DQZHAN技術訊：深度！直流配電網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,直流配電網運行特性與傳統三相交流配電系統有很大的區別。直流系統無感抗、無容抗的特點使得電壓成為衡量直流電網功率平衡的**指標,直流電網電壓與功率平衡的關系將決定直流配電網穩定運行。另一方面,直流配電網的運行特性由控制系統決定,不同的控制策略將對直流電網的電壓水平、功率分布以及運行**產生影響,同時直流電網低慣量特點使得系統電壓受負荷擾動、分布式電源出力波動以及系統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建設與運行需研究的問題之一。
直流配電網控制策略主要有主從控制或下垂控制方式[1-2],文獻[3-4]研究了分布式電源與儲能、負荷之間的協調控制,以實現能量的優化配置。文獻[5-7]研究了分布式電源接入直流微電網的電壓與控制問題,側重于電壓控制方式實現以及系統電壓穩定分析評估。文獻[8-10]研究了各種控制策略對高壓多端直流輸電系統的功率分布與電壓波動的影響,以及相應功率優化控制問題。可見,與多端直流輸電系統相比,國內外對直流配電網的研究相對滯后,由于直流配電網可直接承擔各種類型分布式能源與負荷接入的任務,研究直流配電網的控制策略和電壓波動問題,對直流配電網建設以及新能源的開發利用具有重要的意義。
直流配電網是通過采用高功率電力電子技術以直流形式將各種電源、負荷以及儲能設備聯網運行的新型的電力網絡[1]。例如,圖1是一個典型的直流配電網拓撲結構,直流電源和負荷通過DC/DC變流器接入電網,交流電源及負荷由AC/DC變流器接入系統。本文提出以圖1直流配電網為例,研究并建立包括AC/DC變流器和DC/DC變流器在內的直流配電網動態模型,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的建設與運行提供技術參考。
1、變流器模型及控制
1.1 交流電源接口變流器
基于VSC技術的AC/DC變流器既可作為風機、燃氣輪機等交流電源的并網接口,也可作為直流配電網與交流主網的接口。圖2為典型的三相全橋AC/DC變流器拓撲,由全控型電力電子元件(IGBT)、直流電容、L型濾波器等元件構成[11]。
圖2中,usa,usb,usc為交流電源三相電壓;ia,ib,ic為變流器交流側三相電流;uoa,uob,uoc為變流器交流側三相電壓;Udc為變流器直流側電壓;Ps,Qs為并網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變流器數學模型
根據圖2中AC/DC變流器結構參數和基爾霍夫電壓定律可建立變流器交流側的三相基波分量的微分方程組[11]：
根據式(1)可得基于Park變換的d-q同步旋轉坐標系下的VSC數學模型為：
式中,ω為同步角頻率,M為調制比,δ為觸發角,usd,usq分別為電源側電壓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無零序分量,當d軸以電網電壓向量定位時,即usq=0,并網有功功率和無功功率為：
式中,usd為恒定值（變流器穩定運行）,由式(3)可知,如果分別改變d、q軸電流分量id,iq,并網有功功率和無功功率隨之改變,從而實現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控制,外環控制器用于實現不同的控制策略;內環控制用于通過精細調節以改善電能質量。考慮usq=0,根據式(2)可得：
雙環控制的VSC功率控制器如圖3所示[11]。根據式(3)、(4)的推導,控制器控制原理如下：由式(3)計算得到并網有功功率和無功功率Ps、Qs,分別與相應參考值Pref、Qref作比較,輸出經PI環節產生d-q坐標系下的電流參考信號idref和iqref;然后分別與交流側電流d-q分量id和iq作比較,經PI環節產生中間信號ud和uq。同時id和iq采用前饋補償和交叉耦合補償分別產生電壓補償信號-ωLid和ωLiq,其中ωLiq與ud、usd進行疊加產生VSC交流側控制信號uod;-ωLid與uq疊加產生VSC交流側控制信號uoq。
采用直流電壓控制方式時,需將圖3中外環有功功率控制器改為直流電壓控制結構,如圖4所示,用來平衡系統有功功率和保持直流側電壓穩定。
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技術的DC/DC變流器接入配電網。DC/DC變流器拓撲結構包括隔離型和非隔離型,其中隔離型變流器中的中、高頻變壓器可實現較寬的調壓范圍與較大的容量,且控制方式簡單,適合應用在較高電壓等級直流配網系統[12]。為研究方便,本文采用了隔離型DC/DC變流器拓撲,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的交流側由高頻變壓器連接。u1,u2分別DC/DC變流器兩端VSC交流側電壓;i1,i2為DC/DC變流器兩端VSC交流側電流;e1,e2為高頻變壓器兩端電壓;L1,L2為DC/DC變流器兩端VSC交流側濾波電感。
