一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统稳定性技术领域，尤其涉及一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法及系统。


背景技术：

2.配电网作为电力系统的重要组成部分，承担着将电能分配给广大电力用户的关键角色。传统交流配电系统面临线损高、电能质量扰动、电压跌落等一系列问题，难以满足电力用户日益增长的电力需求；交直流混合配电网中直流部分不存在同步问题，可以有效隔离交流侧扰动和故障，保证高可靠性供电。在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网是未来配电网的发展趋势。
3.然而目前交直流混合配电网仍处于发展过渡阶段，可能发生一些低频振荡问题，目前已有某些交直流配电网在运行试验中，出现了直流侧电压低频振荡的现象，而实际运行过程中交直流混合配电网网架结构将会更加复杂，同时也将包含数量更多的电能变换器件，如果发生振荡问题，将会导致严重的系统安全问题，给电力用户生产生活造成不利后果。因此，需要在交直流配电网现有控制器的基础之上，增加附加控制环节来抑制低频振荡。
4.低频振荡产生的主要原因是由于系统的弱阻尼和负阻尼引起的，针对这些低频振荡增加的附加控制器往往用来提升系统的正阻尼。目前，用于低频振荡的附加控制方法有一次系统控制方法和二次系统控制方法。一次系统控制方法有增强系统的网架结构和增加储能装置，然而均需要增加或修改物理部分的网架结构，实际实施过程中较为复杂。二次系统控制方法有基于柔性交流输电系统的facts装置，如静止无功补偿器、静止同步补偿器、静止同步串联补偿器等。然而，这些方法往往针对大规模互联电力系统，用于抑制区域间的低频振荡方法，而基于多端口交直流混合配电网低频振荡的抑制方法较少，多端口交直流混合配电网系统结构复杂，装备众多，包含电力电子变压器、逆变器、dc
‑
dc变换器等多种装备，控制方法多样，设计附加控制器时输入输出选取较为困难，确定附加控制器的形式具有挑战。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法及系统，提高交直流配电网的阻尼，抑制低频振荡，从而提高系统的稳定性。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法，包括以下步骤：
7.s1、在交直流配电网h(s)的三相buck电路环节的控制器上配置振荡抑制附加控制器g(s)；
8.s2、确定附加控制器g(s)中的相位补偿环节的配置参数α1和t1、信号过滤环节的时间常数t
w
、信号的增益系数k；
9.s3、将振荡信号通过附加控制器g(s)叠加至buck控制器电流内环上。
10.进一步地，步骤s1中，附加控制器g(s)包括增益环节、信号过滤环节和相位补偿环节，传递函数可表示为：
[0011][0012]
式中，k为增益环节的增益系数，它决定了为系统提供阻尼的大小，为信号过滤环节，t
w
为高通滤波器的时间常数，为相位补偿环节，α1表示单级超前环节的强度，t1为单级超前环节的时间常数。
[0013]
进一步地，信号过滤环节为高通滤波器，用于过滤不必要的低频信号，相位补偿环节采用多级相位超前补偿(级数m＝1,2,
…
)，用于补偿控制器带来了系统的相位滞后。
[0014]
进一步地，步骤s2中，确定相位补偿环节的配置参数α1和t1，确定信号过滤环节的时间常数t
w
，确定信号的增益系数k，具体步骤如下：
[0015]
系统的特征方程为：
[0016]1‑
g(s)h(s)＝0(2)
[0017]
其中，h(s)为多端口交直流配电网传递函数，如果s＝s1是上述特征方程的根，则应满足下述两个条件：
[0018]
幅值条件
[0019][0020]
相角条件
[0021][0022]
由式(3)和(4)可知，当s＝s1时，h(s1)g(s1)的相角为零，即
[0023]
θ
p
＝
‑
θ
h
(5)
[0024]
式(5)中，θ
p
为附加控制器的相角，θ
h
为多端口交直流混合配电网的相角，即附加控制器具有的超前相角应与多端口交直流混合配电网滞后相角相等；
[0025]
若θ
h
已知，如果采用m级超前环节进行补偿，补偿相角为θ
h
/m，则由超前环节基本公式可得其参数：
[0026][0027][0028]
式(7)中，ω
d
为系统方程特征根的虚部，由式(6)和(7)可以计算得到单级相位超前环节的参数，高通滤波环节的时间常数t
w
通常取3～5，因此稳定器传递函数g(s)除增益环节外均已知，将已知的参数代入式(1)得到含增益k的稳定器传递函数，再由幅值条件(3)可以计算得到k的值如下：
[0029]
[0030]
式(8)中，k
h
为多端口交直流混合配电网传递函数h(s)的幅值，由此可以得到附加控制器g(s)的所有参数。
[0031]
进一步地，步骤2中，计算附加控制器g(s)中两级相位超前补偿环节的参数，具体步骤如下：
[0032]
附加控制器g(s)端口处向外看系统的闭环传递函数的相位，经计算，系统方程的根近似为s1＝0.1 j25.5；
[0033]
端口交直流混合配电网系统的相位为
‑
97.9
°
