直流配電網(wǎng)多時間尺度控制體系研究

范士雄，劉幸蔚，衛(wèi)澤晨，高運興，王琛

(1.中國電力科學研究院有限公司, 北京市 100192；2.國網(wǎng)泰安供電公司，山東省泰安市 271000；3.華北電力大學，河北省保定市 071003)

0 引 言

近年來，常規(guī)能源日益匱乏，環(huán)境問題日漸突顯，以風能和光能等可再生清潔能源為主的分布式能源以及儲能裝置得到了越來越多的應用。同時，在負荷側(cè)，電力電子變頻技術(shù)被廣泛使用，采用直流驅(qū)動的電氣設備逐漸普及。新能源大量接入及負荷多樣化對交流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成了一定的負擔[1-3]。相比之下，直流配電網(wǎng)在新能源及負荷的接入上可節(jié)省大量的換流環(huán)節(jié)，損耗更小、效率更高[4]。此外，直流配電本身還具有線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高等優(yōu)勢。因此，直流配電網(wǎng)將成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢[5-8]。

目前，對于直流配電網(wǎng)的控制已有一定研究，主要有主從控制、電壓裕度控制和電壓下垂控制。文獻[9-11]通過直流電壓變化，控制各端換流器的工作方式，穩(wěn)定直流電壓，卻無法保持直流電壓為額定值。文獻[12]在此基礎上提出了一種基于下垂控制的多模式調(diào)壓策略，該策略根據(jù)直流電壓偏差進行分散自律調(diào)節(jié)，并對調(diào)節(jié)后的直流電壓做了部分優(yōu)化。文獻[13]對比了主從控制和下垂控制2種控制方法對直流電壓波動的影響。文獻[14]提出一種基于主從控制的直流配電網(wǎng)電壓控制策略，該策略只涉及對各VSC換流站的控制，未考慮新能源對整體控制體系的影響。可見，現(xiàn)有的研究多集中于直流電壓的一次調(diào)節(jié)，即維持直流電壓的穩(wěn)定，而對于直流配電網(wǎng)整體控制體系，包括維持電壓穩(wěn)定、消除電壓靜差及系統(tǒng)優(yōu)化，尚待進一步研究。

本文對包含新能源及儲能的直流配電網(wǎng)的控制體系進行研究。首先，對直流配電網(wǎng)的控制體系進行概述。其次，根據(jù)毫秒級、秒級以及分鐘/小時級的時間尺度，分別對直流配電網(wǎng)的一次調(diào)壓及慣性控制、二次調(diào)壓和三次調(diào)壓進行分析。最后，在Matlab/Simulink中搭建直流配電網(wǎng)仿真平臺，對所提控制體系進行仿真驗證。

1 直流配電網(wǎng)控制體系概述

本文研究的直流配電網(wǎng)如圖1所示，主要由新能源、儲能、交流電網(wǎng)以及負荷組成，這里的新能源可以是風電、光伏或其他能源。直流配電網(wǎng)的各端通過對應的AC/DC或DC/DC換流器連接起來。

圖1 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC distribution network

為保證直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運行，類比于交流配電網(wǎng)，可按照不同的時間尺度，建立適合于直流配電網(wǎng)的多時間尺度的控制體系。該體系根據(jù)時間尺度可以劃分為3個層級：第一層級為直流配電網(wǎng)一次調(diào)壓控制，以穩(wěn)定直流電壓為目的，時間尺度為毫秒級；第二層級為直流配電網(wǎng)二次調(diào)壓控制，以消除直流電壓偏差為目的，時間尺度為秒級；第三層級為直流配電網(wǎng)三次調(diào)壓控制，以實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運行為目的，時間尺度為分鐘/小時級。其中，由于直流配電網(wǎng)本身的電容慣性較小，當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，無法阻止直流電壓的快速變化，可能會給敏感負荷單元和新能源發(fā)電單元帶來不利影響。因此，為增強系統(tǒng)慣性，可在一次調(diào)壓控制的基礎上，增加虛擬慣性控制以抑制電壓突變。接下來對上述多時間尺度的控制體系進行詳細介紹。

