李 靜，楊鵬程，韋 巍，蔡宏達(dá)

（1. 浙大城市學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院,浙江省 杭州市 310015；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省 杭州市 310027）

0 引言

2020 年9 月22 日,中國在聯(lián)合國大會上正式提出“雙碳”目標(biāo)。根據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),發(fā)電和產(chǎn)熱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放占現(xiàn)有全球碳排放總量的41.7%,面臨巨大減排壓力［1］。在發(fā)電環(huán)節(jié)發(fā)展新能源發(fā)電、減小傳統(tǒng)化石能源發(fā)電占比是目前比較成熟且成本可控的減碳方案,承載著能源領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰乃至碳中和的期望［2］。

新能源發(fā)電由于受地質(zhì)、環(huán)境的影響,規(guī)劃時(shí)需要因地制宜,適宜采用分布式發(fā)電的方式［3］。目前分布式電源（DG）,如光伏、燃料電池、儲能等均呈現(xiàn)直流特性,接入現(xiàn)有交流電網(wǎng)時(shí)需要經(jīng)過一級逆變環(huán)節(jié),其他如風(fēng)機(jī)、微/小型燃?xì)廨啓C(jī)等DG 則需要先整流再逆變的兩級變流環(huán)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)［4］,可見采用直流方式組網(wǎng)可減少一級源側(cè)的逆變環(huán)節(jié)。另一方面,現(xiàn)代生活中的負(fù)荷如發(fā)光二極管（LED）、充電樁、信息技術(shù)（IT）設(shè)備、5G 基站以及冰箱、空調(diào)等變頻負(fù)荷采用直流方式供電可顯著提高能效水平。綜上可知,在兼容分布式電源和負(fù)荷方面,直流系統(tǒng)由于減少了交直流間的變流環(huán)節(jié),在能效水平、系統(tǒng)成本以及綜合可靠性方面更具優(yōu)勢［5-6］。鑒于此,國內(nèi)外開展了廣泛探討并逐步驗(yàn)證了直流配用電技術(shù),取得了一系列研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［7-9］。但考慮到交流主網(wǎng)規(guī)模龐大并將長期占據(jù)主導(dǎo)地位以及目前中壓直流變流設(shè)備的明顯成本劣勢,交直流混聯(lián)將是未來供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,其中低壓側(cè)采用直流配電、中壓側(cè)仍采用交流配電是改造成本較小、節(jié)能減排顯著的配用電方案［10］。

減排調(diào)控最早用于多機(jī)組的發(fā)電調(diào)度。首先,評估發(fā)電過程的碳排放,并將其作為罰金計(jì)入總發(fā)電 成 本［11］。進(jìn) 而,利 用 混 合 整 數(shù) 規(guī) 劃［12］、遺 傳 算法［13］等優(yōu)化算法求解各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)出力,間接實(shí)現(xiàn)減排［14］。伴隨著減排需求愈發(fā)迫切,碳排放量逐漸由之前的發(fā)電成本考量因素變?yōu)橛残缘目冃е笜?biāo)。在此背景下,引入碳排放權(quán)交易機(jī)制［15-16］,通過直接競標(biāo)排放權(quán)的方式倒逼發(fā)電機(jī)組主動(dòng)提效減排［17］。以上減排調(diào)控措施主要針對中大型集中式發(fā)電機(jī)組,應(yīng)用于DG 大量接入且分散分布的交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)時(shí),需要搭建龐大的集中式通信網(wǎng)絡(luò)以獲取全體DG 的排放信息并輔助較強(qiáng)的算力優(yōu)化求解,不利于DG 的即插即用,且存在單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。分散式調(diào)控（如下垂控制［18］、虛擬同步控制［19］等）不依賴于通信,可較好地滿足DG 即插即用的需求,且無須構(gòu)建集中式通信網(wǎng)絡(luò),減小了系統(tǒng)搭建成本。然而分散式調(diào)控結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)現(xiàn)功能往往較為單一,難以同時(shí)滿足綜合調(diào)控以及減排需求。綜上可見,針對大量DG 接入的中低壓交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng),其節(jié)能減排調(diào)控方案有待進(jìn)一步完善。

