面向直流配网多节点功率均分的多线间直流潮流控制器调控方法和系统

本发明涉及电气工程，具体地，涉及一种面向直流配网多节点功率均分的多线间直流潮流控制器调控方法和系统。

背景技术：

1、自微网的概念被提出以来，欧美、日本、中国等先后针对交流微网展开了控制方案和运行特性的研究以及示范性工程的建设。相较之下，直流微网的研究起步较晚，然而随着直流型电源和负荷的广泛应用，直流微网在新一代电网中的优势逐渐突显。实际中，采用直流微网的配电形式已在数据中心、船用系统、电动汽车等领域得到成功应用，均体现出直流微网系统效率高、供电可靠性高、经济性高等优点。

2、为了实现灵活的互联功率控制并提高运行可靠性，可以通过线路连接集群中的多个直流子网，这样就形成了一个直流混合微电网群落。功率均分是当代交直流混合微电网研究中的一个重要课题，其可以实现每个子网的输出功率都与其最大功率成比例，从而提高微网系统的可靠性。在直流子网中，各个变换器通过电压-功率(vdc-pdc)下垂控制器连接到直流母线，从而实现输出功率与每个电源最大功率率成正比的功率均分。同样，在交流子网中，不同的交流源通过频率-有功功率(fac-pac)下垂控制器进行调节，以实现有功功率均分。

3、但是现有对直流微网功率均分的研究较少，多集中于交流微电网或交直流混合微电网，主要通过改变端口变换器的控制策略实现功率均分，面对新型电力系统对可再生能源的随机性，其具有难以快速响应功率波动，调控自由度、灵活性较低的缺陷。

4、针对上述问题，提出了通过在直流配网中加入新型电力电子装置—直流潮流控制器，实现直流配网间的功率均分。该方法不仅拓展了直流潮流控制器的应用场景，而且为直流微网中实现功率均分提出高效可靠、灵活调控的方法。

5、文献(鲍薇,胡学浩,李光辉,等.提高负荷功率均分和电能质量的微电网分层控制[j].中国电机工程学报,2013,33(34):106-114+18.)由于微网中线路阻抗以及负荷分布不均等因素的影响，采用同步电压源控制的微网中各分布式电源的无功功率无法按照下垂系数进行均分。该文针对基于同步电压源控制的微电网，提出一种基于不同时间尺度的分层控制策略，在较短时间尺度内，利用增大下垂系数法的一次控制提高功率均分的精度；在较长时间尺度内，利用二次控制调整下垂特性曲线的空载频率和电压，从而提高系统的电压和频率质量。该文提出的控制算法能够在提高功率均分精度的同时，保证系统的电压和频率质量，且适用于各种拓扑结构的微电网。最后，通过pscad/emtdc数字仿真验证了控制策略的有效性。该文献提出了在交流微网中考虑线路阻抗和本地负荷的一种功率均分分层控制策略，实现了无功功率按下垂系数进行均分。但其仅仅涉及交流微网中的无功功率均分，本方案第一次在直流微网中考虑功率均分，将功率均分概念扩展到直流微电网。

6、文献(边竞,李国庆,金儒孔,等.多端口线间直流潮流控制器及控制策略优化[j].中国电机工程学报,2020,40(12):3980-3990.doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.190564.)针对目前的线间直流潮流控制器大多仅能控制1条线路的潮流以及难以拓展的问题，提出一种基于mmc的多端口线间直流潮流控制器(multiportinterlinedcpowerflow controller,mi-pfc)。首先，分析安装多端口dcpfc的必要性，并提出mi-pfc的拓扑结构，将其划分为直流通路和交流通路；其次，详细分析该直流潮流控制器的工作原理，主要包括潮流控制和自身功率平衡，基于此设计mi-pfc控制策略，并以桥臂电压差值最小为目标对控制策略进行优化；最后，在pscad/emtdc仿真软件中搭建四端柔性直流电网，通过mi-pfc启动、控制策略对比和某一换流站功率跌落3种工况，验证mi-pfc能够控制多条线路潮流、无需预充电以及具有良好的动态响应能力。该文献提出了一种基于mmc的多端口线间直流潮流控制器，实现了在四端柔性直流电网中多条线路潮流的调控，但其应用场景为400kv直流输电网，而本方案将直流潮流控制器的应用场景拓展到直流配电网，将直流潮流控制器的应用从简单的潮流调控提升到提高系统灵活性层面，丰富了直流潮流控制器的发展前景。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向直流配网多节点功率均分的多线间直流潮流控制器调控方法和系统。