2 直流配電網(wǎng)一次調(diào)壓及慣性控制

交流配電網(wǎng)中存在有功功率和無功功率，交流電壓和頻率是系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。相比之下，在直流配電網(wǎng)中，僅需考慮系統(tǒng)有功功率，所以直流電壓是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定運行的唯一指標。為了穩(wěn)定直流電壓，同時降低控制的復雜程度，一次調(diào)壓采用以電壓下垂控制為基礎的分層協(xié)調(diào)控制策略。該控制無需通信，且每一層都至少由一端換流器來平衡有功功率，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。為了提高直流配電網(wǎng)的慣性，抑制直流母線電壓波動，本文采用一種基于電壓下垂控制的虛擬慣性控制策略。該策略在電壓發(fā)生突變時，改變電壓下垂曲線的斜率，通過額外吸收或發(fā)出功率，為系統(tǒng)提供虛擬慣性。

2.1 直流配電網(wǎng)一次調(diào)壓

直流配電網(wǎng)一次調(diào)壓采用電壓分層協(xié)調(diào)控制方法，原理如圖2所示，該控制方法一共可分為3層，分別對應主調(diào)壓、后備調(diào)壓與緊急調(diào)壓。

(1)第1層對應主調(diào)壓模式，當直流電壓處于U1H和U1L(U1H、U1L分別為蓄電池側(cè)換流器上、下兩條下垂曲線的截距)之間時，聯(lián)網(wǎng)換流器G-VSC作為系統(tǒng)的功率平衡節(jié)點，控制直流電壓的穩(wěn)定。

聯(lián)網(wǎng)換流器G-VSC通過如圖2(a)所示的“直流電壓-有功功率”下垂特性曲線來平衡直流網(wǎng)絡內(nèi)的功率，該下垂曲線可表示為

Udc=U0-k1PG

(1)

式中：Udc為直流母線電壓；PG為聯(lián)網(wǎng)換流器輸出功率；U0、k1分別表示聯(lián)網(wǎng)換流器下垂特性曲線的截距和斜率。

(2)第2層對應后備調(diào)壓模式，當直流電壓處于U1H和U2H或U1L和U2L(U2H為新能源換流器下垂特性曲線的截距，U2L為負荷減載的啟動閾值)之間時，聯(lián)網(wǎng)換流器G-VSC的輸出功率達到限值，蓄電池側(cè)換流器B-DC作為系統(tǒng)的功率平衡節(jié)點，控制直流電壓的穩(wěn)定。

蓄電池側(cè)換流器B-DC通過如圖2(b)所示的“直流電壓-有功功率”下垂特性曲線來平衡直流網(wǎng)絡內(nèi)的功率，該下垂曲線可表示為

Udc=U1-k2PB

(2)

式中：PB為蓄電池功率；U1、k2分別表示B-DC下垂特性曲線的截距和斜率，這里U1取U1H或U1L，k2取k2H或k2L。

圖2 直流配電網(wǎng)一次調(diào)壓Fig.2 Primary voltage regulation of DC distribution network

(3)第3層對應緊急調(diào)壓模式，當直流電壓處于U2H和U3H或U2L和U3L(U3H、U3L分別為允許的直流電壓最大值、最小值)之間時，新能源發(fā)電單元降功率運行或通過負荷減載來控制直流電壓的穩(wěn)定。

當直流電壓處于U2H和U3H之間時，新能源發(fā)電單元通過如圖2(c)所示的下垂特性曲線降功率運行，該下垂曲線可表示為

Udc=U2H-k3HΔPNE

(3)

式中：ΔPNE為新能源發(fā)電單元減發(fā)的功率；U2H、k3H分別表示新能源發(fā)電單元下垂特性曲線的截距和斜率。圖2(c)中，ΔPNEmax為新能源發(fā)電單元減發(fā)功率的最大值。

當直流電壓處于U2L和U3L之間時，為避免直流電壓繼續(xù)降低，需要對負荷進行減載操作。此時，根據(jù)負荷的重要性等級，設置負荷的閾值電壓，等級越低的負荷，閾值電壓越高，即重要性等級低的負荷優(yōu)先被切除。

2.2 直流配電網(wǎng)虛擬慣性控制

在一次調(diào)壓的基礎上，不增加任何附加控制，可采用一種基于變下垂系數(shù)的虛擬慣性控制策略，該策略通過改變換流器的下垂系數(shù)，可在系統(tǒng)受到擾動時為直流電壓提供慣性支持，延緩電壓的變化速度。此時U-P下垂特性可表示為

Udc=Udcref-k·P

(4)

式中k為變下垂系數(shù)。

將變下垂系數(shù)k與電壓變化率dUdc/dt結(jié)合，k可表示為

(5)

