由于采用直流配送电能,交、直流电气元件的电气特性存在较大的差异,直流配电网运行特性与传统三相交流配电系统有很大的区别。直流系统无感抗、无容抗的特点使得电压成为衡量直流电网功率平衡的唯一指标,直流电网电压与功率平衡的关系将决定直流配电网稳定运行。另一方面,直流配电网的运行特性由控制系统决定,不同的控制策略将对直流电网的电压水平、功率分布以及运行安全产生影响,同时直流电网低惯量特点使得系统电压受负荷扰动、分布式电源出力波动以及系统故障等因素的影响极为敏感。因此,功率控制策略及电压波动是直流配电网建设与运行需研究的问题之一。
直流配电网控制策略主要有主从控制或下垂控制方式[1-2],文献[3-4]研究了分布式电源与储能、负荷之间的协调控制,以实现能量的优化配置。文献[5-7]研究了分布式电源接入直流微电网的电压与控制问题,侧重于电压控制方式实现以及系统电压稳定分析评估。文献[8-10]研究了各种控制策略对高压多端直流输电系统的功率分布与电压波动的影响,以及相应功率优化控制问题。可见,与多端直流输电系统相比,国内外对直流配电网的研究相对滞后,由于直流配电网可直接承担各种类型分布式能源与负荷接入的任务,研究直流配电网的控制策略和电压波动问题,对直流配电网建设以及新能源的开发利用具有重要的意义。
直流配电网是通过采用高功率电力电子技术以直流形式将各种电源、负荷以及储能设备联网运行的新型的电力网络[1]。例如,图1是一个典型的直流配电网拓扑结构,直流电源和负荷通过DC/DC变流器接入电网,交流电源及负荷由AC/DC变流器接入系统。本文提出以图1直流配电网为例,研究并建立包括AC/DC变流器和DC/DC变流器在内的直流配电网动态模型,并考虑分布式电源投入、退出以及输出功率波动等因素的影响,研究直流配电网的功率控制策略及其对电压波动的影响问题,以期为控制策略选择以及直流配电网的建设与运行提供技术参考。
1、变流器模型及控制
1.1 交流电源接口变流器
基于VSC技术的AC/DC变流器既可作为风机、燃气轮机等交流电源的并网接口,也可作为直流配电网与交流主网的接口。图2为典型的三相全桥AC/DC变流器拓扑,由全控型电力电子元件(IGBT)、直流电容、L型滤波器等元件构成[11]。
图2中,usa,usb,usc为交流电源三相电压;ia,ib,ic为变流器交流侧三相电流;uoa,uob,uoc为变流器交流侧三相电压;Udc为变流器直流侧电压;Ps,Qs为并网有功功率和无功功率;R和L分别为滤波器的等效电阻和等效电感。
1.1.1 AC/DC变流器数学模型
根据图2中AC/DC变流器结构参数和基尔霍夫电压定律可建立变流器交流侧的三相基波分量的微分方程组[11]：
根据式(1)可得基于Park变换的d-q同步旋转坐标系下的VSC数学模型为：
式中,ω为同步角频率,M为调制比,δ为触发角,usd,usq分别为电源侧电压d、q轴分量;id,iq为电流的d、q轴分量。
由于三相对称交流系统无零序分量,当d轴以电网电压向量定位时,即usq=0,并网有功功率和无功功率为：
式中,usd为恒定值（变流器稳定运行）,由式(3)可知,如果分别改变d、q轴电流分量id,iq,并网有功功率和无功功率随之改变,从而实现有功与无功的解耦控制。
1.1.2 功率控制器模型
AC/DC变流器控制器采用双闭环控制,外环控制器用于实现不同的控制策略;内环控制用于通过精细调节以改善电能质量。考虑usq=0,根据式(2)可得：
