含多端柔性互聯(lián)裝置的交直流混合配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法

張　學, 裴　瑋, 范士雄, 孔　力, 鄧　衛(wèi), 黃仁樂

(1. 中國科學院電工研究所, 北京市 100190; 2. 中國電力科學研究院有限公司, 北京市 100192; 3. 國網(wǎng)北京市電力公司, 北京市 100031)

0　引言

當前的城市配電網(wǎng)仍然以交流架構(gòu)為主,近年來為了集成直流分布式發(fā)電單元與儲能單元,直流配電網(wǎng)得到了廣泛的關(guān)注[1-2],其具有能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少、效率高以及控制簡單等優(yōu)勢[3-5]。雖然直流配電網(wǎng)為直流發(fā)電單元和負荷提供了高效的接入方式,然而采用單一供電架構(gòu)難以滿足多類型分布式發(fā)電單元和負荷及儲能單元的集成。為了進一步提升系統(tǒng)效率,采用交直流混合配電網(wǎng)是未來的發(fā)展趨勢[6-7]。

為了進一步提升多個交流供電區(qū)域可靠性,可以通過柔性互聯(lián)裝置(FID)構(gòu)建多個交流區(qū)域互聯(lián),通過直流線路實現(xiàn)多個交流區(qū)域相互支持,并且直流線路中可以集成大量的直流負載、分布式發(fā)電與儲能系統(tǒng)[8-9]。針對新型含多個柔性互聯(lián)裝置的交流配電網(wǎng),由于其供電單元和負載單元較多,如何實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是保證其安全可靠運行的關(guān)鍵。

針對上述問題,文獻[10]提出了交直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,通過并網(wǎng)變換器控制交流電壓和頻率,而儲能系統(tǒng)和電熱水器始終通過下垂控制維持直流母線電壓在允許范圍內(nèi),該方法未考慮儲能系統(tǒng)過度充放電。文獻[11]提出了功率—電壓協(xié)調(diào)控制,通過兩個電壓源型換流器(VSC)分別控制電壓和功率,以正常狀態(tài)降低網(wǎng)損、風險狀態(tài)實現(xiàn)調(diào)壓為目標,通過改進遺傳算法實現(xiàn)優(yōu)化求解。文獻[12]針對交流混合配電網(wǎng)中的直流母線電壓波動問題,提出了采用二自由度控制結(jié)構(gòu),設(shè)計了前饋控制和抗擾動控制器。文獻[13]為了減小由分布式發(fā)電單元和電動汽車引起的輻射狀交流配電網(wǎng)支路電壓波動問題,通過互聯(lián)連接直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò),對于光伏發(fā)電單元接入交流支路的VSC主要采用交流電壓—功率控制,而直接連接交流電網(wǎng)的VSC通過調(diào)節(jié)直流電壓和交流電壓分別控制直流網(wǎng)絡(luò)的有功功率和交流網(wǎng)絡(luò)的無功功率。文獻[14]提出一種基于背靠背變換器互聯(lián)的交直流配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略,根據(jù)電網(wǎng)、直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸模式給出不同子網(wǎng)內(nèi)部變換器的控制策略,同時考慮了多種故障情況。文獻[15]通過交流/直流和直流/直流變換器互聯(lián)了直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò),提出分層控制,在本地層自身交流網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)功率均分,互聯(lián)變換器采用全局功率均分算法實現(xiàn)交流和直流網(wǎng)絡(luò)的功率交換。

