真雙極直流配電網(wǎng)有功-電壓分布式二級(jí)控制策略

陶 順，馬喜歡，管尚書(shū)，王宇丹

真雙極直流配電網(wǎng)有功-電壓分布式二級(jí)控制策略

陶 順，馬喜歡，管尚書(shū)，王宇丹

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

采用下垂控制的真雙極直流配電網(wǎng)存在負(fù)荷分配不合理以及正負(fù)極電壓不平衡問(wèn)題，導(dǎo)致?lián)Q流器利用率降低、額外損耗增加，并且影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷合理分配以及抑制正負(fù)極電壓不平衡，提出了一種真雙極直流配電網(wǎng)有功-電壓分布式二級(jí)控制策略。該策略按照第二級(jí)控制功能將電壓源換流器(VSC)分類(lèi)，交換相鄰VSC間的信息。在此基礎(chǔ)上，逐步迭代得到相應(yīng)的功率和電壓收斂值，并計(jì)算得到電壓調(diào)節(jié)量。由此進(jìn)一步改變下垂控制參考電壓值，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的合理分配以及抑制電壓不平衡。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了真雙極直流配電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該策略的有效性和可靠性。

下垂控制；真雙極；直流配電網(wǎng)；負(fù)荷分配不合理；電壓不平衡；分布式二級(jí)控制

0 引言

電力電子器件的發(fā)展和分布式電源的大量接入，促進(jìn)了直流配電網(wǎng)的發(fā)展[1]。相比于交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)具有成本低、損耗小以及電能質(zhì)量相對(duì)較高的優(yōu)勢(shì)[2]。直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，相比于其他結(jié)構(gòu)而言，真雙極直流配電網(wǎng)具有可供接入電壓等級(jí)較多、安全可靠性更高的優(yōu)點(diǎn)，因此很多直流配電網(wǎng)選擇此結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)其采用下垂控制時(shí)[3]也存在和其他直流配電網(wǎng)共有的負(fù)荷分配不合理問(wèn)題[4]以及特有的正負(fù)極電壓不平衡問(wèn)題[5]。

針對(duì)采用下垂控制時(shí)由于換流器出口側(cè)線纜阻抗差異導(dǎo)致的負(fù)荷分配不合理問(wèn)題，二次補(bǔ)償控制和自適應(yīng)下垂控制方法被相應(yīng)提出。文獻(xiàn)[8-9]提出對(duì)下垂曲線縱截距采用平均電壓、電流雙補(bǔ)償?shù)亩窝a(bǔ)償控制方法；文獻(xiàn)[10-14]將下垂系數(shù)定義為關(guān)于實(shí)際輸出有功功率與中央控制器參考輸出有功功率差值的函數(shù)，提出下垂系數(shù)自適應(yīng)改變的方法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷合理分配的目標(biāo)。文獻(xiàn)[15]提出一種基于儲(chǔ)能電池SOC冪指數(shù)的下垂控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的快速合理分配。上述方法雖然實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷合理分配，但對(duì)通信要求高，會(huì)降低系統(tǒng)可靠性。為了減小對(duì)通信的依賴，一些控制算法也被應(yīng)用于自適應(yīng)下垂控制中。文獻(xiàn)[16-17]提出一種基于離散一致性算法的自適應(yīng)下垂控制策略，利用稀疏通信實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均分，但是其針對(duì)的是多換流器組成的多端單極直流配電網(wǎng)。

雙極性直流配電網(wǎng)由于正負(fù)極所接負(fù)荷、分布式電源以及線路阻抗不平衡還存在特有的正負(fù)極電壓不平衡問(wèn)題[18]。正負(fù)極電壓不平衡將會(huì)導(dǎo)致額外損耗增加，電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[19-20]。文獻(xiàn)[21]引入具有抑制電壓不平衡能力的新型三電平AC/DC變化器。文獻(xiàn)[22-23]在AC/DC變流器出口安裝電壓平衡器來(lái)抑制電壓不平衡，但電壓平衡器平衡能力有限而且會(huì)增加成本。另外對(duì)DC/DC變換器采用改進(jìn)功率平衡控制策略，利用分布式電源或者儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡正負(fù)極母線間的負(fù)荷從而抑制正負(fù)極電壓不平衡[24-25]。除此之外，文獻(xiàn)[26]提出基于負(fù)荷供電極性切換的直流不平衡電壓抑制策略，通過(guò)切換負(fù)荷開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)上下游節(jié)點(diǎn)不平衡電流的抵消，進(jìn)而抑制電壓不平衡。由此可見(jiàn)目前雙極性配電網(wǎng)正負(fù)極電壓不平衡的抑制未曾考慮真雙極直流配電網(wǎng)中正負(fù)極VSC的參與和充分利用。

