。
在***有通讯线路时,采用本地层面控制的二次调压,控制有功功率与无功功率交互为给定值,精确控制各馈线的功率传递,根据需求调整各条线路运行的状态,为分层分布式控制***层面与本地层面的控制提供了接口。
最后,***层面的控制目的是根据***采集的各节点的电压信息及功率信息,通过智能算法的检索,计算得到***的最优运行状态,从而统筹各区域的功率调度,需要考虑各个节点处的电压水平不越限,同时满足***整体的功率损耗最小这两个问题,优化***整体运行情况,提高***整体运行的经济性。***层面的控制的原理如下:
本质上来说,***层面的控制所解决的是一个最优潮流问题;电力***的最优潮流问题是一个复杂的带约束的非线性规划问题,在特定的安全约束条件下,通过调节***中可利用的控制手段,实现预定目标最优的***稳定运行状态;它兼顾了安全性、经济型、可靠性等多个方面;其中,一般的数学模型可表示为:
minf=f(x,u)
{s.t.g(x,u)=0
h(x,u)≤0
其中,f(x,u)是目标函数,g(x,u)和h(x,u)分别为等式约束和不等式约束,x、u分别为控制变量和状态变量。:
从该数学模型来看,一般可以根据实际需求设置希望达到的目标函数,根据目标函数中的变量,考虑各方面的局限性,设计与之相适应的约束条件,从而建立起实际问题的数学模型。
在***层面的控制中,优化算法是控制的核心;对于所涉及的柔性互联***的优化算法,解决的问题是在柔性互联***中,控制配网间功率交互,实现***整体全局优化;而这个问题的是多变量问题,而各变量间独立性较强,且各变量的单调性并不单一;因此,在进行***优化时,会产生许多局部最优解,算法往往陷入局部最优区间;为此,选择模拟退火优化算法结合牛顿-拉夫逊潮流算法作为***层面的控制算法;该算法的一大特点就是能够一定概率的跳出局部最优区间,适合多端柔性互联***的优化算法;其算法框图如图10所示。
本发明基于柔性互联化配电网,建立分层分布式控制,改善柔性互联化配电网的运行;该方案一方面能够从***整体的层面考虑,进行全局的运行优化控制;另一方面能够从局部的配电网层面考虑,仅通过本地的信息,进行局部电压质量的改善与功率平衡;并且能够在***层面的控制与本地层面的控制之间灵活无缝切换,从而实现了对配电***的灵活控制,减小了线路损耗,改善了配电馈线电压质量,提高了配电网运行的经济性与灵活性。
实施例2
参照图11-14为本发明另一个实施例,为对本方法中采用的技术效果加以验证说明,本实施例采用具体实例对本发明方法进行测试,以科学论证的手段验证本方法所具有的真实效果。
为了验证柔性互联***级运行优化控制对配电网***整体运行的优化作用,本实施例设计了如下算例用于对比分析,算例由独立的两个配电网线路组成,每条馈线接有光伏并网及用户负荷,两条线路的线路阻抗不同,并经直流侧柔性互联,如图11所示。
算例中线路1的三个节点的负荷分别为24+j18 KVA、-50kW、 24+j18 KVA,线路2的三个节点的负荷分别为20+j15 KVA、-30kW、 20+j15 KVA,线路1与线路2的额定电压为220V,归一化时,各配电网电压的上下限分别设置为额定电压的110%和90%,线路1的线路阻抗是线路2的两倍。
经过智能优化算法检索后,得到最佳工况,其输出结果如下:
线路1:Pc1=15960W,Qc1=-20000Var;
线路2:Pc2=-15960W,Qc2=-20000Var;
线路损耗由14584W降低至5095W。
通过仿真验证本发明的控制效果;仿真时序为:t=0s时,仿真启动,本地层面控制的有通讯二次调压按照接受***层面控制的功率指令,线路 1、线路2均开启至本地层面控制的有通讯二次调压;t=1.5s时,模拟通讯线路中断,***层面的控制关闭,本地层面的控制切换至无通讯的一次调压;t=2.5s,仿真结束。
仿真结果如图12-14所示;图12-14分别为线路1、线路2的有功功率、无功功率传递波形图、线路1、线路2中各节点的电压水平、线路1、线路2中换流器电流的dq轴分量。
分析仿真结果,如图12所示的仿真结果,0.5s~1.5s时,***投入二次调压控制,线路1向直流侧传递16kW有功功率,线路2从直流侧吸收 16kW有功功率;1.5s时,馈线间通讯中断,***从二次调压切换至一次调压;1.5s~2.5s时,***不再接受***层面控制输出的功率指令,而是根据线路末端的本地电压信息进行控制;此时,线路1向直流侧传递24kW有功功率,线路2从直流侧吸收24kW有功功率。
如图13所示的仿真结果,线路1与线路2的无功功率传递情况基本重合;0.5s~1.5s时,***采用本地层面控制无通讯的二次调压,线路1、线路2吸收20kVar无功功率;1.5s时,***从二次调压切换至一次调压; 1.5s~2.5s时,***不再接受***层面控制输出的功率指令,线路1与线路 2的无功功率稳定在0Var。
在图14所示的线路1各节点电压水平中:***不加控制时,节点1、节点2、节点3的电压均未越限,但节点3的电压处于较低水平,且节点 1、节点2、节点3的电压都未达到额定电压水平;***投入本地层面控制的无通讯一次调压时,相较于无控***,各个节点的电压有一定的抬升,距离额定电压水平更近;***接收***层面控制的功率指令,投入本地层面控制的有通讯二次调压时,各个节点的电压水平有很大的提升,距离额定电压最近。尤其是节点3的电压,亦即线路1末端电压,具有明显的改善。