，即附加控制器需要补偿的相角为97.9
°
；
[0034]
若采用两级相位补偿环节，每级补偿环节所补偿的相角相等，即各级补偿环节均补偿49
°
的相角，则各级补偿环节参数为：
[0035][0036]
因此，附加控制器相位补偿环节表达式为
[0037]
信号过滤环节为高通滤波器，其时间常数t
w
可以在3～5之间任取，本例中，时间常数取3，则高通滤波器表达式为
[0038]
附加控制器的增益环节由式(8)计算得到，原多端口交直流混合配电网模型的传递函数的幅值k
h
＝3.56，所以附加控制器增益系数计算式如下：
[0039][0040]
由式(10)可以得到增益环节系数；
[0041]
通过以上计算可得该实例中附加控制器的表达式为：
[0042][0043]
进一步地，步骤3中，振荡信号通过附加控制器g(s)叠加至buck控制器电流内环上，直流侧电压波形经过短暂的动态过程重新恢复稳定。
[0044]
本发明还提供了一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制系统，所述抑制系统采用如权利要求1
‑
6任一项所述的多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法；
[0045]
所述抑制系统包括交直流配电网h(s)和附加控制器g(s)；
[0046]
多端口交直流配电网h(s)包括chb控制器、dab控制器、三相buck电路和vsc控制器，在交直流配电网h(s)的三相buck电路环节的控制器上配置振荡抑制附加控制器g(s)，将振荡信号通过附加控制器g(s)叠加至三相buck电路电流内环上。
[0047]
进一步地，chb控制器为h桥级联的整流器，将10kv交流输入电压整流成2200v直流电压；
[0048]
dab控制器为隔离型dc
‑
dc变换器，将2200v直流电压降压至750v直流电压；
[0049]
三相buck电路将750v直流电压降压至375v直流电压；
[0050]
vsc控制器为三相逆变器，它将375v直流电压变成380v交流电后并网，其中低频振荡发生在375v直流侧。
[0051]
进一步地，三相buck电路采用电压外环和电流内环控制方式，采集该直流侧的振荡电压作为输入源，经过附加控制器g(s)，得到附加控制信号δi
s
，将该附加控制信号附加至buck电路控制器的电流比较环节。
[0052]
与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明通过在交直流配电网的三相buck电路环节的控制器上配置振荡抑制附加控制器；确定相位补偿环节的配置参数；确定信号过滤环节的时间常数；确定信号的增益系数；将振荡信号通过附加控制器叠加至buck控制器电流内环上，从而完成多端口交直流混合配电网中振荡信号的抑制，本发明无需附加额外的设备，操作方便，可以有效提高了交直流配电网的阻尼，抑制了低频振荡，提高了系统的稳定性，可以广泛应用到含电力电子变压器的交直流配电网中低频振荡的抑制。
[0053]
本发明基于多端口交直流混合配电网buck附加控制环节的低频振荡抑制方法，无需其他工程变更或改造，无需附加额外的机械设备，操作方便，工程实施成本低，实现简单，适用性广。
[0054]
本发明实现对多端口交直流混合配电网相位滞后的补偿，抑制功能全面。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]
图1为本发明实施例中多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法流程图；
[0057]
图2为本发明实施例中buck附加控制环节的低频振荡抑制系统示意图；
[0058]
图3为本发明实施例中多端口交直流混合配电网实例模型示意图；
[0059]
图4为本发明实施例中附加控制器接入前与接入后的低频振荡波形对比示意图。
具体实施方式
[0060]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0061]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0062]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0063]
如图1所示的多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法，包括以下步骤：
[0064]
s1、在交直流配电网h(s)的三相buck电路环节的控制器上配置振荡抑制附加控制器g(s)；
[0065]
s2、确定附加控制器g(s)中的相位补偿环节的配置参数α1和t1、信号过滤环节的时间常数t
w
、信号的增益系数k；
[0066]
s3、将振荡信号通过附加控制器g(s)叠加至buck控制器电流内环上。
[0067]
本发明实施例中，附加控制器一般性结构，步骤s1中，附加控制器g(s)包括增益环节、信号过滤环节和相位补偿环节，传递函数可表示为：
[0068][0069]
式中，k为增益环节的增益系数，它决定了为系统提供阻尼的大小，为信号过滤环节，本发明中信号过滤环节为高通滤波器，用于过滤不必要的低频信号，t
