负载突变情况下直流微网的分岔现象及分析
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
华南理工大学电力学院的研究人员肖百惠、戴栋、张波、韩永霞，在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，本地负荷突变是电力系统中常见的现象，当大电网无法给予完全支撑时直流微网的母线电压会出现崩溃现象，影响大电网电压和频率稳定，导致严重的后果。
基于上述情况，在Matlab/Simulink中建立了包含光伏、储能和大电网在内的并网型直流微网模型，从能量流的角度介绍了直流微网运行的4种工作模式，研究了负荷突变时出现的系统失稳现象，探讨了直流微网系统稳定性与工作模式以及能量流的关系，从理论分析和仿真两方面研究了直流微网系统失稳的机理，并得到了给定条件下系统的稳定边界，为直流微网的设计提供了参考。
随着全球性能源危机和环境污染越来越严重，可以充分利用清洁能源的分布式电源(Distributed EnergyResources, DER)的相关技术逐渐进入人们的视野[1-4]。微电网是实现大规模间歇式DER接入的有效解决方案[5-8]，DER直接接入直流母线，可以实现清洁能源的最大利用，减少电力电子换流设备的投用，降低控制要求的同时还能节约成本。因此，近年来直流微网逐渐得到人们的重视[9]。目前交流微网的研究已经很多[10,11]，而直流微电网的研究和应用则相对较少。
直流微网具有孤岛和并网两种运行模式，孤岛模式由于缺乏备用，当发生能量剩余不足时，稳定性较差，应用受限[12,13]，故本文采用并网型直流微网进行研究。
目前对于并网型直流微网的研究只考虑了大电网的有力支撑，并未考虑当负荷突变时系统的不稳定性[14]。而负荷突变是电力系统中常见的现象，若负荷突变时大电网无法给予完全支撑，直流母线会出现电压崩溃现象，影响大电网电压和频率的稳定，容易产生失稳现象，造成严重的后果。
需要指出的是，目前大多数的研究只是针对某个变换器的失稳现象进行分岔分析，没有针对实际的直流微网结构进行研究。如文献[15]研究了在交流侧负载交互影响下，连接于非理想大电网的三相升压变换器中的非线性行为及失稳现象；文献[16]报道了PWM三相整流变换器因交流侧电网阻抗变化而引起的灾难性分岔现象，并进行了较为详细的理论分析，但没有完全深入阐述变换器失稳的内部机理。
值得注意的是，并网下的直流微网包含了多个变换器，无论是结构还是运行模式都比以往研究的并网变换器更加复杂，可以推测当负荷突变时直流微网的失稳现象很可能也更为复杂。此外，直流微网中各模块间还存在着互相的能量流动，能量流与直流微网稳定性的关系也尚不清楚。文献[17]对能量流与直流母线电压的关系虽然进行了初步研究，但并未揭示直流微网系统的稳定性与能量流的关系。
针对上述问题，本文建立了包含光伏模块、储能模块和大电网侧在内的并网型直流微网模型，基于各模块能量流的方向划分了直流微网运行的4种工作模式，论述了负荷突变时系统失稳的几种现象，深入探讨了直流微网系统稳定性与工作模式及能量流的关系，从理论分析和仿真两方面对直流微网的失稳机理进行了深入研究，并仿真得到了不同因素影响下的系统稳定边界。
图1 直流微网结构示意图
结论
本文针对负荷突变时并网型直流微网系统不稳定分岔现象进行了分析，系统工作模式从模式1经过一个混乱的暂态过程最后稳定在模式4工作，能量流也从稳定过渡到波动性较大的不稳定状态。
从理论分析和仿真验证两方面出发，研究了直流微网系统失稳的内部机理，其内部原因是VSC电流环失效，大电网注入的有功功率PG降至0，无功功率QG增加。系统一旦失稳，没有足够的有功功率供给本地负荷RL，则直流侧电压udc下降。随着udc下降，光伏发电系统的MPPT控制器也失效，同时蓄电池储存的能量有限，最后负载消耗由光伏电池和蓄电池提供不完全支撑，直流母线电压达到新的稳态，无法恢复到正常电压值。
本文定量地分析了特定条件下系统的稳定边界，并仿真验证了不同影响因素下稳定边界的正确性。