本發(fā)明屬于電力電子裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法。

背景技術(shù)：

電力電子器件及其應(yīng)用裝置已經(jīng)日益廣泛的運用到電力系統(tǒng)中，可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電、儲能裝置的功率轉(zhuǎn)換、交直流電網(wǎng)的柔性互聯(lián)、配用電能的雙向流動、無功和諧波的動態(tài)補償都需要依靠電力電子裝置來實現(xiàn)。隨著能源問題的日益凸顯，提高能源利用率成為能源相關(guān)行業(yè)的首要任務(wù)之一。目前各地區(qū)配電網(wǎng)之間均處于相互獨立的狀態(tài)，其能源分布不均和供求不平衡問題大大降低了能源利用率，為了解決此問題并提高配電網(wǎng)的供電可靠性及靈活性，提出了一種基于柔性直流技術(shù)的交直流混合配電網(wǎng)。

柔性環(huán)網(wǎng)裝置將多個相互獨立的配電網(wǎng)通過直流線路連接，改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的拓?fù)?，增強了配電網(wǎng)的調(diào)控能力。當(dāng)某端電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，故障端換流器可工作于逆變狀態(tài)，通過下垂控制，實現(xiàn)有功與頻率的下垂特性,無功與幅值的下垂特性，頻率和電壓變化范圍均在電能質(zhì)量允許范圍內(nèi)，從而向故障端負(fù)載持續(xù)供電。故障端換流器輸出的功率可由其他非故障端電網(wǎng)通過有功無功解耦功率控制提供，并有其中一非故障端加入直流電壓控制，穩(wěn)定直流線路電壓。目前，下垂控制的方法有多種：已有技術(shù)[1]，見電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，第41卷第16期出版的獨立型微電網(wǎng)基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制，已有技術(shù)[2]，見中國電機工程學(xué)報，第34卷第3期出版的基于MMC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)改進(jìn)下垂控制策略。本發(fā)明針對于配電網(wǎng)中柔性環(huán)網(wǎng)裝置在某端電網(wǎng)發(fā)生故障時，運用下垂控制為負(fù)載進(jìn)行持續(xù)供電并與故障端分布式發(fā)電及儲能裝置并聯(lián)運行，其模型和方法和其他情況不同。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提出一種基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法，用于在某端電網(wǎng)故障時，通過下垂控制實現(xiàn)與故障端分布式電源及儲能裝置并聯(lián)運行并為故障端負(fù)載提供持續(xù)供電。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是考慮多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置在運行時具備的功率調(diào)度能力，建立基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法，其特征在于與具有將多個交流配電網(wǎng)互連功能的柔性環(huán)網(wǎng)裝置相連的某端電網(wǎng)發(fā)生故障而斷電后,應(yīng)用下垂控制將柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端控制為電壓源,對負(fù)載進(jìn)行供電,實現(xiàn)供電的持續(xù)性；柔性環(huán)網(wǎng)裝置應(yīng)用下垂控制的端口實現(xiàn)有功無功解耦控制,實現(xiàn)有功與頻率下垂特性,無功與幅值下垂特性；有功功率在柔性環(huán)網(wǎng)裝置各端之間流動；通過下垂控制實現(xiàn)無通信線下柔性環(huán)網(wǎng)裝置與分布式電源和儲能裝置的并聯(lián)運行，并為故障端負(fù)載提供電壓及頻率支撐。

其中，所述的一種基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法，多端表示端口數(shù)大于2。

所述的一種基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法，故障端應(yīng)用下垂控制，非故障端應(yīng)用有功無功解耦恒功率控制。

所述的根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法，故障端應(yīng)用下垂控制，頻率和幅值不恒定，頻率隨有功功率變化，電壓幅值隨無功功率變化，但頻率波動范圍為49.8Hz 至50.2Hz，電壓幅值波動范圍為0.93至1.07倍的電網(wǎng)電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出了一種基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置的供電運行方法，在多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置某端電網(wǎng)發(fā)生故障時能通過該方法實現(xiàn)輸出頻率與有功功率的下垂特性，輸出電壓與無功功率的下垂特性，且輸出頻率與輸出電壓范圍均在電能質(zhì)量允許范圍內(nèi)，從而向故障端負(fù)載持續(xù)供電，并可與故障端分布式電壓及儲能裝置并聯(lián)運行，有利于提高裝置在配電網(wǎng)中的可靠性并提高分布式電源利用率；通過建模，為多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置在某端電網(wǎng)發(fā)生故障時的運行提供了理論依據(jù)；柔性環(huán)網(wǎng)裝置在某端發(fā)生故障時，本方法能夠準(zhǔn)確地為故障端負(fù)載持續(xù)可靠供電。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明的柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端單相等效電路圖；

圖3為本發(fā)明的下垂控制運行特性圖；

圖4為本發(fā)明的下垂控制框圖；

圖5為本發(fā)明的電壓電流雙環(huán)控制框圖；

圖6為本發(fā)明的柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端下垂控制框圖；

圖7為本發(fā)明的柔性環(huán)網(wǎng)裝置非故障端控制框圖；

圖8為基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明的多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置示意圖，以三端或四端柔性環(huán)網(wǎng)裝置為例，由A、B、C端構(gòu)成三端柔性環(huán)網(wǎng)裝置，若加入虛線描繪的D端，則構(gòu)成四端柔性環(huán)網(wǎng)裝置。以C端電網(wǎng)發(fā)生故障為例，故障后C端電網(wǎng)無法提供正常電壓和頻率支撐。此時對其余的非故障端（三端時為A、B端，四端時為A、B、D端）采用有功無功解耦恒功率控制，工作于整流狀態(tài)，從相連的電網(wǎng)吸收功率并通過直流線路輸送至故障端，且其中任意一端加入直流電壓控制，穩(wěn)定直流線路電壓。直流側(cè)通過VSC換流器（電壓源型換流器）連接C端電網(wǎng)，通過下垂控制工作于逆變狀態(tài)，輸出具有下垂特性的頻率和電壓，為C端電網(wǎng)中的負(fù)載提供持續(xù)供電，C端分布式電源及儲能裝置可工作于下垂控制模式，實現(xiàn)與柔性環(huán)網(wǎng)裝置的并聯(lián)運行。其余各端電網(wǎng)發(fā)生故障時的多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置的工作方式同理。

