計及功率裕度的FDN模糊下垂控制策略研究

劉玉潔，袁旭峰，班國邦，徐玉韜，辛曉云，吳舟

計及功率裕度的FDN模糊下垂控制策略研究

劉玉潔1，袁旭峰1，班國邦2，徐玉韜2，辛曉云1，吳舟1

（1. 貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州電網有限公司 電力科學研究院，貴州 貴陽 550002）

傳統下垂控制按照固定下垂系數分配不平衡功率，未能兼顧功率合理分配和直流電壓穩定。針對這一問題，提出了一種基于模糊規則的下垂控制策略，該策略根據電壓偏差和功率裕度實時優化更新下垂系數，通過在各饋線之間快速、合理地分配不平衡功率維持直流電壓穩定，并保證傳輸功率在換流器功率裕度內。最后，以柔性配電網中的負荷投切和光伏波動為算例，在PSCAD仿真軟件中對所提控制策略進行了驗證，仿真結果表明所提控制方法能使換流器在功率裕度內快速分配不平衡功率，提高直流電壓偏差精度，降低換流器容量過載風險。

直流電壓；功率裕度；MMC；下垂控制；模糊控制

0 引言

隨著光能、風能等分布式能源（distributed generation，DG）在配電網滲透率的提高[1]，其出力波動性對系統安全可靠運行造成較大的影響。柔性配電網（flexible distribution network，FDN）具有較高的供電可靠性和潮流控制能力，在面對大規模DG并網及負荷投切時通過控制直流電壓的穩定使其具有良好的協調控制能力。因此，控制直流電壓穩定是維持系統協調運行的關鍵，目前主流的控制主要分為主從控制和下垂控制[2,3]。

文獻[4]分析了下垂控制對直流電網中功率的分布情況以及直流電壓下降對系統的影響。文獻[5,6]在分析微電網中線路阻抗對系統影響的基礎上，提出了一種基于母線電壓自動補償的下垂控制方法，以解決傳統下垂控制不能維持系統穩定性以及功率分配問題。文獻[7]在六端系統中采用模糊邏輯控制調整下垂系數，針對大規模海上風電場并網直流電壓穩定問題進行了仿真驗證。文獻[8]建立了下垂控制策略下電流和節點電壓方程，在下垂控制器中引入功率影響因子以減小直流電壓偏差。文獻[9]針對微電網孤島運行時分布式電源采用下垂控制存在電壓幅值和頻率波動較大的問題，提出利用模糊控制方法整定下垂系數，從而優化系統運行參數。文獻[10]針對多端VSC-MTDC整個網絡功率平衡提出一種引入公共直流參考電壓參與下垂控制換流站的功率調整控制策略。文獻[11]針對傳統下垂控制中固定下垂系數分配不平衡、功率不平衡的問題，提出一種基于下垂控制作用機理的下垂系數穩態誤差約束，從而使換流器容量得到最大利用率。文獻[12]針對系統受擾動后不平衡功率分配的問題，引入功率偏差因子，并附加直流電壓控制的自組織下垂特性優化方法，從而使不平衡功率合理轉移。文獻[13]針對VSC-MTDC系統傳統下垂控制沒有考慮換流器實際運行功率裕度的問題，對定有功功率控制特性曲線進行改進，同時引入偏差下垂控制，保證換流站承擔的不平衡功率合理分配。目前研究交流側接入DG的文獻較多，直流側大規模接入DG的研究較少。

由于DG出力波動和負荷的頻繁投切易導致系統運行可靠性降低，而直流配電中心（DC distribution center，DDC）具有較高的供電可靠性和潮流控制能力。因此本文以其為背景，針對傳統下垂控制固定下垂系數不能兼顧換流器功率分配和直流電壓穩定的問題，在傳統下垂控制的基礎上提出基于模糊規則的自適應下垂控制方法。該方法根據電壓偏差和功率裕度實時更新下垂系數以提高直流電壓穩定性，降低換流器容量越限風險，實現不同工況下系統的穩定運行。最后，在DDC的基礎上基于PSCAD搭建仿真模型，對所提策略進行仿真驗證。