双环控制的VSC功率控制器如图3所示[11]。根据式(3)、(4)的推导,控制器控制原理如下：由式(3)计算得到并网有功功率和无功功率Ps、Qs,分别与相应参考值Pref、Qref作比较,输出经PI环节产生d-q坐标系下的电流参考信号idref和iqref;然后分别与交流侧电流d-q分量id和iq作比较,经PI环节产生中间信号ud和uq。同时id和iq采用前馈补偿和交叉耦合补偿分别产生电压补偿信号-ωLid和ωLiq,其中ωLiq与ud、usd进行叠加产生VSC交流侧控制信号uod;-ωLid与uq叠加产生VSC交流侧控制信号uoq。
采用直流电压控制方式时,需将图3中外环有功功率控制器改为直流电压控制结构,如图4所示,用来平衡系统有功功率和保持直流侧电压稳定。
1.2 直流电源接口变流器
光伏电站、储能等直流型分布式电源通过基于VSC技术的DC/DC变流器接入配电网。DC/DC变流器拓扑结构包括隔离型和非隔离型,其中隔离型变流器中的中、高频变压器可实现较宽的调压范围与较大的容量,且控制方式简单,适合应用在较高电压等级直流配网系统[12]。为研究方便,本文采用了隔离型DC/DC变流器拓扑,如图5所示。
图5中,隔离型DC/DC变流器两端的VSC采用三相两电平桥式电路,两个VSC的交流侧由高频变压器连接。u1,u2分别DC/DC变流器两端VSC交流侧电压;i1,i2为DC/DC变流器两端VSC交流侧电流;e1,e2为高频变压器两端电压;L1,L2为DC/DC变流器两端VSC交流侧滤波电感。
1.2.1 DC/DC变流器数学模型
根据图5参数,假定图5所示的电流方向为正方向,高频变压器为理想变压器,并忽略VSC每相桥臂的附加电阻,DC/DC电压变流器的数学模型为[13]：
式中：E1,E2是电压e1,e2的有效值;I1,I2是电流i1,i2的有效值;k是高频变压器变比。
1.2.2 DC/DC变流器控制
DC/DC变流器控制系统分两部分：VSC1控制和VSC2控制。两个VSC采用电压定向矢量控制原理,采用双闭环控制结构经Park变换实现有功功率与无功功率的解耦控制。控制原理与1.1.1节类似,不再赘述。
根据DC/DC变流器接入的分布式电源类型及其在直流配网中承担的功能,变流器的控制策略可分为定直流功率控制和定直流电压控制[16]。定直流功率控制框图如图6所示,VSC1控制自身交流侧电压的相位和幅值,VSC2控制其直流侧的直流功率,从而实现直流功率调节的功能;定直流电压控制框图如图7所示,VSC1控制自身交流侧电压的
相位和幅值,然后经VSC2转换为直流电压,从而实现直流电压调节的功能。
2、网络模型与控制策略
直流配电网运行的基本要求是维持系统电压在一个可接受的范围内,然而网络电压分布与动态变化同时受到网络参数、网络控制策略及负荷特性等多种因素的影响。因此需要通过建立网络动态模型,研究网络控制策略对源、网关系的影响。
2.1 网络模型与算法
2.1.1 功率模型与节点电压
以n节点直流网络为例,可建立单极运行方式下的直流配电网的网络模型,电网各节点注入功率或电流与节点电压关系分别为：
式中,P表示节点注入有功功率,I为n×1维节点注入电流向量;V为n×1维节点电压向量;G为N×N阶节点电导矩阵;
将节点电导矩阵G取逆,由式(6)、(7)可推导出以节点电阻矩阵R表示的节点电压方程为：
由式(6)、(7)可知,由于直流网络的纯阻性,网络节点电压与网络注入有功功率形成直接的函数关系。当直流配电网出现故障或扰动时,功率的不平衡将导致系统电压的波动,即网络节点电压成为衡量直流电网功率平衡的唯一指标,因此通过对直流配电网电压的有效控制,可实现系统在各种工况下的功率平衡,从而维持网络的稳定运行。
