多端柔性交直流混合配电网建模及仿真分析*

涂小涛, 高仕龙, 陈 锐, 户永杰, 何青连

(1.广东电科院能源技术有限责任公司, 广东 广州 510060;2.许继集团有限公司, 河南 许昌 461000;3.许继电气股份有限公司, 河南 许昌 461000)

0 引 言

电网供电的可靠性及电能质量直接影响着社会经济的发展,然而城市供电空间有限,通过架设新线路或敷设电缆来满足负荷的持续增长变得愈加困难[1]。传统交流配电网的辐射型网络或闭环设计开环运行存在拓扑和运行方式不灵活,无法实现负荷的连续转供及后期扩展性差的问题。此外,越来越多的光伏发电、风力发电以及电动汽车等分布式能源及负荷接入电网,传统交流配电网缺乏灵活控制功率潮流和网络拓扑的手段,导致大量分布式能源接入时无法保证电压质量,降低供电可靠性。

基于目前成熟的柔性直流输电技术,在节能降耗、传输容量、减少供电走廊和提高电能质量等方面都具有广阔的应用前景。直流系统可解决输电走廊短缺问题,且无交变电磁场和油污染,可在满足城市规划、环境保护要求的同时,完成电网增容改造。此外,在城市配电网接入诸如分布式发电系统、微电网和大规模储能设备、电动汽车问题上,考虑互相之间频繁的电能交换,直流系统具有较强的技术经济性[2-3]。因此,将部分现有交流线路改造成为直流线路,通过中压柔性直流换流器与交流线路连接形成交直流混合中压配电网,成为目前可行的过渡技术模式。

直流输电技术已成熟应用于点对点功率传输,但对多端柔性交直流混合配电网及故障特性的工程应用还是初步涉及。

因此,本文以珠海“互联网+”智慧示范能源项目为研究对象,建立了VSC换流器高速等效模型,以及直流断路器和电力电子变压器的详细物理模型,搭建了含直流输电线路的±10 kV/±375 V多端交直流混合输电网模型,并对多端柔性交直流混合配电网系统的运行特性进行分析。多端柔性交直流混合配电网拓扑结构如图1所示。

该直流配电网为对称单极(伪双极)系统,VSC采用半桥子模块的拓扑结构,电力电子变压器采用输入串联输出并联双有源桥DC-DC变换器。依托该系统模型,分别从启动、稳态、故障等工况进行了系统仿真分析,对系统功能进行了验证。

1 直流配电网系统建模

1.1 MMC等效模型

VSC换流站采用模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构。MMC拓扑结构如图2所示。MMC具有高度模块化的特点,通过动态控制上下桥臂子模块的投入数目,可输出相应交流电压,实现功率的传输。

式中,当δ>0时,VSC吸收有功;当δ<0时,VSC发出有功。因此,有功功率的大小和方向由δ决定,无功功率的传输则由Us-Uccosδ决定。

基于两电平或三电平的VSC换流器控制理论,单端模块化多电平VSC换流器控制系统基本结构如图3所示。控制系统一般由功率外环和电流内环组成[5]。

在多端直流配电网系统中,根据换流器的运行方式不同,换流器可运行在定电压定无功控制(Vdcq)或者定有功定无功(Pq)等控制模型下,其控制模式根据系统运行状态可在线切换。

模块化多电平换流器中包含大量的开关器件,这就导致建立能够精确反映器件暂态电气特性的高速模型较为困难[6]。

对于建立模块化多电平换流器高速等效模型,首先要建立子模块的高速等效模型。各种子模块都包含电容支路,根据梯形积分法计算得出电容电压为

(3)

式中: ΔT——仿真步长;

Ic——电容电流;

C——电容容值;

Uc——电容电压。

对式(3)进行整理得:

(4)

(5)

电容支路等效为电阻Rc与电压源UcEQ的串联,电容支路等效电路如图4所示。

由图4可知,通过前一时刻的电容电压、电流值以及当前时刻流过电容的电流可以计算当前时刻的电容电压。

虽然该数学模型能够提高系统的仿真效率,但精确反映器件级的电气应力较为困难[7]。针对该问题,MMC单桥臂模型中增加单个真实子模块,既不会降低系统的仿真效率,又能够对暂态工况进行器件级电气特性分析,单桥臂等效模型如图5所示。

根据上述桥臂模型,桥臂等效子模块表示为

(6)

式中:Rsmeq——子模块等效电阻;

Ism——子模块电流;

Usemeq——子模块等效电压。

1.2 电力电子变压器模型

考虑新能源、储能、分散式负荷接入,电力电子变压器拓扑采用输入串联输出并联双有源桥(Dual-Active-Bridge,DAB)DC-DC变换器,实现能量的双向流动。电力电子变压器拓扑结构如图6所示。

DAB模块的工作模式可简述如下。DAB的能量流动方向根据输入和输出电压关系进行检测。当功率由变压器一次侧流向二次侧时,解锁一次侧功率器件的驱动信号,封锁二次侧功率器件的驱动信号,二次侧全桥处于二极管不控整流状态。当功率由变压器二次侧流向一次侧时,解锁二次侧功率器件的驱动信号,封锁一次侧全桥的驱动信号,一次侧全桥处于二极管整流状态。

