肖文浩,彭卉,劉興棟,趙理,張程柯
(1.國(guó)網(wǎng)重慶市區(qū)供電公司,重慶 400010;2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司,重慶 400010)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和分布式能源的廣泛接入,對(duì)供電可靠性和供電質(zhì)量的要求也越來(lái)越嚴(yán)格,提高電能傳輸效率和能力的方法和技術(shù)也不斷涌現(xiàn)[1-3]。由于電力電子器件及控制技術(shù)的迅速發(fā)展,采用基于功率半導(dǎo)體器件的電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)功率優(yōu)化控制和分布式能源并網(wǎng)的新技術(shù)手段[4-6]?;诠β拾雽?dǎo)體器件的柔性設(shè)備可以高效可靠地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能變換和大小調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)分布式能源的即插即用[7-8]。
根據(jù)換流器特性,基于功率半導(dǎo)體器件的換流器拓?fù)淇梢苑譃殡娏髟磽Q流器(current source converter,CSC)和電壓源換流器(voltage source converter,VSC)兩大類。目前,應(yīng)用于電網(wǎng)功率控制和電能傳輸領(lǐng)域的換流器拓?fù)浯蠖际腔诰чl管的電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter,LCC)。LCC 采用大功率晶閘管器件級(jí)聯(lián),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、可靠性高、技術(shù)成熟、損耗小等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。然而,由于晶閘管是半控型器件,即只能控制開通不能控制關(guān)斷,LCC 存在交流電壓諧波大、功率因數(shù)低、逆變側(cè)換相失敗等缺點(diǎn)[12-13],并不適合功率需要靈活控制的配電網(wǎng)系統(tǒng)。
相較于LCC,基于全控型功率半導(dǎo)體器件的電流源換流器(CSC)同樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、損耗小、穿越交直流故障能力等優(yōu)點(diǎn)[14-16]。CSC 目前已廣泛應(yīng)用于船舶電機(jī)驅(qū)動(dòng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),但尚未見CSC 應(yīng)用于配電網(wǎng)系統(tǒng)。目前關(guān)于CSC 的控制策略研究已經(jīng)成熟,但學(xué)者提出的控制策略基本采用定直流電壓控制,并不能實(shí)現(xiàn)CSC 的全功率范圍單位功率因數(shù)運(yùn)行[17-18]。
相較于CSC,由于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)能夠功率四象限運(yùn)行、有功功率和無(wú)功功率完全解耦,且輸出的交流電壓諧波含量少、交流側(cè)濾波設(shè)備簡(jiǎn)單,VSC 在配電網(wǎng)功率控制領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛。目前,VSC 拓?fù)渲饕袃呻娖絍SC、三電平VSC 及模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)結(jié)構(gòu)。兩電平或三電平VSC 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低、控制技術(shù)成熟,但由于直流側(cè)并聯(lián)有濾波電容,不具備直流短路故障穿越能力[19-20]。MMC 由于橋臂采用功率模塊級(jí)聯(lián),具有模塊化結(jié)構(gòu)、輸出交流電壓諧波含量低、冗余設(shè)計(jì)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[21-23]。但為了穿越直流故障,需要有能夠輸出負(fù)電壓的功率模塊,需要大量的功率半導(dǎo)體器件和模塊電容,存在造價(jià)高、損耗大的缺點(diǎn)。因此,兩電平或三電平VSC 和MMC 并不適用于配電網(wǎng)功率控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)分布式能源并網(wǎng)。