以往的協(xié)調(diào)控制策略主要側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的功率分配控制以及網(wǎng)絡(luò)之間的功率分配方法,并沒有考慮整個系統(tǒng)多類型接入單元運行狀態(tài)的復雜性,除此之外傳統(tǒng)的直流網(wǎng)絡(luò)各單元控制策略主要是主從控制或者下垂控制[16-18]。文獻[16]提出了基于下垂控制的交直流混合配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略,但并未解決直流電壓偏差的協(xié)調(diào)控制以及蓄電池充放電的安全運行邊界問題。文獻[17-18]提出了基于直流電壓或者交流頻率信號的分層控制策略,在直流電壓和交流頻率允許范圍內(nèi)劃分層次,每一層級分割點作為不同模式切換的轉(zhuǎn)換標志,當分布式單元和儲能單元種類較多時,劃分的層級將會更加密集,容易引起誤切換。而對于主從控制,雖然在不同狀態(tài)下都可以維持直流電壓或者交流頻率穩(wěn)定在理想?yún)⒖键c,但是通信延遲、數(shù)據(jù)丟包及通信故障將會對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成不利影響,且不同狀態(tài)僅僅只能有一個平衡節(jié)點,當多個平衡節(jié)點單元接入時無法實現(xiàn)即插即用[3]。

為此,本文提出了適用于含多端柔性互聯(lián)裝置的交直流混合配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制方法,針對交流側(cè)正常與故障狀態(tài),分析了不同狀態(tài)下的運行模式,提出了互聯(lián)裝置、儲能單元及光伏發(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略,并進一步考慮了蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)安全運行邊界,提出了新型的減載控制方法,通過仿真驗證了有效性。

1　交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

含多端柔性互聯(lián)裝置的交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如附錄A圖A1所示。圖A1系統(tǒng)中通過多個柔性互聯(lián)裝置將多個交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)進行互聯(lián),直流子網(wǎng)便于集成光伏發(fā)電單元、儲能單元及多種電壓等級的直流負荷,交流子網(wǎng)可以集成交流負荷,進而提升了系統(tǒng)整體效率。通過對柔性互聯(lián)裝置的有效控制可以實現(xiàn)交直流子網(wǎng)間的功率相互支持,在單端或者多端發(fā)生故障時可以通過改變互聯(lián)裝置的控制策略實現(xiàn)重要負荷的可靠供電。

2　運行模式

含有多端柔性互聯(lián)裝置的交直流混合配電網(wǎng)的運行模式可以根據(jù)柔性互聯(lián)裝置交流側(cè)是否發(fā)生故障分為正常運行和故障狀態(tài)下運行。在電網(wǎng)正常和故障狀態(tài)下又根據(jù)不同工作狀況分為多種運行模式,如圖1所示。

2.1　正常運行

正常運行是指在交直流混合配電網(wǎng)運行過程中,互聯(lián)裝置的交流側(cè)未發(fā)生短路故障。在運行模式1中,光伏發(fā)電單元工作在最大功率點跟蹤(MPPT)控制模式,根據(jù)蓄電池狀態(tài)和能量管理策略,其工作在待機/充放電模式。多個柔性互聯(lián)裝置采用分層直流下垂控制對直流網(wǎng)絡(luò)負載功率進行均分,并且通過二層控制補償直流電壓偏差。

圖1　系統(tǒng)運行模式Fig.1　Operation modes of system

2.2　交流側(cè)發(fā)生短路故障

交流側(cè)短路故障分為三相短路、相間短路、單相接地故障及兩相接地故障,其中三相短路故障為平衡故障,是最嚴重的短路故障,本文在此僅考慮三相短路故障。

在交流側(cè)發(fā)生三相短路時將會導致三相電壓瞬間跌落,其交流電壓不滿足負載供電電壓要求,為了實現(xiàn)重要負載的不間斷供電,需要快速切換柔性互聯(lián)裝置的控制策略維持交流電壓和頻率穩(wěn)定,其他互聯(lián)裝置的控制策略無需改變。交流側(cè)故障根據(jù)系統(tǒng)中換流站的個數(shù)分為不同情況,針對圖1可以分為單端故障、兩端故障及三端故障。

1)對于單端故障,即圖1中的運行模式2,在此期間故障側(cè)柔性互聯(lián)裝置(FFID)將會切換控制策略維持重要交流負載不間斷供電,對于整個系統(tǒng)來說,該互聯(lián)裝置由電源特性變?yōu)樨撦d特性,其他的兩端裝置控制策略不變,且維持直流母線電壓穩(wěn)定。