式中：K1為穩(wěn)態(tài)下垂系數(shù)；K2為一正的常數(shù)。

基于變下垂系數(shù)的虛擬慣性控制原理如圖3所示，當直流電壓保持不變時，電壓變化率dUdc/dt為0，下垂系數(shù)k保持為K1不變，系統(tǒng)穩(wěn)定運行于A點。當電壓受到擾動而減小時，dUdc/dt為負，k減小，下垂曲線的斜率減小，此時換流器增發(fā)功率來為系統(tǒng)提供慣性支持，以延緩電壓的變化速度。當系統(tǒng)恢復至穩(wěn)態(tài)時，k又恢復到K1。同理，可分析電壓受到擾動而增大時的情況。

圖3 虛擬慣性控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of virtual inertia control

3 直流配電網(wǎng)二次調(diào)壓

直流配電網(wǎng)的一次調(diào)壓是對直流電壓的有差調(diào)節(jié)，響應速度較快。然而，直流母線電壓偏離額定值過多會對設備的正常運行造成不利影響。因此，需要采用二次調(diào)壓來將直流電壓調(diào)整到額定值。

在一次調(diào)壓的基礎上，直流配電網(wǎng)的二次調(diào)壓通過改變各端換流器下垂特性曲線的截距，使相應換流器增發(fā)或吸收功率來對直流網(wǎng)絡側(cè)電容進行充放電，以使直流母線電壓恢復并保持在額定值。

二次調(diào)壓在一次調(diào)壓第1層下的控制原理如圖4所示。首先分析電壓高于U0_set的情況，開始時直流配電網(wǎng)運行在聯(lián)網(wǎng)換流器定截距下垂曲線的A點，Udc與額定值之間有一定偏差；啟動二次調(diào)壓算法，直流母線電容放電，放電功率被G-VSC吸收，Udc降低，系統(tǒng)由A點運行至變截距下垂曲線的A′點，Udc保持在額定值。通過二次調(diào)壓控制，一次調(diào)壓控制曲線整體下移ΔU1H。同理可分析電壓低于U0_set時二次調(diào)壓控制的原理。

二次調(diào)壓在一次調(diào)壓第2層和第3層下的控制原理與第1層類似，都是在一次調(diào)壓控制的基礎上，改變下垂曲線的截距，使得直流母線電容進行充放電，達到消除電壓偏差的目的。

圖5為二次調(diào)壓控制原理框圖。在各端換流器下垂控制的基礎上，只需調(diào)整下垂曲線的截距，即可實現(xiàn)直流配電網(wǎng)的二次調(diào)壓。這里的截距調(diào)整值ΔU可利用PI控制器獲得。

圖4 直流配電網(wǎng)二次調(diào)壓控制原理Fig.4 Secondary voltage regulation of DC distribution network

圖5 二次調(diào)壓控制框圖Fig.5 Block diagram of secondary voltage regulation

4 直流配電網(wǎng)三次調(diào)壓

在一次和二次調(diào)壓的基礎上，三次調(diào)壓可根據(jù)系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)，按照預先設計的控制目標對這些數(shù)據(jù)進行綜合處理，得到系統(tǒng)最優(yōu)運行參考點，以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，比如電壓優(yōu)化、潮流優(yōu)化等。通過三次調(diào)壓，可在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎上，實現(xiàn)直流配電網(wǎng)的高效與經(jīng)濟運行。

5 仿真分析

本文利用Matlab/Simulink搭建了一個如圖1所示的四端直流配電網(wǎng)仿真平臺，該平臺中由光伏發(fā)電單元作為新能源，PV-DC的額定容量為30 kW；蓄電池的額定容量為400 A·h；B-DC的額定容量為 10 kW；交流負荷側(cè)換流器L-VSC的額定容量為 30 kW；聯(lián)網(wǎng)換流器G-VSC的額定容量為20 kW；直流母線額定電壓為500 V。為驗證所提直流配電網(wǎng)多時間尺度控制體系的可行性和有效性，同時考慮到三次調(diào)壓屬于系統(tǒng)級優(yōu)化，其輸出電壓值是作為二次調(diào)壓的參考值，因此本文重點研究一次調(diào)壓和二次調(diào)壓仿真效果。

