一种计及功率裕度的柔性配电网换流器模糊下垂控制方法

摘要

本发明公开了一种计及功率裕度的柔性配电网换流器模糊下垂控制方法，它包括：根据电压偏差和功率裕度实时优化更新下垂系数，通过在馈线之间分配不平衡功率以维持直流电压稳定，并确保传输功率在功率裕度内，降低换流器容量过载的风险，实现系统的稳定运行；实现了不平衡功率在换流器之间合理分配，提高配电网的设备利用率及运行可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于柔性配电网控制技术领域，尤其涉及一种计及功率裕度的柔性配电网换流器模糊下垂控制方法。

技术背景

随着分布式发电(distributed generation，DG)接入量的不断增加，电动汽车的快速普及，可控负荷的持续增多，现有的配电网架构已经很难满足用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。柔性配电网(Flexible Distribution Network，FDN)具有较高的供电可靠性和潮流控制能力，在面对大规模DG并网及负荷投切时具有良好的协调控制能力。

“智能直流配电中心(Smart DC Distribution Centre,Smart DDC)”形成柔性互联的城市配电网闭环运行模式，实现多回10kV线路的柔性互联，保证多回10kV线路之间功率互济。可以实现交直流混合、闭环供电、潮流可控、分布式电源和储能设备柔性接入。在面对大规模DG间歇性出力波动和负荷投切时具有良好的协调控制能力，不仅可以实现交直流负荷和分布式电源的灵活接入，而且可以做到交直流微电网子系统之间、多个交流配电线路之间的功率控制。

传统下垂控制面对DG出力间歇性、波动性以及负荷投切时难以应对。DG出力变化使馈线上各负荷节点的电压偏高或者偏低，面对大规模光伏接入的情况下，甚至会导致电压偏差超过安全运行的技术指标。固定的下垂系数在系统遭遇不平衡功率时存在电压偏差和换流器功率裕度不能同时顾及的问题，功率波动和电压质量相互影响，严重时会导致系统运行失稳。而选择合适的下垂系数可使系统运行时有良好的电压质量以及功率分配特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种计及功率裕度的柔性配电网换流器模糊下垂控制方法，以解决现有技术传统下垂控制在系统遭遇不平衡功率时存在电压偏差和换流器功率裕度不能同时顾及的问题，功率波动和电压质量相互影响，严重时会导致系统运行失稳等技术问题。

本发明技术方案：

一种计及功率裕度的柔性配电网换流器模糊下垂控制方法，它包括：根据电压偏差和功率裕度实时优化更新下垂系数，通过在馈线之间分配不平衡功率以维持直流电压稳定，并确保传输功率在功率裕度内，降低换流器容量过载的风险，实现系统的稳定运行。

所述根据电压偏差和功率裕度实时优化更新下垂系数的方法包括：

步骤1、建立基于DDC的分布式电源并网模型，在实现直流侧光伏电源的大规模接入；其中2条交流馈线通过隔离变压器与VSC换流器相连，DDC的电压等级为±10kV；

步骤2、在步骤1的基础上对换流器进行选择；

步骤3、对在传统下垂控制的基础上引入模糊下垂控制；

步骤4、在每个采样周期的起始点,分别采样(n+1)台MMC的三相输出电压u

步骤5、将三相输出电压u

步骤6、根根据得到的αβ坐标系下的电压u

步骤7、根据直流电压U

步骤8、利用换流器自身最大功率值和下垂控制中给定功率值计算换流器功率裕度；

步骤9、根据传统下垂控制中下垂系数与直流电压偏差量的关系，得到下垂系数对两者的影响；

步骤10、以直流电压偏差和换流器功率裕度为模糊控制的输入，下垂系数为输出。在MATLAB中建立电压偏差、功率裕度和下垂系数的模糊集；

步骤11、利用Z形隶属度函数和三角形隶属度函数对输入进行模糊化以及对输出进行解模糊；

步骤12、对隶属度函数中的参数进行选取，到单个模糊子集的范围，即每个子集a、b、c值的大小；

步骤13、根据换流器功率裕度、直流电压偏差建立模糊推理规则库得到模糊逻辑推理表；

步骤14、利用上述步骤得到的参数建立模糊规则，利用直流电压偏差量和换流器功率裕度的大小得到相应的自适应下垂系数。

MMC换流器的数学模型为：

式中：U

直流电压偏差的计算公式为；

式中：U

ΔP＝P

式中：P

率裕度和下垂系数的模糊集为：零、正小、正中、正中大、正大；电压裕度的模糊集为：负大、负中大、负中、负小、零、正小、正中、正中大、正大。Z形隶属度函数表示形式：

Z形隶属度函数a、b值为，a＝-0.04、b＝-0.02；

三角形隶属度函数表示形式：

隶属度函数中的参数a、b、c按照偏差范围以及模糊子集的个数进行选取用输入输出的总的范围除以模糊子集的个数可得到单个模糊子集的范围；三角形隶属度函数a、b、c，a＝-0.04，b＝-0.02，c＝-0.01。

本发明有益效果：

本发明以柔性配电网为背景，在DDC的基础上实现了分布式电源的集中接入。同时在保证换流器功率裕度的情况下，实现下垂系数的自适应控制以维持直流电压稳定、降低换流器容量越限的风险；实现不平衡功率在换流器之间合理分配，提高配电网的设备利用率及运行可靠性。