1.2.1 DC/DC變流器數學模型
根據圖5參數,假定圖5所示的電流方向為正方向,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電壓變流器的數學模型為[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,采用雙閉環控制結構經Park變換實現有功功率與無功功率的解耦控制。控制原理與1.1.1節類似,不再贅述。
根據DC/DC變流器接入的分布式電源類型及其在直流配網中承擔的功能,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控制自身交流側電壓的相位和幅值,VSC2控制其直流側的直流功率,從而實現直流功率調節的功能;定直流電壓控制框圖如圖7所示,VSC1控制自身交流側電壓的
相位和幅值,然后經VSC2轉換為直流電壓,從而實現直流電壓調節的功能。
2、網絡模型與控制策略
直流配電網運行的基本要**維持系統電壓在一個可接受的范圍內,然而網絡電壓分布與動態變化同時受到網絡參數、網絡控制策略及負荷特性等多種因素的影響。因此需要通過建立網絡動態模型,研究網絡控制策略對源、網關系的影響。
2.1 網絡模型與算法
2.1.1 功率模型與節點電壓
以n節點直流網絡為例,可建立單極運行方式下的直流配電網的網絡模型,電網各節點注入功率或電流與節點電壓關系分別為：
式中,P表示節點注入有功功率,I為n×1維節點注入電流向量;V為n×1維節點電壓向量;G為N×N階節點電導矩陣;
將節點電導矩陣G取逆,由式(6)、(7)可推導出以節點電阻矩陣R表示的節點電壓方程為：
由式(6)、(7)可知,由于直流網絡的純阻性,網絡節點電壓與網絡注入有功功率形成直接的函數關系。當直流配電網出現故障或擾動時,功率的不平衡將導致系統電壓的波動,即網絡節點電壓成為衡量直流電網功率平衡的**指標,因此通過對直流配電網電壓的有效控制,可實現系統在各種工況下的功率平衡,從而維持網絡的穩定運行。
由式(8)可知,由于節點電阻矩陣內的元素包含全網的信息,網絡任意節點注入功率(或電流)的變化將會改變全網電壓分布,且電壓分布的變化與節電阻矩陣元素相關。
2.1.2 網絡損耗
網絡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點電壓分布與網絡參數共同決定。而由式(8)可知網絡電壓分布由各節點電源注入電流及網絡參數決定。故通過優化網絡結構或DG輸出功率,可改善系統電壓分布進而降低網絡損耗。
2.1.3 電壓分布不均衡度
對式（8）的分析表明,直流網絡的電壓調節是一個局部概念,任意節點的電壓調節將引起系統電壓的不均一波動,故為量化電網電壓分布的均衡程度和電壓控制效果,定義全網電壓分布不均衡度指標ε：
式中,D(V)為全網節點電壓方差,E(V)為節點電壓均值,即期望值。εε越小,意味著全網電壓分布越均衡。
由式(11)和(12)可知,電壓分布不均衡度與網絡損耗都和網絡各節點電壓差值的平方項相關,表明電壓分布不均衡度和網絡損耗具有較高的相關性。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網絡損耗的重要指標。
2.2 控制策略
直流配電網控制策略主要有主從控制、下垂控制等方式。直流網絡的控制系統對網絡運行特性起決定作用,有必要比較分析直流配電網因發生故障或擾動條件下不同控制策略對網絡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絡中某一節點電源接口變流器采用定直流電壓控制(稱為主變流器),用來平衡系統的功率波動。其他與外部有源系統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,主變流器承擔全部調節電網功率平衡壓力,當主變流器輸出功率達到限制或退出運行時,全網可能出現突然崩潰。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一協調各電源節點輸出功率的整定值,對通信系統的依賴性較高[15]。
2.2.2 下垂控制
下垂控制是指多個與外部有源系統連接的換流器,同時參與電壓的調節,優點是承擔調壓任務的變流器退出不會影響系統的穩定[15-16]。下垂控制模式下電壓/功率特性如圖9所示。
