張懷天, 荊 龍, 吳學(xué)智, 王 帥

(1. 北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心, 北京市 100044; 2. 北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京市 100044)

0 引言

伴隨著分布式發(fā)電、儲能、電力電子等技術(shù)的不斷發(fā)展,配電網(wǎng)中用戶側(cè)分布式可再生發(fā)電容量占比不斷提高,分布式儲能、直流負荷等供電需求日益顯現(xiàn),配電網(wǎng)中潮流在電網(wǎng)與用戶、高壓配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)與低壓配電網(wǎng)之間雙向互動的需求日益增多。與交流配電相比,直流配電因具有無穩(wěn)定性問題、輸電效率高、調(diào)節(jié)快速可靠、節(jié)省輸電走廊等優(yōu)勢,成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢[1-2]。

電力電子變壓器(PET)是一種將電力電子器件和高頻變壓器相結(jié)合的裝置,相對傳統(tǒng)變壓器,PET具有體積和重量小、無需變壓器油等優(yōu)點[3]。由于具有高低壓交流端口和直流端口,工作過程中同時兼有直流與交流環(huán)節(jié),各種小容量分布式電源(DG)可經(jīng)PET接入電網(wǎng)。PET在完成常規(guī)變壓器對電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等功能的同時,還能實現(xiàn)潮流控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等功能,有效隔離電壓波動以及諧波傳遞,實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)的解耦[4]。通過PET控制策略的合理設(shè)計,可實現(xiàn)不同電力特征電能之間的相互轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)高低壓、中低壓配電網(wǎng)能量的協(xié)調(diào)管理。

目前,針對PET的控制策略研究只是把PET當做被動執(zhí)行元件,無法發(fā)揮PET智能、支持DG和負荷更靈活接入的特點[5-7]。文獻[8-10]僅分析了PET的基本控制策略和調(diào)制方式,未涉及與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行。而PET在實際交直流配電網(wǎng)中,需要復(fù)雜的調(diào)度控制算法,過分依賴于上層控制器和通信網(wǎng)絡(luò),無法完全發(fā)揮PET各個端口能量互通、相互支撐的優(yōu)勢。文獻[11]針對交直流配電網(wǎng)的能量傳輸提出了一種混合功率下垂控制策略,根據(jù)端口特征信號計算不同端口間需傳輸?shù)墓β?但該控制器設(shè)計復(fù)雜,計算量大,且無法實現(xiàn)端口間能量的任意分配。文獻[12-13]提出了兩種近似的電力電子變換器的雙向下垂控制方法,但均只考慮單一電壓等級,且各端口必須按照統(tǒng)一的負荷率輸出功率。

本文采用基于模塊化多電平換流器(MMC)結(jié)構(gòu)的PET拓撲,根據(jù)孤島模式下配電網(wǎng)的運行特性,提出了一種應(yīng)用于孤島模式的自治運行控制策略,通過建立全局化的多端口傳輸模型,根據(jù)端口特征信號,實現(xiàn)多端口的標幺化,統(tǒng)一各端口的運行狀態(tài),協(xié)調(diào)各端口的能量交換。通過平移端口特征曲線,改變各端口的負荷率,不依靠上層控制,充分發(fā)揮PET各個端口能量互通、相互支撐的優(yōu)勢,實現(xiàn)配電網(wǎng)的自治運行。最后，通過含PET的交直流配電網(wǎng)仿真系統(tǒng),驗證了控制策略的有效性。

1 PET結(jié)構(gòu)

本文采用基于MMC的PET拓撲,如圖1所示。高壓輸入級采用MMC結(jié)構(gòu),每個橋臂由n個子模塊(SM)和一個串聯(lián)電抗器Lα組成,子模塊采用級聯(lián)方式。高壓輸入級可以參考MMC的基本控制方式。文獻[14]根據(jù)MMC子模塊能量均分和電壓均衡原則,提出了一種子模塊電容電壓平衡控制策略,能有效平衡各子模塊電容電壓,保證直流電壓的穩(wěn)定。文獻[15]提出了一種基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略,無需負序坐標變換和相間解耦,可對任意相數(shù)的MMC實現(xiàn)環(huán)流抑制。

