多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定控制系統(tǒng)

吳 雪，肖 瑩，張 旺，諸德律，盧 璐

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京 210008）

分布式電源品種與數(shù)量逐漸增加，變頻設(shè)備直流供電系統(tǒng)的使用頻率也隨之增加。原有的配電網(wǎng)形式正在發(fā)生改變，其供電功能的特殊性將日益突出。目前，直流配電網(wǎng)低電壓層級(jí)主要采用微供電的方式，但隨著大型集中式光伏電廠的建設(shè)以及對(duì)多種類型工業(yè)直流設(shè)備電力需求量急劇增加，多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性受到重視。其中，直流變壓器成為多種電壓級(jí)別直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)，也成為研究的重點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]提出多直流電壓配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)相量建模及穩(wěn)定性分析方法，以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各變數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值狀態(tài)確定輸入變數(shù)。并通過高次分?jǐn)?shù)減少模式的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)誤差校正。將等效移相占空比視為調(diào)整后的代數(shù)變量，降低忽視高次動(dòng)態(tài)數(shù)值所帶來的偏差值，達(dá)到對(duì)均衡動(dòng)態(tài)相量模型中直流變量的精確測量。以此完成運(yùn)行穩(wěn)定性分析方法，但該方法在校正步驟的運(yùn)算量過于巨大，耗費(fèi)時(shí)間長。文獻(xiàn)[2]提出包含綜合電力的多直流電壓等級(jí)互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行控制理論以及直流故障隔離對(duì)策方法。建立了包含新能源的多直流電壓等級(jí)互聯(lián)電網(wǎng)，剖析其結(jié)構(gòu)特征與工作機(jī)理。為處理不同情況的直流故障，提供采用DCCB 的故障隔離對(duì)策。在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)下建立仿真模式，對(duì)各種工況進(jìn)行模擬分析，完成運(yùn)行控制策略，但該方法仿真模型花費(fèi)成本較高。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 變壓器

該文選用DIAU-1928 系列的直流電力變壓器，利用高頻斬波、直流變壓器分離、高頻整流電壓，來完成直流壓力和與之成正比的另一種或多種直流壓力的轉(zhuǎn)換[3-4]。變壓器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，變壓器內(nèi)部含有多數(shù)字信號(hào)處理器，高壓直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部變壓器具有輸送電源體積大、消耗能量低、傳輸距離遠(yuǎn)、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了輸入輸出電壓相互之間的電力分離與平衡狀態(tài)。同時(shí)還可以進(jìn)行高速傳遞，通過變壓器進(jìn)行功率傳遞，達(dá)到無功耗、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高的要求[5-6]。引入變壓器后，系統(tǒng)不再需要濾波處理的電子傳感器，可以大幅度地降低輸入輸出濾光器的尺寸與體積，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性高，暫態(tài)響應(yīng)好，利用系統(tǒng)譜帶寬可以不失真?zhèn)魉碗娏鱗7-8]。同時(shí)通過開環(huán)控制檢測回路，提高開關(guān)效率，安全性較高，對(duì)電源等一般用電系統(tǒng)的電磁干擾較小。

1.2 變換器

采用SCC-9901 型DC 變換器作為控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，由兩個(gè)變換元件構(gòu)成。在兩個(gè)變換元件的交界處采用直流變壓器連接[9]。變換器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變換器結(jié)構(gòu)

DC 變換器的變換元件之間使用三相二電平橋電路連接，DC 變換器之間使用三相交流變壓器連接，根據(jù)DC 自動(dòng)變換器的電壓等級(jí)和頻率判斷該直流變壓器效率[10-11]。在高壓大威力的使用情況下，使用MMC 代替二電平變換元件，采取三相二電平橋的拓?fù)湓O(shè)計(jì)提高計(jì)算效率，引入更精確的優(yōu)化模式，以進(jìn)一步提高效率。

2 穩(wěn)定控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)定性分析程序

設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析程序，對(duì)直流變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的漏感以及頻率變化進(jìn)行分析，計(jì)算出電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的特征根，通過特征根軌跡對(duì)直流變壓器漏感和頻率變換對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

2.1.1 直流變壓器漏感的影響

多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)的直流變壓器漏感[12]，從0.25 mH 增大至0.4 mH，但其余參數(shù)維持不變，系統(tǒng)的特性線根軌跡如式（1）所示：

其中，d表示特性線根軌跡，k表示開環(huán)增益，x和u表示狀態(tài)向量以及輸入向量。由式（1）可發(fā)現(xiàn)，即使多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)所相應(yīng)的模型向右移，控制系統(tǒng)仍能穩(wěn)定，其改變可以忽略不計(jì)[13-14]。與其他模態(tài)存在著相同的改變特性，可認(rèn)為控制系統(tǒng)基本不受直流變壓器漏感改變的影響。

2.1.2 直流變壓器頻率的影響

多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)的直流變壓器頻段由50 kHz 提高至100 kHz，其余技術(shù)參數(shù)則維持不變。而控制系統(tǒng)的特征線根軌跡則如式（2）所示：

其中，d1表示控制系統(tǒng)特征線根頻率軌跡，i1表示高次動(dòng)態(tài)相量下的電流，i表示低次動(dòng)態(tài)相量下的電流。由式（2）可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器系統(tǒng)頻度提高時(shí)，多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)所相應(yīng)的模型向脫離實(shí)軸的位置偏移，阻尼降低、諧振頻率也隨之提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

