劉坤，曼蘇樂

(上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

應(yīng)用于微電網(wǎng)的新型潮流控制器

劉坤，曼蘇樂

(上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

電力彈簧在接有新能源的微電網(wǎng)中能夠有效穩(wěn)定母線電壓，為關(guān)鍵負荷提供穩(wěn)定的供能，根據(jù)這個特性，為了降低新能源的波動性對電網(wǎng)造成的沖擊，提出一種新型的潮流控制器，由電力彈簧和基于電力電子器件的可調(diào)節(jié)變壓器組成，可調(diào)節(jié)變壓器嵌入在在電網(wǎng)的降壓變壓器中，使非關(guān)鍵負荷由新能源供能，關(guān)鍵負荷由電網(wǎng)供能，當新能源供能充足時，新型潮流控制器調(diào)節(jié)潮流，使非關(guān)鍵負荷和關(guān)鍵負荷均由新能源供能，因此降低負荷對電網(wǎng)的需求。介紹潮流控制器的原理和實現(xiàn)方法，實驗結(jié)果證明了方案的正確性。

新能源;基于電力電子器件的可調(diào)節(jié)變壓器;電力彈簧;潮流控制器;微電網(wǎng)

0 引 言

如何消除新能源的波動性對電網(wǎng)造成的沖擊一直是新能源的熱門研究領(lǐng)域。負荷端的波動性再加上發(fā)電端的波動性會導致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的方案，如下垂控制[1-2]、電池儲能技術(shù)[3-4]都已經(jīng)不能滿足需求。而需求響應(yīng)(Demand Response)技術(shù)根據(jù)供能調(diào)節(jié)負荷功率來降低新能源波動性對電網(wǎng)的沖擊，并且成本低廉，未來將在提高電網(wǎng)供能效益上發(fā)揮重要的作用。根據(jù)需求響應(yīng)技術(shù)對通信的需求可分為兩類：一類是需要可靠、高效和安全的通信，因此需要復雜而且昂貴的通信設(shè)施；一類是只需要基本的通信網(wǎng)絡(luò)，比如電力彈簧[5]。電力彈簧采用負荷端控制技術(shù)，根據(jù)供電端的供能而調(diào)節(jié)負荷需求功率，達到供需平衡。電力彈簧的原理和機械彈簧類似，機械彈簧能夠(1)提供機械支撐；(2)存儲機械能；(3)抑制機械振動。對應(yīng)地，電力彈簧能夠(1)提供電壓支撐；(2)存儲電能；(3)抑制電能波動。電力彈簧和非關(guān)鍵負荷串聯(lián)形成智能負荷，能夠根據(jù)波動性的供能曲線調(diào)整負荷消耗功率，消除母線電壓的波動性，穩(wěn)定關(guān)鍵負荷的電壓，并為關(guān)鍵負荷提供穩(wěn)定的電能。但是電力彈簧是一種新興的技術(shù)，許多領(lǐng)域有待研究，電力彈簧是局部潮流控制器，只能在器件層面提供電壓、潮流控制，但卻無法調(diào)節(jié)送電端的潮流，這將導致微電網(wǎng)之間不合理的潮流分配。

1 原理與設(shè)計

本文拓展了電力彈簧的研究領(lǐng)域，提出基于電力彈簧和可調(diào)節(jié)變壓器的潮流控制器?？烧{(diào)節(jié)變壓器嵌入在電網(wǎng)的降壓變壓器中，調(diào)節(jié)送電端輸送的電能，具有全局潮流控制的作用，和電力彈簧的局部潮流控制作用結(jié)合形成完整的潮流控制方案。該潮流控制器只需要基本的通信網(wǎng)絡(luò)，可使新能源供應(yīng)非關(guān)鍵負荷(如空調(diào)，能夠承受一定的供能波動，因此可以減載)，因此非關(guān)鍵負荷由當?shù)氐男履茉椿蛘吒挥嗟碾娋W(wǎng)電能供電；關(guān)鍵負荷(如電腦，對電壓波動敏感，需要在額定電壓下工作)主要由穩(wěn)定的電網(wǎng)供能。當新能源發(fā)電量充足時，該新型潮流控制器可設(shè)計為，非關(guān)鍵負荷和關(guān)鍵負荷均由新能源供能。這對減輕快速增長的電力需求對電網(wǎng)的壓力或者微電網(wǎng)應(yīng)對新能源供能驟減的情況具有良好的果效。