1 基于DDC的分布式電源并網模型

DDC在傳統配電網的基礎上利用先進的電力電子技術實現多回饋線柔性互聯，可以實現交直流混合、閉環供電、潮流可控、分布式電源和儲能設備柔性接入。在面對大規模DG間歇性出力和負荷頻繁投切時具有良好的協調控制能力，不僅可以實現交直流負荷和分布式電源的靈活接入，還能做到交直流微電網系統、交流線路之間的功率控制[14,15]。

圖1所示是基于DDC的交直流混合配電網系統拓撲結構，其中2條交流饋線通過隔離變壓器與VSC換流器相連，DDC的電壓等級為±10 kV。考慮到直流側接入PV的控制方式比交流側接入相對簡單[16,17]，且DDC具有較高的供電可靠性和潮流控制能力，因此以其為背景，在DDC的基礎上實現PV集中接入直流側。

圖1 DDC拓撲結構

1.1 換流器拓撲結構

MMC是近年來應用于HVDC和MTDC的VSC熱門拓撲之一，考慮到它采用最近電平逼近調制（nearest level modulation，NLM）的調制方式，可減少開關頻率，降低損耗，并且輸出電壓波形電能質量較高，因此本文擬采用MMC換流器。圖2所示為MMC拓撲結構，其橋臂采用多個子模塊和一個電抗器串聯組成，通過增加子模塊投入的個數提高換流器容量和電壓等級。

圖2 MMC拓撲結構

、旋轉坐標系下的MMC的數學模型如式（1）所示[14]：

式中：dc為直流母線電壓；pa和na分別為上橋臂和下橋臂電壓。

1.2 基于模糊控制原理的下垂控制

傳統下垂控制對DG出力波動性以及負荷頻繁投切等情況難以應對。例如，當DG出力變化使饋線上各負荷節點的電壓偏高或者偏低，面對大規模光伏接入的情況下，甚至會導致電壓偏差超過安全運行的技術指標。固定的下垂系數在系統遭遇不平衡功率時存在電壓偏差和換流器功率裕度不能同時顧及的問題，功率波動和電壓質量相互影響，嚴重時會導致系統運行失穩。因此選擇合適的下垂系數可使系統運行時有良好的電壓質量以及功率分配特性。

模糊控制善于處理界限不分明的定性知識和經驗[18,19]，在設計下垂控制器時，通過引入模糊控制理論，檢測系統運行的實時工況，處理接收到的直流電壓偏差和功率裕度量，在考慮換流器功率裕度的同時根據直流電壓偏差和功率裕度實時調節下垂系數。通過功率分配快速穩定直流電壓，從而提升系統運行的穩定性[17,20]。將基于兩端柔性配電網推廣到多端柔性配電網，其控制框圖如3所示。

圖3 基于模糊規則下垂控制

以上圖中MMC1中的模糊下垂控制為例進行分析，其中dref為參考電壓；dc為實際直流電壓；drp1為固定下垂系數；FIS代表模糊處理器；ref為參考功率；max為換流器功率最大值，兩者差值為換流器功率裕度。

該控制器原理為：當系統處于穩定運行工況時為固定下垂系數，當分布式電源出力波動過大檢測到直流電壓偏差時，下垂系數為drp1，此時由固定值切換到基于模糊處理器的自適應下垂系數。MMC采用最近電平逼近調制方法（NLM）觸發。

2 模糊控制

以直流電壓偏差和換流器功率裕度為模糊控制的輸入，下垂系數為輸出。其中，功率裕度和下垂系數的模糊集為：零、正小、正中、正中大、正大；電壓裕度的模糊集為：負大、負中大、負中、負小、零、正小、正中、正中大、正大。利用形隸屬度函數和三角形隸屬度函數對輸入進行模糊化，對輸出進行解模糊，最后得到一個二維輸入、一維輸出的模糊控制器，其輸入輸出量如圖4所示。

圖4 輸入輸出量

以直流電壓偏差輸入變量為例進行說明，功率裕度輸入變量和下垂系數輸出變量可以參考直流電壓偏差輸入變量的隸屬度函數表示形式。當直流電壓偏差指標為零時對應為形隸屬度函數，其表達式如式（2）所示。

