DQZHAN技術(shù)訊：深度！直流配電網(wǎng)功率控制策略與電壓波動特性
由于采用直流配送電能,交、直流電氣元件的電氣特性存在較大的差異,直流配電網(wǎng)運(yùn)行特性與傳統(tǒng)三相交流配電系統(tǒng)有很大的區(qū)別。直流系統(tǒng)無感抗、無容抗的特點(diǎn)使得電壓成為衡量直流電網(wǎng)功率平衡的**指標(biāo),直流電網(wǎng)電壓與功率平衡的關(guān)系將決定直流配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面,直流配電網(wǎng)的運(yùn)行特性由控制系統(tǒng)決定,不同的控制策略將對直流電網(wǎng)的電壓水平、功率分布以及運(yùn)行**產(chǎn)生影響,同時直流電網(wǎng)低慣量特點(diǎn)使得系統(tǒng)電壓受負(fù)荷擾動、分布式電源出力波動以及系統(tǒng)故障等因素的影響極為敏感。因此,功率控制策略及電壓波動是直流配電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行需研究的問題之一。
直流配電網(wǎng)控制策略主要有主從控制或下垂控制方式[1-2],文獻(xiàn)[3-4]研究了分布式電源與儲能、負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)控制,以實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[5-7]研究了分布式電源接入直流微電網(wǎng)的電壓與控制問題,側(cè)重于電壓控制方式實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析評估。文獻(xiàn)[8-10]研究了各種控制策略對高壓多端直流輸電系統(tǒng)的功率分布與電壓波動的影響,以及相應(yīng)功率優(yōu)化控制問題?？梢?與多端直流輸電系統(tǒng)相比,國內(nèi)外對直流配電網(wǎng)的研究相對滯后,由于直流配電網(wǎng)可直接承擔(dān)各種類型分布式能源與負(fù)荷接入的任務(wù),研究直流配電網(wǎng)的控制策略和電壓波動問題,對直流配電網(wǎng)建設(shè)以及新能源的開發(fā)利用具有重要的意義。
直流配電網(wǎng)是通過采用高功率電力電子技術(shù)以直流形式將各種電源、負(fù)荷以及儲能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的新型的電力網(wǎng)絡(luò)[1]。例如,圖1是一個典型的直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),直流電源和負(fù)荷通過DC/DC變流器接入電網(wǎng),交流電源及負(fù)荷由AC/DC變流器接入系統(tǒng)。本文提出以圖1直流配電網(wǎng)為例,研究并建立包括AC/DC變流器和DC/DC變流器在內(nèi)的直流配電網(wǎng)動態(tài)模型,并考慮分布式電源投入、退出以及輸出功率波動等因素的影響,研究直流配電網(wǎng)的功率控制策略及其對電壓波動的影響問題,以期為控制策略選擇以及直流配電網(wǎng)的建設(shè)與運(yùn)行提供技術(shù)參考。
1、變流器模型及控制
1.1 交流電源接口變流器
基于VSC技術(shù)的AC/DC變流器既可作為風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等交流電源的并網(wǎng)接口,也可作為直流配電網(wǎng)與交流主網(wǎng)的接口。圖2為典型的三相全橋AC/DC變流器拓?fù)?由全控型電力電子元件(IGBT)、直流電容、L型濾波器等元件構(gòu)成[11]。
圖2中,usa,usb,usc為交流電源三相電壓;ia,ib,ic為變流器交流側(cè)三相電流;uoa,uob,uoc為變流器交流側(cè)三相電壓;Udc為變流器直流側(cè)電壓;Ps,Qs為并網(wǎng)有功功率和無功功率;R和L分別為濾波器的等效電阻和等效電感。
1.1.1 AC/DC變流器數(shù)學(xué)模型
根據(jù)圖2中AC/DC變流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和基爾霍夫電壓定律可建立變流器交流側(cè)的三相基波分量的微分方程組[11]：
根據(jù)式(1)可得基于Park變換的d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的VSC數(shù)學(xué)模型為：
式中,ω為同步角頻率,M為調(diào)制比,δ為觸發(fā)角,usd,usq分別為電源側(cè)電壓d、q軸分量;id,iq為電流的d、q軸分量。
由于三相對稱交流系統(tǒng)無零序分量,當(dāng)d軸以電網(wǎng)電壓向量定位時,即usq=0,并網(wǎng)有功功率和無功功率為：
式中,usd為恒定值（變流器穩(wěn)定運(yùn)行）,由式(3)可知,如果分別改變d、q軸電流分量id,iq,并網(wǎng)有功功率和無功功率隨之改變,從而實(shí)現(xiàn)有功與無功的解耦控制。