圖1 基于MMC的PET拓撲Fig.1 PET topology based on MMC

中間隔離級將輸入較高的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電壓,經(jīng)過高頻變壓器降壓,在副邊再還原為較低的直流電壓輸出。由于輸入側(cè)電壓等級較高,故直流/直流變換器模塊采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的組合方式。文獻[16]分析了直流/直流變換器模塊輸入均壓/均流與輸出均壓/均流的內(nèi)在關(guān)系,研究了直流/直流變換器模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)的控制策略。

低壓輸出級采用三相四橋臂逆變器,將隔離級輸出的低壓直流電壓,轉(zhuǎn)換為供給用戶的400 V等級工頻交流電壓。與傳統(tǒng)三相逆變器相比,三相四橋臂逆變器帶不平衡負載的能力較強,可在負載不平衡或非線性情況下維持三相電壓的高質(zhì)量輸出。文獻[17]建立了三相四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型,研究了三相四橋臂逆變器同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的比例—積分(PI)控制策略。

2 交直流配電網(wǎng)特性分析

2.1 含PET的交直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

PET通過中、低壓交直流端口連接中、低壓交直流配電網(wǎng),如附錄A圖A1所示。各配電網(wǎng)均包含光伏和風(fēng)電機組等DG,以及蓄電池、超級電容和燃料電池等儲能單元。在并網(wǎng)模式下,10 kV主網(wǎng)接入中壓交流端口,支撐交流配電網(wǎng)母線電壓、頻率和直流配電網(wǎng)母線電壓。在孤島模式下,交直流配電網(wǎng)均與主網(wǎng)斷開連接,儲能單元為交直流母線提供電壓和頻率支撐。由于缺少了主網(wǎng)對功率的支撐,系統(tǒng)內(nèi)負荷所需功率均由DG提供,功率協(xié)調(diào)尤為重要,故配電網(wǎng)間快速準確的功率傳輸是PET控制的核心。

2.2 孤島模式下配電網(wǎng)特性分析

在孤島模式下, 交流配電網(wǎng)中PET和DG的有功、無功功率輸出分別基于f-P,V-Q下垂特性,如附錄A圖A2所示。由于f-P,V-Q下垂特性基于高壓輸電線路阻抗以感性為主的假設(shè),但中、低壓配電網(wǎng)中,線路阻抗阻性成分大大增加,會使得中、低壓配電網(wǎng)特性發(fā)生變化,嚴重時變?yōu)閂-P,f-Q特性。但可以通過逆變器輸出串聯(lián)電感,調(diào)整電流環(huán)PI參數(shù),引入虛擬阻抗控制等方法[18-20],使中、低壓配電網(wǎng)中逆變器仍然適用f-P,V-Q下垂特性。

各DG單元f-P,V-Q下垂特性的數(shù)學(xué)描述為:

(1)

(2)

穩(wěn)態(tài)時,配電網(wǎng)中各DG單元頻率相同,如附錄A圖A2中虛線所示。為使各DG能按照其容量Sa,x分擔負荷功率需求,需令:

m1Sa,1=m2Sa,2=…=mxSa,x

(3)

與交流配電網(wǎng)相比,直流配電網(wǎng)中DG僅需考慮有功功率和直流電壓的關(guān)系,無需考慮無功功率和頻率,V-P下垂特性如附錄A圖A3所示。V-P下垂特性的數(shù)學(xué)描述為:

(4)

為簡化分析,穩(wěn)態(tài)時,忽略線路阻抗等因素的影響,認為各DG單元輸出電壓相同。為使各DG能按照其容量Sd,y分擔負荷功率需求,需令:

v1Sd,1=v2Sd,2=…=vySd,y

(5)

根據(jù)電能質(zhì)量的國家標準,10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%;正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz。本文取電壓允許偏差為額定電壓的±5%,正常頻率偏差允許值為額定頻率的±3%。

3 孤島自治運行控制策略

3.1 全局化的多端口傳輸模型

為實現(xiàn)PET各端口能量流動的一致性,建立PET全局化的多端口傳輸模型,如圖2所示。圖中，P1,P2,P3,P4分別為端口1,2,3,4的輸出功率。端口1,2,3,4分別為中壓交流、中壓直流、低壓交流和低壓直流端口,分別連接中壓交流、中壓直流、低壓交流和低壓直流配電網(wǎng)。