針對(duì)真雙極直流配電網(wǎng)的負(fù)荷分配不合理和正負(fù)極電壓不平衡問(wèn)題，本文提出一種真雙極直流配電網(wǎng)有功-電壓分布式二級(jí)控制策略。該策略將VSC按照二級(jí)控制目標(biāo)分為兩類(lèi)，利用相鄰VSC的功率、電壓信息并采用一致性算法迭代至收斂值，然后將輸出功率、電壓與之比較，得到的差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)器形成電壓調(diào)節(jié)量之后疊加至初級(jí)下垂控制參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)雙重目標(biāo)。最后在PSCAD/ EMTDC搭建了真雙極直流配電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該策略的有效性和可靠性。

1 真雙極直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及建模分析

1.1 真雙極直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

真雙極直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)眾多，常見(jiàn)的為兩端真雙極直流配電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該直流配電網(wǎng)通過(guò)VSC換流器、變壓器與交流電網(wǎng)相連。直流配電網(wǎng)的組成包括DC/DC變換器、采用最大功率點(diǎn)追蹤模式(MPPT)工作的光伏發(fā)電單元、可以切換充放電模式的儲(chǔ)能單元以及直流負(fù)荷單元。

1.2 負(fù)荷分配不合理分析

真雙極直流配電網(wǎng)中的VSC常常采用下垂控制作為初級(jí)控制，控制框圖如圖2所示。

圖1 兩端真雙極直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 初級(jí)控制框圖

圖2中：ref,i為第個(gè)VSC的參考電壓值；U為第個(gè)VSC出口實(shí)際電壓值；k是下垂系數(shù)；ref,i、ref,i為VSC參考輸出有功、無(wú)功功率；P、Q為VSC交流側(cè)實(shí)際輸出有功、無(wú)功功率；iref、iref分別為交流側(cè)軸電流參考值；Uref、Uref分別為交流側(cè)軸電壓參考值；i、i為交流側(cè)軸實(shí)際電流，U、U為交流側(cè)軸實(shí)際電壓，分別由交流側(cè)三相電流、電壓通過(guò)派克變換得到。

其中下垂控制為

VSC采用下垂控制時(shí)，由于出口線纜阻抗差異導(dǎo)致負(fù)荷分配不合理。圖3為兩個(gè)VSC并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的等效電路圖，圖中1、3分別是兩換流器輸出功率，1、3是兩換流器出口側(cè)線纜電阻，dc是母線電壓，load是母線上負(fù)荷。兩個(gè)換流器下垂系數(shù)按照額定容量設(shè)定，如式(2)。

式中：1、3分別為兩換流器下垂控制系數(shù)；rate1、rate3分別為VSC1、VSC3的額定容量。

根據(jù)圖3可得

將式(1)代入式(3)得到換流器輸出功率為

當(dāng)兩個(gè)換流器參考電壓相同時(shí)，輸出功率比值為

當(dāng)忽略線路電阻時(shí)，由式(5)可知負(fù)荷功率可實(shí)現(xiàn)按照容量進(jìn)行分配。

然而受實(shí)際線纜電阻的差異影響，負(fù)荷無(wú)法在換流器中按照容量進(jìn)行分配。

1.3 正負(fù)極電壓不平衡分析

雙極性配電網(wǎng)由于正負(fù)極所接負(fù)載、換流器下垂控制參數(shù)以及線纜阻抗不平衡將會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極電壓不平衡。電壓不平衡會(huì)導(dǎo)致額外損耗增加，影響系統(tǒng)穩(wěn)定，因此需要對(duì)電壓不平衡進(jìn)行抑制。電壓不平衡度作為評(píng)估指標(biāo)，定義為式(7)，其值應(yīng)不超過(guò)3%[18]。

式中：%為電壓不平衡度；p、n分別為正負(fù)極母線電壓。

VSC串聯(lián)運(yùn)行等效電路圖如圖4所示，其中1、2分別是兩換流器輸出功率，1、2分別是兩換流器出口側(cè)線纜電阻，1、2分別是兩換流器出口電壓，p、n分別是接在正、負(fù)極母線上的負(fù)荷，此處研究的是恒電阻負(fù)荷，恒功率負(fù)荷分析類(lèi)似。

