电力电子变压器自治运行控制策略

张怀天, 荆 龙, 吴学智, 王 帅

(1. 北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心, 北京市 100044; 2. 北京电动车辆协同创新中心, 北京市 100044)

0 引言

伴随着分布式发电、储能、电力电子等技术的不断发展,配电网中用户侧分布式可再生发电容量占比不断提高,分布式储能、直流负荷等供电需求日益显现,配电网中潮流在电网与用户、高压配电网与中压配电网、中压配电网与低压配电网之间双向互动的需求日益增多。与交流配电相比,直流配电因具有无稳定性问题、输电效率高、调节快速可靠、节省输电走廊等优势,成为未来配电网的发展趋势[1-2]。

电力电子变压器(PET)是一种将电力电子器件和高频变压器相结合的装置,相对传统变压器,PET具有体积和重量小、无需变压器油等优点[3]。由于具有高低压交流端口和直流端口,工作过程中同时兼有直流与交流环节,各种小容量分布式电源(DG)可经PET接入电网。PET在完成常规变压器对电压等级变换、电气隔离和能量传递等功能的同时,还能实现潮流控制和电能质量调节等功能,有效隔离电压波动以及谐波传递,实现电网侧和负载侧的解耦[4]。通过PET控制策略的合理设计,可实现不同电力特征电能之间的相互转换,实现高低压、中低压配电网能量的协调管理。

目前,针对PET的控制策略研究只是把PET当做被动执行元件,无法发挥PET智能、支持DG和负荷更灵活接入的特点[5-7]。文献[8-10]仅分析了PET的基本控制策略和调制方式,未涉及与配电网的协调运行。而PET在实际交直流配电网中,需要复杂的调度控制算法,过分依赖于上层控制器和通信网络,无法完全发挥PET各个端口能量互通、相互支撑的优势。文献[11]针对交直流配电网的能量传输提出了一种混合功率下垂控制策略,根据端口特征信号计算不同端口间需传输的功率,但该控制器设计复杂,计算量大,且无法实现端口间能量的任意分配。文献[12-13]提出了两种近似的电力电子变换器的双向下垂控制方法,但均只考虑单一电压等级,且各端口必须按照统一的负荷率输出功率。

本文采用基于模块化多电平换流器(MMC)结构的PET拓扑,根据孤岛模式下配电网的运行特性,提出了一种应用于孤岛模式的自治运行控制策略,通过建立全局化的多端口传输模型,根据端口特征信号,实现多端口的标幺化,统一各端口的运行状态,协调各端口的能量交换。通过平移端口特征曲线,改变各端口的负荷率,不依靠上层控制,充分发挥PET各个端口能量互通、相互支撑的优势,实现配电网的自治运行。最后，通过含PET的交直流配电网仿真系统,验证了控制策略的有效性。

1 PET结构

本文采用基于MMC的PET拓扑,如图1所示。高压输入级采用MMC结构,每个桥臂由n个子模块(SM)和一个串联电抗器Lα组成,子模块采用级联方式。高压输入级可以参考MMC的基本控制方式。文献[14]根据MMC子模块能量均分和电压均衡原则,提出了一种子模块电容电压平衡控制策略,能有效平衡各子模块电容电压,保证直流电压的稳定。文献[15]提出了一种基于MMC环流模型的通用环流抑制策略,无需负序坐标变换和相间解耦,可对任意相数的MMC实现环流抑制。

图1 基于MMC的PET拓扑Fig.1 PET topology based on MMC

中间隔离级将输入较高的直流电压转变为高频交流电压,经过高频变压器降压,在副边再还原为较低的直流电压输出。由于输入侧电压等级较高,故直流/直流变换器模块采用输入串联、输出并联的组合方式。文献[16]分析了直流/直流变换器模块输入均压/均流与输出均压/均流的内在关系,研究了直流/直流变换器模块串并联组合系统的控制策略。

低压输出级采用三相四桥臂逆变器,将隔离级输出的低压直流电压,转换为供给用户的400 V等级工频交流电压。与传统三相逆变器相比,三相四桥臂逆变器带不平衡负载的能力较强,可在负载不平衡或非线性情况下维持三相电压的高质量输出。文献[17]建立了三相四桥臂逆变器的数学模型,研究了三相四桥臂逆变器同步旋转坐标系下的比例—积分(PI)控制策略。