2)對于兩端故障,即運行模式3,在此期間,故障側(cè)柔性互聯(lián)裝置轉(zhuǎn)為控制交流電壓策略,維持重要負荷不間斷供電,而非故障側(cè)柔性互聯(lián)裝置控制策略不變。當分布式發(fā)電輸出功率大于負荷功率時,多余的功率將會通過非故障側(cè)柔性互聯(lián)裝置送入電網(wǎng),當該功率達到柔性互聯(lián)裝置的容量極限時,柔性互聯(lián)裝置處于限流模式;同理,當分布式發(fā)電輸出功率小于負荷功率時,不足的功率由電網(wǎng)供給,當該功率達到容量極限時,同樣會進入限流模式,此時運行模式3切換至運行模式3-1。

在限流模式中,蓄電池儲能系統(tǒng)(BESS)將會控制直流電壓穩(wěn)定,當長期處于該工況下時,蓄電池將會根據(jù)SOC狀態(tài)處于過度充電模式(模式3-2)和過度放電模式(模式3-3),由于模式3-2和模式3-3與模式4-1和模式4-2類似,下面一并分析。

3)對于三端故障,即運行模式4,由于失去外部交流網(wǎng)絡(luò)支持,三個交流區(qū)域都由電源特性變?yōu)樨撦d特性,此時只能啟動儲能單元維持整個系統(tǒng)穩(wěn)定。當啟動儲能裝置并轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶夤?jié)點時,就可能導致儲能出現(xiàn)過度充電(模式4-1)和過度放電情況(模式4-2),下面進行分析。

①當分布式發(fā)電單元輸出功率始終小于直流網(wǎng)絡(luò)負載及交流網(wǎng)絡(luò)負載之和時,得到:

Pv

(1)

式中:Pv為光伏發(fā)電單元輸出功率之和;PDCL和PACL分別為直流網(wǎng)絡(luò)負載功率和交流網(wǎng)絡(luò)負載功率之和。

在模式3-3和模式4-2期間,為了保證直流電壓在允許運行范圍,蓄電池儲能系統(tǒng)將處于持續(xù)放電狀態(tài),且蓄電池SOC逐漸降低,當達到SOC下限時,為了避免蓄電池過度放電,需要按照負載優(yōu)先級進行減載,直到蓄電池處于充電運行。

②當分布式發(fā)電單元輸出功率大于直流負載和交流負載之和時,得到:

Pv>PDCL+PACL

(2)

在模式3-2和模式4-1期間,蓄電池儲能系統(tǒng)處于持續(xù)充電狀態(tài),蓄電池SOC逐漸升高,當達到SOC上限時,需要停止儲能系統(tǒng)工作,此時啟動光伏發(fā)電單元由MPPT控制切換至直流下垂控制工作降功率運行模式并維持直流電壓在允許范圍內(nèi),同時多個光伏發(fā)電單元能夠按照容量比例實現(xiàn)負載的功率均分。

3　協(xié)調(diào)控制策略

為了實現(xiàn)交直流混合配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,要求整個系統(tǒng)中的電力電子接口裝置之間要相互協(xié)調(diào)配合,下面針對前面給出的不同運行模式和控制目標制定相應的協(xié)調(diào)控制策略,如表1所示。

表1　不同運行模式下的接口變換器的控制策略Table 1　Control strategy of interface converter under different operation modes

3.1　互聯(lián)變換器的控制策略

根據(jù)表1,柔性互聯(lián)裝置主要包括分層直流下垂控制、恒壓恒頻(CVCF)控制及限流控制,所采用的柔性互聯(lián)裝置控制框圖如圖2所示。在正常運行期間,柔性互聯(lián)裝置采用分層直流下垂控制,直流下垂控制等式為:

(3)

