直流配电网的电压协同控制及稳定运行研究 / 开普饭

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摘要

广州供电局有限公司的研究人员赖一峰，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文，针对直流配电网中存在的功率平衡和电压波动的问题，在研究直流配电网拓扑及多种运行模式的基础上，提出了一种新的分层协调控制方法。

该方法通过控制直流母线电压变化量来协调各个子模块的工作方式，它可以在不同条件下保持配电网内功率平衡和电压稳定。电压分段下垂、多点协同的控制策略可以平滑切换各种运行状态。

最后搭建系统模型并进行仿真，结果表明，在光照、风速、负荷突变的状态下，该系统模型能快速反应并保持系统稳定，证明了该控制方法的有效性和可行性。

分布式电源由于具有距离负荷近、输电损失小、换流环节少、损耗低以及便于可再生能源应用等特点，受到越来越多的关注。随着社会经济水平地提高，电力系统中出现了大量的直流负荷，利用直流配电网可以省略交流电网的AC-DC环节，使能耗得到降低。

与交流配电网相比，直流配电网络本身具有线路成本低、传输损耗低、电源可靠性高、节能环保等优势。因此，建设和发展直流配电网在分布式能源接入、环保等方面具有重大意义。

1 直流配电网系统介绍

1.1 系统拓扑说明

直流配电网的典型结构如图1所示，主要由风力发电单元、光伏发电单元、储能单元、负荷单元、联网变流器这5部分组成。

1）风力发电单元。该研究采用额定风速为12m/s的永磁直驱风力发电机组（wind generation system with permanent magnet synchronous generators, PMSG），并通过电压型脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）变流器W-VSC接入DC配电网络。正常以最大功率跟踪（maximum power point tracking, MPPT）方式运行。

2）光伏发电单元。光伏发电单元通过升压式Boost电路接入DC配电网络。正常以MPPT方式运行时，可尽可能多的利用光能。

3）储能单元。储能方式为蓄电池储能，通过双向DC/DC变换器Bi-DC接入DC配电网络。在AC主网功率受限或孤岛状态下，储能单元向系统输送功率，稳定直流电压，以确保功率平衡及系统稳定运行。在AC主网正常情况下，电池充电状态或为后备电源。

图1 直流配电网系统的结构示意图

4）负荷单元。DC负载直接或通过Buck降压式电路接入DC配电网络[2]，AC负荷通过电压型逆变器L-VSC接入DC配电网络。当电源有功功率不足时，需要根据负荷的优先级进行减载控制，以保证DC配电网络的功率平衡及重要负荷的不间断供电。

5）并网变流器。DC配电网络通过电压型PWM变流器G-VSC接入AC主网络。当DC配电网络正常并网运行时，G-VSC通过控制直流电压的稳定来确保直流配电网络内有功功率平衡。

1.2 拓扑优势说明

采用如图1所示的拓扑结构，具备以下优势：

1）直流负荷、交流负荷和风光储新能源分别集中分布，风光储之间可以相互平滑功率，负荷具有较好的可扩展性。
2）直流负荷和交流负荷都有两路供电，即交流主网供电和风光储新能源供电，供电可靠性高。
3）风光储电源可以经直流负荷或交流负荷送入电网，减小线路故障时的送出功率损失。

2 直流配电网的控制

2.1 控制策略说明

直流配电网的控制系统采用分散自律的一次调压和主从控制的二次调压以及三次调压，分别负责直流配电网的稳定运行、减小电压偏差以及优化运行。其整体控制体系框图如图2所示。

1）直流配电网的一次调压（略）

各端根据直流电压分层，自动参与系统一次调压，各端的一次调压器的控制特性如图3所示。

图2 直流配电网整体控制体系框图

图3 一次调压器的控制特性

2）直流配电网的二次调压

通过一次调压可确保系统的稳定运行，以交流主网换流器为主控系统，可进一步优化系统运行状态，其中二次调压负责电网在多次有功扰动电压偏差较大时，改变下垂特性初值绩效系统电压总偏差。根据是否考虑网损，分为以下两种情况：（1）不考虑网损时，使得总的直流电压偏移最小；（2）直流电压偏移满足一定范围时，以网损最小为优化目标，计算参与二次调压的电压给定值。

3）直流配电网的三次调压

一次调压和二次调压为有功扰动后的调节，三次调压为事前的优化控制，根据优化目标为系统运行成本还是新能源利用率，可分为以下两种情况。

目标1：直流配电网的运行成本最小，如上网电价低时储能，电价高时多给系统输送功率。
目标2：新能源的利用率最高，如预报未来大风，则储能先放电，以便未来能吸收更多风能。

2.2 电压分段下垂、多点协同的控制策略

基于电压分段下垂控制的策略为：①第一段为主调压，以主网换流器和可控电源为主；②第二段为备用电压调节，主要采用储能，主网变流器限流或发生故障时提供备用支持；③第三段为紧急调压，风电光伏进行高频降额，负荷进行低频减载。

从图4中可见，可将该控制策略分为3层：第一层控制由并网转换器G-VSC控制，电压保持在0.98～1.02p.u.的范围内；第二层由电池侧转换器B-DC进行电压控制，维持电压在0.95～0.98p.u.或1.02～1.05p.u.的范围内；当电压高于1.05p.u.时，PMSG脱网运行，当电压低于0.95p.u.时，根据优先级切除负载。

图4 直流配电网电压分层协调控制策略

3 仿真（略）

为验证所提控制策略的有效性，利用Matlab/ Simulink仿真软件搭建了如图1所示的仿真系统。运行参数如图1标识，风机额定转速为75r/min，W-VSC的额定容量为20kW（对应风速为12m/s）；光伏发电系统按额定辐射强度为1000W/m2，升压Boost-DC的额定容量为20kW；交流负荷L1、L2的参数为AC 380V/10kW，直流负荷L3、L4的参数为300V/10kW，降压Buck-DC换流器的额定容量为20kW。

仿真初设条件为：风速初始值为9m/s，风电机组在最大功率跟踪，输出功率约为10kW；光伏发电系统MPPT状态下运行，额定光强条件下输出功率约为20kW；蓄电池处于后备状态，输出功率为0；AC负荷L1和DC负荷L3接入配电网，负荷总功率为20kW。采用基于电压下垂的分层控制，如图5所示。

在模拟中，各端换流器的功率以流入直流配电网为正方向。