當直流電壓偏差指標為正小時對應為三角形隸屬度函數，其表達式如式（3）所示。

隸屬度函數中的參數、、可以按照偏差范圍以及模糊子集的個數進行選取也可以根據經驗進行選取。用輸入輸出的總范圍除以模糊子集的個數可得到單個模糊子集的范圍，即每個子集、、值的大小。電壓偏差為?0.05~0.05 p.u.，式（2）中，=?0.04、=?0.02；式（3）中，=?0.04，=?0.02，=?0.01。

在模糊控制推理控制器中，輸入信號的隸屬度函數曲線如圖4（a）（b）所示，輸出信號如圖4（c）所示。從圖中可以看出，不同的模糊推理對下垂系數輸出大小有直接影響。本文根據下垂系數與功率分配、直流電壓的調節特性建立模糊推理規則庫。依據該規則得到表1所示模糊邏輯推理表。

表1 模糊邏輯推理表

模糊邏輯推理表的大致規則為：當直流電壓偏差較大而功率裕度也較大時，輸出較大的下垂系數以維持電壓穩定。當電壓偏差和功率裕度為零時，保持固定下垂系數drp不變。

以其中一端換流器為例，當電壓偏差取負小，功率裕度為零時，此時換流器功率裕度為零，無法再承擔多余的不平衡功率。此時下垂系數保持drp不變，降低了換流器越限的風險。

當電壓偏差取正大，功率裕度取正大時，此時直流電壓大于參考值，偏差較大，而換流器功率裕度較大，此時下垂系數取正大。因為換流器裕度較大，電壓偏差較大，需要傳輸的不平衡功率不超過換流器功率限度，為了保證直流電壓不超過上限，此時下垂系數取正大。

根據表1可建立如圖5所示模糊邏輯推理圖。

圖5 模糊邏輯推理圖

3 仿真驗證

3.1 仿真參數

在PSCAD仿真軟件中搭建圖1所示的拓撲模型，系統參數如表2所示。

表2 系統參數

其中MMC1為送端換流器，MMC2為受端換器。以流向直流側的功率為正，其中換流器的功率參考值分別為6 MW、?3 MW。

3.2 場景1

PV1、PV2出力、直流側負荷不發生波動，其中PV1出力大小為2 MW，PV2出力大小為1 MW，直流負荷為6 MW，系統處于穩定狀態。直流母線電壓為20 kV，兩端換流器傳輸功率按參考功率傳輸，系統穩定運行。

在此背景下，考慮直流負荷在1 s時增加4 MW，光能出力增加2 MW，此時直流負荷突然增大導致系統送端的功率小于受端所需功率，直流母線電壓逐漸下降。而在1 s前，換流器按照給定功率命令運行，直流母線電壓保持不變。

圖6（a）為1.5 s時PV1出力波動的情況，圖6（c）（d）分別為1 s時直流負荷增加4 MW、1.5 s時PV1出力增加2 MW后的功率傳輸大小。由仿真結果可以看出功率裕度較大的MMC2承擔較多的不平衡功率。當檢測到直流電壓發生偏差時，MMC2的下垂系數迅速上升以穩定直流電壓。1.18 s左右，電壓偏差減小，下垂系數降低并最終穩定在16左右，MMC2承擔3.4 MW左右的不平衡功率。MMC1下垂系數穩定在2.6左右并承擔0.6 WM的不平衡功率。1.5 s時，分布式電源出力增大2MW，直流電壓偏差降低至更低，下垂系數降低穩定在1.6。MMC1承擔0.42 MW、MMC2承擔1.5 MW的不平衡功率，直流電壓最終穩定在19.98 kV左右，如圖6（b）所示。

而傳統控制下的換流器在傳送功率發生改變后會試圖返回原來的工作點，但由于不平衡功率一直存在，這樣會導致直流母線電壓持續降低反過來影響控制系統，進而影響系統穩定性。可以看出，采用傳統下垂控制時并未考慮換流器功率裕度，易導致傳輸功率超出換流器額度。

