直流配電網新型直流電壓控制策略

陳昱芝， 趙巧娥

(山西大學 電力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

因世界能源危機以及環境污染問題，國家開始鼓勵分布式電源接入。直流配電網比交流配電網更易接納分布式能源，并且直流母線可以節省許多DC/AC和AC/DC環節，減少了損耗。直流配電網線路成本低、對絕緣要求也比較低、傳輸容量大、供電可靠且環保，可以為敏感負荷提供高質量的電能服務[1-2]。因此，越來越多學者對其進行了深入研究。

在直流配電網中，功率控制是首要問題，直流電網憑借無感抗、無容抗的特點使得電壓成為衡量功率平衡的唯一指標[3]。主從控制、裕度控制和下垂控制等方式是當今用在直流配網抑制電壓波動的主要方式。主從控制結構簡單，但要求準確、快速通信。電壓裕度控制無須站間通信，但配網負荷種類眾多且波動隨機性大，使得電壓裕度的選取較為困難。下垂控制根據各換流站指定功率與電壓的線性關系，通過增減功率一起調節直流電壓，但傳統下垂控制會使母線電壓偏離額值。文獻[4]對下垂控制進行改良，分段修正斜率系數，但該策略無法消除靜態誤差。文獻[5-6]采用新的調節直流電壓的方法，欲通過平移下垂曲線準確調壓，但仍舊不能消除靜態誤差。

因此，本文對傳統下垂控制方式加以改進，將平移下垂曲線和下垂曲線分段運行相配合，建立了直流側電壓控制系統模型，采用勞斯判據從理論上驗證所選下垂系數能否使系統穩定運行。最后根據Simulink仿真模型驗證所提策略對穩定直流配電網電壓的可行性。

1 直流配電網及其控制策略

1.1 系統拓撲結構

直流配網的拓撲一般有環狀、放射狀和兩端配電等。本文以基于VSC的兩端配電網為例進行分析，如圖1所示，該系統主要包含以下四部分。

圖1 雙端直流配網結構示意圖

(1) 并網換流器：通過變流器G-VSC并入交流電網。

(2) 分布式電源：光伏系統經DC/DC變流器接入直流母線，為了盡可能多地利用能源，使其運行在最大功率點跟蹤模式。

(3)儲能系統：為穩定功率波動，蓄電池經雙向DC/DC接進直流電網。

(4)負荷單元：電網中的交流負載需由AC/DC變流器L-VSC接進直流網絡；電網中的直流負載需經DC/DC接進直流配網。

1.2 VSC的數學模型

換流站中各個VSC均為如圖2所示的拓撲結構。

圖2 VSC的拓撲結構圖

在兩相dq旋轉坐標系下VSC的數學模型為：

(1)

式中：usd和usq分別為VSC交流母線電壓在dq坐標系下的分量；ud和uq分別為VSC交流電壓基波在dq坐標系下的分量；id和iq分別為VSC交流電流在dq坐標系下的分量；Rsi和Lsi分別為VSC交流側的電阻和等效電感；ω為同步旋轉角頻率。

當d軸方向定為交流主網電壓方向，且不計損耗時，交、直流兩側與VSC交換的功率是守恒的，即：

(2)

(3)

式中：Ps和Pdc分別為電網側和直流側與VSC交換的有功功率；udc和idc分別為VSC直流側的電壓和電流。

1.3 傳統直流電壓斜率控制策略

電壓斜率控制指當直流網絡功率不平衡時，各側換流站按照各自的下垂特性響應功率差值，但當某一換流站傳輸功率突增或突減時，將產生電壓靜態偏差；反之，電壓變化也將影響功率。

G-VSC的U-P特性關系為：

Pref-P=Kr(Udc-Udref)

(4)

式中：P和Pref分別為傳輸有功的實測值和參考值；Kr為下垂斜率。由式P=UI[7]，可得直流電壓與電流有如下等式關系：

(5)

由式(4)、式(5)可知，整個系統的穩定性和動態性能與下垂系數的大小息息相關，因此需合理設計下垂特性曲線。

1.4 新型直流電壓斜率控制策略

為了更好地提高系統動態性能，消除電壓靜態誤差，防止系統在功率突變時電壓超出限值，本文采用下垂曲線分段和平移相配合的方法。下垂曲線平移控制如圖3(a)所示，其中：u1、u2分別為直流側電壓升高和下降值。當電壓值在允許范圍內，各側換流站按定下垂系數增減功率調節直流電壓，即圖中實線條；當電壓升高時，曲線平移至圖中左下線條的位置，使得電壓快速降低；當電壓降低時，曲線向上平移，即圖中右上線條，使得電壓快速升高。

圖3 下垂曲線平移原理

下垂曲線平移控制器如圖3(b)所示。參考值與實測值作差后經過PI輸出修正值附加到原來的直流電壓參考值，使得下垂曲線根據需要實時平移。不足之處在于，當系統因負荷波動大造成功率突變時，直流側電壓或超出正常工作范圍。