當(dāng)多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)直流變壓器漏感和頻率改變時(shí)，控制系統(tǒng)的特征根軌道發(fā)生變化[15]。而當(dāng)多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)中技術(shù)參數(shù)設(shè)定一致時(shí)，其根軌道規(guī)律性也一致。當(dāng)一個(gè)多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)系數(shù)出現(xiàn)改變后，相應(yīng)的模型改變更為顯著，但其余模型改變幾乎未受干擾，而且其仍為穩(wěn)定。綜上所提的動(dòng)態(tài)相量模型運(yùn)用在多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)控制系統(tǒng)上，有著優(yōu)異的全局穩(wěn)定性。

2.2 電網(wǎng)控制程序

針對(duì)在多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行中DC 變換器的變換過程，設(shè)計(jì)了電網(wǎng)控制程序，結(jié)合動(dòng)態(tài)平衡程序和穩(wěn)定性分析程序，完成對(duì)多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。電網(wǎng)控制流程如圖3 所示。

圖3 電網(wǎng)控制流程

電網(wǎng)控制程序含有三個(gè)控制模塊，第一個(gè)控制模塊為電壓平衡控制，其主要功能為對(duì)國家電網(wǎng)的多直流電壓進(jìn)行平衡控制，具體原理如式（3）所示：

其中，U1表示多直流電壓；P1表示多直流電壓功率。

第二個(gè)控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)多直流電壓相對(duì)應(yīng)的直流功率進(jìn)行平衡處理[16]，根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)控制兩個(gè)多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)的交換功率，交換功率計(jì)算過程如式（4）所示：

其中，P2表示其他被控制的多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)功率。第三個(gè)控制模塊為功率平衡節(jié)點(diǎn)，控制直流電壓的設(shè)定值。

通過上述三個(gè)控制模塊，對(duì)多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性控制，結(jié)合動(dòng)態(tài)平衡程序建立的模型使多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到保障，并通過穩(wěn)定性分析程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[17]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證提出的多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)定實(shí)驗(yàn)，分析在多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，該文控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的平均動(dòng)態(tài)相量建模控制系統(tǒng)、互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的控制能力。電網(wǎng)波動(dòng)功率如圖4 所示。

圖4 電網(wǎng)產(chǎn)生波動(dòng)功率變化

在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)直流變壓器的平均動(dòng)態(tài)相量進(jìn)行建模，該文選取平均動(dòng)態(tài)相量模型Z(t)作為狀態(tài)變量，計(jì)算相關(guān)變量函數(shù)平均化數(shù)據(jù)在時(shí)域上的連續(xù)方式，對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)域進(jìn)行研究。通過省略動(dòng)態(tài)相量中的不重要分量減小模型復(fù)雜性，其狀態(tài)變量可用式（5）表示：

在直流變壓器建模中，采用相應(yīng)的代數(shù)約束條件來校正誤差。在多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng)中，利用直流變壓器設(shè)定基準(zhǔn)值，控制多直流電壓直流母線的變化，使其穩(wěn)定運(yùn)行。由控制系統(tǒng)的信號(hào)控制誤差，其誤差可轉(zhuǎn)換為相占空比值。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的工作情況下，考慮輸出電壓的直流分量，將開關(guān)參數(shù)中的動(dòng)態(tài)相量轉(zhuǎn)換為高次動(dòng)態(tài)相量，保證輸出電流恒定，用等效移相占空比系數(shù)代替誤差調(diào)整后的移相占空比，計(jì)算過程如式（6）所示：

其中，s表示移相占空比；s1表示占空比系數(shù)。直流變壓器其主要的輸入輸出方式為直流狀態(tài)，其動(dòng)態(tài)變化速度較慢，動(dòng)態(tài)向量的直流分量可表示為i1=0。綜上所述，可以用一般動(dòng)態(tài)相量模型描述的DAB 直流變壓器系統(tǒng)的最大信號(hào)模型，從而完成建模，建模過程如式（7）所示：

其中，f表示狀態(tài)空間方程；g(k) 表示代數(shù)約束方程。根據(jù)得到的模型結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性控制，分析在功率出現(xiàn)波動(dòng)后，產(chǎn)生的穩(wěn)定控制結(jié)果，如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5 可知，該文提出的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的控制能力，在控制時(shí)間為60 s 時(shí)，控制系統(tǒng)已經(jīng)保持穩(wěn)定，能夠很好地保證控制電壓基本穩(wěn)定在1.01 pu，而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制過程始終存在波動(dòng)，控制效果較差，無法保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)因其成本低、容量大、品質(zhì)高與電源安全性較高、功率管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為未來電力網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部分。該文設(shè)計(jì)了多直流電壓等級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定控制系統(tǒng)，硬件部分由變壓器和變換器構(gòu)成，軟件部分設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)平衡程序、穩(wěn)定性分析程序以及電網(wǎng)控制程序。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在計(jì)算速度、控制精確度等方面具有較高的優(yōu)勢，適用于實(shí)際使用。但在對(duì)于系統(tǒng)魯棒性方面仍有欠缺，后續(xù)研究將延續(xù)此方面進(jìn)行深入分析。