該電路滿足下列方程：

當(dāng)忽略換流器損耗時(shí)，換流器交直流兩側(cè)有功保持平衡，將式(1)代入式(8)得到換流器輸出電壓為

2 真雙極直流配電網(wǎng)有功-電壓分布式二級(jí)控制策略

本文提出的真雙極直流配電網(wǎng)的控制策略由初級(jí)下垂控制和有功-電壓分布式二級(jí)控制兩個(gè)部分組成。其中初級(jí)下垂控制對(duì)負(fù)荷進(jìn)行初次分配，使電壓達(dá)到穩(wěn)定，分布式二級(jí)控制目標(biāo)為將負(fù)荷按照容量進(jìn)行分配的同時(shí)抑制正負(fù)極電壓不平衡。二級(jí)控制策略如圖5所示，配電網(wǎng)中相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，然后采用一致性算法得到相應(yīng)的功率、電壓收斂值，最終與各自的輸出功率、端口電壓相比，差值利用PI調(diào)節(jié)得到初級(jí)參考電壓值的調(diào)節(jié)量。

2.1 一致性算法

相對(duì)于集中控制而言，分布式控制具有穩(wěn)定性好、通信壓力小、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)。而基于一致性算法的分布式控制方法僅需要本地節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息互換，對(duì)信息進(jìn)行迭代便可使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量收斂到平均值，有利于協(xié)調(diào)真雙極直流配電網(wǎng)各換流器共同完成控制目標(biāo)。x為節(jié)點(diǎn)的某一個(gè)狀態(tài)變量，可以為輸出功率也可以為母線電壓。一階分布式一致性算法表達(dá)式為

矩陣形式為

式中：為節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)中的最大值；為節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

當(dāng)前后時(shí)刻數(shù)值之差的絕對(duì)值小于收斂精度時(shí)達(dá)到收斂，即

2.2 分布式二級(jí)控制策略

基于上述一致性算法，本文提出的分布式二級(jí)控制步驟如下所述。

(1) 將真雙極直流配電網(wǎng)中形成正負(fù)極的兩VSC設(shè)為一個(gè)總節(jié)點(diǎn)，正負(fù)極的兩個(gè)換流器是該節(jié)點(diǎn)下的分節(jié)點(diǎn)，下標(biāo)為p、n時(shí)分別表示正、負(fù)極。不同節(jié)點(diǎn)之間的正、負(fù)極換流器分別參與接在正、負(fù)極母線上的負(fù)荷分配調(diào)節(jié)，同一節(jié)點(diǎn)的正負(fù)極換流器參與該節(jié)點(diǎn)的電壓不平衡調(diào)節(jié)。

(2) 在二級(jí)控制策略啟動(dòng)前，系統(tǒng)的負(fù)荷、電壓根據(jù)初級(jí)下垂控制進(jìn)行自主分配、調(diào)節(jié)。啟動(dòng)二級(jí)控制，此時(shí)設(shè)為時(shí)刻，各個(gè)換流器采集自身輸出功率P,p[]、P,n[]和端口電壓信息U,p[]、U,n[]。然后將P,p[]、P,n[]、U,p[]、U,n[]發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正負(fù)極。

(3) 各個(gè)換流器得到相鄰節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)信息之后，進(jìn)行一致性迭代，得到對(duì)應(yīng)平均值avei,p[]、avei,n[]、avei,p[]和avei,n[]，計(jì)算如下：

對(duì)于抑制電壓不平衡而言，還需要進(jìn)行計(jì)算電壓平均值：

式中，p,p、I,p、p,u、I,u分別為二級(jí)控制中功率、電壓控制的PI參數(shù)。此時(shí)節(jié)點(diǎn)正負(fù)極換流器的初級(jí)控制參考電壓值變?yōu)?/p>

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提二級(jí)控制策略的有效性，本文在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建如圖1所示的兩端真雙極直流配電網(wǎng)模型。

直流配電網(wǎng)額定電壓為0.8 kV，光伏發(fā)電單元額定功率為200 kW，儲(chǔ)能單元額定容量為25 Ah，一共120節(jié)儲(chǔ)能電池串聯(lián)，初始SOC為0.4。五個(gè)直流負(fù)載分別為800 kW、200 kW、200 kW、100 kW和150 kW。各個(gè)換流站的額定功率均為800 kW。仿真模型參數(shù)和控制參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)和控制參數(shù)