圖2 全局化多端口傳輸模型Fig.2 Globalized multi-port transmission model

由于電壓等級和特征信號的差異,各端口運行狀態(tài)很難統(tǒng)一。由于配電網(wǎng)在孤島模式下具有2.2節(jié)所述的運行特性,故可對各端口特征信號(交流端口頻率和直流端口電壓)進行標幺化,用以表征交直流配電網(wǎng)的負荷率,進而協(xié)調(diào)端口間能量的流動,統(tǒng)一各端口的運行狀態(tài)。

通過式(6)至式(9)分別對端口1,2,3,4的特征信號進行標幺化處理:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:f1和f2分別為中、低壓交流端口頻率;V1和V2分別為中、低壓直流端口電壓;下標pu表示相應(yīng)量的標幺值;下標max和min分別表示相應(yīng)量的最大和最小值;kn(n=1,2,3,4)為端口n下垂曲線平移量,在下文中用以調(diào)節(jié)各配電網(wǎng)的負荷率。

經(jīng)標幺化后,各端口的下垂特性曲線可以放置在同一坐標系中,如圖3所示。圖中,P1,max,P2,max,P3,max,P4,max分別為中壓交流、中壓直流、低壓交流、低壓直流配電網(wǎng)的最大容量。通過PI調(diào)節(jié)器使f1,pu=V1,pu=f2,pu=V2,pu,即可保證各配電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

圖3 多端口下垂特性曲線Fig.3 Droop characteristic curves of multi-port

設(shè)系統(tǒng)的總負荷量為Ptot,中壓交流、中壓直流、低壓交流、低壓直流配電網(wǎng)的負荷率分別為λ1,λ2,λ3,λ4。由圖2和圖3可得,穩(wěn)態(tài)時,各配電網(wǎng)輸出功率之和等于系統(tǒng)總負荷量,且各配電網(wǎng)工作于同一穩(wěn)定運行點,由此可得:

(10)

對式(10)進行求解,可得:

(11)

式中:P=P1,max+P2,max+P3,max+P4,max。

可以看出,通過改變kn(n=1,2,3,4)的值,上下平移端口特征曲線,改變各端口的負荷率,實現(xiàn)端口間能量的任意分配。當k1=k2=k3=k4時,各配電網(wǎng)負荷率相等。采用此種控制方法,能量可以雙向流動,PET能夠四象限運行,光伏可以接入直流側(cè),不需要逆變器。

3.2 自治運行控制策略

下垂控制方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于DG的控制當中,采用下垂控制的DG,可以依據(jù)公共連接點的信息及輸出功率,自動調(diào)整工作點,使得多臺逆變器之間實現(xiàn)協(xié)調(diào)運行。本文中使用下垂控制的PET與傳統(tǒng)使用下垂控制的逆變器有所不同,傳統(tǒng)逆變器只有一個輸出端口,通過下垂控制使多個逆變器可以協(xié)調(diào)運行,而PET是多端口裝置,每個端口連接不同的配電網(wǎng)絡(luò),運行時需要協(xié)調(diào)各個端口的功率輸出,保證整個裝置的傳輸功率平衡。目前對于PET能量輸送及平衡的研究,基本都是利用上級電網(wǎng)或控制器的調(diào)度指令,PET被動地實現(xiàn)能量傳輸,本文則利用下垂控制實現(xiàn)PET各個端口的功率平衡,以及不同端口連接的不同配電網(wǎng)絡(luò)電能質(zhì)量的最優(yōu)控制,有利于柔性變電站的無人值守及智能自治運行。

圖4 直流端口功率控制Fig.4 Power control of direct current port

由于交流配電網(wǎng)涉及無功功率,故當PET向交流配電網(wǎng)傳輸功率時,需考慮交流配電網(wǎng)的V-Q下垂特性,傳輸無功功率參考值如式(12)所示。

(12)