圖2　互聯(lián)裝置的控制框圖Fig.2　Control diagram of interlink converter

由于互聯(lián)裝置間的距離不一致使得其線路阻抗不完全相同,進而導致各端輸出電壓存在差別,因此通常采用增設(shè)虛擬阻抗來抑制線路阻抗不一致的影響[19]。然而虛擬阻抗較大將會引起直流電壓降落,為了補償電壓跌落部分,在此采用基于低帶寬通信技術(shù)的二層控制策略,其中補償電壓為:

(4)

式中:Δudc為互聯(lián)裝置二層控制器輸出值;kP為比例系數(shù);kI為積分系數(shù)。

在互聯(lián)變換器采用不同控制策略時,均在控制框圖中加入了電流限幅環(huán)節(jié)(上、下限分別為Igmax和Igmin)保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠切換,以避免系統(tǒng)在不同控制策略切換過程中出現(xiàn)過電流現(xiàn)象觸發(fā)保護環(huán)節(jié)導致設(shè)備停機。

3.2　蓄電池儲能系統(tǒng)的控制策略

圖3　蓄電池儲能系統(tǒng)的控制框圖Fig.3　Control diagram of battery energy storage system

在正常運行期間,可以根據(jù)系統(tǒng)運行情況及蓄電池自身狀態(tài)運行在待機模式或者充放電控制模式,充放電功率參考值取決于蓄電池自身能量管理策略。在待機模式中,通過對電感電流進行閉環(huán)控制,實現(xiàn)蓄電池輸出電流為零。在恒功率充放電控制時,采用電流閉環(huán)控制實現(xiàn)恒功率控制。與圖2類似,同樣在系統(tǒng)控制中加入了電流限幅環(huán)節(jié)控制電流在允許范圍內(nèi),避免過電流現(xiàn)象。

當長期運行在限流模式或者柔性互聯(lián)裝置交流側(cè)出現(xiàn)三相短路故障,導致其沒有充足的功率控制直流電壓時,需要啟動蓄電池儲能系統(tǒng)切換至分層直流下垂控制維持直流電壓恒定。當系統(tǒng)處于該階段時,根據(jù)蓄電池SOC的狀態(tài)分為兩種情況:當蓄電池SOC升高至上限Smax時,此時需要由分層直流下垂控制強制切換到停止模式,以防止蓄電池過度充電;當蓄電池SOC減小至下限Smin時需要啟動減載程序直至蓄電池轉(zhuǎn)為充電模式。

當SOC達到下限時,大范圍直接切除交流網(wǎng)絡(luò)或者直流網(wǎng)絡(luò)中的負載將會引起直流電壓的大范圍波動,有可能觸發(fā)過壓保護。傳統(tǒng)減載算法通常以直流電壓作為分割點[20],然而采用分層直流下垂算法時,直流電壓能夠穩(wěn)定理想?yún)⒖键c,因此傳統(tǒng)減載算法失效,為了解決這一問題,提出一種帶有緩沖區(qū)的減載算法,如圖4所示。在減載算法中設(shè)置一個緩沖區(qū)間,定義SOC值SS>Smin,其中[Smin,SS]即為緩沖區(qū)間,在緩沖期間根據(jù)負載數(shù)量以及SOC區(qū)間設(shè)置切除負載所對應的SOC,當達到SS時刻,根據(jù)負載優(yōu)先級由高到低順序逐步切除負載,由于每次切除負載功率較小,因此能夠有效避免直流電壓大范圍波動,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖4　基于SOC的減載方法Fig.4　Load shedding method based on SOC

3.3　光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略

圖5　光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖Fig.5　Control diagram of photovoltaic generation system

在正常運行時,光伏發(fā)電單元工作在MPPT模式,分層下垂控制主要在蓄電池SOC達到上限時啟動,此時由于儲能裝置停止工作,為了維持直流母線電壓恒定,將多個光伏發(fā)電單元同時切換到分層直流下垂控制,減小光伏發(fā)電單元輸出功率。為了防止輸出電流越限,在控制系統(tǒng)中加入了限幅模塊,以保證系統(tǒng)在不同控制下實現(xiàn)穩(wěn)定切換。