下垂控制的特點是正常穩定運行時不需要上層控制器進行整定值的協調,失去通信也不影響系統運行;同時擴展方便,適宜大量DER的接入。但由于風力與光伏發電系統一般期望*大功率輸出,且其間歇波動性特點限制了調壓能力,需要配合儲能系統進行調壓[16]。
3、算例及結果分析
3.1 仿真模型
將IEEE16節點的交流系統算例[17]改造為基準容量100MW、額定直流電壓為30kV的直流配網,如圖10所示。節點1、2、3接入具有功率調節能力的分布式電源,系統運行方式為閉環運行(圖10虛線全部連接),電網參數及負荷數據如表1所示。為突出研究重點,系統建模與仿真作如下簡化：
1）設全網為恒功率負荷,忽略線路分布電容;
2）忽略下垂控制系數對系統功率分布的影響。
用PSCAD/EMTDC搭建16節點直流配電網模型。節點2經雙向AC/DC變流器接上級交流電網,節點1、3經DC/DC變流器接直流電源。主從控制方式下節點2變流器為定直流電壓控制,節點1、3變流器為定功率控制;采用下垂控制方式時,三個電源下垂系數均設為1。設定節點16接入一臺容量為2MW的風電機組,通過對風電機組接入、退出及穩定運行等工作狀態下系統運行特性仿真分析,比較分析下垂控制和主從控制兩種控制方式下系統網絡損耗、電壓波動的變化特點。風電機組以*大功率跟蹤方式運行,采用甘肅某風電場的風速數據,風力機輸出功率曲線如圖11所示。
3.2 仿真結果分析
3.2.1 不同控制方式下系統電壓波動特性
圖12為16節點(風電機組接入點)電壓波動曲線。風機在10s投入電網后以*大功率跟蹤方式運行,30s退出。風機接入前16節點電壓在兩種控制方式下維持平穩且運行在同一水平。在下垂控制方式下,風機投入時節點電壓曲線上升,*大電壓偏差約為5%,運行期間,電壓曲線隨風機輸出功率波動;主從控制方式下的電壓曲線則始終保持基本平穩。這表明主從控制方式對系統電壓波動具有更好的控制效果,有利于保證電壓質量。
圖13和14分別是主從控制和下垂控制下,風機投入前后全網節點電壓波動曲線。主從控制下,
盡管風機接入后,全網節點電壓略微上升,但在風機退出運行后,全網電壓又恢復到初始狀態。與之相反,下垂控制下風機接入后,全網節點電壓明顯增大,且在風機退出運行后并未恢復到原來狀態。比較結果反映出電壓下垂控制的有差調節與主從控制的無差調節特性,表明主從控制方式能夠更好的維持系統電壓穩定及保證電壓質量。
3.2.2 不同控制下電網損耗與電壓分布不均衡度
圖15為兩種控制方式下全網電壓分布不均衡度的比較。風機接入前,電壓不均衡度曲線接近一致,風機接入后,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,直至風機退出運行,兩條曲線又恢復一致。按電壓分布不均衡度定義,圖15表明系統出現功率波動時,下垂控制方式下的網絡各節點電壓波動的均衡性更好。
圖16為電網損耗曲線。風機接入前,兩條網損曲線接近一致,但風機接入后,下垂控制的網損曲線明顯下降,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功率波動后的網絡損耗。
比較圖15和16,可發現下垂控制方式圖15網損曲線與圖16電壓不均衡度曲線的變動趨勢吻合,這是因為電壓分布不均衡度與網絡損耗都和節點電壓差值的平方項相關,表明電壓分布不均衡度和網絡損耗具有較高的相關性。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電阻分布因素的影。因此,電壓分布不均衡度指標在一定程度上可用來評估網絡損耗的大小。
4、結論
本文構建了直流配電網動態模型,設計了變流器控制系統,通過仿真計算比較分析了不同控制方式下直流配電網電壓波動,結論如下：
1）主從控制與下垂控制是直流配網*基本的兩種控制方式。主從控制方式下系統在出現功率波動條件下各節點電壓波動幅度較小,故主從控制具有更好的電壓調節能力,有利于改善系統各種工況下的電壓質量,但由于各節點電壓波動的均衡性較差,網絡損耗較大;下垂控制方式下全網節點電壓波動的均衡性更好,損耗較低,但各節點電壓波動幅度較大。因此直流配電網控制方式的選擇應根據實際的供用電需求做出權衡,或對系統控制策略做出進一步優化。
2）提出的電壓分布不均衡度指標可用來評估系統功率波動引起的全網各節點電壓不均衡波動的程度。由于直流網絡的純阻性特點,直流網絡功率分布與節點電壓之間具有直接的函數關系,而電壓分布不均衡度和網絡損耗均與節點電壓的平方項有關,故網絡損耗與電壓分布不均衡度之間具有較高的相關性,仿真結果驗證了這一結論。
3）下垂控制的有差調節特性是下垂控制電壓調節能力較差的原因,因此改變電源接口變流器的下垂控制系數將影響到系統電壓波動特性。另外本文未考慮網絡參數改變、分布式電源接入位置等因素對直流配電網電壓波動特性的影響,這些問題是需在后續的工作中繼續研究的工作。
