直流配電網分段虛擬慣性控制策略

陳昱芝， 趙巧娥

(山西大學 電力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

如今基于電力電子器件接口的新能源在電網中的滲透率得到顯著提升。然而電力電子器件的存在會隔斷直流配電網中旋轉電機的機械和電氣部分，導致旋轉電機中的動能無法提供功率支持，從而使直流系統慣性變低，導致系統暫態穩定問題愈加嚴重[1-2]。在直流電網中直流母線電壓是衡量系統功率平衡的唯一指標[3]。文獻[4]在機組MPPT(maximum power point tracking)控制的基礎上附加根據頻率變化而自適應的虛擬慣性控制，頻率暫態穩定性有所提高，雖然此方法適用于交流系統，但可以借鑒到直流配電網中。文獻[5]提出對電壓分層協調控制，只響應電壓偏差，不能很好地調節電壓變化率，在電壓突變瞬間，系統暫態穩定性變差。文獻[6-7]用在直流側增加超級電容器的方法能有效降低電壓變化率，通過增加慣性維持暫態穩定性。

為了充分利用系統中的潛在慣性，提高電壓質量，對傳統定虛擬慣量的控制方法作改進，提出直流配電網中的分段可變虛擬慣量控制。本文介紹了虛擬電容的概念，根據電壓變化率調節虛擬慣性系數，在電壓變化率大時虛擬慣性系數也相應變大，在電壓變化率小時虛擬慣性系數也相應變小，提供合適的慣性維持電壓穩定。最后根據Simulink仿真模型，檢驗所提方法是否可用于改善系統暫態穩定性。

1 直流配電網拓撲圖

本文以基于VSC的四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 四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，Pgrid為交流電網與直流電網交換的功率。

(2) 分布式電源：永磁直驅風機PMSG經W-VSC向直流電網輸入功率;Pw為風機向電網提供的功率。

(3) 儲能系統：蓄電池可通過雙向DC/DC變換器B-DC接進直流電網以穩定功率波動;Pbat為其與直流電網交換的功率。

(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；直流負載需經DC/DC接進直流電網;Pload為負荷消耗的功率。

2 直流配電網中的慣性

2.1 直流電網的固有慣性

交流電網里的慣性可以阻礙系統頻率發生突變，直流配電網的慣性可以類比為阻礙電壓發生突變。因此直流網絡的慣性時間常數可表示為：

(1)

式中：ECi為直流側電容所存儲的電能；Ci為直流側電容值；SNCi為第i個電容容量；HDC為電容存儲的電能釋放完全所用的時間。電容器在額定電壓下存儲的電能的多少與電容值大小成正比，當電壓突變時電容釋放的電能也變多，HDC增大，直流網絡的慣性也會增加。但實際情況是直流側電容值比較小，因此HDC的值遠小于交流電網。

2.2 直流電網的虛擬慣性

在上一節的慣性分析中，只考慮了電容提供的固有慣性。在實際工程中，風電機組和電網側的同步電機都可以控制變流器吸收或者釋放動能，控制原理如圖2所示。在直流側等效出虛擬電容CV，其值遠大于實際電容，增大了系統的慣性時間常數，減小了電壓變化率。因為該慣性必須靠控制變流器來增加，故稱為虛擬慣性。

圖2 VSC的虛擬慣性控制原理

圖2中：Pi、Ii分別為各個變流器向電容傳輸的有功功率和電流；Po、Io分別為向直流側傳輸的有功功率和電流；CV為虛擬電容；PV為虛擬電容吸收或釋放的功率。變流器的功率以流入直流電網為正方向。

由圖2表示的物理量關系可得：

(2)

由式(2)可得功率關系為：

(3)

根據式(3)可知：電網在沒有擾動時，PC=0；當系統有擾動使直流側電容兩邊傳輸功率不相等時，靠直流側電容儲存或吸收功率維持電壓穩定。

系統中變流器附加了虛擬慣性控制，當負荷功率變化ΔPo時，式(3)變為：

(4)

(5)

根據式(4)、式(5)有：

(6)

式(6)表明，系統中有變流器附加虛擬慣量后，系統因擾動出現功率不平衡時，虛擬電容和實際電容吸收或釋放的功率共同調節功率缺額。此時直流網絡的慣性時間常數變為：

(7)

式中：m為變流器個數。

由上式可看出：由于部分變流器附加了虛擬慣性控制，HDC變大，使得直流配電網的慣性相應提高;CV越大，慣性就越大，系統暫態穩定性也越高。

2.3 靈活虛擬慣性控制策略

(8)

式中：CV為虛擬電容；C0為穩態時的電容值；k1為電容值在線性變化時的調整系數；k2為電容值在指數形式下的調整系數；k1、k2均為常數；m0、m1為改變電容值時的電壓變化率閾值。

2.3.1 同步電機側變流器的慣性控制

G-VSC對支撐直流母線電壓起著重要作用，根據式(5)在G-VSC下垂控制基礎上引入如式(8)的分段虛擬慣性控制，控制結構如圖3所示。

圖3 G-VSC的分段慣性控制

2.3.2 風機側變流器的慣性控制

變速風機轉速與風速有關，為最大程度利用風能，通常對風機側變流器采用MPPT控制。在W-VSC中引入虛擬慣性控制是指MPPT曲線系數隨直流電壓變化率切換不同值，改變W-VSC的功率輸出。當電網功率變化時，W-VSC直流側電容功率方程為：