线路2各节点电压水平中:***不加控制时,节点1、节点2的电压未越限,且与额定值的偏差较大,而节点3的电压低于0.9p.u.,处于低压越限,电压质量问题严重;***投入本地层面控制的无通讯一次调压时,节点3的电压抬升了25.6V,且处于0.9p.u.~1.1p.u.范围内;并且各个节点的电压水平都有所改善;***接收***层面控制的功率指令投入本地层面控制的二次调压时,各个节点的电压水平与一次调压控制电压水平相近,同样解决了线路2末端电压质量问题,改善了整体的电压水平。
由上可知,在柔性互联化配电网中,分层分布式控制能够改善了配电网中,馈线负荷不均衡、线路末端电压质量低、线路损耗高等问题,提高了配电网的供电可靠性与运行灵活性。
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 (9)
1.一种柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特性在于,包括:
建立基于配电互联变换器的柔性互联化配电网的网架结构;
基于所述网架结构并分别根据三个层级控制的结构及原理构建分层分布式控制策略,实现对柔性互联配电***的潮流控制。
2.如权利要求1所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:所述网架结构包括将各个多互联变换器配置在配电馈线末端,通过所述多互联变换器间的直流母线进行互联。
3.如权利要求1所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:所述三个层级包括换流器、本地、***级三个层面。
4.如权利要求3所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:所述换流器层面的控制原理包括,
定义三相电压型PWM整流器作为交直流换流器,其经过坐标变换的数学模型为:
其中,ed,eq为交流电压源电压dq轴分量,id,iq为三相交流电流dq轴分量,电阻R与电感L是交流侧主电路中的电感与电阻,vdc为直流侧电压,sd,sq为开关函数的dq轴分量,C为直流电容,RL负载电阻;
定义所述交流侧电感L与直流侧电容C为:
式中,Em为电网相电动势,Ts为开关周期,vdc为直流电压,Im为交流基波相电流,Δimax为电流最大允许脉动量,取20%Im,Timax为最大惯性时间常数,ΔPL,max为负载功率最大变化量,Δvdc,max为直流电压最大变化量,为限定直流电压上升时间,RLe为额定直流负载电阻,Idm为额定直流电流,vd0为直流电压稳态最低值,vde为直流电压额定值;
在控制中引入PI控制器,将所述PI控制器的增益参数定义为:
其中,Ts为PWM开关周期,KPWM为整流桥等效增益,与调制方式有关,KP、KI分别是PI调节器的比例环节和积分环节的增益系数;
将控制环的闭环传递函数简化为一个惯性环节:
5.如权利要求3所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:所述本地层面的控制原理包括一次调压控制和二次调压控制。
6.如权利要求5所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:所述一次调压控制包括,
建立下垂方程,归一化方程及经过归一化后的下垂方程为::
Pac1=P1+Pdc1
控制交流侧归一化电压与直流侧归一化电压相等,即:
……
定义各条线路的直流归一化电压相等,为:
联立以上式子,经过本地层面控制的一次调压后,可以得到:
其中,N表示有N个配网柔性互联,Z1,...,Zn分别为第1,...,n个配网的线路阻抗,P1,...,Pn分别为第1,...,n个配网的负载功率,Vac1,...,Vacn分别为第1,...,n个配网的线路末端电压,Pc1,...,Pcn分别为第1,...,n个配网的交直流变换器传递的有功功率,Qc1,...,Qcn分别为第1,...,n个配网的交直流变换器传递的无功功率,Pdc为直流源或荷的功率。
8.如权利要求3所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:所述***层面的控制原理包括,
根据***采集的各节点的电压信息及功率信息,通过智能算法的检索,计算得到***的最优运行状态。
9.如权利要求8所述的柔性钻石型配电柔性互联变换器分层分布式控制方法,其特征在于:还包括,
根据一般数学模型建立实际问题的数学模型,所述一般数学模型为:
min f=f(x,u)
{s.t.g(x,u)=0
h(x,u)≤0
其中,f(x,u)是目标函数,g(x,u)和h(x,u)分别为等式约束和不等式约束,x、u分别为控制变量和状态变量。
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