多端柔性交直流混合配電網(wǎng)建模及仿真分析*

涂小濤, 高仕龍, 陳 銳, 戶永杰, 何青連

(1.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司, 廣東 廣州 510060;2.許繼集團有限公司, 河南 許昌 461000;3.許繼電氣股份有限公司, 河南 許昌 461000)

0 引 言

電網(wǎng)供電的可靠性及電能質(zhì)量直接影響著社會經(jīng)濟的發(fā)展,然而城市供電空間有限,通過架設(shè)新線路或敷設(shè)電纜來滿足負荷的持續(xù)增長變得愈加困難[1]。傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的輻射型網(wǎng)絡(luò)或閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行存在拓撲和運行方式不靈活,無法實現(xiàn)負荷的連續(xù)轉(zhuǎn)供及后期擴展性差的問題。此外,越來越多的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及電動汽車等分布式能源及負荷接入電網(wǎng),傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)缺乏靈活控制功率潮流和網(wǎng)絡(luò)拓撲的手段,導(dǎo)致大量分布式能源接入時無法保證電壓質(zhì)量,降低供電可靠性。

基于目前成熟的柔性直流輸電技術(shù),在節(jié)能降耗、傳輸容量、減少供電走廊和提高電能質(zhì)量等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。直流系統(tǒng)可解決輸電走廊短缺問題,且無交變電磁場和油污染,可在滿足城市規(guī)劃、環(huán)境保護要求的同時,完成電網(wǎng)增容改造。此外,在城市配電網(wǎng)接入諸如分布式發(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)和大規(guī)模儲能設(shè)備、電動汽車問題上,考慮互相之間頻繁的電能交換,直流系統(tǒng)具有較強的技術(shù)經(jīng)濟性[2-3]。因此,將部分現(xiàn)有交流線路改造成為直流線路,通過中壓柔性直流換流器與交流線路連接形成交直流混合中壓配電網(wǎng),成為目前可行的過渡技術(shù)模式。

直流輸電技術(shù)已成熟應(yīng)用于點對點功率傳輸,但對多端柔性交直流混合配電網(wǎng)及故障特性的工程應(yīng)用還是初步涉及。

因此,本文以珠?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧示范能源項目為研究對象,建立了VSC換流器高速等效模型,以及直流斷路器和電力電子變壓器的詳細物理模型,搭建了含直流輸電線路的±10 kV/±375 V多端交直流混合輸電網(wǎng)模型,并對多端柔性交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)的運行特性進行分析。多端柔性交直流混合配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該直流配電網(wǎng)為對稱單極(偽雙極)系統(tǒng),VSC采用半橋子模塊的拓撲結(jié)構(gòu),電力電子變壓器采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)雙有源橋DC-DC變換器。依托該系統(tǒng)模型,分別從啟動、穩(wěn)態(tài)、故障等工況進行了系統(tǒng)仿真分析,對系統(tǒng)功能進行了驗證。

1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)建模

1.1 MMC等效模型

VSC換流站采用模塊化多電平換流器(MMC)拓撲結(jié)構(gòu)。MMC拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。MMC具有高度模塊化的特點,通過動態(tài)控制上下橋臂子模塊的投入數(shù)目,可輸出相應(yīng)交流電壓,實現(xiàn)功率的傳輸。

式中,當(dāng)δ>0時,VSC吸收有功;當(dāng)δ<0時,VSC發(fā)出有功。因此,有功功率的大小和方向由δ決定,無功功率的傳輸則由Us-Uccosδ決定。

基于兩電平或三電平的VSC換流器控制理論,單端模塊化多電平VSC換流器控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)一般由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成[5]。

在多端直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中,根據(jù)換流器的運行方式不同,換流器可運行在定電壓定無功控制(Vdcq)或者定有功定無功(Pq)等控制模型下,其控制模式根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)可在線切換。

模塊化多電平換流器中包含大量的開關(guān)器件,這就導(dǎo)致建立能夠精確反映器件暫態(tài)電氣特性的高速模型較為困難[6]。

對于建立模塊化多電平換流器高速等效模型,首先要建立子模塊的高速等效模型。各種子模塊都包含電容支路,根據(jù)梯形積分法計算得出電容電壓為

(3)