2 交直流配电网特性分析

2.1 含PET的交直流配电网结构

PET通过中、低压交直流端口连接中、低压交直流配电网,如附录A图A1所示。各配电网均包含光伏和风电机组等DG,以及蓄电池、超级电容和燃料电池等储能单元。在并网模式下,10 kV主网接入中压交流端口,支撑交流配电网母线电压、频率和直流配电网母线电压。在孤岛模式下,交直流配电网均与主网断开连接,储能单元为交直流母线提供电压和频率支撑。由于缺少了主网对功率的支撑,系统内负荷所需功率均由DG提供,功率协调尤为重要,故配电网间快速准确的功率传输是PET控制的核心。

2.2 孤岛模式下配电网特性分析

在孤岛模式下, 交流配电网中PET和DG的有功、无功功率输出分别基于f-P,V-Q下垂特性,如附录A图A2所示。由于f-P,V-Q下垂特性基于高压输电线路阻抗以感性为主的假设,但中、低压配电网中,线路阻抗阻性成分大大增加,会使得中、低压配电网特性发生变化,严重时变为V-P,f-Q特性。但可以通过逆变器输出串联电感,调整电流环PI参数,引入虚拟阻抗控制等方法[18-20],使中、低压配电网中逆变器仍然适用f-P,V-Q下垂特性。

各DG单元f-P,V-Q下垂特性的数学描述为:

(1)

(2)

稳态时,配电网中各DG单元频率相同,如附录A图A2中虚线所示。为使各DG能按照其容量Sa,x分担负荷功率需求,需令:

m1Sa,1=m2Sa,2=…=mxSa,x

(3)

与交流配电网相比,直流配电网中DG仅需考虑有功功率和直流电压的关系,无需考虑无功功率和频率,V-P下垂特性如附录A图A3所示。V-P下垂特性的数学描述为:

(4)

为简化分析,稳态时,忽略线路阻抗等因素的影响,认为各DG单元输出电压相同。为使各DG能按照其容量Sd,y分担负荷功率需求,需令:

v1Sd,1=v2Sd,2=…=vySd,y

(5)

根据电能质量的国家标准,10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%;正常频率偏差允许值为±0.2 Hz。本文取电压允许偏差为额定电压的±5%,正常频率偏差允许值为额定频率的±3%。

3 孤岛自治运行控制策略

3.1 全局化的多端口传输模型

为实现PET各端口能量流动的一致性,建立PET全局化的多端口传输模型,如图2所示。图中，P1,P2,P3,P4分别为端口1,2,3,4的输出功率。端口1,2,3,4分别为中压交流、中压直流、低压交流和低压直流端口,分别连接中压交流、中压直流、低压交流和低压直流配电网。

图2 全局化多端口传输模型Fig.2 Globalized multi-port transmission model

由于电压等级和特征信号的差异,各端口运行状态很难统一。由于配电网在孤岛模式下具有2.2节所述的运行特性,故可对各端口特征信号(交流端口频率和直流端口电压)进行标幺化,用以表征交直流配电网的负荷率,进而协调端口间能量的流动,统一各端口的运行状态。

通过式(6)至式(9)分别对端口1,2,3,4的特征信号进行标幺化处理:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:f1和f2分别为中、低压交流端口频率;V1和V2分别为中、低压直流端口电压;下标pu表示相应量的标幺值;下标max和min分别表示相应量的最大和最小值;kn(n=1,2,3,4)为端口n下垂曲线平移量,在下文中用以调节各配电网的负荷率。

经标幺化后,各端口的下垂特性曲线可以放置在同一坐标系中,如图3所示。图中,P1,max,P2,max,P3,max,P4,max分别为中压交流、中压直流、低压交流、低压直流配电网的最大容量。通过PI调节器使f1,pu=V1,pu=f2,pu=V2,pu,即可保证各配电网稳定运行。

图3 多端口下垂特性曲线Fig.3 Droop characteristic curves of multi-port

设系统的总负荷量为Ptot,中压交流、中压直流、低压交流、低压直流配电网的负荷率分别为λ1,λ2,λ3,λ4。由图2和图3可得,稳态时,各配电网输出功率之和等于系统总负荷量,且各配电网工作于同一稳定运行点,由此可得:

(10)

对式(10)进行求解,可得:

(11)

式中:P=P1,max+P2,max+P3,max+P4,max。

可以看出,通过改变kn(n=1,2,3,4)的值,上下平移端口特征曲线,改变各端口的负荷率,实现端口间能量的任意分配。当k1=k2=k3=k4时,各配电网负荷率相等。采用此种控制方法,能量可以双向流动,PET能够四象限运行,光伏可以接入直流侧,不需要逆变器。