本文從提升配電網(wǎng)對直流源荷的接納能力、優(yōu)化DG 出力以節(jié)能減排的目標(biāo)出發(fā),將交流配電網(wǎng)低壓側(cè)改為直流配電,并通過交直流換流器并入中壓交流側(cè),形成低壓直流-中壓交流的混合配用電系統(tǒng),并提出一種低壓分散式-中壓集中式的分層調(diào)控與自適應(yīng)減排框架,具體包含：1）針對低壓直流側(cè)的各個(gè)DG,提出計(jì)及度電碳排放的分散式功率優(yōu)化與減排控制,不依賴通信便可對其出力自動(dòng)優(yōu)化并最小化直流系統(tǒng)碳排放量；2）針對交直流換流器,設(shè)置直接功率控制、最優(yōu)自適應(yīng)減排和限額碳排放3 種運(yùn)行模式,并設(shè)計(jì)相應(yīng)模式下的控制拓?fù)湟约澳Ｊ綗o縫切換策略。此外,本文在MATLAB/Simulink 平臺搭建了交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng),并對所提策略進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了其有效性。

1 交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)分層調(diào)控框架與碳排放模型

1.1 交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)分層調(diào)控框架

現(xiàn)有的配用電系統(tǒng)缺乏對即插即用設(shè)備的有效監(jiān)控,因而難以對廣泛接入的DG 進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)有效調(diào)控,極易形成信息孤島。為此,本文針對交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)了一種低壓直流分散式-中壓交流集中式的分層調(diào)控框架,如圖1 所示。其中,大量DG 和負(fù)荷就地接入多個(gè)低壓直流系統(tǒng),低壓直流側(cè)通過交直流換流器與交流節(jié)點(diǎn)連接,組成交直流混聯(lián)系統(tǒng)。合理分配接入混聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)DG 的出力,減小系統(tǒng)的總碳排放（total carbon emission,TCE）是本文的目標(biāo)。

圖1 交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)分層調(diào)控框架Fig.1 Framework of hierarchical regulation and control for hybrid AC/DC power distribution and consumption system

不需要搭建調(diào)控系統(tǒng)到每個(gè)DG 的點(diǎn)對點(diǎn)龐大通信網(wǎng)絡(luò),圖1 中上層的減排綜合調(diào)控系統(tǒng)僅需獲取交直流換流器的關(guān)鍵信息便可推斷所在直流側(cè)接入的所有DG 出力以及碳排放等信息,從而間接獲取全局信息?；诖?減排綜合調(diào)控系統(tǒng)通過全局優(yōu)化算法求解出每個(gè)交流節(jié)點(diǎn)的功率以及碳排放控制策略。同時(shí),調(diào)控系統(tǒng)也只需要將策略指令下發(fā)至各個(gè)交流節(jié)點(diǎn)所在的交直流換流器,通過分散式控制,交直流換流器可不依賴于通信調(diào)控所在直流側(cè)DG 的出力以及碳排放,最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局優(yōu)化與減排。本文使用的分層調(diào)控框架極大簡化了上層通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模,下層分散式控制的引入便于DG 的即插即用,降低了通信故障對DG 的影響,提高了系統(tǒng)的魯棒性。

1.2 交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)碳排放模型

交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)的碳排放主要由其接入的DG 發(fā)電環(huán)節(jié)產(chǎn)生,而DG 的碳排放量與其種類和出力大小有關(guān)。對于風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源DG,發(fā)電時(shí)并不產(chǎn)生碳排放；對于微/小型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池等依賴于化石能源發(fā)電的DG,其碳排放直接與其燃料消耗量相關(guān),而其燃料消耗可表示為出力的二次函數(shù),因此該類DG 的碳排放與出力的關(guān)系一般可表示為：