3.3 場景2

在系統保持穩態的前提下，考慮PV1、PV2出力發生波動直流母線電壓開始上升的情況。在1 s前，換流器按照給定功率命令運行，直流母線電壓保持在20 kV左右。

在1 s時，PV1出力增大3 MW，直流電壓發生波動逐漸上升。下垂系數迅速上升以穩定直流電壓，0.1 s后，電壓偏差減小。MMC2下垂系數逐漸降低最終穩定在14左右，并承擔2.1 MW的不平衡功率。MMC1下垂系數穩定在5左右并承擔0.82 MW左右的不平衡功率，由圖7可以看出，傳統下垂控制由于不平衡功率一直存在，導致直流母線電壓持續降低反過來影響控制系統，會導致換流器的功率傳輸發生振蕩。

在1.5 s時，PV1出力減少2 WM。此時直流電壓在原來的基礎上降低，電壓偏差減少，下垂系數降低分別保持在2和8左右，由功率裕度較大的MMC2承擔較大的不平衡功率；2 s時，PV2出力減少1 WM，直流電壓逐漸趨近于20 kV，電壓偏差逐漸減少至0.003以內，由圖7（e）可以看出，下垂系數最終維持在1.6，直流電壓保持在19.94 kV。

仿真結果顯示，當直流側功率快速變化時，基于模糊控制的下垂系數可以迅速響應，將不平衡功率在兩條饋線之間迅速合理分配，使電壓保持在合理的范圍內。

4 結論

以兩端直流電網系統為背景，針對分布式電源大規模接入配電網時功率分配和直流電壓問題進行了分析，提出一種基于模糊規則的控制策略，得出以下結論：

（1）提出一種計及換流器功率裕度的模糊規則自適應下垂控制方法，通過模糊控制規則改變下垂系數的大小，可以實現下垂系數的自適應改變；

（2）對比分析了傳統下垂控制和基于模糊規則的下垂控制，仿真結果表明本文提出的自適應下垂系數控制可以較好地降低直流電壓偏差量，并且可以兼顧電壓穩定和功率分配問題；

（3）所提控制策略能夠實現系統在不同工況下將不平衡功率迅速分配，在分配不平衡功率時考慮到換流器的功率裕度，降低換流器容量過載的風險。

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Research on FDN Fuzzy Droop Control Strategy Considering Power Margin

LIU Yujie1, YUAN Xufeng1, BAN Guobang2, XU Yutao2, XIN Xiaoyun1, WU Zhou1

(1. Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China)

Traditional droop control distributes unbalanced power according to fixed droop coefficient, and it failures to balance reasonable power distribution and DC voltage stability. To solve this problem, this paper proposes a droop control strategy based on fuzzy rules. This strategy optimizes and updates the droop coefficient in real time according to the voltage deviation and power margin, maintaining DC voltage stability by quickly and reasonably distributing unbalanced power between feeders, and ensuring that the transmitted power is within the converter power margin. Finally, this paper takes the load switching and photovoltaic fluctuations in the flexible distribution network as an example and the proposed control strategy is verified by PSCAD simulation software. The simulation results show that the proposed control method can enable the converter to quickly allocate unbalanced power within the power margin, improve the accuracy of DC voltage deviation and reduce the risk of inverter capacity overload.

DC voltage; power margin; modular multilevel converter (MMC); droop control; fuzzy control

TM721

A

1672-0792(2021)03-0008-08

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.03.002

2020-11-09

國家自然科學基金（51667007）；貴州省科學技術基金（[2019]1128）、（[2018]5615）；南方電網公司重點科技項目（GZKJXM20182104）

劉玉潔（1996—），女，碩士研究生，研究方向為柔性多狀態開關在可再生能源消納方面的研究；

袁旭峰（1976—），男，教授，研究方向為電力電子在電力系統中的應用，電力系統運行與控制；

班國邦（1982—），男，高級工程師，研究方向為高電壓電氣技術；

徐玉韜（1982—），男，高級工程師，研究方向為柔性直流配網運行與控制，分布式電源及微電網；

辛曉云（1992—），女，碩士研究生，研究方向為電力電子變壓器；

吳 舟（1996—），男，碩士研究生，研究方向為虛擬同步發電機。