可控负荷对直流配电网的电压波动抑制策略

张 力，赵巧娥，段俐存，肖逸轩，任建龙

（山西大学 电力工程系，太原 030006）

随着能源危机的和环境问题的恶化，可再生能源得到国际社会和各国政府的高度重视。快速增加的新能源渗透率，使传统的交流配电网表现出很大的局限性，而直流配电网可充分适应高渗透率的新能源接入[1-2]。此外，直流配电网还具有电能质量高，在一定线路绝缘水平下输电容量大，输电损耗低等优势[3]，使其在未来配电网的发展中具有广阔的前景。然而，在典型的直流系统中，没有旋转惯性的支撑，存在很大输出波动的新能源直接并入配电网，往往引起并网节点的电压波动。此外，母线电压的大幅波动会影响许多分布式发电单元的使用寿命，还会对太阳能发电的最大功率跟踪造成很大的干扰[4-5]。由此，有必要对直流配电网电压波动的形成机理及其抑制做进一步研究。

目前，国内外学者对电压波动抑制的研究通常从电源侧控制来实现，而从负荷侧控制方式还鲜有研究。从电源侧来看，目前比较成熟的控制方法有电压裕度控制、下垂控制和主从控制[6-8]。从负荷侧来看，一些非关键负荷也可以承担调压工作，利用可控负荷的需求侧响应来提升母线电压的稳定性。可控负荷可作为一个新的维度来调节电网功率的平衡。为平抑高渗透率下的直流配电网的电压波动，在此提出一种负荷侧多可控负荷协调控制调压策略。

1 直流配电系统的构成

所研究的直流配电系统如图1所示，采用了典型的“手拉手”两端配电型结构，可提高供电的可靠性。2个与交流主网相连的电压源换流器VSC（voltage source converter），作为主电源提供系统的基荷并提供电压支撑。在配电系统内部有2种可控负荷，可以吸收灵活的功率，在负荷侧提供一定的调压能力。为了最大程度利用新能源发电，故不考虑光伏风电等新能源发电的调压能力，使其始终以最大功率运行。

图1 直流配电系统结构Fig.1 DC distribution system structure

2 电压波动抑制策略

2.1 直流配电网电压波动的成因及其传播

在图1中，由于新能源的输出功率会随着外界条件的变化而变化，负荷消耗的功率也存在很大的随机性。波动的功率会产生波动的电压。各节点电压受系统潮流分布的影响，数值并不相同，具有节点电源注入功率越大，则节点电压水平越高；节点负荷吸取功率越大，则节点电压水平越低的电压分布特点。

供电用电的不平衡产生波动的不平衡功率会在直流线路阻抗上产生波动的电压降，因此节点的电压波动会向相邻节点传播。节点处的负荷电阻、该节点两侧的线路电阻共同构成了影响节点电压波动的放大系数。为了对波动的电压就地平抑，有必要分析研究负荷侧抑制电压波动的控制原理。

2.2 可控负荷

常见的可控负荷包括空调、冰箱、热水器等储热负荷；电解水制氢、电制天然气等储气负荷；一些地区还有海水淡化等储水负荷。这些可控负荷的端电压可以在一定范围内调整，当其端电压发生变化时，它消耗的功率也随之改变。文中根据不同可控负荷不同的数学模型和物理特性，将可控负荷分为2类。

如图1所示，可控负荷A为电解水制氢的储气负荷，即电解槽；可控负荷B为城市储热负荷、照明负荷等。可控负荷A的响应时间为s级，但可调容量较大，可控负荷B的响应时间很短，但可调容量有限。所以，可控负荷A主要调节长周期、大容量的功率变化，而可控负荷B主要调节短时间的小容量的负荷变化，以弥补可控负荷A动态响应慢的不足。

可控负荷A，即碱性电解槽，是发展时间最长、技术最为成熟的电解制氢装置。其总的化学方程式为

为便于研究，忽略电解槽正常工作时的温度改变和溶液浓度改变，得到外特性U-I关系：

式中：U为电解槽外加电压；V0为分解电压；a为电解系数，由电解槽浓度、温度等因素决定；R0为电解槽内阻。电解槽外特性曲线如图2所示。由图可见电解槽电压超过分解电压后呈线性关系。

图2 电解槽外特性曲线Fig.2 Characteristic curve of electrolyzer

电解槽工作在线性区时的等效电路模型如图3所示。图中电感L用于模拟电解槽的动态响应。

图3 可控负荷A电路模型Fig.3 Controllable load a model

而可控负荷B，即RLB为城市储热负荷、照明负荷、储水负荷等，等其效电路可用电阻RLB来表示。

2.3 可控负荷控制电路拓扑结构

针对可控负荷A和B，因其工作特性不同，需用不同拓扑的控制电路相连接。

可控负荷A，即电解槽的分解电压V0约为1400 V，而直流母线电压和新能源出口电压均比较低，要求向电解槽提供输入的电气弹簧具有较高的电压增益。传统的BOOST电路具有很大的局限性。可控负荷A的控制电路拓扑结构如图4所示，其2种运行模式如图5所示。