式中：P為DG 的有功出力；E(P)為DG 的碳排放；a、b、c為碳排放系數(shù),可由燃料消耗系數(shù)推導(dǎo)得出,如表1 所示。

表1 DG 的碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission coefficients of DG

對于接入M個(gè)產(chǎn)生碳排放DG 的低壓直流系統(tǒng),其總碳排放可表示為：

式中：Ei(Pi)為DGi出力為Pi時(shí)對應(yīng)的碳排放。

同時(shí)低壓直流系統(tǒng)須滿足功率平衡約束,可表示為：

式中：P和P分別為DGi出力的上、下限；Pdc為交直流換流器的功率,以流入直流側(cè)為正；P和P分別為交直流換流器功率的上、下限；PL為低壓直流系統(tǒng)的負(fù)荷功率。

當(dāng)交直流混聯(lián)系統(tǒng)中同時(shí)接入多個(gè)低壓直流系統(tǒng),則總碳排放為各個(gè)低壓直流系統(tǒng)之和,且均須滿足以上功率約束。

2 低壓直流側(cè)功率優(yōu)化與減排策略

低壓直流側(cè)將接入大量DG 和負(fù)荷,是交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)的重要組成部分,優(yōu)化其中各個(gè)DG 的出力以及與中壓交流側(cè)的互動(dòng)功率是減少混聯(lián)系統(tǒng)碳排放的關(guān)鍵。本章首先研究DG 的功率優(yōu)化與減排調(diào)控策略,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制拓?fù)洹?/p>

電力系統(tǒng)中常使用等微增率準(zhǔn)則判斷多臺機(jī)組發(fā)電時(shí),總發(fā)電成本是否達(dá)到最小,其定義如下：當(dāng)機(jī)組的出力未達(dá)到上限時(shí),若它們的微增率相等,則此時(shí)所有機(jī)組出力的總成本最?。?0］。該準(zhǔn)則由拉格朗日乘數(shù)法推導(dǎo),在本文中推廣并作為碳排放總量是否達(dá)到最小值的判斷依據(jù)。取式（1）中DG 的碳排放對出力的微分dE(P)/dP作為DG 碳排放的微增率,即度電碳排放,用函數(shù)ψ(P)可表示為：

在集中式控制中利用通信網(wǎng)絡(luò)獲取各個(gè)DG 的出力以及度電碳排放,然后調(diào)控各個(gè)DG 的出力,使其度電碳排放相等,最終可實(shí)現(xiàn)總碳排放最小。不同于此類集中式控制,本章將討論不依賴于通信的分散式功率優(yōu)化調(diào)控策略,使度電碳排放相等,進(jìn)而最小化總碳排放。

對于低壓直流配用電系統(tǒng),傳統(tǒng)直流電壓-功率下垂控制常被用于多個(gè)DG 之間分散式功率分擔(dān)。下垂控制和下垂系數(shù)可表示為：

式中：V為DGi的參考輸出直流電壓；V和V分別為直流電壓的上、下限；mi為DGi的下垂系數(shù)。

在低壓直流系統(tǒng)中,線路阻抗會導(dǎo)致電壓偏差,進(jìn)而影響功率分擔(dān)。與下垂控制引入的壓降相比,線路阻抗導(dǎo)致的壓降很小,可以忽略［21］。因此,在穩(wěn)態(tài)下所有DG 的直流電壓可視為相等,即V*dc,i相等。根據(jù)式（7）和式（8）可知,穩(wěn)態(tài)下各DG 的有功功率分擔(dān)將與各DG 的容量成正比,從而實(shí)現(xiàn)按容量的分散式功率等比分擔(dān)。為了實(shí)現(xiàn)碳排放的最優(yōu)分配,根據(jù)等微增率準(zhǔn)則,度電碳排放相等時(shí),總碳排放最小。結(jié)合下垂控制的分散式特性,并引入DGi的度電碳排放函數(shù)ψi(Pi),設(shè)計(jì)考慮度電碳排放的分散式減排控制,表示為：