將圖1中4個(gè)VSC按照控制目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，VSC1、VSC2形成的真雙極作為總節(jié)點(diǎn)1，VSC1和VSC2作為其下的正負(fù)極分節(jié)點(diǎn)，其輸出功率和電壓分別為1,p、1,n、1,p、1,n，電壓不平衡度為1%。VSC3、VSC4類(lèi)似。

將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)之后，根據(jù)式(12)得到該配電網(wǎng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

3.1 有效性分析

基于圖1所示的電路，設(shè)1 s之前負(fù)荷1～3接入電網(wǎng)，負(fù)荷4～5斷開(kāi)，正極母線總負(fù)荷為900 kW，負(fù)極母線總負(fù)荷為300 kW，電網(wǎng)向儲(chǔ)能充電，充電功率為100 kW。光伏光照強(qiáng)度為600 W/m2，輸出功率為80 kW。此時(shí)各換流站根據(jù)下垂控制自動(dòng)分配負(fù)荷功率，所分配的功率不滿足容量之比，且出現(xiàn)了電壓不平衡現(xiàn)象，如圖6、圖7所示。1 s時(shí)采用本文所提的有功-電壓二級(jí)控制策略，VSC1與VSC3、VSC2與VSC4輸出功率之比穩(wěn)定維持在1:1，電壓不平衡得到抑制，如圖8、圖9所示。正負(fù)極電壓不平衡度在二級(jí)控制啟動(dòng)前后對(duì)比如表2所示。

1.5 s時(shí)電網(wǎng)向儲(chǔ)能充電結(jié)束，2 s時(shí)負(fù)荷4～5投入運(yùn)行，2.5 s時(shí)光伏光照強(qiáng)度由600 W/m2變化至1 200 W/m2，輸出功率由80 kW變?yōu)?60 kW，3.5 s時(shí)將連接在VSC2與VSC4母線上的所有負(fù)荷包括負(fù)荷2、負(fù)荷3和負(fù)荷5全部切除。從圖8可以看出，當(dāng)負(fù)荷切除之后，VSC2與VSC4的輸出功率降為0，VSC1與VSC2由于負(fù)荷3的切除，輸出功率下降但分配之比仍按照容量進(jìn)行分配。從表2可以看出，負(fù)荷切除后，正負(fù)極電壓不平衡度1%、2%分別是3.46%、4.11%，已經(jīng)超過(guò)3%，投入二級(jí)控制之后，1%、2%分別下降到1.27%、2.37%。

圖6 各VSC輸出功率(不施加二級(jí)控制)

圖7 各VSC端口電壓(不施加二級(jí)控制)

圖8 各VSC輸出功率( 1 s施加二級(jí)控制)

圖9 各VSC端口電壓(1 s施加二級(jí)控制)

表2 正負(fù)極電壓不平衡度

以上各種情況下各換流站投入二級(jí)控制之后均能快速響應(yīng)，使得負(fù)荷在對(duì)應(yīng)VSC中按容量分配且正負(fù)極電壓不平衡得到抑制。

3.2 適應(yīng)性以及可靠性分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的適應(yīng)性和可靠性，在圖1的基礎(chǔ)上構(gòu)造如圖10所示的三端真雙極直流配電網(wǎng)，該配電網(wǎng)與圖1相比增添了一個(gè)由VSC5和VSC6組成的新真雙極端口，且出口側(cè)電阻7—9為0.05 Ω。

圖10 三端真雙極直流配電網(wǎng)

VSC5和VSC6作為節(jié)點(diǎn)3，此時(shí)配電網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

0.5 s之前負(fù)荷1～3接入電網(wǎng)，負(fù)荷4～5斷開(kāi)，0.5 s時(shí)投入二級(jí)控制，1 s時(shí)負(fù)荷4～5投入運(yùn)行。此時(shí)各換流站輸出功率如圖11所示，電壓不平衡度如表3所示。由圖11可以看出，負(fù)荷在對(duì)應(yīng)VSC上合理分配。由表3可以看出，二級(jí)控制投入之后電壓不平衡度有所下降。則該控制策略不僅適用于兩端真雙極直流配電網(wǎng)，也適用于多端真雙極直流配電網(wǎng)。