2、根据本发明提供的面向直流配网多节点功率均分的多线间直流潮流控制器调控方法，包括：

3、步骤1：在给定的直流配网中，通过架设直流潮流控制器调控各直流微网的直流母线电压一致，从而实现功率均分；

4、步骤2：建立整个微网系统的稳态方程，计算其稳态运行点的数值解，对其进行稳定性分析。

5、优选地，所述功率均分具体实现过程为：通过在直流线路中接入电容，从而跨接在直流微网群的线路中，通过控制电力电子开关的通断来实现能量在线路电容中的交换，通过功率均分控制策略，定量改变线路传输功率，从而实现直流配网的功率均分。

6、优选地，所述步骤1包括：

7、在直流微网中，通过v-p下垂策略控制直流母线电压，该下垂特性如下所示：

8、vdci＝vdcmax-kipdci， i＝1,2,3  (1)

9、其中，vdcmax表示直流微网的最大输出电压；vdci表示表示第i个直流微网的母线电压；pdci表示表示第i个直流微网的输出功率；

10、ki表示下垂系数，定义如下：

11、ki＝(vdcmax-vdcmin)/pdcimax  (2)

12、其中，vdcmin表示直流微网的最小输出电压；pdcimax表示直流微网的最大输出功率；

13、通过将各直流母线电压调节至相同水平来实现直流配网中的功率均分，推导过程如下：

14、

15、

16、从而得到：

17、vdc1＝vdc2＝vdc3  (5)

18、其中，a表示每个直流微网输出功率与最大功率的比值。

19、优选地，所述步骤2包括：

20、在稳态工作点进行分析，直流潮流控制器的开关占空比分别为d1、d2、d3，关系如下：

21、d1+d2+d3＝1  (6)

22、设vc1是电容ci的电压，i＝1,2,3，则根据伏秒平衡原理，电感电流的积分值为零，有以下公式：

23、(vc1d1+vc2d2+vc3d3)ts＝0  (7)

24、其中，ts是开关周期；

25、根据电容上的安秒平衡得到如下关系式：

26、(ii-il)dits+ii(1-di)ts＝0  (8)

27、其中，ii是线路i的电流，il是电感电流的平均值；

28、化简式(8)得到：

29、ii＝ildi  (9)

30、将式(9)代入式(7)得直流潮流控制器内部的能量转移方程：

31、vc1i1+vc2i2+vc3i3＝0  (10)

32、不计线路损耗，考虑整体负荷有如下功率平衡表达式：

33、

34、其中，ploadi表示第i个直流微网的本地负荷。

35、优选地，对功率均分控制策略进行分析，具体为：

36、计算直流微网母线电压的平均值，作为参考值，表达式如下：

37、vavg＝(vdc1+vdc2+vdc3)/3  (12)

38、vdc1、vdc2与参考值做差后通过pi控制器产生内环电容c1、c2的电压vc1与vc2的参考值，之后产生对应的占空比，在稳态时输入与参考值被反馈控制到零，即：

39、vdc1＝vdc2＝vavg  (13)

40、将式(12)代入式(13)得到：

41、vdc1＝vdc2＝vdc3  (14)