1.1 電力彈簧

圖1 電力彈簧拓撲 結(jié)構(gòu)和控制圖

電力彈簧(圖1所示)將線電壓Vl和參考電壓Vl_ref的差值反饋到PWM功率變換器中，改變PWM波的占空比，從而調(diào)節(jié)電力彈簧兩端電壓Ves，使線電壓保持為參考電壓。當線電壓比參考電壓低時，電力彈簧產(chǎn)生一個和線電壓同向的電壓，與非關(guān)鍵負荷串聯(lián)，提高線電壓，使其和參考電壓相等。當線電壓比參考電壓高時，電力彈簧產(chǎn)生一個反向電壓，降低線電壓，使其與參考電壓相等[5]。電力彈簧和非關(guān)鍵負荷串聯(lián)形成智能負荷，能夠自動根據(jù)供能大小調(diào)節(jié)其消耗的功率，因此具有局部潮流控制功能。

1.2 基于電力電子器件的可調(diào)節(jié)變壓器

圖2 可調(diào)節(jié)變壓器安裝 在降壓變壓器二次側(cè)

可調(diào)節(jié)變壓器的設(shè)計和馬宗達提出的潮流控制器(PFC)[6]類似，但和PFC不同的是，可調(diào)節(jié)變壓器只調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，不改變其相角，具有傳統(tǒng)的機械抽頭變換器功能，并且電壓調(diào)節(jié)是連續(xù)的，而機械抽頭是不連續(xù)的。可調(diào)節(jié)變壓器的器材成本比PFC要低，因為可以直接采用交-交變換器進行設(shè)計[7]，在設(shè)計上兼容高并且器件能耗低。通過改變交-交變換器中PWM波的占空比來改變輸出電壓的幅值，可調(diào)節(jié)變壓器嵌入在電網(wǎng)側(cè)10 kV/400 V降壓變壓器有兩種方式，一種是安裝在二次側(cè)(如圖2所示)，在現(xiàn)有的降壓變壓器的二次側(cè)增加一個線圈繞組，其電壓為雙向可調(diào)節(jié)電壓，與降壓變壓器二次電壓相加形成輸出端電壓。由于二次側(cè)電壓低，因此這種設(shè)計對交-交變換器要求其電力電子開關(guān)器件承受很高的導通電流，不適合實際應(yīng)用。

圖3 可調(diào)節(jié)變壓器安裝 在降壓變壓器一次側(cè)

第二種是把交-交變換器安裝在一次側(cè)(如圖3所示)，電力電子開關(guān)承受較高電壓，但較低電流，其器件導通能耗比第一種低，因此在實際設(shè)計中更加適合。

圖4顯示了基于電力電子器件的可調(diào)節(jié)變壓器的實際安裝圖，可調(diào)節(jié)變壓器由伸縮接頭軟管和電纜嵌入在降壓變壓器中，根據(jù)需求和維護需要接入或者拆卸可調(diào)節(jié)變壓器。

圖4 可調(diào)節(jié)變壓器的實際安裝圖

1.3 潮流控制器設(shè)計

微電網(wǎng)由圖5所示，設(shè)計了兩種潮流控制方式，第一種是使風電供應(yīng)非關(guān)鍵負荷，由此減輕風電的波動性對電網(wǎng)的沖擊，而關(guān)鍵負荷由電網(wǎng)供能，第二種是使風電供應(yīng)所有負荷，包括非關(guān)鍵負荷和關(guān)鍵負荷。

圖5 使用新型潮流控制器的微電網(wǎng)圖

提出一種雙模式的潮流控制器，當線電壓處于220 V±5%的正常范圍時，作為潮流控制器使用，當線電壓超出正常范圍時，作為電壓調(diào)節(jié)器使用。圖6是該雙模式潮流控制器的控制圖。電壓檢測單元判斷線電壓是否在220 V±5%之間，如果超出這個范圍，差值x或者y將會為正值，所以1-e-kx或者1-e-ky變?yōu)樨撝担渲邢禂?shù)k是一個數(shù)值大的常數(shù)。因此其中一個飽和塊變?yōu)?，權(quán)值W2為1。這樣當線電壓在正常范圍內(nèi)時，權(quán)值W2為0，當超出范圍時，W2為1。互補的權(quán)值W1由1減去W2得到。權(quán)值W1和潮流控制單元的控制信號相乘，權(quán)值W2和電壓控制單元的控制信號相乘，因此雙模式控制器根據(jù)線電壓自動切換工作模式。

在潮流控制單元，第一種控制方式下，非關(guān)鍵負荷功率Pnoncritical_load和風電功率Pwind的差值反饋到PI控制器G1，得到修正因子e1，PI控制器設(shè)計為減小修正因子e1并使其趨于0，這樣非關(guān)鍵負荷功率和風電功率平衡，使得非關(guān)鍵負荷由風電供能。同理，第二種控制方式下，總負荷功率Ptotal_load和風電功率Pwind達到平衡，非關(guān)鍵負荷和關(guān)鍵負荷均由風電供能。