由式(8)可知,由于节点电阻矩阵内的元素包含全网的信息,网络任意节点注入功率(或电流)的变化将会改变全网电压分布,且电压分布的变化与节电阻矩阵元素相关。
2.1.2 网络损耗
网络支路功率及损耗方程为：
由式(10)、(11)可知,线路输送功率与损耗的大小由节点电压分布与网络参数共同决定。而由式(8)可知网络电压分布由各节点电源注入电流及网络参数决定。故通过优化网络结构或DG输出功率,可改善系统电压分布进而降低网络损耗。
2.1.3 电压分布不均衡度
对式（8）的分析表明,直流网络的电压调节是一个局部概念,任意节点的电压调节将引起系统电压的不均一波动,故为量化电网电压分布的均衡程度和电压控制效果,定义全网电压分布不均衡度指标ε：
式中,D(V)为全网节点电压方差,E(V)为节点电压均值,即期望值。εε越小,意味着全网电压分布越均衡。
由式(11)和(12)可知,电压分布不均衡度与网络损耗都和网络各节点电压差值的平方项相关,表明电压分布不均衡度和网络损耗具有较高的相关性。故在满足电压偏差要求的前提下,可将电压分布不均衡度作为衡量直流配电网网络损耗的重要指标。
2.2 控制策略
直流配电网控制策略主要有主从控制、下垂控制等方式。直流网络的控制系统对网络运行特性起决定作用,有必要比较分析直流配电网因发生故障或扰动条件下不同控制策略对网络电压的控制作用与效果。
2.2.1 主从控制
主从控制方式是指网络中某一节点电源接口变流器采用定直流电压控制(称为主变流器),用来平衡系统的功率波动。其他与外部有源系统连接的换流装置采用定有功功率或定电流控制方式[14-15]。直流配电网主从控制模式下的电压/功率特性如图8所示。
显然,在主从控制方式下,主变流器承担全部调节电网功率平衡压力,当主变流器输出功率达到限制或退出运行时,全网可能出现突然崩溃。主从控制模式对主变流器的性能和容量要求较高,且必须由上层控制器统一协调各电源节点输出功率的整定值,对通信系统的依赖性较高[15]。
2.2.2 下垂控制
下垂控制是指多个与外部有源系统连接的换流器,同时参与电压的调节,优点是承担调压任务的变流器退出不会影响系统的稳定[15-16]。下垂控制模式下电压/功率特性如图9所示。
下垂控制的特点是正常稳定运行时不需要上层控制器进行整定值的协调,失去通信也不影响系统运行;同时扩展方便,适宜大量DER的接入。但由于风力与光伏发电系统一般期望最大功率输出,且其间歇波动性特点限制了调压能力,需要配合储能系统进行调压[16]。
3、算例及结果分析
3.1 仿真模型
将IEEE16节点的交流系统算例[17]改造为基准容量100MW、额定直流电压为30kV的直流配网,如图10所示。节点1、2、3接入具有功率调节能力的分布式电源,系统运行方式为闭环运行(图10虚线全部连接),电网参数及负荷数据如表1所示。为突出研究重点,系统建模与仿真作如下简化：
1）设全网为恒功率负荷,忽略线路分布电容;
2）忽略下垂控制系数对系统功率分布的影响。
用PSCAD/EMTDC搭建16节点直流配电网模型。节点2经双向AC/DC变流器接上级交流电网,节点1、3经DC/DC变流器接直流电源。主从控制方式下节点2变流器为定直流电压控制,节点1、3变流器为定功率控制;采用下垂控制方式时,三个电源下垂系数均设为1。设定节点16接入一台容量为2MW的风电机组,通过对风电机组接入、退出及稳定运行等工作状态下系统运行特性仿真分析,比较分析下垂控制和主从控制两种控制方式下系统网络损耗、电压波动的变化特点。风电机组以最大功率跟踪方式运行,采用甘肃某风电场的风速数据,风力机输出功率曲线如图11所示。