1.1.2 功率控制器模型
AC/DC變流器控制器采用雙閉環(huán)控制,外環(huán)控制器用于實(shí)現(xiàn)不同的控制策略;內(nèi)環(huán)控制用于通過精細(xì)調(diào)節(jié)以改善電能質(zhì)量?？紤]usq=0,根據(jù)式(2)可得：
雙環(huán)控制的VSC功率控制器如圖3所示[11]。根據(jù)式(3)、(4)的推導(dǎo),控制器控制原理如下：由式(3)計(jì)算得到并網(wǎng)有功功率和無功功率Ps、Qs,分別與相應(yīng)參考值Pref、Qref作比較,輸出經(jīng)PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生d-q坐標(biāo)系下的電流參考信號idref和iqref;然后分別與交流側(cè)電流d-q分量id和iq作比較,經(jīng)PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生中間信號ud和uq。同時id和iq采用前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償分別產(chǎn)生電壓補(bǔ)償信號-ωLid和ωLiq,其中ωLiq與ud、usd進(jìn)行疊加產(chǎn)生VSC交流側(cè)控制信號uod;-ωLid與uq疊加產(chǎn)生VSC交流側(cè)控制信號uoq。
采用直流電壓控制方式時,需將圖3中外環(huán)有功功率控制器改為直流電壓控制結(jié)構(gòu),如圖4所示,用來平衡系統(tǒng)有功功率和保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。
1.2 直流電源接口變流器
光伏電站、儲能等直流型分布式電源通過基于VSC技術(shù)的DC/DC變流器接入配電網(wǎng)。DC/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括隔離型和非隔離型,其中隔離型變流器中的中、高頻變壓器可實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)壓范圍與較大的容量,且控制方式簡單,適合應(yīng)用在較高電壓等級直流配網(wǎng)系統(tǒng)[12]。為研究方便,本文采用了隔離型DC/DC變流器拓?fù)?如圖5所示。
圖5中,隔離型DC/DC變流器兩端的VSC采用三相兩電平橋式電路,兩個VSC的交流側(cè)由高頻變壓器連接。u1,u2分別DC/DC變流器兩端VSC交流側(cè)電壓;i1,i2為DC/DC變流器兩端VSC交流側(cè)電流;e1,e2為高頻變壓器兩端電壓;L1,L2為DC/DC變流器兩端VSC交流側(cè)濾波電感。
1.2.1 DC/DC變流器數(shù)學(xué)模型
根據(jù)圖5參數(shù),假定圖5所示的電流方向?yàn)檎较?高頻變壓器為理想變壓器,并忽略VSC每相橋臂的附加電阻,DC/DC電壓變流器的數(shù)學(xué)模型為[13]：
式中：E1,E2是電壓e1,e2的有效值;I1,I2是電流i1,i2的有效值;k是高頻變壓器變比。
1.2.2 DC/DC變流器控制
DC/DC變流器控制系統(tǒng)分兩部分：VSC1控制和VSC2控制。兩個VSC采用電壓定向矢量控制原理,采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)經(jīng)Park變換實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的解耦控制。控制原理與1.1.1節(jié)類似,不再贅述。
根據(jù)DC/DC變流器接入的分布式電源類型及其在直流配網(wǎng)中承擔(dān)的功能,變流器的控制策略可分為定直流功率控制和定直流電壓控制[16]。定直流功率控制框圖如圖6所示,VSC1控制自身交流側(cè)電壓的相位和幅值,VSC2控制其直流側(cè)的直流功率,從而實(shí)現(xiàn)直流功率調(diào)節(jié)的功能;定直流電壓控制框圖如圖7所示,VSC1控制自身交流側(cè)電壓的
相位和幅值,然后經(jīng)VSC2轉(zhuǎn)換為直流電壓,從而實(shí)現(xiàn)直流電壓調(diào)節(jié)的功能。
2、網(wǎng)絡(luò)模型與控制策略
直流配電網(wǎng)運(yùn)行的基本要**維持系統(tǒng)電壓在一個可接受的范圍內(nèi),然而網(wǎng)絡(luò)電壓分布與動態(tài)變化同時受到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制策略及負(fù)荷特性等多種因素的影響。因此需要通過建立網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型,研究網(wǎng)絡(luò)控制策略對源、網(wǎng)關(guān)系的影響。
2.1 網(wǎng)絡(luò)模型與算法
2.1.1 功率模型與節(jié)點(diǎn)電壓