式中：ψmin為低壓直流系統(tǒng)中所有DG 度電碳排放的最小下限；n為度電碳排放系數(shù)。

不同于傳統(tǒng)下垂控制中下垂系數(shù)與DG 的容量相關(guān),下垂系數(shù)各不相同,分散式減排控制旨在調(diào)控各DG 的度電碳排放,使穩(wěn)態(tài)下所有DG 的度電碳排放保持相等,因此,需將接入同一低壓直流側(cè)中所有DG 的度電碳排放系數(shù)n設(shè)為相等。對同一低壓直流系統(tǒng)中每個(gè)DG,V、n和ψmin均設(shè)為相等,穩(wěn)態(tài)下每個(gè)DG 的端口電壓相等,根據(jù)式（9）可知,每個(gè)DG 的度電碳排放ψi(Pi)在穩(wěn)態(tài)下將會保持相等,滿足減排運(yùn)行條件,此時(shí)該低壓直流系統(tǒng)在當(dāng)前總出力下,其碳排放將達(dá)到最小。為了使該控制下每個(gè)DG 的輸出直流電壓處于直流電壓允許范圍內(nèi),設(shè)計(jì)系數(shù)為直流電壓允許范圍和接入DG 的度電碳排放范圍之比：

式中：ψmax為低壓直流系統(tǒng)中所有DG 度電碳排放的最大上限。

對于表1 所示的6 個(gè)DG,采用提出的分散式減排控制,不同直流電壓下DG 的出力以及對應(yīng)的度電碳排放情況如圖2 所示,可見不同于下垂控制中的按容量等比分擔(dān)功率,分散式減排控制將依據(jù)其度電碳排放大小分擔(dān)功率,度電碳排放低的DG 將優(yōu)先出力,度電碳排放高的DG 則減少出力,使得DG 的度電碳排放彼此相等,從而減少總碳排放。

圖2 分散式減排控制下DG 的功率分擔(dān)Fig.2 Power output distribution of DGs with decentralized emission reduction control

DG 分散式減排控制的拓?fù)湟姼戒汚 圖A1。該控制下DG 僅需采集本地出口側(cè)的電壓電流信號,不依賴其他DG 的通信,便可自適應(yīng)地調(diào)控其出力,使其度電碳排放與其他DG 相等,從而最小化直流系統(tǒng)的總碳排放。

3 交直流換流器多模式運(yùn)行與無縫切換

交直流換流器連接中壓交流側(cè)和低壓直流側(cè),是交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)控設(shè)備,綜合調(diào)度系統(tǒng)通過上層集中式通信網(wǎng)絡(luò)獲取交直流換流器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如直流側(cè)電壓,根據(jù)式（9）建立的直流電壓和度電碳排放的線性耦合關(guān)系,可獲知直流系統(tǒng)內(nèi)DG 的度電碳排放,再代入DG 的碳排放函數(shù),可進(jìn)一步求得DG 的出力以及碳排放。獲知所有DG碳排放以及出力的全局信息后,綜合調(diào)度系統(tǒng)便可進(jìn)行系統(tǒng)級的統(tǒng)籌減排與運(yùn)行優(yōu)化,并下發(fā)至交直流換流器執(zhí)行。

為了響應(yīng)綜合調(diào)度系統(tǒng)多樣化的調(diào)控需求,針對交直流換流器,設(shè)計(jì)直接功率控制、自適應(yīng)最優(yōu)減排控制以及碳排放限額控制3 種控制模式,設(shè)計(jì)交直流換流器多模式運(yùn)行與模式切換控制器如圖3 所示?？刂破鞑杉涣鱾?cè)出口三相電壓Vabc、三相電流Iabc、直流側(cè)出口電壓Vdc和電流Idc,并生成脈寬調(diào)制信號控制換流器開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷,其中各種模式的適用場景以及控制方式詳述如下。