附图说明：

图1为本发明的基本原理拓扑框图；

图2位换流器拓扑结构；

图3为本发明的控制框图；

图4-6为模糊为模糊控制输入和输出；

图7为模糊逻辑推理图；

图8-12为具体实施方式场景1下的仿真图；

图13-17为具体实施方式场景2下的仿真图。

具体实施方式：

下面结合附图及实例对本发明做进一步说明。

图1为基于DDC的交直流混合配电网系统拓扑结构，其中2条交流馈线通过隔离变压器与VSC换流器相连，DDC的电压等级为±10kV。且本发明的仿真模型是按照该框图搭建出来的；图中直流侧包括光伏电站、直流负荷。模块化多电平换流器MMC是近年来应用于HVDC和MTDC的VSC热门拓扑之一，考虑到MMC采用最近电平逼近调制(Nearest LevelModulation,NLM)的调制方式，可减少开关频率、降低损耗，并且输出电压波形电能质量较高，因此采用MMC换流器；

图2所示为MMC拓扑结构，如：其桥臂是采用子模块(SM)级联方式连接，即多个SM和一个电抗器串联组成。MMC通过增加SM投入的个数来提高换流器容量和电压等级；

图3所示为计及功率裕度的FDN模糊下垂控制策略，以上图中MMC1中的模糊下垂控制为例进行分析，其中U

计及功率裕度的FDN模糊下垂控制策略，实现下垂系数的自适应控制，其特征在于，直流电压偏差的计算；

式中：U

功率裕度的计算；

ΔP＝P

式中：P

模糊集的确定。

其中率裕度和下垂系数的模糊集为：零、正小、正中、正中大、正大；电压裕度的模糊集为：负大、负中大、负中、负小、零、正小、正中、正中大、正大。

Z形隶属度函数表示形式：

三角形隶属度函数表示形式：

隶属度函数中的参数a、b、c可以按照偏差范围以及模糊子集的个数进行选取也可以根据经验进行选取，用输入输出的总的范围除以模糊子集的个数可得到单个模糊子集的范围。Z形隶属度函数a、b值为，a＝-0.04、b＝-0.02；三角形隶属度函数a、b、c，a＝-0.04，b＝-0.02，c＝-0.01。

图4-6为模糊控制中两端输入、一端输出，输入为：直流电压偏差和换流器功率裕度，输出为下垂系数；

图7为模糊逻辑推理图，模糊逻辑推理图利用MATLAB根据模糊逻辑推理表得出；

图8-12为场景1下运行情况仿真图；

PV1、PV2出力、直流侧负荷不发生波动；其中PV1出力2MW、PV2出力为1MW，直流负荷为6MW，系统处于稳定状态。直流母线电压为20kV；两端换流器传输功率按参考功率传输，系统稳定运行。

在此背景下，考虑直流负荷在1s时增加4MW，光能出力增加2MW的情况。此时直流负荷突然增大导致系统送端的功率小于受端所需功率，直流母线电压逐渐下降。在1s前，换流器按照给定功率命令运行，直流母线电压保持不变。

图8为1.5s时PV1出力波动，图10、11为1s时直流负荷增加4MW、1.5s时PV1出力增加2MW后的功率传输大小。其中红色代表传统下垂控制，蓝色代表基于模糊规则的下垂控制。由仿真结果可以看出功率裕度较大的MMC2承担较多的不平衡功率。当检测到直流电压发生偏差时，如图12所示，MMC2的下垂系数迅速上升以稳定直流电压。1.18s左右，电压偏差减小下垂系数降低最终稳定在16左右，MMC2承担3.4MW左右的不平衡功率。MMC1下垂系数稳定在2.6左右并承担0.6WM的不平衡功率。1.5s时，分布式电源出力增大2MW，直流电压偏差降低至更低，下垂系数降低稳定在1.6。MMC1承担0.42MW的、MMC2承担1.5MW的功率，直流电压最终稳定在19.98kV左右如图9所示。

图13-17为场景2下运行情况仿真图；

在系统保持稳态的前提下，考虑PV1、PV2出力发生波动直流母线电压开始上升的情况。在1s前，换流器按照给定功率命令运行，直流母线电压保持在20kV左右。

1s时，PV1出力增大3MW时，直流电压发生波动逐渐上升如图13所示。下垂系数迅速上升以稳定直流电压，0.1s后，电压偏差减小。MMC2下垂系数逐渐降低最终稳定在14左右,并承担2.1MW的不平衡功率。MMC1下垂系数稳定在5左右并承担0.82MW左右的不平衡功率；由图15、16可以看出，传统下垂控制由于不平衡功率一直存在，导致直流母线电压持续降低反过来影响控制系统，会导致换流器的功率输送发生振荡。

1.5s时，PV1出力减少2WM。此时直流电压在原来的基础上降低，电压偏差减少，下垂系数降低分别保持在2和8左右，由功率裕度较大的MMC2承担较大的不平衡功率；2s时，PV2出力减少1WM，直流电压逐渐趋近于20kV，电压偏差逐渐减少至0.003以内，由图17可以看出，下垂系数最终维持在1.6，如图14所示，直流电压保持在19.94kV。

仿真结果显示，当直流侧功率快速变化时，基于模糊控制的下垂系数可以迅速响应，将不平衡功率在两条馈线之间迅速合理分配，使电压保持在合理的范围内。而传统控制下的换流器在传送的功率发生改变后会试图返回原来的工作点，但由于不平衡功率一直存在，这样会导致直流母线电压持续降低反过来影响控制系统，进而影响系统稳定性。可以看出传统下垂控制的换流器传输功率时按照固定的下垂系数进行分配时，并未考虑到功率裕度，易导致传输功率超出换流器额度。

表1为模糊逻辑推理表：

表1 模糊逻辑推理表

根据换流器功率裕度、直流电压偏差建立模糊推理规则库得到表1所示模糊逻辑推理表。其大致规则为：当直流电压偏差较大而功率裕度也较大时，则输出较大的下垂系数以维持电压稳定。当电压偏差和功率裕度为零时，则保持在固定下垂系数Kdrp不变。