柔性交直流混合配電網(wǎng)互聯(lián)換流站控制措施分析

段振梁，趙明偉

（國(guó)網(wǎng)武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引 言

相對(duì)于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)而言，直流配電網(wǎng)具有提高輸送容量、提高供電質(zhì)量和供電穩(wěn)定性以及接入分布式電源等多方面的明顯優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)的實(shí)際工程中也初步得到了應(yīng)用，如貴州銅仁大龍開(kāi)發(fā)區(qū)已建成直流配電網(wǎng)工程并投入運(yùn)行，浙江杭州和蘇州部分地區(qū)柔性直流配電網(wǎng)也在建設(shè)之中，有關(guān)部門(mén)也在陸續(xù)制定符合該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。根據(jù)電壓負(fù)載特點(diǎn)，靈活采取交直流混配電網(wǎng)的方式，不僅可以在提高供電質(zhì)量的同時(shí)有效降低成本，更能減小施工難度。

1 互聯(lián)換流站簡(jiǎn)介

互聯(lián)換流站（Interlinking Converter，ILC）是結(jié)合交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)[2]。除了能提高配電網(wǎng)可靠性之外，它也能幫助控制交流電壓及其頻率。以往控制交流電壓的方法往往是將電壓幅度的大小作為參考標(biāo)準(zhǔn)，ILC最大的問(wèn)題在于當(dāng)交流電成為無(wú)源電時(shí)，難以支持無(wú)源交流電的頻率。

目前，對(duì)于ILC的探索方向主要有以下兩種。一是對(duì)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，ILC在直流電穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)參與控制，由于交流電的頻率或電壓不在規(guī)定范圍內(nèi)，必須依靠實(shí)時(shí)的通信和豐富的經(jīng)驗(yàn)判斷，因此很難定出模式切換的標(biāo)準(zhǔn)值。二是為了參與交直流功率平衡，協(xié)調(diào)直流與交流之間控制的整定[3]。有學(xué)者提出了另一種控制方法，即以直流電壓有效值與交流電壓有效值的差值作為參考值，幫助交流系統(tǒng)維持穩(wěn)定。隨著研究工作的推進(jìn)，上述方法已得到改進(jìn)，將具有不同值的直流電壓和交流電壓有功功率標(biāo)定在同一坐標(biāo)系下，保證了功率的平衡。雖然都是從同一角度來(lái)考慮其穩(wěn)定性，但是卻很難從根本上維持無(wú)緣交流電壓的穩(wěn)定性。

為此提出了一種ILC的控制措施，借鑒傳統(tǒng)的交流側(cè)無(wú)源電網(wǎng)控制措施，改進(jìn)了內(nèi)環(huán)電流控制器，控制交流側(cè)電壓波動(dòng)幅度和波動(dòng)頻率，并且采用外環(huán)控制器設(shè)置下垂直控制系統(tǒng)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，ILC主要控制直流電壓，當(dāng)非直流側(cè)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，對(duì)交流電壓進(jìn)行控制，其余換流站負(fù)責(zé)維持直流側(cè)的穩(wěn)定，確保供電的穩(wěn)定性和靈活性。

2 交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)組成及運(yùn)行模式

2.1 系統(tǒng)組成

多年以來(lái)，由于成本和技術(shù)受限的問(wèn)題，我國(guó)多以閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的原則設(shè)計(jì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但隨著大力推進(jìn)智慧電網(wǎng)工程，特別是城市大規(guī)模的用電需求，開(kāi)環(huán)運(yùn)行的缺點(diǎn)和弊端開(kāi)始越發(fā)明顯[4]。由于電纜線(xiàn)容量的限制，分布式發(fā)電的大規(guī)模接入難以被接納，限制了電力行業(yè)發(fā)展的進(jìn)一步提高。為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性，必須實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行。

因此提出了一種可以實(shí)現(xiàn)兩種電流混合的配電網(wǎng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。來(lái)自不同輸電系統(tǒng)的兩個(gè)變電站分別連接整個(gè)體系。交流和直流兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)單個(gè)或多個(gè)電源置換器連接。直流電網(wǎng)將原交流電網(wǎng)分為兩個(gè)不同的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)互聯(lián)。

圖1 交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

直流配電網(wǎng)中存在兩個(gè)不同電壓等級(jí)，具有雙向潮流的直流變壓器（DC Transformer，DCT）連接著兩個(gè)電網(wǎng)[5]。中壓對(duì)應(yīng)其中的10 kV配電網(wǎng)，負(fù)責(zé)向高壓直流負(fù)荷供電，低壓對(duì)應(yīng)其中的220/380 V配電網(wǎng)，又稱(chēng)直流微電網(wǎng)。由于它直接與用戶(hù)和微電源對(duì)接，不僅可以減少換向環(huán)節(jié)，而且可以降低設(shè)備損耗。

2.2 運(yùn)行模式

為了更方便地分析圖1中系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)大致分為功率節(jié)點(diǎn)（恒功率）和平衡節(jié)點(diǎn)（保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性）兩類(lèi)。第一類(lèi)包括交直流微電源和負(fù)載，一般因素不會(huì)對(duì)其造成影響，后者包括交流輸電網(wǎng)絡(luò)、電流轉(zhuǎn)換裝置以及電能儲(chǔ)存裝置，系統(tǒng)穩(wěn)定需要通過(guò)功率調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，每個(gè)子系統(tǒng)至少應(yīng)包含一個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)。根據(jù)上圖中斷路器和ILC的工作模式，操作方式如表1所示

表1 運(yùn)行模式分類(lèi)