42、根据式(5)可知，在稳态时，控制回路实现直流微网间的功率均分。

43、根据本发明提供的面向直流配网多节点功率均分的多线间直流潮流控制器调控系统，包括：

44、模块m1：在给定的直流配网中，通过架设直流潮流控制器调控各直流微网的直流母线电压一致，从而实现功率均分；

45、模块m2：建立整个微网系统的稳态方程，计算其稳态运行点的数值解，对其进行稳定性分析。

46、优选地，所述功率均分具体实现过程为：通过在直流线路中接入电容，从而跨接在直流微网群的线路中，通过控制电力电子开关的通断来实现能量在线路电容中的交换，通过功率均分控制策略，定量改变线路传输功率，从而实现直流配网的功率均分。

47、优选地，所述模块m1包括：

48、在直流微网中，通过v-p下垂策略控制直流母线电压，该下垂特性如下所示：

49、vdci＝vdcmax-kipdci， i＝1,2,3  (1)

50、其中，vdcmax表示直流微网的最大输出电压；vdci表示表示第i个直流微网的母线电压；pdci表示表示第i个直流微网的输出功率；

51、ki表示下垂系数，定义如下：

52、ki＝(vdcmax-vdcmin)/pdcimax  (2)

53、其中，vdcmin表示直流微网的最小输出电压；pdcimax表示直流微网的最大输出功率；

54、通过将各直流母线电压调节至相同水平来实现直流配网中的功率均分，推导过程如下：

55、

56、

57、从而得到：

58、vdc1＝vdc2＝vdc3  (5)

59、其中，a表示每个直流微网输出功率与最大功率的比值。

60、优选地，所述模块m2包括：

61、在稳态工作点进行分析，直流潮流控制器的开关占空比分别为d1、d2、d3，关系如下：

62、d1+d2+d3＝1  (6)

63、设vc1是电容ci的电压，i＝1,2,3，则根据伏秒平衡原理，电感电流的积分值为零，有以下公式：

64、(vc1d1+vc2d2+vc3d3)ts＝0  (7)

65、其中，ts是开关周期；

66、根据电容上的安秒平衡得到如下关系式：

67、(ii-il)dits+ii(1-di)ts＝0  (8)

68、其中，ii是线路i的电流，il是电感电流的平均值；

69、化简式(8)得到：

70、ii＝ildi  (9)

71、将式(9)代入式(7)得直流潮流控制器内部的能量转移方程：

72、vc1i1+vc2i2+vc3i3＝0  (10)

73、不计线路损耗，考虑整体负荷有如下功率平衡表达式：

74、

75、其中，ploadi表示第i个直流微网的本地负荷。

76、优选地，对功率均分控制策略进行分析，具体为：

77、计算直流微网母线电压的平均值，作为参考值，表达式如下：

78、vavg＝(vdc1+vdc2+vdc3)/3  (12)

79、vdc1、vdc2与参考值做差后通过pi控制器产生内环电容c1、c2的电压vc1与vc2的参考值，之后产生对应的占空比，在稳态时输入与参考值被反馈控制到零，即：

80、vdc1＝vdc2＝vavg  (13)

81、将式(12)代入式(13)得到：

82、vdc1＝vdc2＝vdc3  (14)

83、根据式(5)可知，在稳态时，控制回路实现直流微网间的功率均分。

84、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

85、(1)构建了直流潮流控制器接入电网的新方式，首次将直流潮流控制器应用于配电系统，拓展了直流潮流控制器的应用场景；稳定控制的直流微网功率能够作为直流系统优化运行的可靠依据，可促进网状多端直流配电系统不断发展；

86、(2)基于多个直流子网的下垂特性，实现负载功率按最大功率的分配，从而提高微网系统的可靠性，延长微网系统的寿命；通过直流微网间的功率均分，可有效避免某一直流微网过载的情况出现，提高了直流配网系统的稳定性与可靠性；通过直流微网间的协调控制，可有效促进高比例新能源的并网消纳，亦可避免某线路过负荷；

87、(3)实现功率均分的同时，理论上可减少微网群间的能量传输至零，实现能量的直接传递、减小线路损耗，满足不同的潮流运行工况及潮流调控需求，增加系统潮流调控的灵活性。