w
为高通滤波器的时间常数。为相位补偿环节，本发明中相位补偿环节采用多级相位超前补偿(级数m＝1,2,
…
)，用于补偿控制器带来了系统的相位滞后，其中α1表示单级超前环节的强度，t1为单级超前环节的时间常数。
[0070]
附加控制环节中的相位超前环节参数设计至关重要，在本发明实施例的步骤s2中，确定相位补偿环节的配置参数α1和t1，确定信号过滤环节的时间常数t
w
，确定信号的增益系数k，具体步骤如下：
[0071]
系统的特征方程为：
[0072]1‑
g(s)h(s)＝0
ꢀꢀ
(2)
[0073]
其中，h(s)为多端口交直流配电网传递函数，如果s＝s1是上述特征方程的根，则应满足下述两个条件：
[0074]
幅值条件
[0075][0076]
相角条件
[0077][0078]
由式(3)和(4)可知，当s＝s1时，h(s1)g(s1)的相角为零，即
[0079]
θ
p
＝
‑
θ
h
(5)
[0080]
式(5)中，θ
p
为附加控制器的相角，θ
h
为多端口交直流混合配电网的相角，即附加控制器具有的超前相角应与多端口交直流混合配电网滞后相角相等。
[0081]
若θ
h
已知，如果采用m级超前环节进行补偿，补偿相角为θ
h
/m，则由超前环节基本公式可得其参数：
[0082][0083]
[0084]
式(7)中，ω
d
为系统方程特征根的虚部，由式(6)和(7)可以计算得到单级相位超前环节的参数，高通滤波环节的时间常数t
w
通常取3～5，因此稳定器传递函数g(s)除增益环节外均已知，将已知的参数代入式(1)得到含增益k的稳定器传递函数，再由幅值条件(3)可以计算得到k的值如下：
[0085][0086]
式(8)中，k
h
为多端口交直流混合配电网传递函数h(s)的幅值，由此可以得到附加控制器g(s)的所有参数。
[0087]
本发明优选实施例中，步骤2中计算了附加控制器g(s)中两级相位超前补偿环节的参数，具体步骤如下：
[0088]
由式(5)可知，要确定附加控制器所需要补偿的相角，应首先计算出原多端口交直流混合配电网模型的相位，如图3所示，附加控制器g(s)端口处向外看系统的闭环传递函数的相位，经计算，系统方程的根近似为s1＝0.1 j25.5，该实例端口交直流混合配电网系统的相位为
‑
97.9
°
，即附加控制器需要补偿的相角为97.9
°
；
[0089]
若采用两级相位补偿环节，每级补偿环节所补偿的相角相等，即各级补偿环节均补偿49
°
的相角，则各级补偿环节参数为：
[0090][0091]
因此，附加控制器相位补偿环节表达式为
[0092]
信号过滤环节为高通滤波器，其时间常数t
w
可以在3～5之间任取，本例中，时间常数取3，则高通滤波器表达式为
[0093]
附加控制器的增益环节由式(8)计算得到，原多端口交直流混合配电网模型的传递函数的幅值k
h
＝3.56，所以附加控制器增益系数计算式如下：
[0094][0095]
由式(10)可以得到增益环节系数。
[0096]
通过以上计算可得该实例中附加控制器的表达式为：
[0097][0098]
本发明优选实施例的步骤3中，振荡信号通过附加控制器g(s)叠加至buck控制器电流内环上，直流侧电压波形经过短暂的动态过程重新恢复稳定。
[0099]
本发明还提供了一种交直流混合的低频振荡抑制系统，参考图3所示，附加控制器
的具体实现方式，抑制系统包括交直流配电网h(s)和附加控制器g(s)，附加控制器g(s)采用上述交直流混合的低频振荡抑制方法；
[0100]
本发明一种基于多端口交直流混合配电网buck附加控制环节的低频振荡抑制系统，该多端口交直流混合配电网中共有四类设备，其中多端口交直流配电网h(s)包括chb控制器、dab控制器、三相buck电路和vsc控制器，在交直流配电网h(s)的三相buck电路环节的控制器上配置振荡抑制附加控制器g(s)，将振荡信号通过附加控制器g(s)叠加至三相buck电路电流内环上。
[0101]
如图4所示当附加控制器g(s)接入前，t＝2s之前系统稳定运行，直流侧电压波形无振荡，t＝2s时刻激发振荡，直流侧电压波形表现为低频振荡，而当t＝3s时刻接入附加控制器，直流侧电压波形经过短暂的动态过程重新恢复稳定。可见，本发明中，基于多端口交直流混合配电网buck附加控制环节的低频振荡抑制方法正确，应用到实际系统中可以起到增加阻尼，抑制低频振荡的作用。
[0102]
在上述实施例基础上，chb控制器为h桥级联的整流器，将10kv交流输入电压整流成2200v直流电压；dab控制器为隔离型dc
‑
dc变换器，将2200v直流电压降压至750v直流电压；三相buck电路将750v直流电压降压至375v直流电压；vsc控制器为三相逆变器，它将375v直流电压变成380v交流电后并网，其中低频振荡发生在375v直流侧。
[0103]
三相buck电路采用电压外环和电流内环控制方式，采集该直流侧的振荡电压作为输入源，经过附加控制器g(s)，得到附加控制信号δi
s
，将该附加控制信号附加至buck电路控制器的电流比较环节由此可以增加整个交直流配电网的阻尼，从而抑制振荡的发生。
[0104]
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。