3 低壓直流配電網(wǎng)的并網(wǎng)控制措施

3.1 直流微電源的恒功率控制

在經(jīng)過(guò)boost變換器后，直流微電源可直接并入低壓直流電。由于其容量非常小，所以通過(guò)采用恒功率控制方式，可以確保提高能源的利用效率。以光伏列陣為例，為了實(shí)現(xiàn)可控功率輸出，往往使用最大功率進(jìn)行跟蹤控制，采用單環(huán)控制的方式。

3.2 堅(jiān)持以強(qiáng)補(bǔ)弱原則

為了穩(wěn)定直流微電源的功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)組合系統(tǒng)的功率輸出控制，有必要設(shè)計(jì)一種采用以強(qiáng)補(bǔ)弱控制的微存儲(chǔ)組合系統(tǒng)[7]。

在雙環(huán)控制儲(chǔ)能裝置措施中，其中控制功率的一環(huán)為外環(huán)，控制電流的一環(huán)為內(nèi)環(huán)。設(shè)直流微電源功率實(shí)際值為Pmic，利用公式可以算出其功率值為P*mic，儲(chǔ)能裝置真實(shí)輸出功率為Pbat，則外環(huán)偏差值為直流微電源功率值減去直流微電源功率值和儲(chǔ)能裝置實(shí)際功率后得出來(lái)的數(shù)值。

4 直流變壓器控制策略

該裝置作為連接低壓和中壓直流配電網(wǎng)的重要設(shè)施，不僅可以實(shí)現(xiàn)大容量與高壓的功率轉(zhuǎn)換，而且可以實(shí)現(xiàn)雙向送電。以使用量最多的變壓器為例，經(jīng)過(guò)兩次全橋變換后，單元斬波將變成高頻方波，需要使用高頻變壓器來(lái)達(dá)到電壓變換和電氣隔離，最后通過(guò)相關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換為直流電壓[8]。

5 互聯(lián)互聯(lián)換流站控制策略

對(duì)于圖1，如果交流電網(wǎng)的一側(cè)失電成為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，未失電的一側(cè)電源將通過(guò)直流配電網(wǎng)間接為失電的無(wú)源電網(wǎng)供給電力支持。因此，為了控制無(wú)源電網(wǎng)的電壓和頻率，和它連接的換流站是關(guān)鍵因素。當(dāng)有多個(gè)ILC接入無(wú)源電網(wǎng)時(shí)，最起碼有一個(gè)ILC具有交流平滑控制功能。本文提出了ILC的控制策略，ILC在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)直流側(cè)的功率，控制其電壓，當(dāng)ILC電壓變化幅度過(guò)大或變?yōu)镮LC交流側(cè)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以保證交流側(cè)的電壓穩(wěn)定，協(xié)調(diào)控制直流電壓的控制依賴(lài)于換流站的其余部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.1 直流電壓協(xié)調(diào)控制策略

在d軸外環(huán)控制器中，其中P-Ude下垂屬性可描述為：

式中，Udcref代表直流電壓及其額定值，P、Pref代表傳輸功率及其最大限額。當(dāng)Udcref和Pref確定后，再對(duì)K進(jìn)行計(jì)算[9]。

5.2 交流電壓平穩(wěn)控制策略

基于坐標(biāo)下的ILC數(shù)學(xué)模型在穩(wěn)態(tài)時(shí)公式為：

以電網(wǎng)側(cè)交流電壓矢量Us的相位參考相量，如果想要平穩(wěn)地控制交流電壓和頻率，理想情況下可以將其簡(jiǎn)化為：

該控制器采用雙閉環(huán)原則，下垂控制設(shè)計(jì)出d軸的外環(huán)，保持直流電壓穩(wěn)定，q軸外環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)功控制，獲得內(nèi)環(huán)電流參考值[10]。同時(shí)，兩環(huán)協(xié)同工作，想要實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的雙重控制，就要基于以上公式添加電壓控制器。新型ILC的控制措施如圖2所示。

圖2 新型ILC控制措施

在該控制策略中，要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓d-q的變換，就需要電網(wǎng)電壓U由鎖相環(huán)環(huán)節(jié)提供。同時(shí)在控制頻率時(shí)的重要一步是鎖相環(huán)環(huán)節(jié)為Ucd和Ucq在d-q反向變換中提供的頻率標(biāo)準(zhǔn)，因此應(yīng)保證鎖相環(huán)輸出的信號(hào)精準(zhǔn)。

當(dāng)交流電壓變化幅度較小時(shí)，電源置換器交流一側(cè)電壓usd和usq基本等同于Us和0，此時(shí)PI1和PI2有較小的跟蹤誤差，那么由外環(huán)控制器主要決定ucd和ucq的輸出。當(dāng)交流電源電網(wǎng)由于產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)導(dǎo)致其變成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其電壓和頻率都會(huì)發(fā)生巨大變化，usd和usq與Us和0之間差異較大，由PII和PI2跟蹤產(chǎn)生的誤差值也會(huì)隨之增大，同時(shí)由于外環(huán)控制器產(chǎn)生的isdref和isqref沒(méi)有發(fā)生明顯變化，那么控制交流電壓的目的主要是決定ucd和ueq的輸出。為了保證其電壓，需要調(diào)整交直流電網(wǎng)功率，此時(shí)VSC就可以起到支撐交流側(cè)電壓幅值和頻率平穩(wěn)的作用。

6 結(jié) 論

本文提出了一種新的互聯(lián)換流站控制措施，該措施通過(guò)對(duì)原有控制方法進(jìn)行改進(jìn)，在保證換流站能夠控制直流電電壓之外，也可以對(duì)交流電壓進(jìn)行控制。改進(jìn)后的控制措施不僅可以提高交流和直流之間的協(xié)調(diào)質(zhì)量，還可以高效支持無(wú)源電網(wǎng)，希可以對(duì)電力工程起到幫助。