3.2 仿真结果分析
3.2.1 不同控制方式下系统电压波动特性
图12为16节点(风电机组接入点)电压波动曲线。风机在10s投入电网后以最大功率跟踪方式运行,30s退出。风机接入前16节点电压在两种控制方式下维持平稳且运行在同一水平。在下垂控制方式下,风机投入时节点电压曲线上升,最大电压偏差约为5%,运行期间,电压曲线随风机输出功率波动;主从控制方式下的电压曲线则始终保持基本平稳。这表明主从控制方式对系统电压波动具有更好的控制效果,有利于保证电压质量。
图13和14分别是主从控制和下垂控制下,风机投入前后全网节点电压波动曲线。主从控制下,
尽管风机接入后,全网节点电压略微上升,但在风机退出运行后,全网电压又恢复到初始状态。与之相反,下垂控制下风机接入后,全网节点电压明显增大,且在风机退出运行后并未恢复到原来状态。比较结果反映出电压下垂控制的有差调节与主从控制的无差调节特性,表明主从控制方式能够更好的维持系统电压稳定及保证电压质量。
3.2.2 不同控制下电网损耗与电压分布不均衡度
图15为两种控制方式下全网电压分布不均衡度的比较。风机接入前,电压不均衡度曲线接近一致,风机接入后,下垂控制电压不均衡度曲线下降,而主从控制曲线略微上升,直至风机退出运行,两条曲线又恢复一致。按电压分布不均衡度定义,图15表明系统出现功率波动时,下垂控制方式下的网络各节点电压波动的均衡性更好。
图16为电网损耗曲线。风机接入前,两条网损曲线接近一致,但风机接入后,下垂控制的网损曲线明显下降,而主从控制方式的曲线基本维持不变。这表明下垂控制方式较主从控制方式更能有效地降低系统功率波动后的网络损耗。
比较图15和16,可发现下垂控制方式图15网损曲线与图16电压不均衡度曲线的变动趋势吻合,这是因为电压分布不均衡度与网络损耗都和节点电压差值的平方项相关,表明电压分布不均衡度和网络损耗具有较高的相关性。主从控制方式下,两条曲线的变动趋势略有差异的原因是损耗还受系统电阻分布因素的影。因此,电压分布不均衡度指标在一定程度上可用来评估网络损耗的大小。
4、结论
本文构建了直流配电网动态模型,设计了变流器控制系统,通过仿真计算比较分析了不同控制方式下直流配电网电压波动,结论如下：
1）主从控制与下垂控制是直流配网最基本的两种控制方式。主从控制方式下系统在出现功率波动条件下各节点电压波动幅度较小,故主从控制具有更好的电压调节能力,有利于改善系统各种工况下的电压质量,但由于各节点电压波动的均衡性较差,网络损耗较大;下垂控制方式下全网节点电压波动的均衡性更好,损耗较低,但各节点电压波动幅度较大。因此直流配电网控制方式的选择应根据实际的供用电需求做出权衡,或对系统控制策略做出进一步优化。
2）提出的电压分布不均衡度指标可用来评估系统功率波动引起的全网各节点电压不均衡波动的程度。由于直流网络的纯阻性特点,直流网络功率分布与节点电压之间具有直接的函数关系,而电压分布不均衡度和网络损耗均与节点电压的平方项有关,故网络损耗与电压分布不均衡度之间具有较高的相关性,仿真结果验证了这一结论。
3）下垂控制的有差调节特性是下垂控制电压调节能力较差的原因,因此改变电源接口变流器的下垂控制系数将影响到系统电压波动特性。另外本文未考虑网络参数改变、分布式电源接入位置等因素对直流配电网电压波动特性的影响,这些问题是需在后续的工作中继续研究的工作。
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原标题：华北电力大学蒋智化，刘连光等：直流配电网功率控制策略与电压波动特性