式中: ΔT——仿真步長;

Ic——電容電流;

C——電容容值;

Uc——電容電壓。

對式(3)進行整理得:

(4)

(5)

電容支路等效為電阻Rc與電壓源UcEQ的串聯(lián),電容支路等效電路如圖4所示。

由圖4可知,通過前一時刻的電容電壓、電流值以及當(dāng)前時刻流過電容的電流可以計算當(dāng)前時刻的電容電壓。

雖然該數(shù)學(xué)模型能夠提高系統(tǒng)的仿真效率,但精確反映器件級的電氣應(yīng)力較為困難[7]。針對該問題,MMC單橋臂模型中增加單個真實子模塊,既不會降低系統(tǒng)的仿真效率,又能夠?qū)簯B(tài)工況進行器件級電氣特性分析,單橋臂等效模型如圖5所示。

根據(jù)上述橋臂模型,橋臂等效子模塊表示為

(6)

式中:Rsmeq——子模塊等效電阻;

Ism——子模塊電流;

Usemeq——子模塊等效電壓。

1.2 電力電子變壓器模型

考慮新能源、儲能、分散式負荷接入,電力電子變壓器拓撲采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)雙有源橋(Dual-Active-Bridge,DAB)DC-DC變換器,實現(xiàn)能量的雙向流動。電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

DAB模塊的工作模式可簡述如下。DAB的能量流動方向根據(jù)輸入和輸出電壓關(guān)系進行檢測。當(dāng)功率由變壓器一次側(cè)流向二次側(cè)時,解鎖一次側(cè)功率器件的驅(qū)動信號,封鎖二次側(cè)功率器件的驅(qū)動信號,二次側(cè)全橋處于二極管不控整流狀態(tài)。當(dāng)功率由變壓器二次側(cè)流向一次側(cè)時,解鎖二次側(cè)功率器件的驅(qū)動信號,封鎖一次側(cè)全橋的驅(qū)動信號,一次側(cè)全橋處于二極管整流狀態(tài)。

為了降低開關(guān)損耗,全橋功率變換器采用脈寬、脈位調(diào)制策略,通過控制調(diào)制波的幅值改變脈沖寬度,就可改變輸出電壓的大小。由于變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電感的存在,變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的功率器件均能夠工作在零電壓開通狀態(tài),降低了損耗,提高了工作效率。功率變換器開關(guān)時序如圖7所示。

基于狀態(tài)空間平均法[8],可推導(dǎo)得到DAB模塊輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系表達式為

(7)

式中:N——變壓器匝比;

D——占空比。

由于電力電子變壓器采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu),當(dāng)各DAB模塊的控制進入穩(wěn)態(tài)后,可自動實現(xiàn)DAB模塊內(nèi)部的功率平衡。

1.3 直流斷路器模型

常規(guī)混合式直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。正常情況下機械開關(guān)閉合,工作電流通過主支路流通。當(dāng)需要開斷時,在觸發(fā)固態(tài)開關(guān)同時打開機械開關(guān),在電弧作用下故障電流由機械開關(guān)轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān),待機械開關(guān)觸頭達到額定開距后關(guān)斷固態(tài)開關(guān)[9]。此后由 ZnO 避雷器釋放掉存儲在系統(tǒng)中的能量,完成整個關(guān)斷過程。

1.4 系統(tǒng)參數(shù)

依據(jù)圖1拓撲柔性多端交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu),搭建了基于PSCAD/EMTDC的多端柔性交直流混合配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)。

系統(tǒng)3端VSC換流器詳細參數(shù)如表1所示,配置的2 MW電力電子變壓器詳細參數(shù)如表2所示。直流線路采用電纜,各電纜的長度及電阻如表3所示。

表1 VSC換流器詳細參數(shù)

表2 配置的2 MW電力電子變壓器詳細參數(shù)