圖5 中壓交、直流端口功率控制Fig.5 Power control of medium-voltage alternating current and direct current ports

圖6 低壓交、直流端口功率控制Fig.6 Power control of low-voltage alternating current and direct current ports

4 仿真驗證

為驗證PET自治運行控制策略的有效性,本文搭建了基于PET的MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng),部分仿真參數(shù)如附錄A表A1所示。

1)仿真條件1,各配電網(wǎng)最大容量見附錄A表A2,下垂曲線平移量均為0。0.2～0.6 s(時段1),各配電網(wǎng)負荷量均為0.1 MW;0.6～1.2 s(時段2),中壓交流配電網(wǎng)負荷量增大到0.4 MW;1.2～1.8 s(時段3),中壓直流配電網(wǎng)負荷量增大到0.3 MW。仿真結(jié)果如附錄A圖A4所示。

各配電網(wǎng)功率變化如表1所示。

表1 各配電網(wǎng)功率變化Table 1 Power of each distribution network

可見,在時段1時,各配電網(wǎng)負荷量均為0.1 MW,各配電網(wǎng)負荷率均為25%;在時段2時,中壓交流配電網(wǎng)負荷量增大到0.4 MW,各配電網(wǎng)負荷率均增大到43.8%;在時段3時,中壓直流配電網(wǎng)負荷量增大到0.3 MW,各配電網(wǎng)負荷率均增大到56.2%。由仿真結(jié)果可以看出,下垂曲線平移量均為0時,通過自治運行控制策略可以協(xié)調(diào)各配電網(wǎng)間的功率傳輸,各配電網(wǎng)均以相同的負荷率輸出功率,動態(tài)響應(yīng)良好。

2)仿真條件2,各配電網(wǎng)負荷量不變,參數(shù)如附錄A表A3所示。時段1,各下垂曲線平移量均為0;時段2,中壓交、直流配電網(wǎng)下垂曲線平移量k1,k2分別增大到0.5,0.4;時段3,中壓直流配電網(wǎng)下垂曲線平移量k2增大到0.6,仿真結(jié)果如附錄A圖A5所示。

各配電網(wǎng)下垂曲線平移量及負荷率變化如表2所示?？梢?在時段1時,各下垂曲線平移量為0,各配電網(wǎng)按照相同的負荷率輸出功率。在時段2時,中壓交、直流配電網(wǎng)下垂曲線平移量k1,k2分別變?yōu)?.5,0.4,此時,根據(jù)式(11)計算出的負荷率與仿真結(jié)果一致,中壓交、直流配電網(wǎng)的負荷率均有所增大,高于低壓交、直流配電網(wǎng),中壓交流配電網(wǎng)的負荷率高于中壓直流配電網(wǎng)。在時段3時,中壓直流配電網(wǎng)下垂曲線平移量k2增大到0.6,中壓交、直流配電網(wǎng)的負荷率仍高于低壓交、直流配電網(wǎng),但此時中壓直流配電網(wǎng)的負荷率高于中壓交流配電網(wǎng)。由仿真結(jié)果可以看出,通過自治運行控制策略可以協(xié)調(diào)各配電網(wǎng)間的功率傳輸,實現(xiàn)不同電壓等級配電網(wǎng)能量的協(xié)調(diào)管理,且通過改變下垂曲線的平移量,可以使各配電網(wǎng)按照需求對負荷率進行調(diào)整。

表2 各種配電網(wǎng)下垂曲線平移量及負荷率變化Table 2 Droop curve shifting and load rate of each kind distribution network

5 結(jié)語

本文根據(jù)孤島模式下配電網(wǎng)的運行特性,提出了一種應(yīng)用于孤島模式的PET自治運行控制策略,通過建立全局化的多端口傳輸模型,根據(jù)端口特征信號,實現(xiàn)多端口的標幺化,通過仿真對本文所提的自治運行控制策略進行了驗證,結(jié)果表明該控制策略可以不依靠上層控制,充分發(fā)揮PET各個端口能量互通,相互支撐的優(yōu)勢,實現(xiàn)配電網(wǎng)的自治運行。但此方法的局限性在于由于多端口傳輸模型的限制,各個端口無法解耦,還有待于進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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