以n節(jié)點(diǎn)直流網(wǎng)絡(luò)為例,可建立單極運(yùn)行方式下的直流配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型,電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)注入功率或電流與節(jié)點(diǎn)電壓關(guān)系分別為：
式中,P表示節(jié)點(diǎn)注入有功功率,I為n×1維節(jié)點(diǎn)注入電流向量;V為n×1維節(jié)點(diǎn)電壓向量;G為N×N階節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣;
將節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣G取逆,由式(6)、(7)可推導(dǎo)出以節(jié)點(diǎn)電阻矩陣R表示的節(jié)點(diǎn)電壓方程為：
由式(6)、(7)可知,由于直流網(wǎng)絡(luò)的純阻性,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓與網(wǎng)絡(luò)注入有功功率形成直接的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)直流配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或擾動時,功率的不平衡將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動,即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓成為衡量直流電網(wǎng)功率平衡的**指標(biāo),因此通過對直流配電網(wǎng)電壓的有效控制,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在各種工況下的功率平衡,從而維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。
由式(8)可知,由于節(jié)點(diǎn)電阻矩陣內(nèi)的元素包含全網(wǎng)的信息,網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點(diǎn)注入功率(或電流)的變化將會改變?nèi)W(wǎng)電壓分布,且電壓分布的變化與節(jié)電阻矩陣元素相關(guān)。
2.1.2 網(wǎng)絡(luò)損耗
網(wǎng)絡(luò)支路功率及損耗方程為：
由式(10)、(11)可知,線路輸送功率與損耗的大小由節(jié)點(diǎn)電壓分布與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)共同決定。而由式(8)可知網(wǎng)絡(luò)電壓分布由各節(jié)點(diǎn)電源注入電流及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。故通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或DG輸出功率,可改善系統(tǒng)電壓分布進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)損耗。
2.1.3 電壓分布不均衡度
對式（8）的分析表明,直流網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)是一個局部概念,任意節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)將引起系統(tǒng)電壓的不均一波動,故為量化電網(wǎng)電壓分布的均衡程度和電壓控制效果,定義全網(wǎng)電壓分布不均衡度指標(biāo)ε：
式中,D(V)為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓方差,E(V)為節(jié)點(diǎn)電壓均值,即期望值。εε越小,意味著全網(wǎng)電壓分布越均衡。
由式(11)和(12)可知,電壓分布不均衡度與網(wǎng)絡(luò)損耗都和網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓差值的平方項(xiàng)相關(guān),表明電壓分布不均衡度和網(wǎng)絡(luò)損耗具有較高的相關(guān)性。故在滿足電壓偏差要求的前提下,可將電壓分布不均衡度作為衡量直流配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的重要指標(biāo)。
2.2 控制策略
直流配電網(wǎng)控制策略主要有主從控制、下垂控制等方式。直流網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特性起決定作用,有必要比較分析直流配電網(wǎng)因發(fā)生故障或擾動條件下不同控制策略對網(wǎng)絡(luò)電壓的控制作用與效果。
2.2.1 主從控制