(9)

式中：CW為W-VSC直流側電容值。

PMSG轉速變化對應的輸出功率變化量為：

(10)

式中：Ek為旋轉動能；J為轉動慣量；ωr為電角速度；p為電機極對數。

加熱區的面積：火焰矯正所獲得的矯正能力與加熱面積成正比。受熱后達到塑性變形狀態的金屬面積越大，得到的矯正變形也越大。

當負荷變動造成功率缺額時，需靠風機吸收或釋放動能來平衡，直流電壓的穩定靠風機轉速變化來實現。因此有：

(11)

式(11)作積分和標幺化處理可得電壓變化與轉速的等式關系：

(12)

式中：ωr0、ωr1分別為電機初始以及穩定后電角速度，用標幺值表示；EC為實際電容存儲的電能。

由于實際電容存儲的電能遠小于電機旋轉動能，使得EC/Ek遠小于1，電壓波動引起的轉速變化不大，電機提供的慣性也較小。若要增加系統慣性，需增加轉速變化量，可通過增加電容儲存的電能實現。

(13)

于是式(12)變為

(14)

圖4是功率跟蹤曲線切換圖，穩態時，MPPT曲線系數為kopt1，工作點在A處。當負荷增加使電壓變低時，PMSG由于慣性控制電磁功率增加，工作點突變于O處，而機械功率保持穩定，轉子減速釋放動能彌補功率不足，工作點逐漸到達B點，此時MPPT曲線系數為kopt2，隨電網功率平衡，穩態運行點仍為A點。

圖4 MPPT曲線切換系數圖

在轉子轉速變化范圍不大，A、B兩點功率近似相等，且對應的轉速分別為ωr1和ωr0，則有：

(15)

根據式(14)、式(15)得：

(16)

由式(14)可以看出:kdc越大，即CV越大，轉速響應電壓變化時的改變量也越大。因此，將式(8)的分段慣性控制策略引入到MPPT曲線系數中，切換MPPT曲線，調節轉速存儲或釋放動能以增加系統慣性。控制原理如圖5所示。

由圖3、圖5可知：分段慣性控制通過比較電壓變化率與閾值的關系，判定s的值。當電壓變化速度m0時，s取2，電容值線性變化；當直流電壓變化速度>m1時，s取3，按照線性模式改變電容值已無法為系統提供足夠的慣性，嚴重時使系統無法安全穩定運行。因此，虛擬電容值按照指數形式快速變化，附加到G-VSC的下垂控制和W-VSC最大功率曲線系數中，調節各整流器的功率以提供更多的慣性，從而較大程度地降低電壓變化率，不僅有利于電壓質量的改善，還提高了系統暫態穩定性。

圖5 W -VSC的分段慣性控制原理

3 仿真分析

根據Simulink仿真模型檢驗所提慣性控制策略對提高圖1中直流配電網電壓質量是否有效。系統中各元件參數如表1所示，線路電阻均為1 Ω。仿真中，變流器的功率以流入直流電網為正向。

表1 系統各元件參數

3.1 功率突變時的仿真分析

一開始，直流負載L1消耗15 kW功率，交流負載L2消耗20 kW功率，總共約35 kW，風機在轉速為9 m/s時的提供功率約為30 kW，交流側同步電機提供剩余的5 kW功率。交流負載在2 s時突然增加10 kW功率，4 s時分布式電源出力增加10 kW。圖6的仿真圖反映了系統在不加慣性控制、采用固定慣性控制和采用文中分段慣性控制時的電壓變化情況。

圖6 分段慣性控制仿真圖

由圖6可以看出，系統不加虛擬慣性控制時，風機發出功率基本保持不變，交流電網側G-VSC和蓄電池均按下垂控制補償功率缺額，調節電壓使其快速穩定。在附加固定慣性控制后，電壓變化速度有所下降，趨于穩定的時間也較未加虛擬慣性時短。當風機側變流器和大電網側變流器附加本文所述的分段慣性控制策略后，風機會迅速增發功率，增加慣性降低電壓變化速度，使電壓更快更穩定。交流主網緩慢增發功率作為系統持久的功率源，當交流主網增發功率完成后，風機轉速恢復依舊采用最大功率跟蹤控制。

3.2 離網運行仿真分析

在其他運行情況不變時，直流配網與大電網在8 s時斷開，并網變流器不能向直流母線輸入功率，導致電壓瞬時降低，蓄電池采用下垂控制增發功率，與風機一起調節電壓。圖7反映了離網時電壓在分段慣性控制和不加慣性控制時的變化情況。

圖7 直流電壓變化波形

4 結束語

本文分析了直流配電網中由于無法利用旋轉電機潛在慣性使得整體慣性低的問題。類比交流系統慣性，引入了直流電網中的慣性及虛擬電容的概念，并將分段可變的虛擬慣性控制引入到旋轉電機側變流器中。虛擬電容隨著電壓變化率的改變而改變，可以快速降低電壓變化率，維持電壓穩定。根據Simulink仿真結果可以看出，該策略可在不同擾動下為系統提供慣性，抑制電壓變化速率，避免出現電壓超調現象，改善了電壓質量。