4　仿真驗證和分析

為了驗證本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略的可行性,采用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型,進行仿真研究,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A圖A1所示。設(shè)置柔性互聯(lián)裝置額定功率為60 kW,光伏發(fā)電單元額定功率為30 kW,蓄電池儲能系統(tǒng)額定功率為60 kW,容量為40 Ah。設(shè)置交流網(wǎng)路母線電壓為380 V、頻率為50 Hz,負載為90 kW,其中重要負載為30 kW,非重要負載為60 kW。設(shè)置直流網(wǎng)路母線電壓為800 V,負載為45 kW,其中重要負荷為15 kW,非重要負荷為30 kW。設(shè)置SOC上限和下限分別為90%和40%,設(shè)置SS為40.3%,緩沖區(qū)間為[40%,40.3%],減載間隔為0.06%。根據(jù)前面所分析的運行模式和所提出的協(xié)調(diào)控制方法,下面根據(jù)具體的算例對其進行仿真驗證。

4.1　單端互聯(lián)裝置交流側(cè)發(fā)生三相短路故障

單端互聯(lián)裝置交流側(cè)發(fā)生三相短路故障情況的仿真結(jié)果如附錄A圖A2所示。在初始時刻,光照強度為500 W/m2,直流負載為45 kW,通過三端柔性互聯(lián)裝置的控制能夠保證直流電壓穩(wěn)定在800 V,蓄電池初始SOC為70%,為了減小蓄電池充放電次數(shù),儲能系統(tǒng)處于待機狀態(tài),由于光照強度較小,光伏輸出功率小于負載功率,不足的功率由電網(wǎng)提供,此時交流網(wǎng)路通過三端柔性互聯(lián)裝置向直流網(wǎng)路提供功率支持。

在0.5 s時,光照強度由500 W/m2變化至1 000 W/m2,此時光伏輸出功率大于負載功率,因此過剩的功率傳輸給電網(wǎng)。在1 s時,柔性互聯(lián)裝置3交流側(cè)出現(xiàn)三相短路故障,該互聯(lián)裝置由分層直流下垂切換到CVCF控制維持交流電壓和頻率不變,柔性互聯(lián)裝置1和2仍然采用分層直流下垂控制維持各自的輸出直流電壓不變,從圖A2(a)看出換流站3直流電壓出現(xiàn)輕微跌落,主要原因是該直流電壓失去柔性互聯(lián)裝置3控制,由于線路阻抗導致直流電壓降低。在2 s時,柔性互聯(lián)裝置3交流側(cè)故障被清除,換流站3由CVCF控制切換到分層直流下垂控制,實現(xiàn)對直流負荷功率精確分配。在2.5 s時,直流網(wǎng)路內(nèi)部非重要負載由30 kW減小到15 kW,經(jīng)過調(diào)整直流電壓仍然能夠保持穩(wěn)定,系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。

4.2　三端互聯(lián)裝置交流側(cè)發(fā)生三相短路故障

由于兩端或者三端交流故障情形類似,都會出現(xiàn)需要啟動儲能系統(tǒng)維持整個系統(tǒng)功率平衡,在此以三端互聯(lián)裝置故障為例進行分析。附錄A圖A3給出了三端互聯(lián)裝置交流側(cè)短路故障情況下蓄電池長期充電的仿真結(jié)果。在初始時刻,光照強度為800 W/m2,蓄電池初始SOC為89.98%,直流網(wǎng)絡(luò)負載為15 kW重要負荷,交流側(cè)接入30 kW的重要負荷。在0.5 s時,由于短路故障導致三端互聯(lián)裝置交流側(cè)均發(fā)生短路故障,為了維持重要負荷不間斷供電,互聯(lián)裝置轉(zhuǎn)換為CVCF控制,并且啟動直流網(wǎng)路內(nèi)部儲能系統(tǒng)由待機切換至分層直流下垂控制維持直流電壓恒定。