主從控制方式是指網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)電源接口變流器采用定直流電壓控制(稱為主變流器),用來平衡系統(tǒng)的功率波動。其他與外部有源系統(tǒng)連接的換流裝置采用定有功功率或定電流控制方式[14-15]。直流配電網(wǎng)主從控制模式下的電壓/功率特性如圖8所示。
顯然,在主從控制方式下,主變流器承擔(dān)全部調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率平衡壓力,當(dāng)主變流器輸出功率達(dá)到限制或退出運(yùn)行時,全網(wǎng)可能出現(xiàn)突然崩潰。主從控制模式對主變流器的性能和容量要求較高,且必須由上層控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)各電源節(jié)點(diǎn)輸出功率的整定值,對通信系統(tǒng)的依賴性較高[15]。
2.2.2 下垂控制
下垂控制是指多個與外部有源系統(tǒng)連接的換流器,同時參與電壓的調(diào)節(jié),優(yōu)點(diǎn)是承擔(dān)調(diào)壓任務(wù)的變流器退出不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定[15-16]。下垂控制模式下電壓/功率特性如圖9所示。
下垂控制的特點(diǎn)是正常穩(wěn)定運(yùn)行時不需要上層控制器進(jìn)行整定值的協(xié)調(diào),失去通信也不影響系統(tǒng)運(yùn)行;同時擴(kuò)展方便,適宜大量DER的接入。但由于風(fēng)力與光伏發(fā)電系統(tǒng)一般期望*大功率輸出,且其間歇波動性特點(diǎn)限制了調(diào)壓能力,需要配合儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓[16]。
3、算例及結(jié)果分析
3.1 仿真模型
將IEEE16節(jié)點(diǎn)的交流系統(tǒng)算例[17]改造為基準(zhǔn)容量100MW、額定直流電壓為30kV的直流配網(wǎng),如圖10所示。節(jié)點(diǎn)1、2、3接入具有功率調(diào)節(jié)能力的分布式電源,系統(tǒng)運(yùn)行方式為閉環(huán)運(yùn)行(圖10虛線全部連接),電網(wǎng)參數(shù)及負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示。為突出研究重點(diǎn),系統(tǒng)建模與仿真作如下簡化：
1）設(shè)全網(wǎng)為恒功率負(fù)荷,忽略線路分布電容;
2）忽略下垂控制系數(shù)對系統(tǒng)功率分布的影響。
用PSCAD/EMTDC搭建16節(jié)點(diǎn)直流配電網(wǎng)模型。節(jié)點(diǎn)2經(jīng)雙向AC/DC變流器接上級交流電網(wǎng),節(jié)點(diǎn)1、3經(jīng)DC/DC變流器接直流電源。主從控制方式下節(jié)點(diǎn)2變流器為定直流電壓控制,節(jié)點(diǎn)1、3變流器為定功率控制;采用下垂控制方式時,三個電源下垂系數(shù)均設(shè)為1。設(shè)定節(jié)點(diǎn)16接入一臺容量為2MW的風(fēng)電機(jī)組,通過對風(fēng)電機(jī)組接入、退出及穩(wěn)定運(yùn)行等工作狀態(tài)下系統(tǒng)運(yùn)行特性仿真分析,比較分析下垂控制和主從控制兩種控制方式下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗、電壓波動的變化特點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組以*大功率跟蹤方式運(yùn)行,采用甘肅某風(fēng)電場的風(fēng)速數(shù)據(jù),風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線如圖11所示。
3.2 仿真結(jié)果分析
3.2.1 不同控制方式下系統(tǒng)電壓波動特性
圖12為16節(jié)點(diǎn)(風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn))電壓波動曲線。風(fēng)機(jī)在10s投入電網(wǎng)后以*大功率跟蹤方式運(yùn)行,30s退出。風(fēng)機(jī)接入前16節(jié)點(diǎn)電壓在兩種控制方式下維持平穩(wěn)且運(yùn)行在同一水平。在下垂控制方式下,風(fēng)機(jī)投入時節(jié)點(diǎn)電壓曲線上升,*大電壓偏差約為5%,運(yùn)行期間,電壓曲線隨風(fēng)機(jī)輸出功率波動;主從控制方式下的電壓曲線則始終保持基本平穩(wěn)。這表明主從控制方式對系統(tǒng)電壓波動具有更好的控制效果,有利于保證電壓質(zhì)量。
圖13和14分別是主從控制和下垂控制下,風(fēng)機(jī)投入前后全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓波動曲線。主從控制下,