圖3 交直流換流器多模式運(yùn)行與切換控制拓?fù)銯ig.3 Topology of multi-mode operation and switch control for AC/DC converter

1）直接功率控制模式

為滿足混聯(lián)系統(tǒng)的交流節(jié)點(diǎn)電壓幅值、網(wǎng)損以及緊急情況下安全運(yùn)行等約束,綜合調(diào)度系統(tǒng)往往需要直接調(diào)控各交流節(jié)點(diǎn)的注入功率。針對此類運(yùn)行場景,綜合調(diào)控系統(tǒng)可直接向各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的交直流換流器下發(fā)功率指令,交直流換流器在收到功率指令后,經(jīng)過功率控制外環(huán)轉(zhuǎn)化為直流電壓指令,再經(jīng)由直流電壓控制內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)功率的調(diào)控。其中,直流電壓指令可由比例-積分（proportionalintegral,PI）控制器產(chǎn)生,表示為：

式中：V為交直流換流器的直流電壓指令；kp和ki分別為PI 控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù)；Pref為綜合調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的功率指令,以流入直流側(cè)為正方向。同時(shí),交直流換流器還可同時(shí)響應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的無功功率指令,配合有功調(diào)控共同實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓校正、潮流優(yōu)化等功能。

2）自適應(yīng)最優(yōu)減排模式

若調(diào)控系統(tǒng)給每個(gè)交直流換流器下發(fā)相同的度電碳排放指令,則可促進(jìn)度電碳排放更低的直流系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)電上網(wǎng),同時(shí)度電碳排放更高的直流系統(tǒng)減少發(fā)電,進(jìn)而促使交直流混聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級碳減排自適應(yīng)調(diào)控。在此模式下,交直流換流器需要具備響應(yīng)綜合調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的度電碳排放指令ψref的能力,仿照式（9）中度電碳排放和直流電壓的耦合關(guān)系,并采用和DG 相同的參數(shù)n和ψmin,設(shè)置交直流換流器的額定輸出電壓為：

采用與功率模式中相同的直流電壓內(nèi)環(huán)控制器可實(shí)現(xiàn)額定電壓輸出,可使得換流器所在直流系統(tǒng)中DG 的度電碳排放達(dá)到指令ψref。若給所有交直流換流器下發(fā)指令ψref,則穩(wěn)態(tài)下交直流混聯(lián)系統(tǒng)中所有DG 的度電碳排放均將達(dá)到ψref,交直流混聯(lián)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最優(yōu)減排。

同時(shí),交直流換流器也可實(shí)現(xiàn)定電壓控制,僅需直接調(diào)控圖3 中換流器直流電壓控制內(nèi)環(huán)的額定參考電壓V*dc,換流器便可實(shí)現(xiàn)所在直流系統(tǒng)的定電壓運(yùn)行,此時(shí)接入DG 的端口電壓將被直流系統(tǒng)電壓鉗位,DG 將以恒定功率輸出。由于同一直流系統(tǒng)內(nèi)所有DG 采用相同的參數(shù)n和ψmin,因此定電壓控制下該直流系統(tǒng)內(nèi)DG 的度電碳排放彼此保持相等,但與其他直流系統(tǒng)中DG 的度電碳排放不一致,此時(shí)交直流混聯(lián)系統(tǒng)無法達(dá)到整體最小碳排放。