在1 s時光照強度突變至1 000 W/m2,此時光伏發(fā)電單元輸出功率增加,儲能充電速度加快,當蓄電池SOC達到90%時,為了避免蓄電池深度充電,停止蓄電池工作,同時切換光伏變換器由MPPT控制轉(zhuǎn)為分層直流下垂控制維持直流電壓在允許運行范圍,可以看出在此階段光伏輸出功率減小。在2.5 s時,直流網(wǎng)路內(nèi)部20 kW負載投入運行,導致光伏變換器出現(xiàn)限流現(xiàn)象,直流電壓逐漸下降并且穩(wěn)定在750 V附近,由于750 V仍然大于0.9(標幺值),因此系統(tǒng)中的變換器運行狀態(tài)并沒有因此發(fā)生改變。在3 s時,直流網(wǎng)路內(nèi)部又增加10 kW負載,由于負載功率大于光伏發(fā)電單元輸出功率,導致直流電壓下降,當直流電壓達到0.9(標幺值)時激活蓄電池儲能系統(tǒng)重新投入工作,由待機模式切換到分層直流下垂控制模式,此時輸出功率大于零,處于放電狀態(tài),蓄電池SOC逐漸下降。

附錄A圖A4給出了三端換流站交流側(cè)發(fā)生短路故障情況且蓄電池長期放電的仿真結(jié)果。在初始時刻,光照強度為800 W/m2,蓄電池初始SOC為40.35%,直流網(wǎng)絡(luò)負載為15 kW重要負荷和30 kW非重要負載,交流1側(cè)接入10 kW的重要負荷和15 kW的非重要負載,交流2側(cè)接入10 kW的重要負荷,交流3側(cè)接入10 kW的重要負荷和10 kW的非重要負荷。

在0.5 s時,三端互聯(lián)裝置交流側(cè)均出現(xiàn)電網(wǎng)故障,保護裝置跳開,三個換流站同時切換到CVCF控制維持交流側(cè)電壓和頻率穩(wěn)定,蓄電池儲能系統(tǒng)由待機模式切換到分層直流下垂控制維持直流電壓恒定,由于分布式發(fā)電單元輸出功率小于直流網(wǎng)路和交流網(wǎng)路負載之和,因此蓄電池工作在放電狀態(tài),根據(jù)提出的減載策略,當蓄電池SOC達到40.3%時,進入緩沖區(qū)啟動減載程序,根據(jù)負載優(yōu)先級逐步切除非重要負荷。當SOC達到40.3%時,開始減載優(yōu)先級最低的10 kW直流負載;當蓄電池SOC分別達到40.24%,40.18%和40.12%時,按照優(yōu)先級分別切除直流網(wǎng)路中其他兩組10 kW直流負載和15 kW的交流負載,在負載切除期間對直流電壓沖擊較小。在8 s時,光照強度升高至1 000 W/m2,光伏輸出功率增加,此時光伏發(fā)電單元輸出功率大于負載功率,蓄電池工作在充電模式,SOC迅速上升。

通過上述仿真驗證可知,所提出的協(xié)調(diào)控制能夠在不同運行工況下實現(xiàn)多個單元變換器控制策略的平滑切換,實現(xiàn)大擾動條件下的穩(wěn)定運行。

4.3　即插即用

前面分別對柔性互聯(lián)裝置交流側(cè)發(fā)生短路故障的幾種典型情況進行了仿真驗證。本文提出的協(xié)調(diào)控制方法的另一個優(yōu)勢在于接入同類型分布式電源和儲能單元不會導致整個系統(tǒng)能量管理優(yōu)先級出現(xiàn)問題,能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用。在此以光伏分布式發(fā)電單元為例進行說明,光伏發(fā)電單元工作在兩種形式:MPPT和分層直流下垂控制,下面分別進行仿真研究。

附錄A圖A5給出了光伏系統(tǒng)采用MPPT控制時即插即用的仿真結(jié)果。在初始時刻,光照強度為500 W/m2,在0.5 s時光照升高至1 000 W/m2,光伏發(fā)電單元輸出功率增加,在1 s時外部增加了一個光伏發(fā)電單元接入直流母線;在1.5 s時該光伏發(fā)電單元又從直流母線切除,在采用MPPT控制方式時,光伏發(fā)電單元可以實現(xiàn)即插即用,不會影響系統(tǒng)運行。

