中压交直流系统中母线电压的控制方法及其系统与流程

本发明涉及电力系统，具体地，涉及中压交直流系统中母线电压的控制方法及其系统。

背景技术：

1、中压交直流系统是指电压等级介于1kv至35kv之间、同时包含交流和直流供电环节的电力系统。该类系统通过电力电子换流设备实现交直流电能的双向转换与协同控制，兼具传统交流配电的成熟性和直流输电的高效性。随着分布式可再生能源的规模化接入以及数据中心、电动汽车充电站等直流负荷的快速增长，中压交直流系统在多电压等级电能变换、新能源汇集与消纳等方面展现出显著优势，已成为未来电网发展的重要方向。

2、中压交直流系统的稳定运行依赖于直流母线电压的可靠控制。由于系统中大量接入的电力电子变换器常表现为恒功率负载特性，其负阻抗效应易导致母线电压振荡甚至失稳。同时，系统结构复杂，存在多个端口、多个电压等级和多种运行方式，给电压控制带来了困难。其本质矛盾在于低惯性电力电子设备的高频动态响应能力与复杂故障工况的鲁棒性要求之间的失衡。当交流侧发生电压跌落等故障工况时，如何维持直流母线电压的稳定是中压交直流系统亟需解决的关键问题。

3、现有的中压交直流系统母线电压控制方法主要分为以下几类。一是通过换流器的直接电压控制策略（如双闭环控制）或下垂控制策略调节直流母线电压，或采用下垂控制（droop control）模拟同步发电机特性，根据直流电压偏差调整功率输出。二是利用电池、超级电容等储能设备的充放电来平抑功率波动，维持母线电压稳定。三是采用dc/dc变换器调节直流电压等级，适用于多电压等级直流系统。四是通过直流断路器与限流器快速切除故障或限制短路电流，防止电压崩溃。

4、上述现有技术在多数运行工况下能够实现母线电压的基本控制，但仍存在不足。当中压交直流系统交流电网的电压跌落等故障时，电力电子变换器可能因控制能力受限而无法有效维持直流母线电压。此外，当系统出现部分故障时，例如直流母线电压偏离且电池荷电状态超出充放电阈值时，储能系统将无法进行充放电，此时依赖储能设备维持母线电压的控制策略将失效。在上述工况下，现有控制方法难以保证直流母线电压的持续稳定，影响了整个系统的运行可靠性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种中压交直流系统中母线电压的控制方法及其系统，该方法通过对交流侧电网电压进行正序分量分析以获取电压跌落程度，并基于电压跌落深度对交流电网运行状态进行自适应判断，在不同运行状态下实现模块级联变流器与多个功率变换单元之间的控制权动态切换。

2、在交流电网正常运行状态下，由模块级联变流器承担直流母线电压的主控制；当检测到电网电压发生跌落时，解除模块级联变流器的主控制能力并触发协调控制模式，使储能双向dc/dc变换单元与低压dc/ac变换单元进入对等式协同控制状态，从而实现多功率变换单元对直流母线电压的分布式支撑。在该协调控制过程中，各功率变换单元通过电压偏差控制结构独立生成电流控制指令，并结合运行状态约束对电流指令进行修正，以适应储能装置充放电能力变化及运行限幅约束。

3、当储能双向dc/dc变换单元具备充放电条件时，由其优先承担直流母线电压控制；当其不具备充放电条件时，由低压dc/ac变换单元自动接管控制功能，从而实现控制功能的无缝迁移。在电网电压恢复至正常范围后，系统控制权重新切换至模块级联变流器，实现运行模式的平滑回归。

4、通过上述技术方案，本发明能够在电网电压跌落及储能受限等复杂工况下，实现多功率变换单元之间的控制权自适应分配与无缝切换，有效避免单一控制单元失效导致的母线电压失稳问题，提高了中压交直流系统在故障工况下的动态稳定性与供电可靠性，同时降低了对集中式控制器的依赖，增强了系统的鲁棒性与工程实现灵活性。

5、第一方面，本发明提供了一种中压交直流系统中母线电压的控制方法，所述方法包括：

6、采集中压交直流系统交流电网电压，并根据其正序分量计算正序电压跌落深度m，m为电压跌落期间正序电压幅值与正常运行时正序电压幅值的比值；

7、将m与预设阈值进行比较：当m不小于所述预设阈值时，由模块级联变流器对直流母线电压进行主控制，否则解除模块级联变流器的主控制能力，将直流母线电压控制权在至少两个功率变换单元之间进行对等式分配，功率变换单元至少包括储能双向dc/dc变换单元和低压dc/ac变换单元；