3）碳排放限額模式

在碳交易體系中,往往會對總碳排放的額度提前設(shè)定。在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中,其總碳排放為各節(jié)點(diǎn)所接入DG 的碳排放之和,而如果直接約束每個(gè)DG 的碳排放則需要建立系統(tǒng)到每個(gè)DG 的通信網(wǎng)絡(luò),過于復(fù)雜,也不利于DG 的即插即用。因此,本文將系統(tǒng)的碳排放總額度拆分至各直流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),因而碳排放額度指令僅需下達(dá)各節(jié)點(diǎn)處的交直流換流器,再經(jīng)由交直流換流器分散式調(diào)控各DG 的出力完成限額排放,從而避免了指令的二次轉(zhuǎn)發(fā),極大緩解了通信壓力。為了響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的碳排放額度指令,交直流換流器需要提前獲知接入直流側(cè)DG 的碳排放函數(shù),并預(yù)估碳排放額度對應(yīng)的度電碳排放,聯(lián)立式（1）、式（2）、式（6）,可得預(yù)估度電碳排放為：

式 中：E為 節(jié) 點(diǎn) 碳 排 放 額 度 指 令；ai、bi、ci為DGi對應(yīng)的碳排放系數(shù)。再將預(yù)估度電碳排放代入式（13）得到的直流電壓指令,并送入直流電壓控制內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn),最終可使得直流側(cè)DG 總碳排放達(dá)到碳排放額度,實(shí)現(xiàn)所在節(jié)點(diǎn)的限額排放。

換流器可根據(jù)綜合調(diào)度中心的指令選擇運(yùn)行于對應(yīng)模式。如圖3 所示,當(dāng)模式開關(guān)A 投入狀態(tài)Ⅰ時(shí),換流器運(yùn)行于直接功率控制模式,此時(shí)功率控制外環(huán)切入；當(dāng)模式開關(guān)A 投入狀態(tài)Ⅱ、模式開關(guān)B 投入狀態(tài)Ⅰ時(shí),切換到自適應(yīng)最優(yōu)減排模式,換流器響應(yīng)度電碳排放指標(biāo)；當(dāng)模式開關(guān)A 投入狀態(tài)Ⅱ、模式開關(guān)B 投入狀態(tài)Ⅱ時(shí),切換到碳排放限額模式,換流器響應(yīng)碳排放額度指標(biāo)。無功功率指令不受模式切換影響,可單獨(dú)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率。由圖3可知,控制模式的切換由2 個(gè)切換開關(guān)配合完成,控制外環(huán)根據(jù)模式切換,并共用直流電壓內(nèi)環(huán)控制,可見控制內(nèi)環(huán)始終保持在環(huán)狀態(tài),模式切換時(shí)內(nèi)環(huán)輸出不會發(fā)生跳轉(zhuǎn),因此所設(shè)計(jì)的控制拓?fù)淇捎行ПＵ隙嗄Ｊ介g的無縫切換。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證策略的有效性,本文選取IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)16、20、30 處接入低壓直流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成交直流混聯(lián)系統(tǒng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄A 圖A2所示。其中,每個(gè)直流系統(tǒng)接入2 個(gè)DG、1 臺光伏以及直流負(fù)荷,系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如附錄A 表A1 所示,在MATLAB/Simulink 仿真平臺上搭建交直流混聯(lián)配用電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1 低壓直流側(cè)DG 分散式減排調(diào)控測試

選取節(jié)點(diǎn)20 下接入的直流系統(tǒng)作為驗(yàn)證對象,為排除交直流換流器功率波動(dòng)對DG 功率分擔(dān)的影響,將交直流換流器的互動(dòng)功率設(shè)置為0,分散式減排調(diào)控下的仿真結(jié)果如附錄A 圖A3 所示。圖A3（a）為光伏出力和負(fù)荷功率的時(shí)序變化圖,在第2 s 和第4 s 時(shí)負(fù)荷功率分別階躍增加30 kW 至150 kW,光伏出力于第6 s 開始連續(xù)變化模擬新能源出力波動(dòng)。圖A3（b）所示為直流母線電壓變化情況,動(dòng)態(tài)過程中直流電壓波動(dòng)維持在±5%范圍內(nèi)。圖A3（c）所示為DG 的功率分擔(dān)圖,由圖可知DG1 和DG2 可協(xié)同分擔(dān)負(fù)荷和光伏的功率波動(dòng),且DG2 分擔(dān)更多功率。圖A3（d）所示為DG 的度電碳排放變化情況,動(dòng)態(tài)過程中2 個(gè)DG 的度電碳排放始終保持相等,根據(jù)等微增率準(zhǔn)則,此時(shí)碳排放達(dá)到最小,實(shí)現(xiàn)分散式自動(dòng)減排調(diào)控。