附錄A圖A6給出了光伏發(fā)電單元采用分層直流下垂控制時即插即用的仿真結(jié)果。根據(jù)前面分析可知當光照強度充足并且蓄電池SOC達到上限時,光伏發(fā)電單元將會切換至分層直流下垂控制。根據(jù)仿真結(jié)果看出,當蓄電池SOC達到上限時,光伏發(fā)電單元由MPPT方式切換到分層直流下垂控制實現(xiàn)降功率運行,此時光伏發(fā)電單元1和2實現(xiàn)功率均分并穩(wěn)定光伏變換器出口側(cè)直流電壓為800 V。

在2.2 s時,光伏發(fā)電單元3接入直流母線,同樣采用分層直流下垂控制,可以看出在未接入之前光伏發(fā)電單元1和2輸出功率均為22.5 kW,而接入后功率重新分配使得三個光伏發(fā)電單元輸出功率均為15 kW,并且穩(wěn)定直流電壓。在3.5 s時,光伏發(fā)電單元3從直流母線中切除,光伏發(fā)電單元1和2輸出功率經(jīng)過調(diào)整重新穩(wěn)定在22.5 kW。從整個仿真結(jié)果看出,在光伏發(fā)電單元采用分層直流下垂控制時,接入和切除直流母線的光伏發(fā)電單元對電壓和功率沖擊影響很小,驗證了控制策略可行性和有效性。

5　結(jié)語

本文提出了含柔性互聯(lián)裝置的交直流混合配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制方法。所提出的方法集成了主從和下垂控制的優(yōu)勢,能夠補償直流電壓偏差,同時保證同類型分布式發(fā)電單元和儲能單元實現(xiàn)即插即用,無需改變不同變換器的控制策略和運行模式,通過協(xié)調(diào)控制能夠?qū)崿F(xiàn)交直流重要負載不間斷供電。在儲能系統(tǒng)過度放電情況下,采用基于SOC且?guī)в芯彌_期間的減載算法能夠有效避免大規(guī)模負載同時切除對直流電壓引起的沖擊,提高系統(tǒng)可靠性。本文所提出的方法需要低帶寬通信技術(shù),為了降低成本,未來需要進一步研究無通信的協(xié)調(diào)控制策略。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 鄭歡,江道灼,杜翼.交流配電網(wǎng)與直流配電網(wǎng)的經(jīng)濟性比較[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(12):3368-3374.

ZHENG Huan, JIANG Daozhuo, DU Yi. Economic comparison of AC and DC distribution system[J]. Power System Technology, 2013, 37(12): 3368-3374.

[2] 曾嘉思,徐習東,趙宇明.交直流配電網(wǎng)可靠性對比[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(9):2582-2589.

ZENG Jiasi, XU Xidong, ZHAO Yuming. Reliability comparison of AC and DC distribution network[J]. Power System Technology, 2014, 38(9): 2582-2589.

[3] 張學,裴瑋,鄧衛(wèi),等.多源/多負荷直流微電網(wǎng)的能量管理和協(xié)調(diào)控制方法[J].中國電機工程學報,2014,34(31):5553-5562.

ZHANG Xue, PEI Wei, DENG Wei, et al. Energy management and coordinated control method for multi-source/multi-load DC microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(31): 5553-5562.

[4] 江道灼,鄭歡.直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(8):98-104.

JIANG Daozhuo, ZHENG Huan. Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8): 98-104.

[5] 王毅,黑陽,付媛,等.基于變下垂系數(shù)的直流配電網(wǎng)自適應虛擬慣性控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2017,41(8):116-124.DOI:10.7500/AEPS20160729015.

WANG Yi, HEI Yang, FU Yuan, et al. Adaptive virtual inertia control of DC distribution network based on variable droop coefficient[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(8): 116-124. DOI: 10.7500/AEPS20160729015.

