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  • 頭條直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究
    2020-06-29 作者:賴一峰  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語廣州供電局有限公司的研究人員賴一峰,在2019年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,針對(duì)直流配電網(wǎng)中存在的功率平衡和電壓波動(dòng)的問題,在研究直流配電網(wǎng)拓?fù)浼岸喾N運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上,提出了一種新的分層協(xié)調(diào)控制方法。 該方法通過控制直流母線電壓變化量來協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊的工作方式,它可以在不同條件下保持配電網(wǎng)內(nèi)功率平衡和電壓穩(wěn)定。電壓分段下垂、多點(diǎn)協(xié)同的控制策略可以平滑切換各種運(yùn)行狀態(tài)。 最后搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,在光照、風(fēng)速、負(fù)荷突變的狀態(tài)下,該系統(tǒng)模型能快速反應(yīng)并保持系統(tǒng)穩(wěn)定,證明了該控制方法的有效性和可行性。

    分布式電源由于具有距離負(fù)荷近、輸電損失小、換流環(huán)節(jié)少、損耗低以及便于可再生能源應(yīng)用等特點(diǎn),受到越來越多的關(guān)注。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平地提高,電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的直流負(fù)荷,利用直流配電網(wǎng)可以省略交流電網(wǎng)的AC-DC環(huán)節(jié),使能耗得到降低。

    與交流配電網(wǎng)相比,直流配電網(wǎng)絡(luò)本身具有線路成本低、傳輸損耗低、電源可靠性高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。因此,建設(shè)和發(fā)展直流配電網(wǎng)在分布式能源接入、環(huán)保等方面具有重大意義。

    1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)介紹

    1.1 系統(tǒng)拓?fù)湔f明

    直流配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷單元、聯(lián)網(wǎng)變流器這5部分組成。

    1)風(fēng)力發(fā)電單元。該研究采用額定風(fēng)速為12m/s的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(wind generation system with permanent magnet synchronous generators, PMSG),并通過電壓型脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)變流器W-VSC接入DC配電網(wǎng)絡(luò)。正常以最大功率跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)方式運(yùn)行。

    2)光伏發(fā)電單元。光伏發(fā)電單元通過升壓式Boost電路接入DC配電網(wǎng)絡(luò)。正常以MPPT方式運(yùn)行時(shí),可盡可能多的利用光能。

    3)儲(chǔ)能單元。儲(chǔ)能方式為蓄電池儲(chǔ)能,通過雙向DC/DC變換器Bi-DC接入DC配電網(wǎng)絡(luò)。在AC主網(wǎng)功率受限或孤島狀態(tài)下,儲(chǔ)能單元向系統(tǒng)輸送功率,穩(wěn)定直流電壓,以確保功率平衡及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在AC主網(wǎng)正常情況下,電池充電狀態(tài)或?yàn)楹髠潆娫础?/p>

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

    4)負(fù)荷單元。DC負(fù)載直接或通過Buck降壓式電路接入DC配電網(wǎng)絡(luò)[2],AC負(fù)荷通過電壓型逆變器L-VSC接入DC配電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)電源有功功率不足時(shí),需要根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行減載控制,以保證DC配電網(wǎng)絡(luò)的功率平衡及重要負(fù)荷的不間斷供電。

    5)并網(wǎng)變流器。DC配電網(wǎng)絡(luò)通過電壓型PWM變流器G-VSC接入AC主網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)DC配電網(wǎng)絡(luò)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),G-VSC通過控制直流電壓的穩(wěn)定來確保直流配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有功功率平衡。

    1.2 拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)說明

    采用如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具備以下優(yōu)勢(shì):

    • 1)直流負(fù)荷、交流負(fù)荷和風(fēng)光儲(chǔ)新能源分別集中分布,風(fēng)光儲(chǔ)之間可以相互平滑功率,負(fù)荷具有較好的可擴(kuò)展性。
    • 2)直流負(fù)荷和交流負(fù)荷都有兩路供電,即交流主網(wǎng)供電和風(fēng)光儲(chǔ)新能源供電,供電可靠性高。
    • 3)風(fēng)光儲(chǔ)電源可以經(jīng)直流負(fù)荷或交流負(fù)荷送入電網(wǎng),減小線路故障時(shí)的送出功率損失。

    2 直流配電網(wǎng)的控制

    2.1 控制策略說明

    直流配電網(wǎng)的控制系統(tǒng)采用分散自律的一次調(diào)壓和主從控制的二次調(diào)壓以及三次調(diào)壓,分別負(fù)責(zé)直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、減小電壓偏差以及優(yōu)化運(yùn)行。其整體控制體系框圖如圖2所示。

    1)直流配電網(wǎng)的一次調(diào)壓(略)

    各端根據(jù)直流電壓分層,自動(dòng)參與系統(tǒng)一次調(diào)壓,各端的一次調(diào)壓器的控制特性如圖3所示。

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖2 直流配電網(wǎng)整體控制體系框圖

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖3 一次調(diào)壓器的控制特性

    2)直流配電網(wǎng)的二次調(diào)壓

    通過一次調(diào)壓可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,以交流主網(wǎng)換流器為主控系統(tǒng),可進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),其中二次調(diào)壓負(fù)責(zé)電網(wǎng)在多次有功擾動(dòng)電壓偏差較大時(shí),改變下垂特性初值績(jī)效系統(tǒng)電壓總偏差。根據(jù)是否考慮網(wǎng)損,分為以下兩種情況:(1)不考慮網(wǎng)損時(shí),使得總的直流電壓偏移最?。唬?)直流電壓偏移滿足一定范圍時(shí),以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo),計(jì)算參與二次調(diào)壓的電壓給定值。