前述CSC 和VSC 均是僅能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC 或DC/AC 變換的拓?fù)?,而為了?shí)現(xiàn)光伏、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電池等直流負(fù)荷的有效利用,需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)DC/DC 變換的換流器拓?fù)?,即DC/DC 換流器。根據(jù)功率大小和電壓等級(jí)的不同,學(xué)者們也提出了不同類型的DC/DC 換流器拓?fù)?。文獻(xiàn)[24]提出了一種高壓側(cè)串聯(lián)低壓側(cè)并聯(lián)的級(jí)聯(lián)有源橋結(jié)構(gòu)拓?fù)洌墨I(xiàn)[25]提出了一種模塊化直流鏈接固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)拓?fù)?。文獻(xiàn)[24-25]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是以雙有源橋(dual active bridge,DAB)結(jié)構(gòu)為基本組成單元,需要大量的功率半導(dǎo)體器件和高頻變壓器。文獻(xiàn)[26]提出一種基于模塊化多電平換流器的(modular multilevel converter,MMC)front-to-front 結(jié)構(gòu)DC/DC 換流器,該換流器交流側(cè)采用工頻變壓器連接。文獻(xiàn)[27]提出交流側(cè)采用LCL 結(jié)構(gòu)和高頻梯形波調(diào)制策略的基于MMC 的DC/DC 換流器結(jié)構(gòu)。然而,由于采用模塊化結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[26-27]提出的DC/DC 換流器成本很高,損耗較大。
綜上所述,為了發(fā)揮CSC 和VSC 的優(yōu)勢(shì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的功率控制和分布式電網(wǎng)的有效并網(wǎng),本文提出了一種基于CSC 和VSC 的交直流智能配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。通過(guò)CSC 連接不同交流配電網(wǎng)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)功率在不同配電網(wǎng)系統(tǒng)中的優(yōu)化分配,避免了配電網(wǎng)重載的出現(xiàn)。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)分布式直流電源或負(fù)荷的并網(wǎng)發(fā)電,本文提出了一種基于CSC 和VSC 混合的DC/DC 換流器。本文提出的交直流配電網(wǎng)架構(gòu)控制簡(jiǎn)單且成本較低。為了實(shí)現(xiàn)換流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行,本文提出了配電網(wǎng)架構(gòu)中某端交流配電網(wǎng)CSC 定直流電流控制,其余端交流配電網(wǎng)CSC 定有功無(wú)功功率控制,混合DC/DC 換流器定直流電壓控制的綜合控制策略。通過(guò)改變有功功率參考值或直流電壓參考值即可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)功率控制或分布式能源并網(wǎng)功率。
本文首先介紹了提出的交直流智能配電網(wǎng)架構(gòu),分析了交直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?;跀?shù)學(xué)模型,提出了適用于交直流智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略。最后,在Matlab/Simulink 仿真軟件中搭建了基于柔性裝置的交直流智能配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型,對(duì)本文提出的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
提出的基于柔性裝置的交直流智能配電網(wǎng)網(wǎng)架電路結(jié)構(gòu)見圖1,其中配電網(wǎng)通過(guò)CSC 連接,分布式直流電源或直流負(fù)荷通過(guò)混合DC/DC 換流器并入直流電網(wǎng),分布式交流電源或負(fù)荷通過(guò)CSC 并入直流電網(wǎng)。
圖1 交直流智能配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)電路原理圖Fig.1 Circuit principle diagram of AC-DC intelligent distribution network
系統(tǒng)中的配電網(wǎng)通過(guò)CSC 互相連接,由于35 kV配電網(wǎng)側(cè)CSC 采用定直流電流控制,其直流側(cè)承受較大的直流電壓,故采用多個(gè)CSC 直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)的結(jié)構(gòu),電路原理圖見圖2。
圖2 35 kV配電網(wǎng)側(cè)CSC電路拓?fù)銯ig.2 Circuit topology of CSC at 35 kV distribution network side