图4 可控负荷A控制电路Fig.4 Controllable load A control circuit

图5 开关模式Fig.5 Switching modes

开关模式1开关管V1和V2导通，二极管VD1承受反压关断。此时，电路中电源侧的2个电感和电容并联，电源对其充电，负载由C2供电。

开关模式2开关管V1和V2关断，二极管VD2承受反压关断。电路中电感L1和L2、电源、电容C1串联，经VD1向负载供电，同时向电容C2充电。

2个开关管同步工作，令其导通占空比为d1，二极管VD1的导通占空比为d2。电感L1和L2在1个开关周期Ts内，电流的增加量等于电流的减小量。在开关模式1时，电感L1的伏安方程为

得电感L1电流增加量为

在开关模式2时，电感L1伏安方程为

得电感L1电流减小量为

联立式（4）和式（6），得电气弹簧的电压增益为

该电路中电感电压应力、平均电流更低，可以减小电感节约成本。在占空比为0.5时，电压增益便可达到4倍左右。设电解槽最大功率运行时的电压为ULAmax，电流为ILAmax，那么电解槽消耗功率PLA的范围为

电解槽消耗功率变化范围大，但响应时间相对稍长，所以需要可控负荷B快速吸纳动态响应时的功率，电气弹簧B控制可控负荷B的电路拓扑如图6所示。

图6 可控负荷B控制电路Fig.6 Controllable load B control circuit

控制可控负荷B的控制电路工作于斩波降压模式，控制负荷电压uLB参与系统平衡调节，通过改变其占空比D来改变可控负荷的取用功率，当其消耗的波动功率等于节点的波动功率时，可保持节点电压稳定。

令可控负荷B的端电压可调范围为

其可调功率范围为

式中：UNB，PNB分别为可控负荷B的额定电压和额定功率。从输出端看进去的等效电阻为

其虚拟电阻为

可控负荷B的调压能力有限，但可以快速响应电压变化，可以与可控负荷A相互配合，协同抑制系统的电压波动。

综上所述，2种控制电路的本质在于：控制可控负荷的虚拟电阻Rvir和负荷电压uL来改变等效负荷电阻，使得负荷消耗的功率跟随节点的波动功率，进而抑制电压波动。

3 仿真分析

在MatLab/Simulink中建立图1所示的直流配电网仿真模型。其中采用定电压控制的VSC1用400 V的直流电压源作为简化模型，负荷节点额定电压为380 V，等效负荷电阻20 Ω，线路电阻均为1 Ω。扰动设置为：0.1 s时，光伏电池的光照强度由1000 W/m2下降为800 W/m2；0.2 s时，光照强度上升为1200 W/m2；0.3 s时模拟负荷功率突增，接入等效电阻为100 Ω的负荷。

光伏电池在24℃恒温度时，在给定扰动下的输出功率如图7所示，由图可见光照强度和输出功率的正向关联。可控负荷控制电路不工作，VSC2额定功率输出如图8所示。由图可见，由于没有可控负荷的调节，新能源输出功率的波动和负荷的变化均使得负荷节点电压大幅度波动。

图7 光伏输出功率变化Fig.7 Photovoltaic output power change

图8 负荷独立运行电压变化Fig.8 Voltage of load independent operation

在相同的扰动设置下，启动可控负荷控制电路来调节电压。系统正常运行电压变化如图9所示，可见负荷节点的电压波动得到了明显的抑制，基本使电压保持在了额定值。由图9还可见在0.1 s时，因为光伏出力减小，可控负荷的端电压明显降低，从248 V降低到240 V左右，减小了吸收的功率，以维持电压稳定；0.2 s时，光伏出力增加，此时可控负荷的端电压也相应上升为257 V，增加了吸取的功率，响应光伏出力的变化；0.3 s时，系统重载，负荷功率突增，可控负荷端电压明显减低，最后保持在220 V左右，大幅度减小了可控负荷吸收的功率，保持了负荷节点电压稳定，有效地抑制电压波动。

图9 系统正常运行电压变化Fig.9 Voltage variation in normal operation of the system

仿真分析结果表明：①采用一定容量的可控负荷参与调压的直流配电网在新能源出力波动和负荷突变时均能稳定工作，基本可以保持直流电压在额定值；②由于有可控负荷对波动功率的响应，减小了直流配电网对交流主网的功率冲击，有效抑制了新能源高渗透率下直流配电网的电压波动。

4 结语

在此提出了负荷侧多可控负荷协调控制的调压策略，对可控负荷根据数学、物理特性的不同做分类，并对不同类型的可控负荷建模，将所设计的不同控制电路与不同的可控负荷相连接，完成负荷侧调节。利用仿真软件验证了所提策略的有效性，为直流配电网的规划运行提供了新的思路。