附錄A 圖A4 展示了傳統(tǒng)下垂控制下的仿真結(jié)果以及與分散式減排調(diào)控的碳排放的對比。圖A4（a）所示為傳統(tǒng)下垂控制下的功率分擔(dān)圖,DG1 和DG2的功率按照容量分配,保持1∶1。圖A4（b）所示為傳統(tǒng)下垂控制下的度電碳排放情況,該分擔(dān)情況下的度電碳排放并不一致,其中DG1 的度電碳排放高于DG2 的度電碳排放,可通過降低DG1 的出力同時(shí)增大DG2 的出力來減小總碳排放。傳統(tǒng)下垂控制和分散式減排調(diào)控下的碳排放對比情況如圖A4（c）所示,分散式減排調(diào)控在功率分配時(shí)考慮了其度電碳排放情況,可促進(jìn)度電碳排放低的“綠電”自動(dòng)優(yōu)先發(fā)電上網(wǎng),從而減小直流系統(tǒng)碳排放,由圖A4 可知,在動(dòng)態(tài)過程中,分散式減排調(diào)控下直流系統(tǒng)的碳排放獲得明顯降低。

4.2 交直流換流器多模式運(yùn)行與無縫切換測試

圖4 展示了1 號交直流換流器分別運(yùn)行于直接功率控制模式、自適應(yīng)減排模式以及碳排放限額模式下的仿真結(jié)果。

0～4 s 時(shí)交直流換流器運(yùn)行于直接功率控制模式,有功功率指令于第2 s 由?10 kW 切換為30 kW,以流入直流側(cè)為正,無功功率指令始終保持不變,為20 kvar。圖4（a）展示了交直流換流器和各DG 的功率變化情況,由圖可知交直流換流器可快速響應(yīng)有功和無功功率指令,模式切換以及有功功率指令變化不影響無功功率輸出,同時(shí)各DG 會自動(dòng)調(diào)整輸出功率維持有功功率平衡。第4 s 時(shí)交直流換流器切換至自適應(yīng)減排模式,度電碳排放指令于第6 s 由1 kg/（kW·h）增加至1.2 kg/（kW·h）。圖4（b）展示了各DG 的度電碳排放以及母線電壓的變化情況。由圖4（a）和（b）可知,各設(shè)備的出力以及直流電壓均平滑過渡,模式達(dá)到無縫切換。同時(shí),不依賴于通信,各DG 的度電碳排放可快速跟蹤交直流換流器的指令并保持相等,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)減排調(diào)控。第8 s 時(shí)交直流換流器切換至碳排放限額模式,碳排放額度指令于第10 s 由120 kg/h 調(diào)整至80 kg/h。圖4（c）展示了DG1 和DG2 的碳排放以及中碳排放。由圖4（a）和（b）可知,模式切換時(shí)母線電壓和各設(shè)備出力均波動(dòng)較小,實(shí)現(xiàn)無縫模式切換。由圖4（c）可見,在碳排放限額模式下,DG 的總碳排放能快速跟蹤交直流換流器的指令,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定額碳排放調(diào)控。

圖4 交直流換流器多模式運(yùn)行與模式切換仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of AC/DC converter with multimode operation and mode switch