10 kV 配電網(wǎng)側(cè)CSC 的電路結(jié)構(gòu)見圖3,采用傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)。
圖3 10 kV配電網(wǎng)側(cè)CSC電路拓?fù)銯ig.3 Circuit topology of CSC at 10 kV distribution network side
系統(tǒng)中的直流電源或負(fù)荷通過(guò)提出的基于CSC-VSC 的混合DC/DC 換流器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)并網(wǎng),其中直流電網(wǎng)側(cè)采用CSC,直流負(fù)荷側(cè)采用VSC,見圖4。由于VSC 直流側(cè)并聯(lián)有大電容,可以實(shí)現(xiàn)直流負(fù)荷的電壓控制。
圖4 混合DC/DC換流器電路拓?fù)銯ig.4 Circuit topology of hybrid DC/DC converter
交直流智能配電網(wǎng)系統(tǒng)中,通過(guò)CSC 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)互聯(lián)以及分布式交流電源的并網(wǎng)。根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律,可以得到CSC 在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓電流關(guān)系表達(dá)式為
式中:uga、ugb、ugc為電網(wǎng)三相電壓;ia、ib、ic為三相電網(wǎng)電流;uca、ucb、ucc為濾波電容電壓;iac、ibc、icc為換流器交流側(cè)電流。運(yùn)用等功率變換,結(jié)合式(1)-(2),可以得到CSC 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為
式中:ugd和ugq為電網(wǎng)電壓的d、q軸分量;id和iq為電網(wǎng)電流的d、q軸分量;ucd和ucq為電容電壓的d、q軸分量;icd和icq為CSC 交流輸出電流的d、q軸分量。
CSC 正常工作時(shí),上下橋臂均是有且僅有一個(gè)橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài),采用SPWM 調(diào)制,CSC 交流側(cè)電流可以表示為
式中:md和mq為ACC 調(diào)制度的d、q軸分量;Idc為CSC 直流側(cè)電流。CSC 向配電網(wǎng)輸出的有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式為
式中,Udc為CSC 直流側(cè)電壓。將式(3)、式(4)和式(6)代入式(5)可得到調(diào)制度與功率的表達(dá)式為
從式(7)中可以看出,通過(guò)改變調(diào)制度的d軸分量即可實(shí)現(xiàn)CSC 傳輸有功功率的調(diào)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,調(diào)制度的q軸分量大小為
從式(8)中可以看出,若CSC 在功率變化過(guò)程中始終保持直流電流為額定值,則調(diào)制度的q軸分量基本維持不變。
混合DC/DC 換流器并網(wǎng)側(cè)采用CSC 拓?fù)?,直流?fù)荷側(cè)采用VSC 拓?fù)洌ㄟ^(guò)改變CSC 直流側(cè)電壓大小即可實(shí)現(xiàn)DC/DC 換流器功率調(diào)節(jié)。由于混合DC/DC 換流器的CSC 與配電網(wǎng)側(cè)的CSC 結(jié)構(gòu)完全相同,其數(shù)學(xué)模型不再贅述。在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,混合DC/DC 換流器的VSC 的數(shù)學(xué)模型為
式中:uvd和uvq為DC/DC 換流器交流鏈路電壓的d、q軸分量;idv和iqv為交流鏈路電流的d、q軸分量;ucvd和ucvq為VSC 交流側(cè)電壓的d、q軸分量。
混合DC/DC 換流器正常工作時(shí),交流鏈路的電壓和電流可以分別表示為
式中,Um和Im分別為交流鏈路電壓幅值和電流幅值;f為電壓電流之間的相角。
混合DC/DC 換流器的VSC 向直流負(fù)荷傳輸?shù)挠泄β屎徒涣麈溌穫?cè)無(wú)功功率表示為
根據(jù)式(13),混合DC/DC 換流器單獨(dú)控制VSC的d軸和q軸電流分量即可實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。
根據(jù)前述分析,本文提出的35 kV 側(cè)配電網(wǎng)CSC 采用定直流電流控制,控制框圖見圖5。
圖5 35 kV配網(wǎng)側(cè)CSC控制策略框圖Fig.5 Control strategy block diagram of CSC at 35 kV distribution network side