5.1 一次調(diào)壓仿真分析

圖6為一次調(diào)壓仿真結(jié)果。仿真開始時，交流負荷的功率約為15 kW，光伏發(fā)電單元進行最大功率跟蹤，輸出功率約為25 kW，蓄電池處于備用狀態(tài)，輸出功率為0。此時，交流電網(wǎng)的輸出功率為-10 kW，直流母線電壓被G-VSC控制在1.010 pu左右。第1 s時，G-VSC的輸出功率被限制為-5 kW，多余的 5 kW功率被蓄電池吸收，直流母線電壓被B-DC控制在1.035 pu左右。第2 s時，交流負荷功率降至 5 kW，蓄電池的吸收功率達到限值，光伏發(fā)電單元降功率運行，直流母線電壓被PV-DC控制在1.067 pu左右。第3 s時，交流負荷功率降至0，直流母線電壓被PV-DC控制在1.083 pu左右。第4 s時，交流負荷功率升至15 kW，光伏發(fā)電單元退出降功率運行模式，直流母線電壓被B-DC控制在1.035 pu左右。

圖6 一次調(diào)壓仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of primary voltage regulation

5.2 二次調(diào)壓仿真分析

一次調(diào)壓是對直流電壓的有差調(diào)節(jié)，在一次調(diào)壓的基礎上啟動二次調(diào)壓，可實現(xiàn)對直流電壓的無差調(diào)節(jié)，使直流母線電壓保持在額定值，相關仿真結(jié)果如圖7、8所示。

圖7為在一次調(diào)壓主調(diào)壓模式下啟動二次調(diào)壓的仿真結(jié)果。仿真開始時，交流負荷的功率約為 25 kW，光伏輸出功率約為25 kW，蓄電池處于備用狀態(tài)。此時，交流電網(wǎng)的輸出功率為0，直流母線電壓被G-VSC控制在1.000 pu左右。第 1 s時，光伏輸出功率降為20 kW，直流母線電壓被G-VSC控制在 0.995 pu左右。第2 s時，光伏輸出功率降為 15 kW，直流母線電壓被G-VSC控制在0.990 pu左右。第 3 s時，交流負荷功率升至30 kW，直流母線電壓被G-VSC控制在0.985 pu左右。第4 s時，啟動二次調(diào)壓，交流電網(wǎng)增發(fā)功率，該功率被直流母線電容吸收，直流母線電壓升高，當升至 1.000 pu時，交流電網(wǎng)不再增發(fā)功率，直流母線電壓被G-VSC控制在1.000 pu。

圖7 主調(diào)壓模式下二次調(diào)壓仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of secondary voltage regulation under the main voltage regulation mode

圖8為在一次調(diào)壓后備調(diào)壓模式下啟動二次調(diào)壓的仿真結(jié)果。仿真開始時，交流負荷功率約為 15 kW，光伏輸出功率約為15 kW；蓄電池處于備用狀態(tài)。此時，交流電網(wǎng)的輸出功率為0，直流母線電壓被G-VSC控制在1.000 pu左右。第1 s時，交流負荷功率由15 kW升至20 kW，直流母線電壓被G-VSC控制在0.995 pu左右。第2 s 時，交流負荷功率升至 30 kW，直流母線電壓被G-VSC控制在 0.985 pu左右。第3 s時，光伏輸出功率降為5 kW，G-VSC的輸出功率達到最大值，蓄電池輸出5 kW功率，直流母線電壓被B-DC控制在0.965 pu左右。第4 s時，啟動二次調(diào)壓，蓄電池增發(fā)功率，該功率被直流母線電容吸收，直流母線電壓升高，當升至 1.000 pu時，蓄電池不再增發(fā)功率，直流母線電壓被B-DC控制在1.000 pu。

圖8 后備調(diào)壓模式下二次調(diào)壓仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of secondary voltage regulation under the reserve voltage regulation mode

6 結(jié) 論

本文提出了直流配電網(wǎng)的多時間尺度控制體系，實現(xiàn)了直流配電網(wǎng)的高效穩(wěn)定運行。具體包括以下2個方面：

(1)通過基于下垂控制的一次調(diào)壓，并配合虛擬慣性控制，實現(xiàn)了直流配電網(wǎng)在多種工況下的穩(wěn)定運行，有效抑制了直流電壓的波動。

(2)在一次調(diào)壓的基礎上，利用二次調(diào)壓消除了直流電壓靜差，實現(xiàn)了對直流電壓的誤差調(diào)節(jié)。三次調(diào)壓根據(jù)直流配電網(wǎng)設定的優(yōu)化目標，可實現(xiàn)系統(tǒng)的高效與經(jīng)濟運行，其具體的優(yōu)化算法是后續(xù)研究的重點。