1.5 s時(shí)節(jié)點(diǎn)1下的VSC1與VSC2退出運(yùn)行，此時(shí)VSC3～6的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣同式(18)。從圖11可以看出，VSC1與VSC2退出運(yùn)行后，輸出功率1,p、1,n變?yōu)?，VSC3和VSC5額外承擔(dān)原有的VSC1功率輸出，VSC4與VSC6額外承擔(dān)原有的VSC2 功率輸出，輸出功率分配沒(méi)有發(fā)生變化仍為1:1。從表3可以看出，二級(jí)控制投入后電壓不平衡度有所下降。綜上，本文所提二級(jí)控制策略即使在最極端的情況下依舊可以保證可靠性。

圖11 各VSC輸出功率

表3 正負(fù)極電壓不平衡度

3.3 通信延遲影響分析

本文所提的二級(jí)控制策略通過(guò)交換相鄰節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行迭代，所需要的信息通過(guò)通信獲得。上述研究是在不考慮通信延遲條件下進(jìn)行的，然而通信延遲是不可避免的。為了分析通信延遲對(duì)所提控制策略的影響，在3.1節(jié)案例的基礎(chǔ)上添加20 ms的延遲[16]，與不加通信延遲的仿真結(jié)果對(duì)比分別如圖12、圖13所示。2 s時(shí)負(fù)載4、5投入運(yùn)行，從圖中可以看出，由于存在通信延遲，換流器輸出功率和端口電壓有所波動(dòng)且達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間變長(zhǎng)，但是達(dá)到穩(wěn)定之后負(fù)荷在相應(yīng)換流器中仍按容量進(jìn)行分配，電壓不平衡也得到抑制。仿真結(jié)果說(shuō)明通信延遲改變了控制的收斂速度，但不改變策略的有效性。延遲的存在使得系統(tǒng)的輸出發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)通信延遲過(guò)大時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在應(yīng)用中應(yīng)盡可能減少通信延遲。

圖12 各VSC輸出功率

圖13 各VSC輸出電壓

4 結(jié)論

針對(duì)采用下垂控制的真雙極直流配電網(wǎng)存在負(fù)荷無(wú)法合理分配以及正負(fù)極電壓不平衡的問(wèn)題，本文提出一種真雙極直流配電網(wǎng)二級(jí)有功-電壓分布式控制策略。該策略包含功率調(diào)整和電壓調(diào)整兩部分，基于稀疏通信獲取相鄰節(jié)點(diǎn)信息之后采用一致性算法得到功率和電壓的收斂值，通過(guò)計(jì)算得到與功率調(diào)整和電壓調(diào)整相關(guān)聯(lián)的電壓調(diào)節(jié)量，并將其疊加至初級(jí)下垂控制參考電壓上，從而實(shí)現(xiàn)功率合理分配和抑制電壓不平衡的雙重目標(biāo)。最后在所搭建的真雙極配電網(wǎng)模型上驗(yàn)證了該策略在有無(wú)通信延時(shí)下的有效性和可靠性。

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Distributed secondary power and voltage control strategy for a true bipolar DC distribution network

TAO Shun, MA Xihuan, GUAN Shangshu, WANG Yudan

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

A true bipolar DC distribution network with droop control has problems with unreasonable load distribution and unbalanced positive and negative voltages.This will result in reduced converter utilization, increased additional losses, and affect system stability.In order to achieve reasonable load distribution and suppress the imbalance of positive and negative voltages, this paper proposes a distributed secondary power and voltage control strategy for a true bipolar DC distribution network.This strategy classifies voltage source converters (VSCs) according to the secondary control function, and exchanges information between adjacent VSCs.It iteratively obtains the corresponding power and voltage convergence values, and calculates the voltage regulation.This further changes the droop control reference voltage value, so as to achieve reasonable load distribution and suppress voltage imbalance.Finally, a true bipolar DC distribution network model is built in PSCAD/EMTDC, and the simulation results verify the effectiveness and reliability of the strategy.

droop control; true bipolar; DC distribution network; unreasonable load distribution; unbalanced voltage; distributed secondary control

10.19783/j.cnki.pspc.211133

2021-08-19；

2021-10-29

陶 順(1972—)，女，副教授，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)與電能質(zhì)量；E-mail: tao_shun@126.com

馬喜歡(1996—)，男，通信作者，碩士，研究方向?yàn)殡p極性直流配電網(wǎng)電壓-有功控制；E-mail: mxh1521996@ 163.com

管尚書(shū)(1997—)，男，碩士，研究方向?yàn)橹绷髋潆娋W(wǎng)運(yùn)行控制。E-mail: 18910852457@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51777066)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No.51777066).

(編輯 魏小麗)