直流電流通過(guò)PI 控制器輸出后得到CSC 輸出交流電流的d軸分量參考值,無(wú)功功率通過(guò)PI 控制器輸出后得到CSC 輸出交流電流的q軸分量參考值;結(jié)合CSC 的數(shù)學(xué)模型,CSC 輸出交流電流參考值與計(jì)算實(shí)際值通過(guò)PI 控制器輸出后得到調(diào)制度的d、q軸分量;采用SPWM 調(diào)制,得到CSC 的開關(guān)信號(hào)。由于35 kV 配電網(wǎng)側(cè)CSC 采用多個(gè)CSC 換流器交流側(cè)并聯(lián)、直流側(cè)串聯(lián)結(jié)構(gòu),其中一個(gè)CSC采用圖5 閉環(huán)控制,其余CSC 開環(huán)運(yùn)行,其余CSC調(diào)制信號(hào)直接取圖5 閉環(huán)控制輸出的開關(guān)信號(hào)。
根據(jù)前述分析,本文提出的10 kV 配電網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)CSC 采用有功功率和無(wú)功功率閉環(huán)控制,控制框圖見圖6。
圖6 10 kV配網(wǎng)側(cè)CSC控制策略框圖Fig.6 Control strategy block diagram of CSC at 10 kV distribution network side
有功功率通過(guò)PI 控制器輸出后得到CSC 輸出交流電流的d軸分量參考值,無(wú)功功率通過(guò)PI 控制器輸出后得到CSC 輸出交流電流的q軸分量參考值;結(jié)合CSC 的數(shù)學(xué)模型,CSC 輸出交流電流參考值與計(jì)算實(shí)際值通過(guò)PI 控制器輸出后得到調(diào)制度的d、q軸分量;采用SPWM 調(diào)制,得到CSC 的開關(guān)信號(hào)。
本文提出的適用于混合DC/DC 換流器的控制策略框圖見圖7。
圖7 混合DC/DC換流器控制策略框圖Fig.7 Control strategy block diagram of hybrid DC/DC converter
通過(guò)采集混合DC/DC 換流器交流公共耦合點(diǎn)的三相電壓,并在給定初始相位角的情況下求取公共耦合點(diǎn)的電壓幅值,與電壓參考值比較,電壓差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器輸出得到三相調(diào)制電壓,從而得到混合DC/DC VSC 側(cè)橋臂器件的開關(guān)信號(hào)。
通過(guò)采集混合DC/DC 換流器CSC 側(cè)直流電壓和直流電流得到換流器有功功率并與參考值比較后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器輸出得到調(diào)制度的d軸分量。通過(guò)采集交流側(cè)電壓電流得到公共耦合點(diǎn)處的無(wú)功功率,與參考值比較后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器輸出得到調(diào)制度的q軸分量。經(jīng)過(guò)SPWM 調(diào)制,得到混合DC/DC CSC側(cè)橋臂器件的開關(guān)信號(hào)。
為了驗(yàn)證本文提出系統(tǒng)及控制策略的正確性和有效性,在Matlab/Simulink 中搭建了圖1 所示的仿真電路模型,電路參數(shù)見表1。
表1 交直流智能配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of AC-DC intelligent distribution network
1)算例1:系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真。
系統(tǒng)處于穩(wěn)定功率傳輸工況,仿真中設(shè)置35 kV配電網(wǎng)側(cè)CSC1向直流電網(wǎng)側(cè)輸送3.0 MW 的有功功率,混合DC/DC 換流器向直流電網(wǎng)側(cè)輸送1.0 MW 的有功功率,10 kV 配電網(wǎng)側(cè)CSC3和交流分布式電源側(cè)CSC2分別從直流電網(wǎng)吸收2.0 MW 的有功功率,系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖8。
從圖8(a)中可以看出,CSC1側(cè)35 kV 配電網(wǎng)向直流電網(wǎng)輸送了3.0 MW 的有功功率,混合DC/DC換流器側(cè)分布式直流電源向直流電網(wǎng)輸送了1.0 MW的有功功率,CSC2側(cè)分布式交流負(fù)荷和CSC3側(cè)直流電網(wǎng)分別從直流電網(wǎng)吸收了2.0 MW 的有功功率。
配電網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓水平如圖8(b)所示。由于10 kV 配電網(wǎng)側(cè)CSC3和分布式交流電源CSC2采用定直流電壓控制,CSC2和CSC3側(cè)直流電壓穩(wěn)定在額定值1.0 kV。仿真中,混合DC/DC 換流器VSC側(cè)直流電壓被認(rèn)為處于額定值2.0 kV,由于混合DC/DC 換流器采用定功率控制,混合DC/DC 換流器CSC 側(cè)即直流電網(wǎng)側(cè)的直流電壓在額定值0.5 kV附近。35 kV 配電網(wǎng)側(cè)CSC1采用定直流電流控制,直流電壓取決于其他換流器直流電網(wǎng)側(cè)的電壓和,即1.5 kV。
系統(tǒng)直流電流如圖8(c)所示,系統(tǒng)直流電流穩(wěn)定在額定值2 kA,混合DC/DC 換流器VSC 側(cè)直流電流穩(wěn)定在額定值0.5 kA。