盡管風(fēng)機(jī)接入后,全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓略微上升,但在風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行后,全網(wǎng)電壓又恢復(fù)到初始狀態(tài)。與之相反,下垂控制下風(fēng)機(jī)接入后,全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓明顯增大,且在風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行后并未恢復(fù)到原來狀態(tài)。比較結(jié)果反映出電壓下垂控制的有差調(diào)節(jié)與主從控制的無差調(diào)節(jié)特性,表明主從控制方式能夠更好的維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及保證電壓質(zhì)量。
3.2.2 不同控制下電網(wǎng)損耗與電壓分布不均衡度
圖15為兩種控制方式下全網(wǎng)電壓分布不均衡度的比較。風(fēng)機(jī)接入前,電壓不均衡度曲線接近一致,風(fēng)機(jī)接入后,下垂控制電壓不均衡度曲線下降,而主從控制曲線略微上升,直至風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行,兩條曲線又恢復(fù)一致。按電壓分布不均衡度定義,圖15表明系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動時,下垂控制方式下的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓波動的均衡性更好。
圖16為電網(wǎng)損耗曲線。風(fēng)機(jī)接入前,兩條網(wǎng)損曲線接近一致,但風(fēng)機(jī)接入后,下垂控制的網(wǎng)損曲線明顯下降,而主從控制方式的曲線基本維持不變。這表明下垂控制方式較主從控制方式更能有效地降低系統(tǒng)功率波動后的網(wǎng)絡(luò)損耗。
比較圖15和16,可發(fā)現(xiàn)下垂控制方式圖15網(wǎng)損曲線與圖16電壓不均衡度曲線的變動趨勢吻合,這是因?yàn)殡妷悍植疾痪舛扰c網(wǎng)絡(luò)損耗都和節(jié)點(diǎn)電壓差值的平方項(xiàng)相關(guān),表明電壓分布不均衡度和網(wǎng)絡(luò)損耗具有較高的相關(guān)性。主從控制方式下,兩條曲線的變動趨勢略有差異的原因是損耗還受系統(tǒng)電阻分布因素的影。因此,電壓分布不均衡度指標(biāo)在一定程度上可用來評估網(wǎng)絡(luò)損耗的大小。
4、結(jié)論
本文構(gòu)建了直流配電網(wǎng)動態(tài)模型,設(shè)計(jì)了變流器控制系統(tǒng),通過仿真計(jì)算比較分析了不同控制方式下直流配電網(wǎng)電壓波動,結(jié)論如下：
1）主從控制與下垂控制是直流配網(wǎng)*基本的兩種控制方式。主從控制方式下系統(tǒng)在出現(xiàn)功率波動條件下各節(jié)點(diǎn)電壓波動幅度較小,故主從控制具有更好的電壓調(diào)節(jié)能力,有利于改善系統(tǒng)各種工況下的電壓質(zhì)量,但由于各節(jié)點(diǎn)電壓波動的均衡性較差,網(wǎng)絡(luò)損耗較大;下垂控制方式下全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓波動的均衡性更好,損耗較低,但各節(jié)點(diǎn)電壓波動幅度較大。因此直流配電網(wǎng)控制方式的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的供用電需求做出權(quán)衡,或?qū)ο到y(tǒng)控制策略做出進(jìn)一步優(yōu)化。
2）提出的電壓分布不均衡度指標(biāo)可用來評估系統(tǒng)功率波動引起的全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓不均衡波動的程度。由于直流網(wǎng)絡(luò)的純阻性特點(diǎn),直流網(wǎng)絡(luò)功率分布與節(jié)點(diǎn)電壓之間具有直接的函數(shù)關(guān)系,而電壓分布不均衡度和網(wǎng)絡(luò)損耗均與節(jié)點(diǎn)電壓的平方項(xiàng)有關(guān),故網(wǎng)絡(luò)損耗與電壓分布不均衡度之間具有較高的相關(guān)性,仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一結(jié)論。
3）下垂控制的有差調(diào)節(jié)特性是下垂控制電壓調(diào)節(jié)能力較差的原因,因此改變電源接口變流器的下垂控制系數(shù)將影響到系統(tǒng)電壓波動特性。另外本文未考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變、分布式電源接入位置等因素對直流配電網(wǎng)電壓波動特性的影響,這些問題是需在后續(xù)的工作中繼續(xù)研究的工作。