表3 各電纜的長度及電阻

2 仿真及試驗

2.1 穩(wěn)態(tài)運行

換流器VSC1采用Vdcq控制,定直流電壓為10 kV,無功功率為4 MW。換流器VSC2/VSC3采用VPq控制,均運行在逆變狀態(tài),定有功功率8 MW,無功功率為4 MW。電力電子變壓器定輸出電壓為750 V。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,換流器VSC1直流電壓穩(wěn)定在20 kV,換流器VSC2和VSC3有功功率穩(wěn)定在8 MW,無功功率穩(wěn)定在4 Mvar,PET輸出直流電壓穩(wěn)定在750 V。

為了減小PET啟動對直流系統(tǒng)的沖擊,啟動至穩(wěn)態(tài)整個過程可分為兩個階段。階段1時,對DAB進行固定低占空比的開環(huán)控制,減小啟動過程對直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。直流配電網(wǎng)系統(tǒng)向低壓側(cè)直流電容充電,待直流電壓穩(wěn)定后,切換至定低壓側(cè)電壓閉環(huán)控制。VSC換流器及PET關(guān)鍵波形如圖9所示,反映了整個啟動過程低壓側(cè)直流電壓的變化。

2.2 階躍響應(yīng)

對本文建立的交直流混合配網(wǎng)模型動態(tài)響應(yīng)進行分析。直流混合配電網(wǎng)模型動態(tài)響應(yīng)如圖10所示。

圖10(a)為換流器VSC2、VSC3及PET功率響應(yīng)曲線。PET在1.2 s時刻退出運行,換流器VSC2有功功率給定在1.5 s時刻由0.8 p.u.階躍下降至0.5 p.u.,響應(yīng)時間為40 ms。換流器VSC3有功功率給定在1.6 s時刻由0.6 p.u.階躍下降至0.18 p.u.,響應(yīng)時間為50 ms。

圖10(b)為換流器VSC1直流電壓給定參考值由1 p.u.階躍上升至1.05 p.u.,響應(yīng)時間為70 ms。此外,由直流電壓波形可知,在PET退出運行以及各換流站有功功率階躍整個過程中,直流電壓均能保持穩(wěn)定,控制系統(tǒng)電壓和功率響應(yīng)時間均小于100 ms,滿足控制要求。

2.3 接地故障

換流器VSC1進行定電壓控制,換流器VSC2和VSC3進行定功率控制,PET定輸出電壓控制,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行。設(shè)永久性故障發(fā)生時刻為1 s,故障點位線路1正極。1.03 s時刻跳開線路1直流斷路器。1.05 s時刻換流器VSC1閉鎖,同時60 ms后跳開交流斷路器,換流器VSC2的控制模式由有功功率控制切換至定直流電壓控制。

采用上述控制策略,換流器VSC2電壓及電流波形如圖11所示,整個故障經(jīng)歷三個階段。第一階段,正極接地故障發(fā)生后,正極電壓迅速降為0,負極電壓變?yōu)?20 kV。第二階段,檢測到故障發(fā)生后,直流斷路器動作,故障切除,同時故障換流器VSC2閥閉鎖,降低故障電流。第三階段,換流器VSC2控制模式改為定電壓控制,直流電壓經(jīng)過一段時間后恢復(fù)穩(wěn)定,隨后直流功率穩(wěn)定傳輸。

故障換流器切除后,直流電壓能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定,正常換流器功率能夠穩(wěn)定傳輸,驗證了控制系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié) 語

本文基于珠?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧示范能源項目,建立了多端柔性交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型,進行了系統(tǒng)仿真分析,得到如下結(jié)論。

(1) 建立了包含真實子模塊的MMC橋臂等效模型,實現(xiàn)對子模塊內(nèi)部元件故障時的電氣應(yīng)力進行仿真。

(2) 在DAB模塊中,提出采用脈寬、脈位調(diào)制的方式,減少了工作在開關(guān)狀態(tài)的IGBT數(shù)量,且實現(xiàn)零電壓開通,降低了器件損耗。

(3) 系統(tǒng)暫/穩(wěn)態(tài)工況的仿真表明,穩(wěn)態(tài)工況運行良好,暫態(tài)工況能夠?qū)崿F(xiàn)對參考值的快速跟蹤,能夠準確表征系統(tǒng)的運行特性,證明了仿真系統(tǒng)及控制策略的可行性。