[6] 黃仁樂,程林,李洪濤.交直流混合主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電力建設(shè),2015,36(1):46-51.

HUANG Renle, CHENG Lin, LI Hongtao. Research on key technology of AC/DC hybrid active distribution network[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(1): 46-51.

[7] 張黎,吳昊,曹磊,等.基于Z型變壓器的交直流混合配電網(wǎng)仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(2):79-84.DOI:10.7500/AEPS201207134.

ZHANG Li, WU Hao, CAO Lei, et al. Simulation analysis on zigzag transformer-based AC-DC combined distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(2): 79-84. DOI: 10.7500/AEPS201207134.

[8] 王成山,宋關(guān)羽,李鵬,等.基于智能軟開關(guān)的智能配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)及展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(22):168-175.DOI:10.7500/AEPS20160620009.

WANG Chengshan, SONG Guanyu, LI Peng, et al. Research and prospect for soft open point based flexible interconnection technology for smart distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(22): 168-175. DOI: 10.7500/AEPS20160620009.

[9] 王一振,趙彪,袁志昌,等.柔性直流技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用探討[J].中國電機工程學報,2015,35(14):3551-3560.

WANG Yizhen, ZHAO Biao, YUAN Zhichang, et al. Study of the application of VSC-based DC technology in energy internet[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(14): 3551-3560.

[10] KYOHEI K, JOMONBU S, ATSUSHI Y, et al. A hybrid smart AC/DC power system[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2010, 1(2): 199-204.

[11] 張璐,唐巍,梁軍,等.基于VSC的交直流混合中壓配電網(wǎng)功率-電壓協(xié)調(diào)控制[J].中國電機工程學報,2016,36(22):6067-6075.

ZHANG Lu, TANG Wei, LIANG Jun, et al. Power-voltage coordinated control in hybrid AC/DC medium voltage distribution networks based on VSC[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(22): 6067-6075.

[12] MASOUD D, YASSER A I. Robust multi-objective control of VSC-based DC-voltage power port in hybrid AC/DC multi-terminal micro-grids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(3): 1597-1612.

[13] SANJAY K C, JOSEP M G, REMUS T. Enhancing the capacity of the AC distribution system using DC interlinks—a step toward future DC grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(4): 1722-1729.

[14] RITWIK M. A hybrid microgrid with DC connection at back to back converters[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(1): 251-259.

[15] WANG P, JIN C, ZHU D X, et al. Distributed control for autonomous operation of a three-port AC/DC/DS hybrid microgrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(2): 1279-1290.

[16] 張學,裴瑋,鄧衛(wèi),等.交直流混合配電網(wǎng)的運行模式和協(xié)調(diào)控制方法[J].供用電,2016,33(8):27-31.

ZHANG Xue, PEI Wei, DENG Wei, et al. Operation mode and coordinated control method of AC/DC hybrid distribution network[J]. Distribution and Utilization, 2016, 33(8): 27-31.

[17] CHEN D, XU L. Autonomous DC voltage control of a DC microgrid with multiple slack terminals[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(4): 1897-1905.

[18] URTASUN A, BARRIOS E L, SANCHIS P, et al. Frequency-based energy-management strategy for stand-alone systems with distributed battery storage[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(9): 4794-4808.

[19] GUERRERO J M, VASQUEZ J C, MATAS J, et al. Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids—a general approach toward standardization[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(1): 158-172.

[20] LIE X, DONG C. Control and operation of a DC microgrid with variable generation and energy storage[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(4): 2513-2522.

張學(1986—),男,助理研究員,主要研究方向:微電網(wǎng)運行控制和能量管理。E-mail： zhangxue@mail.iee.ac.cn

裴瑋(1982—),男,通信作者,研究員,主要研究方向:微電網(wǎng)運行控制、柔性直流輸電技術(shù)。E-mail: peiwei@mail.iee.ac.cn

范士雄(1984—),男,高級工程師,主要研究方向:分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: fanshixiong@epri.sgcc.com.cn