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  • 頭條重慶大學科研人員提出雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制的新方法
    2021-08-22 作者:楊美輝 周念成 等  |  來源:《電工技術(shù)學報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語雙極直流微電網(wǎng)正、負極直流負荷的變化會導(dǎo)致直流母線電壓偏離額定值,使正、負極電壓出現(xiàn)不平衡,由此產(chǎn)生的不平衡電流還會增加網(wǎng)絡(luò)損耗。為協(xié)調(diào)不同分布式電源參與直流微電網(wǎng)的不平衡電壓控制,控制電壓不平衡度在合理范圍內(nèi)或某一限定值,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員楊美輝、周念成、王強鋼、廖建權(quán)、孟瀟瀟,在2021年第3期《電工技術(shù)學報》上撰文,提出了雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓的分布式協(xié)同控制策略,并通過仿真算例及實驗對該控制策略進行驗證。

    光伏、儲能等直流型分布式電源的增加促進了直流微電網(wǎng)的發(fā)展。相比于交流微電網(wǎng),直流微電網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、供電容量大、電能質(zhì)量高等優(yōu)點。根據(jù)是否存在中線,可將直流微電網(wǎng)分為單極和雙極直流微電網(wǎng)。

    相比于單極直流微電網(wǎng),雙極直流微電網(wǎng)提供更多電壓等級接口,電壓等級可靈活變換,同時其對AC-DC變換器的利用率高。此外,當某一極發(fā)生故障時,另一極可繼續(xù)保持運行,系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性。但正、負極的電源,負荷和線路參數(shù)等不平衡會在中線產(chǎn)生不平衡電流,進而增加線路損耗,同時使正、負極母線電壓偏離額定值。

    當某一節(jié)點的負荷嚴重不平衡時,不平衡度可能超標,甚至觸發(fā)中線的不平衡電壓保護。為靈活調(diào)節(jié)雙極直流微電網(wǎng)的電壓不平衡度,同時使母線電壓運行在合理范圍內(nèi),須采取一定的分布式協(xié)同控制策略,保證直流負荷的正常運行。

    重慶大學科研人員提出雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制的新方法

    圖1 雙極直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

    針對雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓抑制,目前主要有三種策略:①采用可抑制不平衡電壓的AC-DC變換器;②在AC-DC變換器的出口安裝電壓平衡器;③采用負荷切換開關(guān)調(diào)整直流負荷的供電極性。

    由文獻分析可知,雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓的抑制可從源側(cè)和網(wǎng)側(cè)出發(fā),通過增加不平衡補償控制環(huán)節(jié)減小不平衡電流引起的線路損耗和電壓偏差,但均只考慮單個變換器的不平衡電壓抑制,而未考慮不同節(jié)點變換器間分布式電源參與不平衡度調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)能力。因此應(yīng)進一步研究雙極直流網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點變換器母線電壓及不平衡度的協(xié)調(diào)控制,當負載和供電功率在大范圍變化時,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

    基于一致性理論的分布式協(xié)同控制策略結(jié)合了集中式控制和分散式控制的優(yōu)點,有利于協(xié)調(diào)多個變換器的不平衡電壓控制。在直流微電網(wǎng)中各單元能夠依據(jù)自身和相鄰單元的信息實時更新自身狀態(tài),共同完成協(xié)調(diào)控制。

    經(jīng)文獻分析可知,目前研究均針對單極直流微電網(wǎng)中不同變換器間的協(xié)調(diào)控制,而未考慮雙極直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。雙極直流微電網(wǎng)因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中含有中性線,極間電壓不平衡成為其特有的電能質(zhì)量問題,負載功率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)等電氣量的不平衡及中線阻抗上的壓降均會使正、負極電壓進一步偏離額定值,從而對直流母線電壓偏差補償及雙極直流微電網(wǎng)的功率分配產(chǎn)生影響。因此針對雙極直流微電網(wǎng),還需設(shè)計專門的極間不平衡電壓控制器,控制正、負極電壓的不平衡度在合理范圍內(nèi),才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

    重慶大學的研究人員將一致性理論應(yīng)用到雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓控制中,通過對多個分布式電源變換器的分布式協(xié)同控制,實現(xiàn)雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓控制。

    重慶大學科研人員提出雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制的新方法

    圖2 仿真結(jié)構(gòu)示意圖

    研究人員在雙極直流微電網(wǎng)的一次控制中采用電壓下垂控制,同時根據(jù)一致性理論,結(jié)合電壓不平衡度與正負極電壓之間的關(guān)系,提出雙極直流微電網(wǎng)的分布式協(xié)同控制策略。通過設(shè)計不平衡電壓觀測器和不平衡度控制器,使母線電壓維持在額定值,并實現(xiàn)了極間電壓不平衡度趨于一致。

    他們通過對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析,從理論上驗證了所提控制策略的穩(wěn)定性和可靠性。最后在Matlab/Simulink中建立雙極直流微電網(wǎng)仿真模型,并搭建實驗平臺,仿真及實驗結(jié)果表明所提控制策略不僅在電網(wǎng)常規(guī)運行中有效,在負載變化和通信網(wǎng)絡(luò)變化時同樣具有良好的有效性。

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    圖3 實驗平臺

    研究人員最后得出分析結(jié)果:

    1)通過設(shè)置電壓觀測器,可在負荷及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時,動態(tài)調(diào)整各負荷節(jié)點的電壓參考值,通過減小母線電壓與額定值之間的偏差,提升雙極直流微電網(wǎng)電壓質(zhì)量,并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的正、負極母線平均電壓趨于一致。

    2)在電壓觀測器的基礎(chǔ)上,增加不平衡度控制器,可使網(wǎng)絡(luò)中各負荷節(jié)點的電壓不平衡度趨于一致,從而最大限度地利用分布式電源的電壓調(diào)節(jié)能力,減小功率波動較大時的電壓失衡,有利于雙極直流微電網(wǎng)的功率平衡。

    3)在電壓下垂控制的基礎(chǔ)上增加一致性控制,可達到雙極直流微電網(wǎng)的分布式協(xié)同控制。該控制策略可靈活應(yīng)對負荷及通信網(wǎng)絡(luò)時變的情況,保證直流負荷及整個雙極直流微電網(wǎng)的正常、穩(wěn)定運行。

    以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術(shù)學報》,論文標題為“基于分布式協(xié)同的雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制策略”,作者為楊美輝、周念成 等。

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