3.2 自治运行控制策略

下垂控制方法现已广泛应用于DG的控制当中,采用下垂控制的DG,可以依据公共连接点的信息及输出功率,自动调整工作点,使得多台逆变器之间实现协调运行。本文中使用下垂控制的PET与传统使用下垂控制的逆变器有所不同,传统逆变器只有一个输出端口,通过下垂控制使多个逆变器可以协调运行,而PET是多端口装置,每个端口连接不同的配电网络,运行时需要协调各个端口的功率输出,保证整个装置的传输功率平衡。目前对于PET能量输送及平衡的研究,基本都是利用上级电网或控制器的调度指令,PET被动地实现能量传输,本文则利用下垂控制实现PET各个端口的功率平衡,以及不同端口连接的不同配电网络电能质量的最优控制,有利于柔性变电站的无人值守及智能自治运行。

图4 直流端口功率控制Fig.4 Power control of direct current port

由于交流配电网涉及无功功率,故当PET向交流配电网传输功率时,需考虑交流配电网的V-Q下垂特性,传输无功功率参考值如式(12)所示。

(12)

图5 中压交、直流端口功率控制Fig.5 Power control of medium-voltage alternating current and direct current ports

图6 低压交、直流端口功率控制Fig.6 Power control of low-voltage alternating current and direct current ports

4 仿真验证

为验证PET自治运行控制策略的有效性,本文搭建了基于PET的MATLAB/Simulink仿真系统,部分仿真参数如附录A表A1所示。

1)仿真条件1,各配电网最大容量见附录A表A2,下垂曲线平移量均为0。0.2～0.6 s(时段1),各配电网负荷量均为0.1 MW;0.6～1.2 s(时段2),中压交流配电网负荷量增大到0.4 MW;1.2～1.8 s(时段3),中压直流配电网负荷量增大到0.3 MW。仿真结果如附录A图A4所示。

各配电网功率变化如表1所示。

表1 各配电网功率变化Table 1 Power of each distribution network

可见,在时段1时,各配电网负荷量均为0.1 MW,各配电网负荷率均为25%;在时段2时,中压交流配电网负荷量增大到0.4 MW,各配电网负荷率均增大到43.8%;在时段3时,中压直流配电网负荷量增大到0.3 MW,各配电网负荷率均增大到56.2%。由仿真结果可以看出,下垂曲线平移量均为0时,通过自治运行控制策略可以协调各配电网间的功率传输,各配电网均以相同的负荷率输出功率,动态响应良好。

2)仿真条件2,各配电网负荷量不变,参数如附录A表A3所示。时段1,各下垂曲线平移量均为0;时段2,中压交、直流配电网下垂曲线平移量k1,k2分别增大到0.5,0.4;时段3,中压直流配电网下垂曲线平移量k2增大到0.6,仿真结果如附录A图A5所示。

各配电网下垂曲线平移量及负荷率变化如表2所示。可见,在时段1时,各下垂曲线平移量为0,各配电网按照相同的负荷率输出功率。在时段2时,中压交、直流配电网下垂曲线平移量k1,k2分别变为0.5,0.4,此时,根据式(11)计算出的负荷率与仿真结果一致,中压交、直流配电网的负荷率均有所增大,高于低压交、直流配电网,中压交流配电网的负荷率高于中压直流配电网。在时段3时,中压直流配电网下垂曲线平移量k2增大到0.6,中压交、直流配电网的负荷率仍高于低压交、直流配电网,但此时中压直流配电网的负荷率高于中压交流配电网。由仿真结果可以看出,通过自治运行控制策略可以协调各配电网间的功率传输,实现不同电压等级配电网能量的协调管理,且通过改变下垂曲线的平移量,可以使各配电网按照需求对负荷率进行调整。

表2 各种配电网下垂曲线平移量及负荷率变化Table 2 Droop curve shifting and load rate of each kind distribution network

5 结语

本文根据孤岛模式下配电网的运行特性,提出了一种应用于孤岛模式的PET自治运行控制策略,通过建立全局化的多端口传输模型,根据端口特征信号,实现多端口的标幺化,通过仿真对本文所提的自治运行控制策略进行了验证,结果表明该控制策略可以不依靠上层控制,充分发挥PET各个端口能量互通,相互支撑的优势,实现配电网的自治运行。但此方法的局限性在于由于多端口传输模型的限制,各个端口无法解耦,还有待于进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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