圖2為本發(fā)明的柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端單相等效電路圖，E∠θ為換流器的輸出電壓，R和jX分別為線路電阻和電抗，U∠0表示母線電壓，當(dāng)R<<X且θ很小時可以得到柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端的輸出功率如式（1）：

(1)。

圖3為本發(fā)明的下垂控制運行特性圖，當(dāng)故障端負(fù)載有功功率增加時，控制換流器輸出頻率下降，負(fù)載有功功率減少時，控制換流器輸出頻率上升；當(dāng)故障端負(fù)載無功功率增加時，控制換流器輸出電壓下降，負(fù)載無功功率減少時，控制換流器輸出電壓上升。下垂特性曲線斜率的確定綜合考慮柔性環(huán)網(wǎng)裝置裕度及電能質(zhì)量要求，在確定柔性環(huán)網(wǎng)裝置某端發(fā)生故障時，另外兩端能提供的最大有功功率P_max的情況下，考慮電能質(zhì)量允許的頻率偏差范圍，從而得到P-f下垂特性曲線；在確定逆變端換流器能輸出的最大無功功率Q_max的情況下，考慮電能質(zhì)量所允許的電壓偏差范圍，從而得到Q-V下垂特性曲線。

圖4為本發(fā)明的下垂控制框圖，采集故障端的輸出功率，根據(jù)設(shè)定好的下垂曲線計算得到電壓和頻率指令值，經(jīng)過電壓合成得到三相電壓指令值，下垂曲線計算公式及電壓合成公式分別如式（3）、式（4）所示:

(3)

(4)

式中，為空載頻率，為空載電壓，m和n分別是P-f下垂曲線和Q-V下垂曲線的斜率。得到的三相電壓指令值在經(jīng)過派克變換以及電壓電流雙環(huán)控制，從而達(dá)到控制故障端的輸出電壓及頻率隨負(fù)載的變化而呈現(xiàn)下垂特性。

圖5為本發(fā)明的電壓電流雙環(huán)控制圖，電壓電流雙環(huán)控制采用雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)的方式，其中，電壓外環(huán)輸入電壓指令值及故障端端口經(jīng)濾波器濾波后的d軸電壓和q軸電壓，電流內(nèi)環(huán)輸入電流指令值及故障端端口輸出的d軸電流和q軸電流。電壓電流雙閉環(huán)控制可由式（4）及式（5）表示：

（4）

（5）

其中，、是換流器輸出的電流經(jīng)過濾波器后再進(jìn)行派克變換得到的d軸電流和q軸電流。

圖6為本發(fā)明的柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端下垂控制框圖，采集故障端的輸出量：端口電流i、濾波后的電壓u及濾波后的電流i。計算端口輸出有功功率及無功功率，依次經(jīng)過下垂特性計算、電壓合成、電壓電流雙環(huán)控制得到故障端換流器SPWM調(diào)制波波形，從而控制故障端端口的輸出電壓隨無功功率的下垂特性和輸出頻率隨有功功率的下垂特性。

圖7為本發(fā)明的柔性環(huán)網(wǎng)裝置非故障端控制框圖，當(dāng)多端柔性環(huán)網(wǎng)裝置某一段發(fā)生故障時，非故障端均采用有功無功解耦的恒功率控制工作與整流狀態(tài)，通過直流線路為故障端提供功率，各非故障端有功功率指令值和無功功率指令值通過采集故障端端口輸出功率后按一定比例分配得到。采集非故障端的電壓和電流，功率指令值與端口電壓經(jīng)過電壓外環(huán)得到電流指令值，再經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)和SPWM控制，控制非故障端從電網(wǎng)獲取的功率。在多個非故障端中選取一端加入虛線所示的直流電壓控制，維持直流線路電壓，從而為故障端的下垂控制提供功率和直流電壓支撐。

圖8為基于下垂控制的三端柔性環(huán)網(wǎng)裝置故障端仿真結(jié)果圖，通過換流器的輸出電壓幅值波形及頻率波形變化可以看到，基于下垂控制的柔性環(huán)網(wǎng)裝置供電運行方法可以實現(xiàn)在負(fù)載固定的情況下，當(dāng)柔性環(huán)網(wǎng)裝置某端電網(wǎng)發(fā)生故障時，對故障端負(fù)載提供持續(xù)供電；而在t=0.4s時，負(fù)載發(fā)生變化，電壓從8.675kV降為8.575kV，在0.93至1.07倍的電網(wǎng)電壓范圍內(nèi)，頻率從50.03Hz降為49.98Hz，在49.8Hz 至50.2Hz范圍內(nèi)，實現(xiàn)故障端輸出的電壓隨無功負(fù)荷的增加而減小，輸出頻率隨有功負(fù)荷的增加而減少，呈現(xiàn)下垂特性，且能繼續(xù)為故障端負(fù)載進(jìn)行持續(xù)供電。