以上仿真結(jié)果表明,交直流換流器采用本文提出的控制策略時(shí),綜合調(diào)度系統(tǒng)僅需向所在節(jié)點(diǎn)的交直流換流器下達(dá)對應(yīng)的模式調(diào)控指令,交直流換流器便可不依賴于通信調(diào)控所接入的各個(gè)DG,使得直流系統(tǒng)整體呈現(xiàn)預(yù)設(shè)特性,實(shí)現(xiàn)諸如定功率上送、無功補(bǔ)償、自適應(yīng)減排以及定額碳排放等功能,且不同模式間可進(jìn)行無縫切換,保障了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的靈活穩(wěn)定減排運(yùn)行。

4.3 交直流混聯(lián)系統(tǒng)最優(yōu)減排測試

圖5 展示了自適應(yīng)最優(yōu)減排模式下交直流混聯(lián)系統(tǒng)的整體減排效果。交直流混聯(lián)系統(tǒng)中的3 臺交直流換流器首先運(yùn)行于直接功率控制模式,有功功率指令分別為20、?60、60 kW。第1 s 時(shí)3 臺換流器切換至自適應(yīng)最優(yōu)減排模式,接入DG 的功率分擔(dān)情況如圖5（a）所示,DG 的度電碳排放如圖5（b）所示。由圖可知在最優(yōu)減排模式下,度電碳排放高的2 號直流系統(tǒng)中的DG 減小出力,度電碳排較低的1 號和3 號直流系統(tǒng)中的DG 增大出力,使得6 個(gè)DG 的度電碳排放趨于一致,達(dá)到最優(yōu)排放。圖5（c）分別展示了3 臺交直流換流器的有功出力和總出力的動(dòng)態(tài)過程,其總出力在最優(yōu)減排模式下維持20 kW,可知6 個(gè)DG 的總出力保持不變。圖5（d）展示了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的總碳排放,相比直接功率控制模式,自適應(yīng)最優(yōu)減排模式的碳排放降低了3.2%,減排效果顯著,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級最優(yōu)碳排放。

圖5 交直流混聯(lián)系統(tǒng)最優(yōu)減排測試仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of optimal emission reduction test in hybrid AC/DC system

5 結(jié)語

本文綜合考慮直流配電方式對新型源荷的接納優(yōu)勢,選用低壓直流-中壓交流混聯(lián)的配電結(jié)構(gòu)響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)需求,并針對性地提出低壓分散式-中壓集中式的分層調(diào)控與多模式自適應(yīng)減排策略。首先,對于低壓直流側(cè)提出的分散式減排控制不依賴于通信便可調(diào)控接入的DG,使其度電碳排放趨于一致,從而達(dá)到直流側(cè)的碳減排策略自趨優(yōu)。然后,對于連接中壓交流和低壓直流的交直流換流器提出的多模式控制,可令所在直流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諸如定功率上送至上層配電網(wǎng)、自適應(yīng)最優(yōu)減排以及定額碳排放等功能,且不同模式間可無縫切換。同時(shí)輔助集中式通信網(wǎng)絡(luò),綜合減排調(diào)控系統(tǒng)僅需采集交直流換流器的關(guān)鍵信息便可獲知所有DG 碳排放以及出力的全局信息,用于系統(tǒng)級的統(tǒng)籌減排與優(yōu)化運(yùn)行。最后,通過仿真驗(yàn)證了所提策略的有效性。本文提出的多模式減排調(diào)控策略極大緩解了大量DG廣泛接入下的減排調(diào)控壓力,降低了通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度,從而提高了系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)便于DG 實(shí)現(xiàn)即插即用。

下一步的研究將嘗試構(gòu)建儲能的度電碳排放模型,實(shí)現(xiàn)儲能協(xié)同的自適應(yīng)減排；同時(shí)拓展所提出的減排調(diào)控策略,使其適用于考慮碳排放、發(fā)電成本等多目標(biāo)的統(tǒng)籌減排與優(yōu)化調(diào)控。

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