8、在各功率变换单元的控制器中分别设置偏差控制结构，偏差控制结构包括串联的上偏差pi控制器和下偏差pi控制器，上偏差pi控制器用于产生积分限幅以约束所述下偏差pi控制器的积分范围，下偏差pi控制器用于生成电流参考指令，偏差控制结构还用于对电流参考指令进行运行状态约束修正；

9、当储能双向dc/dc变换单元具备充放电条件时，由其优先承担直流母线电压控制，否则由低压dc/ac变换单元接管控制；

10、基于修正后的电流参考指令控制对应功率变换单元以调节直流母线电压；

11、当m恢复至不小于预设阈值时，模块级联变流器恢复对直流母线电压的主控制，功率变换单元退出控制。

12、第二方面，本发明还提供了一种中压交直流系统中母线电压的控制系统，所述系统包括：

13、电压检测模块，用于采集中压交直流系统交流电网电压，并根据其正序分量计算正序电压跌落深度m，m为电压跌落期间正序电压幅值与正常运行时正序电压幅值的比值；

14、模式判定模块，用于将m与预设阈值进行比较：当m不小于预设阈值时，由模块级联变流器对直流母线电压进行主控制，否则解除模块级联变流器的主控制能力；

15、对等式分配模块，用于在解除模块级联变流器的主控制能力后，将直流母线电压控制权在至少两个功率变换单元之间进行对等式分配，功率变换单元至少包括储能双向dc/dc变换单元和低压dc/ac变换单元；

16、偏差控制结构，设置于各功率变换单元的控制器中，包括串联的上偏差pi控制器和下偏差pi控制器，上偏差pi控制器用于产生积分限幅以约束下偏差pi控制器的积分范围，下偏差pi控制器用于生成电流参考指令，偏差控制模块还用于对电流参考指令进行运行状态约束修正；

17、切换控制模块，用于当储能双向dc/dc变换单元具备充放电条件时，控制其优先承担直流母线电压控制，否则控制低压dc/ac变换单元接管控制；

18、功率控制模块，用于基于修正后的电流参考指令控制对应功率变换单元以调节直流母线电压；

19、恢复控制模块，用于当m恢复至不小于预设阈值时，控制模块级联变流器恢复对直流母线电压的主控制，并控制功率变换单元退出控制。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、第一，通过采用对等式的协调控制策略，将直流母线电压控制权在储能双向dc/dc变换单元和低压dc/ac变换单元之间进行切换，避免了现有技术中单一依赖储能双向dc/dc变换单元兜底所带来的可靠性缺陷，当储能双向dc/dc变换单元不具备充放电条件时，低压dc/ac变换单元能够无缝接管母线电压控制，从而保证中间母线电压的稳定，大大提高了系统的可靠性；

22、第二，通过在储能双向dc/dc变换单元的电流内环中引入基于电池荷电状态标志位fsoc和放电电流标志位fidc的切换系数|(fsoc+fidc)/2|，使储能双向dc/dc变换单元在无法充放电时自动退出母线电压控制，无需复杂的中央控制器逻辑，即可实现直流母线电压控制权在储能双向dc/dc变换单元与低压dc/ac变换单元之间的自主切换，易于实现、可靠性强；

23、第三，通过对正序电压跌落深度m的实时检测与分段响应，配合双设备冗余机制及负序电流抑制控制措施，保证注入电网电流的对称性，保障直流母线电压的稳定，使系统在交流电网电压跌落等复杂故障工况下仍能保持直流母线电压的稳定控制；

24、第四，在不增加系统控制复杂度前提下，各功率变换单元控制器独立工作，控制结构清晰，易于工程实现，适合在现有中压交直流系统中推广应用。

25、需要说明的是，现有技术中也存在采用自抗扰控制方案（adrc）通过降阶eso观测器实时观测系统总扰动进行主动补偿的技术路径，但该方案存在观测器设计复杂（eso增益参数需频域整定）、高频噪声敏感（易受开关噪声干扰）等局限性，在实际工程应用中受到较大限制。相比之下，本发明所提出的串联双pi偏差控制方案无需复杂的观测器设计，控制结构简单、工程实现便捷，且在开关噪声环境下具有更好的稳定性。