应用于微电网的新型潮流控制器

刘坤，曼苏乐

(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

应用于微电网的新型潮流控制器

刘坤，曼苏乐

(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

电力弹簧在接有新能源的微电网中能够有效稳定母线电压，为关键负荷提供稳定的供能，根据这个特性，为了降低新能源的波动性对电网造成的冲击，提出一种新型的潮流控制器，由电力弹簧和基于电力电子器件的可调节变压器组成，可调节变压器嵌入在在电网的降压变压器中，使非关键负荷由新能源供能，关键负荷由电网供能，当新能源供能充足时，新型潮流控制器调节潮流，使非关键负荷和关键负荷均由新能源供能，因此降低负荷对电网的需求。介绍潮流控制器的原理和实现方法，实验结果证明了方案的正确性。

新能源;基于电力电子器件的可调节变压器;电力弹簧;潮流控制器;微电网

0 引 言

如何消除新能源的波动性对电网造成的冲击一直是新能源的热门研究领域。负荷端的波动性再加上发电端的波动性会导致电网的不稳定。传统的方案，如下垂控制[1-2]、电池储能技术[3-4]都已经不能满足需求。而需求响应(Demand Response)技术根据供能调节负荷功率来降低新能源波动性对电网的冲击，并且成本低廉，未来将在提高电网供能效益上发挥重要的作用。根据需求响应技术对通信的需求可分为两类：一类是需要可靠、高效和安全的通信，因此需要复杂而且昂贵的通信设施；一类是只需要基本的通信网络，比如电力弹簧[5]。电力弹簧采用负荷端控制技术，根据供电端的供能而调节负荷需求功率，达到供需平衡。电力弹簧的原理和机械弹簧类似，机械弹簧能够(1)提供机械支撑；(2)存储机械能；(3)抑制机械振动。对应地，电力弹簧能够(1)提供电压支撑；(2)存储电能；(3)抑制电能波动。电力弹簧和非关键负荷串联形成智能负荷，能够根据波动性的供能曲线调整负荷消耗功率，消除母线电压的波动性，稳定关键负荷的电压，并为关键负荷提供稳定的电能。但是电力弹簧是一种新兴的技术，许多领域有待研究，电力弹簧是局部潮流控制器，只能在器件层面提供电压、潮流控制，但却无法调节送电端的潮流，这将导致微电网之间不合理的潮流分配。

1 原理与设计

本文拓展了电力弹簧的研究领域，提出基于电力弹簧和可调节变压器的潮流控制器。可调节变压器嵌入在电网的降压变压器中，调节送电端输送的电能，具有全局潮流控制的作用，和电力弹簧的局部潮流控制作用结合形成完整的潮流控制方案。该潮流控制器只需要基本的通信网络，可使新能源供应非关键负荷(如空调，能够承受一定的供能波动，因此可以减载)，因此非关键负荷由当地的新能源或者富余的电网电能供电；关键负荷(如电脑，对电压波动敏感，需要在额定电压下工作)主要由稳定的电网供能。当新能源发电量充足时，该新型潮流控制器可设计为，非关键负荷和关键负荷均由新能源供能。这对减轻快速增长的电力需求对电网的压力或者微电网应对新能源供能骤减的情况具有良好的果效。

1.1 电力弹簧

图1 电力弹簧拓扑 结构和控制图

电力弹簧(图1所示)将线电压Vl和参考电压Vl_ref的差值反馈到PWM功率变换器中，改变PWM波的占空比，从而调节电力弹簧两端电压Ves，使线电压保持为参考电压。当线电压比参考电压低时，电力弹簧产生一个和线电压同向的电压，与非关键负荷串联，提高线电压，使其和参考电压相等。当线电压比参考电压高时，电力弹簧产生一个反向电压，降低线电压，使其与参考电压相等[5]。电力弹簧和非关键负荷串联形成智能负荷，能够自动根据供能大小调节其消耗的功率，因此具有局部潮流控制功能。

1.2 基于电力电子器件的可调节变压器

图2 可调节变压器安装 在降压变压器二次侧

可调节变压器的设计和马宗达提出的潮流控制器(PFC)[6]类似，但和PFC不同的是，可调节变压器只调节输出电压的幅值，不改变其相角，具有传统的机械抽头变换器功能，并且电压调节是连续的，而机械抽头是不连续的。可调节变压器的器材成本比PFC要低，因为可以直接采用交-交变换器进行设计[7]，在设计上兼容高并且器件能耗低。通过改变交-交变换器中PWM波的占空比来改变输出电压的幅值，可调节变压器嵌入在电网侧10 kV/400 V降压变压器有两种方式，一种是安装在二次侧(如图2所示)，在现有的降压变压器的二次侧增加一个线圈绕组，其电压为双向可调节电压，与降压变压器二次电压相加形成输出端电压。由于二次侧电压低，因此这种设计对交-交变换器要求其电力电子开关器件承受很高的导通电流，不适合实际应用。

图3 可调节变压器安装 在降压变压器一次侧

第二种是把交-交变换器安装在一次侧(如图3所示)，电力电子开关承受较高电压，但较低电流，其器件导通能耗比第一种低，因此在实际设计中更加适合。

图4显示了基于电力电子器件的可调节变压器的实际安装图，可调节变压器由伸缩接头软管和电缆嵌入在降压变压器中，根据需求和维护需要接入或者拆卸可调节变压器。

图4 可调节变压器的实际安装图

1.3 潮流控制器设计

微电网由图5所示，设计了两种潮流控制方式，第一种是使风电供应非关键负荷，由此减轻风电的波动性对电网的冲击，而关键负荷由电网供能，第二种是使风电供应所有负荷，包括非关键负荷和关键负荷。