CSC1、CSC2和CSC3交流側(cè)電壓電流波形分別如圖8(d)和圖8(e)所示,從圖中可以看出,電壓電流同相位,換流器均處于單位功率因數(shù)運(yùn)行工況。
圖8(f)所示為混合DC/DC 換流器交流鏈路電壓波形。由于VSC 斬波的效果,交流電壓波形含有大量的諧波分量,但基波幅值穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值0.8 kV。圖8(g)所示為混合DC/DC 換流器交流鏈路有功功率和無(wú)功功率波形,從圖中可以看出,交流鏈路處的無(wú)功功率為零,混合DC/DC 換流器處于單位功率因數(shù)運(yùn)行工況。
圖8 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of steady operation of system
仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功率穩(wěn)定傳輸。
2)算例2:系統(tǒng)功率變化運(yùn)行仿真。
仿真中設(shè)置系統(tǒng)5.0 s 前處于算例1 功率運(yùn)行工況,5.0 s 時(shí)設(shè)置混合DC/DC 換流器向直流電網(wǎng)傳輸功率逐漸減小,而后變?yōu)閺闹绷麟娋W(wǎng)吸收功率且逐漸增大至1.0 MW,10 kV 配網(wǎng)側(cè)CSC3和交流分布式電源側(cè)CSC2傳輸功率保持不變,整個(gè)過(guò)程持續(xù)2.0 s,仿真結(jié)果見圖9。
圖9(a)所示為換流器的功率分配,從圖中可以看出,CSC2和CSC3傳輸功率維持為2.0 MW?;旌螪C/DC 換流器向直流電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β视?.0 MW線性減小至-1.0 MW,CSC1向直流電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β视?.0 MW 線性增加到5.0 MW,功率變化過(guò)程平緩,沒有任何沖擊。
系統(tǒng)直流電壓波形如圖9(b)所示,從圖中可以看出,混合DC/DC 換流器CSC 側(cè)直流電壓由0.5 kV 線性減小至-0.5 kV,VSC 側(cè)直流電壓維持在額定值2.0 kV,CSC2和CSC3側(cè)直流電壓穩(wěn)定在額定值1.0 kV,CSC1側(cè)直流電壓由1.5 kV 平滑地增加至2.5 kV。
系統(tǒng)直流電流波形如圖9(c)所示。由于CSC1采用直流電流閉環(huán)控制,在功率變化過(guò)程中,電網(wǎng)直流電流始終在額定值2.0 kA 附近,混合DC/DC 換流器VSC 側(cè)直流電流由0.5 kA 線性減小至-0.5 kA。
由于CSC2和CSC3傳輸功率維持不變,故CSC2和CSC3仍然處于單位功率因數(shù)運(yùn)行,CSC1交流側(cè)電壓電流波形如圖9(d)所示,CSC1交流電流線性增大,在功率增加過(guò)程中,電壓電流同相位,CSC1處于單位功率因數(shù)運(yùn)行工況。
圖9(f)和圖9(g)分別是混合DC/DC 換流器交流鏈路電壓和交流鏈路功率波形。從圖中可以看出,交流電壓幅值在功率變化過(guò)程中維持在額定值0.8 kV,混合DC/DC 交流鏈路無(wú)功功率始終為零。在功率變換過(guò)程中,混合DC/DC 換流器一直處于單位功率因數(shù)運(yùn)行。
圖9 系統(tǒng)功率變化運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.9 Operation simulation result of power variation of system
仿真結(jié)果表明了本文提出的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)傳輸功率的平滑切換。
本文提出了一種基于電力電子柔性裝置的交直流智能配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),通過(guò)級(jí)聯(lián)的CSC 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)35 kV 配電網(wǎng)的連接,通過(guò)CSC 實(shí)現(xiàn)10 kV 配電網(wǎng)和交流分布式能源的連接,通過(guò)提出的混合DC/DC 換流器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)直流分布式能源的并網(wǎng)。對(duì)智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析與研究,提出了適用于智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)所有換流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行。在Matlab/Simulink 仿真軟件中搭建了仿真模型,仿真結(jié)果表明本文提出的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和功率切換。