- 頭條重慶大學科研人員提出雙極直流微電網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：《電工技術學報》 | 點擊率：導語雙極直流微電網正、負極直流負荷的變化會導致直流母線電壓偏離額定值，使正、負極電壓出現不平衡，由此產生的不平衡電流還會增加網絡損耗。為協調不同分布式電源參與直流微電網的不平衡電壓控制，控制電壓不平衡度在合理范圍內或某一限定值，保證系統的穩定運行，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員楊美輝、周念成、王強鋼、廖建權、孟瀟瀟，在2021年第3期《電工技術學報》上撰文，提出了雙極直流微電網的不平衡電壓的分布式協同控制策略，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的發展。相比于交流微電網，直流微電網具有結構簡單、控制容易、供電容量大、電能質量高等優點。根據是否存在中線，可將直流微電網分為單極和雙極直流微電網。
相比于單極直流微電網，雙極直流微電網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，當某一極發生故障時，另一極可繼續保持運行，系統具有更高的可靠性和安全性。但正、負極的電源，負荷和線路參數等不平衡會在中線產生不平衡電流，進而增加線路損耗，同時使正、負極母線電壓偏離額定值。
當某一節點的負荷嚴重不平衡時，不平衡度可能超標，甚至觸發中線的不平衡電壓保護。為靈活調節雙極直流微電網的電壓不平衡度，同時使母線電壓運行在合理范圍內，須采取一定的分布式協同控制策略，保證直流負荷的正常運行。
圖1 雙極直流微電網結構示意圖
針對雙極直流微電網的不平衡電壓抑制，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采用負荷切換開關調整直流負荷的供電極性。
由文獻分析可知，雙極直流微電網的不平衡電壓的抑制可從源側和網側出發，通過增加不平衡補償控制環節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，而未考慮不同節點變換器間分布式電源參與不平衡度調節的協調能力。因此應進一步研究雙極直流網絡中不同節點變換器母線電壓及不平衡度的協調控制，當負載和供電功率在大范圍變化時，保證系統穩定運行。
基于一致性理論的分布式協同控制策略結合了集中式控制和分散式控制的優點，有利于協調多個變換器的不平衡電壓控制。在直流微電網中各單元能夠依據自身和相鄰單元的信息實時更新自身狀態，共同完成協調控制。
經文獻分析可知，目前研究均針對單極直流微電網中不同變換器間的協調控制，而未考慮雙極直流微電網結構。雙極直流微電網因其系統結構中含有中性線，極間電壓不平衡成為其特有的電能質量問題，負載功率、網絡結構參數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的功率分配產生影響。因此針對雙極直流微電網，還需設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，才能保證系統的穩定、可靠運行。
重慶大學的研究人員將一致性理論應用到雙極直流微電網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同控制，實現雙極直流微電網的不平衡電壓控制。
圖2 仿真結構示意圖
研究人員在雙極直流微電網的一次控制中采用電壓下垂控制，同時根據一致性理論，結合電壓不平衡度與正負極電壓之間的關系，提出雙極直流微電網的分布式協同控制策略。通過設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，并實現了極間電壓不平衡度趨于一致。
他們通過對系統進行穩定性分析，從理論上驗證了所提控制策略的穩定性和可靠性。最后在Matlab/Simulink中建立雙極直流微電網仿真模型，并搭建實驗平臺，仿真及實驗結果表明所提控制策略不僅在電網常規運行中有效，在負載變化和通信網絡變化時同樣具有良好的有效性。
圖3 實驗平臺
研究人員最后得出分析結果：
1）通過設置電壓觀測器，可在負荷及網絡參數變化時，動態調整各負荷節點的電壓參考值，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電壓質量，并實現網絡的正、負極母線平均電壓趨于一致。
2）在電壓觀測器的基礎上，增加不平衡度控制器，可使網絡中各負荷節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節能力，減小功率波動較大時的電壓失衡，有利于雙極直流微電網的功率平衡。
3）在電壓下垂控制的基礎上增加一致性控制，可達到雙極直流微電網的分布式協同控制。該控制策略可靈活應對負荷及通信網絡時變的情況，保證直流負荷及整個雙極直流微電網的正常、穩定運行。
以上研究成果發表在2021年第3期《電工技術學報》，論文標題為“基于分布式協同的雙極直流微電網不平衡電壓控制策略”，作者為楊美輝、周念成 等。