圖6 雙模式潮流控制器控制圖

電壓控制單元將線電壓值和參考值的差值反饋到PI控制器H中得到第二個修正因子e2，當線電壓偏離參考值220 V太大時起到電壓調(diào)節(jié)作用。

2 仿真實驗

實驗分三組：(1)微電網(wǎng)只安裝了電力彈簧，僅有局部潮流控制功能；(2)微電網(wǎng)安裝了電力彈簧和可調(diào)節(jié)變壓器，采用新型潮流控制器的第一種控制方式；(3)微電網(wǎng)安裝了電力彈簧和可調(diào)節(jié)變壓器，采用新型潮流控制器的第二種控制方式。

2.1 微電網(wǎng)中只安裝電力彈簧

該實驗分三個階段，各持續(xù)4分鐘。第一階段，電力彈簧未啟動，波動性的風電接入到系統(tǒng)中；第二階段，電力彈簧啟動，其他條件不變；第三階段，電力彈簧繼續(xù)工作，但關(guān)鍵負荷加重，其他條件不變。實驗結(jié)果如圖7a所示，第一階段，電網(wǎng)功率隨著風電波動而反向波動，送電端供能不足；第二階段，電力彈簧啟動，降低非關(guān)鍵負荷消耗的功率，增加關(guān)鍵負荷的供能，因此線電壓會增加以確保關(guān)鍵負荷正常工作，但電網(wǎng)供能功率依然波動；第三階段，關(guān)鍵負荷加重后，電網(wǎng)供能不變，非關(guān)鍵負荷功率進一步降低，以增加電能供應(yīng)給關(guān)鍵負荷，但供應(yīng)的電能依然不足，電網(wǎng)供能也依然波動，這將可能導致電網(wǎng)不穩(wěn)定。

2.2 微電網(wǎng)采用新型潮流控制器的第一種控制方式

圖7 有功功率曲線

該實驗也分為三個階段，第一階段，與實驗(1)相同；第二階段和第三階段，第一種潮流控制器啟動，電力彈簧和可調(diào)節(jié)變壓器均投入使用，實驗結(jié)果如圖7b所示。第一階段曲線和實驗(1)一樣，第二階段和第三階段，非關(guān)鍵負荷功率和風電功率基本平衡，在第5分鐘有較大的偏差，因為控制器響應(yīng)需要一定時間。這表明非關(guān)鍵負荷由風電供能，而電網(wǎng)為關(guān)鍵負荷提供穩(wěn)定的電能。和實驗(1)相比，電網(wǎng)功率的波動性大大降低，因此新能源的波動性對電網(wǎng)的沖擊明顯降低。當關(guān)鍵負荷在第9分鐘加重時，電網(wǎng)供能隨之增加，為關(guān)鍵負荷提供足夠的電能，同時風電和非關(guān)鍵負荷依然持平。該新型潮流控制器能有效降低新能源的波動性對電網(wǎng)的沖擊，并能夠根據(jù)負荷需求

調(diào)節(jié)送電端的潮流。

2.3 微電網(wǎng)采用新型潮流控制器的第二種控制方式

該實驗也分為三個階段：第一階段，和實驗(1)、(2)相同；第二階段和第三階段，第二種潮流控制器啟動。實驗結(jié)果如圖7c所示。和實驗(1)相比，電網(wǎng)功率波動明顯降低，在第二、三階段，電網(wǎng)功率相對穩(wěn)定，和實驗(2)相比，電網(wǎng)功率分別下降75%和80%左右。所有負荷幾乎都由風電供能，對電網(wǎng)的依賴大大降低。實驗表明，該新型潮流控制器能有效降低負荷對電網(wǎng)的電能需求。

3 結(jié)束語

本文提出一種新型的潮流控制器，由電力彈簧和基于電力電子器件的可調(diào)節(jié)變壓器組成，是電力彈簧的局部潮流控制和可調(diào)節(jié)變壓器的全局潮流控制的結(jié)合，成為完整的潮流控制器，拓展了電力彈簧在潮流控制領(lǐng)域的應(yīng)用。該控制器使關(guān)鍵負荷由電網(wǎng)穩(wěn)定供能，非關(guān)鍵負荷由波動但更便宜的新能源供能，當新能源供能充足時，連關(guān)鍵負荷也可以由新能源供能。這是一種能夠有效降低新能源波動性對電網(wǎng)的沖擊并降低負荷對電網(wǎng)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

劉坤(1992-)，男，江西人，碩士生，研究方向為電力電子方向。

定稿日期: 2016-12-20