    3)直流配電網(wǎng)的三次調(diào)壓

    一次調(diào)壓和二次調(diào)壓為有功擾動(dòng)后的調(diào)節(jié),三次調(diào)壓為事前的優(yōu)化控制,根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)運(yùn)行成本還是新能源利用率,可分為以下兩種情況。

    • 目標(biāo)1:直流配電網(wǎng)的運(yùn)行成本最小,如上網(wǎng)電價(jià)低時(shí)儲(chǔ)能,電價(jià)高時(shí)多給系統(tǒng)輸送功率。
    • 目標(biāo)2:新能源的利用率最高,如預(yù)報(bào)未來大風(fēng),則儲(chǔ)能先放電,以便未來能吸收更多風(fēng)能。

    2.2 電壓分段下垂、多點(diǎn)協(xié)同的控制策略

    基于電壓分段下垂控制的策略為:①第一段為主調(diào)壓,以主網(wǎng)換流器和可控電源為主;②第二段為備用電壓調(diào)節(jié),主要采用儲(chǔ)能,主網(wǎng)變流器限流或發(fā)生故障時(shí)提供備用支持;③第三段為緊急調(diào)壓,風(fēng)電光伏進(jìn)行高頻降額,負(fù)荷進(jìn)行低頻減載。

    從圖4中可見,可將該控制策略分為3層:第一層控制由并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器G-VSC控制,電壓保持在0.98~1.02p.u.的范圍內(nèi);第二層由電池側(cè)轉(zhuǎn)換器B-DC進(jìn)行電壓控制,維持電壓在0.95~0.98p.u.或1.02~1.05p.u.的范圍內(nèi);當(dāng)電壓高于1.05p.u.時(shí),PMSG脫網(wǎng)運(yùn)行,當(dāng)電壓低于0.95p.u.時(shí),根據(jù)優(yōu)先級(jí)切除負(fù)載。

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖4 直流配電網(wǎng)電壓分層協(xié)調(diào)控制策略

    3 仿真(略)

    為驗(yàn)證所提控制策略的有效性,利用Matlab/ Simulink仿真軟件搭建了如圖1所示的仿真系統(tǒng)。運(yùn)行參數(shù)如圖1標(biāo)識(shí),風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為75r/min,W-VSC的額定容量為20kW(對(duì)應(yīng)風(fēng)速為12m/s);光伏發(fā)電系統(tǒng)按額定輻射強(qiáng)度為1000W/m2,升壓Boost-DC的額定容量為20kW;交流負(fù)荷L1、L2的參數(shù)為AC 380V/10kW,直流負(fù)荷L3、L4的參數(shù)為300V/10kW,降壓Buck-DC換流器的額定容量為20kW。

    仿真初設(shè)條件為:風(fēng)速初始值為9m/s,風(fēng)電機(jī)組在最大功率跟蹤,輸出功率約為10kW;光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT狀態(tài)下運(yùn)行,額定光強(qiáng)條件下輸出功率約為20kW;蓄電池處于后備狀態(tài),輸出功率為0;AC負(fù)荷L1和DC負(fù)荷L3接入配電網(wǎng),負(fù)荷總功率為20kW。采用基于電壓下垂的分層控制,如圖5所示。

    在模擬中,各端換流器的功率以流入直流配電網(wǎng)為正方向。

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖5 基于電壓下垂的分層協(xié)調(diào)控制策略

    1)聯(lián)網(wǎng)自由運(yùn)行的仿真分析

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖6 聯(lián)網(wǎng)自由模式下直流配電網(wǎng)的運(yùn)行特性

    2)光伏板切除、風(fēng)機(jī)降功率運(yùn)行時(shí)直流配電網(wǎng)的仿真分析

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖7 光伏板切除、風(fēng)機(jī)降功率運(yùn)行時(shí)直流配電網(wǎng)的仿真分析

    3)負(fù)荷減載運(yùn)行的仿真分析

    直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行研究

    圖8 負(fù)荷減載運(yùn)行時(shí)直流配電網(wǎng)的運(yùn)行特性

    綜合以上仿真算例可以看出,在基于電壓下垂的分層控制下,直流配電網(wǎng)各端換流器無需相互通信,實(shí)現(xiàn)了各種運(yùn)行狀態(tài)的平滑切換。為了減少由一次調(diào)壓引起的電壓偏差,二次調(diào)壓、三次調(diào)壓能有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各端換流站的最小總DC電壓偏移。

    結(jié)論

    本文主要針對(duì)直流配電網(wǎng)中存在的功率平衡和電壓波動(dòng)的問題,提出了一種新型分層協(xié)調(diào)控制方法,具有一定創(chuàng)新性。文中主要對(duì)該方法的控制策略進(jìn)行說明,并通過仿真表明該策略可以快速、實(shí)時(shí)地響應(yīng)系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定和功率平衡,具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力,能夠?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)行狀態(tài)的平滑切換。

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