各換流站的下垂曲線分段運行原理如圖4所示，其中f(udc)為斜率分段函數。

圖4 下垂曲線分段變化控制

(6)

式中：Kh為電壓值在上限之上時所選斜率值;Kr為電壓值在上下限之間時所選斜率值;Kl為電壓值在下限之下時所選斜率值。

當直流電壓發生波動而在小范圍[u1,u2]內變化時，U-P下垂調節與傳統下垂控制相同，即在[P1,P2]區間內下垂曲線不變，此時電壓參考值與實測值作差后與斜率系數Kr相乘，再疊加至功率外環，最終得到直流電流指令值；在[0，P1]和[P2，Pmax]內采用較Ⅱ段斜率小的下垂曲線。當直流電壓低于u2，換流器有功出力超過P2(取1.45Pref)時，斜率系數會自行按分段斜率函數改變，使電壓偏移在下限之上；當直流電壓升高而大于u1，變流器有功出力少于P1(取0.55Pref)時，斜率系數同樣會自行按分段斜率函數改變，使得電壓偏移在上限之下。缺點是無法徹底消除靜態誤差。

為了準確且快速地調節直流電壓和有功功率，本文將上述兩種方法相配合，得到綜合控制結構如圖5所示。

圖5 綜合直流電壓控制器

本文設定直流母線額定電壓為400 V，電壓允許波動范圍為5%，兩端換流站的有功參考值為30 kW，則u1=412 V，u2=388 V,umax=420 V，umin=380 V。

式(7)所示為系統有功功率增加和減少時電壓對應的輸出表達式。

(7)

經計算可得下垂系數a=c=2 062，b=1 125。

由于電壓波動范圍小，U-I下垂控制和U-P下垂控制具有一致性，根據式(4)、式(5)可知兩種控制方式可以相互轉換。從圖5可看出，在U-P下垂曲線的基礎上所得新型電壓控制器參數設計冗雜，為了簡化其結構和計算過程，設計了如圖6所示的在U-I下垂曲線的基礎上改進的新型電壓控制器。由兩者的斜率關系知，基于U-I曲線的分段斜率值分別為：KR1=KR3=5.34,KR2=3。

圖6 改進的新型電壓控制器

2 基于勞斯判據的穩定性研究

2.1 直流側電壓控制系統模型

根據換流器數學模型和在U-I下垂曲線基礎上改進的新型直流電壓控制策略可得到直流側電壓控制框圖，如圖7所示。

圖7 直流側電壓控制框圖

從圖7可得在改進的新型電壓控制策略下電壓外環閉環傳遞函數。

(8)

式中：KPI、Kii分別為電流環中PI的比例和積分系數；Kiu為電壓環積分系數。當開關管動作頻率很高時，系統換流站放大特性可近似為比例放大器，其增益由KPWM表示，本文中KPWM為1。

2.2 下垂斜率與直流側電壓穩定性的關系

由式(8)可得系統閉環特征方程為：

LsiCs4+(Rsi+KPI)Cs3+(KiiC+KRKPI)s2+
KR(Kii+KiuKPI)s+KiuKiiKR=0

(9)

根據勞斯判據，式(9)的穩定判據為

(10)

下面分析基于VSC的系統，其容量為100 kW，各元件取值、新型直流電壓控制環節各比例和積分系數如表1所示。

表1 VSC主電路及控制環節參數

將上述參數代入式(10)，計算得下垂斜率KR的值在0～9.7之間。

因此，按照上述方法所得曲線斜率可以滿足系統直流側電壓穩定性的要求。

3 仿真分析

根據Simulink仿真模型驗證所提策略對穩定圖1中直流配電網電壓是否可行。變流器的功率以流入直流電網為正向。 一開始，直流負載L1消耗80 kW功率，交流負載L2消耗50 kW功率，光伏陣列提供50 kW功率;L1在2 s時功率突減使直流側電壓達到動作電壓上限值412 V；L2在3 s時功率增加使直流側電壓達到動作電壓下限值388 V；光伏電池的光照強度在4 s時由1 000 W/m2升高至1 300 W/m2，功率增加10 kW；在5 s時又由1 300 W/m2降低為1 000 W/m2。當功率變化使得直流電壓在小范圍波動時，兩換流站通過下垂曲線的上下平移，共同調節直流電壓；當直流電壓越限時，下垂曲線斜率控制器會選擇合適的斜率值，防止直流電壓超出允許工作范圍，并且提升系統動態響應速度。當光伏電源發出功率變化時，在本文提出的控制策略下，功率在VSC1和VSC2中自行平均分配。仿真結果如圖8所示。

圖8 穩態運行仿真圖

4 結束語

本文考慮到傳統下垂控制會使母線電壓偏離額定值，提出了把下垂曲線分段和平移相配合的新型直流電壓控制方法，并根據給定參數得到了使直流側電壓穩定的下垂系數范圍。最后根據Simulink仿真模型驗證所提策略對穩定直流配電網電壓的可行性。仿真結果及試驗表明，該策略不僅能消除電壓靜態偏差，而且避免了過電壓的出現，保證了系統穩定運行。