图5 使用新型潮流控制器的微电网图

提出一种双模式的潮流控制器，当线电压处于220 V±5%的正常范围时，作为潮流控制器使用，当线电压超出正常范围时，作为电压调节器使用。图6是该双模式潮流控制器的控制图。电压检测单元判断线电压是否在220 V±5%之间，如果超出这个范围，差值x或者y将会为正值，所以1-e-kx或者1-e-ky变为负值，其中系数k是一个数值大的常数。因此其中一个饱和块变为1，权值W2为1。这样当线电压在正常范围内时，权值W2为0，当超出范围时，W2为1。互补的权值W1由1减去W2得到。权值W1和潮流控制单元的控制信号相乘，权值W2和电压控制单元的控制信号相乘，因此双模式控制器根据线电压自动切换工作模式。

在潮流控制单元，第一种控制方式下，非关键负荷功率Pnoncritical_load和风电功率Pwind的差值反馈到PI控制器G1，得到修正因子e1，PI控制器设计为减小修正因子e1并使其趋于0，这样非关键负荷功率和风电功率平衡，使得非关键负荷由风电供能。同理，第二种控制方式下，总负荷功率Ptotal_load和风电功率Pwind达到平衡，非关键负荷和关键负荷均由风电供能。

图6 双模式潮流控制器控制图

电压控制单元将线电压值和参考值的差值反馈到PI控制器H中得到第二个修正因子e2，当线电压偏离参考值220 V太大时起到电压调节作用。

2 仿真实验

实验分三组：(1)微电网只安装了电力弹簧，仅有局部潮流控制功能；(2)微电网安装了电力弹簧和可调节变压器，采用新型潮流控制器的第一种控制方式；(3)微电网安装了电力弹簧和可调节变压器，采用新型潮流控制器的第二种控制方式。

2.1 微电网中只安装电力弹簧

该实验分三个阶段，各持续4分钟。第一阶段，电力弹簧未启动，波动性的风电接入到系统中；第二阶段，电力弹簧启动，其他条件不变；第三阶段，电力弹簧继续工作，但关键负荷加重，其他条件不变。实验结果如图7a所示，第一阶段，电网功率随着风电波动而反向波动，送电端供能不足；第二阶段，电力弹簧启动，降低非关键负荷消耗的功率，增加关键负荷的供能，因此线电压会增加以确保关键负荷正常工作，但电网供能功率依然波动；第三阶段，关键负荷加重后，电网供能不变，非关键负荷功率进一步降低，以增加电能供应给关键负荷，但供应的电能依然不足，电网供能也依然波动，这将可能导致电网不稳定。

2.2 微电网采用新型潮流控制器的第一种控制方式

图7 有功功率曲线

该实验也分为三个阶段，第一阶段，与实验(1)相同；第二阶段和第三阶段，第一种潮流控制器启动，电力弹簧和可调节变压器均投入使用，实验结果如图7b所示。第一阶段曲线和实验(1)一样，第二阶段和第三阶段，非关键负荷功率和风电功率基本平衡，在第5分钟有较大的偏差，因为控制器响应需要一定时间。这表明非关键负荷由风电供能，而电网为关键负荷提供稳定的电能。和实验(1)相比，电网功率的波动性大大降低，因此新能源的波动性对电网的冲击明显降低。当关键负荷在第9分钟加重时，电网供能随之增加，为关键负荷提供足够的电能，同时风电和非关键负荷依然持平。该新型潮流控制器能有效降低新能源的波动性对电网的冲击，并能够根据负荷需求

调节送电端的潮流。

2.3 微电网采用新型潮流控制器的第二种控制方式

该实验也分为三个阶段：第一阶段，和实验(1)、(2)相同；第二阶段和第三阶段，第二种潮流控制器启动。实验结果如图7c所示。和实验(1)相比，电网功率波动明显降低，在第二、三阶段，电网功率相对稳定，和实验(2)相比，电网功率分别下降75%和80%左右。所有负荷几乎都由风电供能，对电网的依赖大大降低。实验表明，该新型潮流控制器能有效降低负荷对电网的电能需求。

3 结束语

本文提出一种新型的潮流控制器，由电力弹簧和基于电力电子器件的可调节变压器组成，是电力弹簧的局部潮流控制和可调节变压器的全局潮流控制的结合，成为完整的潮流控制器，拓展了电力弹簧在潮流控制领域的应用。该控制器使关键负荷由电网稳定供能，非关键负荷由波动但更便宜的新能源供能，当新能源供能充足时，连关键负荷也可以由新能源供能。这是一种能够有效降低新能源波动性对电网的冲击并降低负荷对电网的需求的方案。

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A Novel Power Flow Controller for Application in Micro-grids

Liu Kun, Man Sule

(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China)

Electric springs in micro-grids using new energy sources can effectively stabilize bus voltage and provide steady energy for key loads. In view of this character, to reduce the impact of volatility of new energy sources upon power grids, this paper presents a novel power flow controller composed of electric springs and a power electronics-based adjustable transformer, which, embedded in the grid step-down transformer, makes it possible that non-critical loads get energy supply from new energy sources, while critical loads get energy from the grid. When new energy sources can supply sufficient energy, the novel power flow controller will regulate the flow so that both non-critical load and critical load get energy from new energy sources, thus reducing power grid demand from the loads. Principles and realization methods for the power flow controller are introduced. Experimental results verify the correctness of the scheme.

new energy sources; power electronics-based adjustable transformer; electric spring; power flow controller; micro-grid

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.018

TM712

A

1000-3886(2017)02-0060-03

刘坤(1992-)，男，江西人，硕士生，研究方向为电力电子方向。

定稿日期: 2016-12-20