为了降低开关损耗,全桥功率变换器采用脉宽、脉位调制策略,通过控制调制波的幅值改变脉冲宽度,就可改变输出电压的大小。由于变压器一次侧、二次侧电感的存在,变压器一次侧、二次侧的功率器件均能够工作在零电压开通状态,降低了损耗,提高了工作效率。功率变换器开关时序如图7所示。

基于状态空间平均法[8],可推导得到DAB模块输出电压与输入电压的关系表达式为

(7)

式中:N——变压器匝比;

D——占空比。

由于电力电子变压器采用输入串联输出并联的拓扑结构,当各DAB模块的控制进入稳态后,可自动实现DAB模块内部的功率平衡。

1.3 直流断路器模型

常规混合式直流断路器拓扑结构如图8所示。正常情况下机械开关闭合,工作电流通过主支路流通。当需要开断时,在触发固态开关同时打开机械开关,在电弧作用下故障电流由机械开关转移到固态开关,待机械开关触头达到额定开距后关断固态开关[9]。此后由 ZnO 避雷器释放掉存储在系统中的能量,完成整个关断过程。

1.4 系统参数

依据图1拓扑柔性多端交直流混合配电网结构,搭建了基于PSCAD/EMTDC的多端柔性交直流混合配电网仿真系统。

系统3端VSC换流器详细参数如表1所示,配置的2 MW电力电子变压器详细参数如表2所示。直流线路采用电缆,各电缆的长度及电阻如表3所示。

表1 VSC换流器详细参数

表2 配置的2 MW电力电子变压器详细参数

表3 各电缆的长度及电阻

2 仿真及试验

2.1 稳态运行

换流器VSC1采用Vdcq控制,定直流电压为10 kV,无功功率为4 MW。换流器VSC2/VSC3采用VPq控制,均运行在逆变状态,定有功功率8 MW,无功功率为4 MW。电力电子变压器定输出电压为750 V。

系统稳态运行时,换流器VSC1直流电压稳定在20 kV,换流器VSC2和VSC3有功功率稳定在8 MW,无功功率稳定在4 Mvar,PET输出直流电压稳定在750 V。

为了减小PET启动对直流系统的冲击,启动至稳态整个过程可分为两个阶段。阶段1时,对DAB进行固定低占空比的开环控制,减小启动过程对直流配电网系统的冲击。直流配电网系统向低压侧直流电容充电,待直流电压稳定后,切换至定低压侧电压闭环控制。VSC换流器及PET关键波形如图9所示,反映了整个启动过程低压侧直流电压的变化。

2.2 阶跃响应

对本文建立的交直流混合配网模型动态响应进行分析。直流混合配电网模型动态响应如图10所示。

图10(a)为换流器VSC2、VSC3及PET功率响应曲线。PET在1.2 s时刻退出运行,换流器VSC2有功功率给定在1.5 s时刻由0.8 p.u.阶跃下降至0.5 p.u.,响应时间为40 ms。换流器VSC3有功功率给定在1.6 s时刻由0.6 p.u.阶跃下降至0.18 p.u.,响应时间为50 ms。

图10(b)为换流器VSC1直流电压给定参考值由1 p.u.阶跃上升至1.05 p.u.,响应时间为70 ms。此外,由直流电压波形可知,在PET退出运行以及各换流站有功功率阶跃整个过程中,直流电压均能保持稳定,控制系统电压和功率响应时间均小于100 ms,满足控制要求。

2.3 接地故障

换流器VSC1进行定电压控制,换流器VSC2和VSC3进行定功率控制,PET定输出电压控制,系统稳态运行。设永久性故障发生时刻为1 s,故障点位线路1正极。1.03 s时刻跳开线路1直流断路器。1.05 s时刻换流器VSC1闭锁,同时60 ms后跳开交流断路器,换流器VSC2的控制模式由有功功率控制切换至定直流电压控制。

采用上述控制策略,换流器VSC2电压及电流波形如图11所示,整个故障经历三个阶段。第一阶段,正极接地故障发生后,正极电压迅速降为0,负极电压变为-20 kV。第二阶段,检测到故障发生后,直流断路器动作,故障切除,同时故障换流器VSC2阀闭锁,降低故障电流。第三阶段,换流器VSC2控制模式改为定电压控制,直流电压经过一段时间后恢复稳定,随后直流功率稳定传输。

故障换流器切除后,直流电压能够迅速恢复稳定,正常换流器功率能够稳定传输,验证了控制系统的可靠性。

3 结 语

本文基于珠海“互联网+”智慧示范能源项目,建立了多端柔性交直流混合配电网系统仿真模型,进行了系统仿真分析,得到如下结论。

(1) 建立了包含真实子模块的MMC桥臂等效模型,实现对子模块内部元件故障时的电气应力进行仿真。

(2) 在DAB模块中,提出采用脉宽、脉位调制的方式,减少了工作在开关状态的IGBT数量,且实现零电压开通,降低了器件损耗。

(3) 系统暂/稳态工况的仿真表明,稳态工况运行良好,暂态工况能够实现对参考值的快速跟踪,能够准确表征系统的运行特性,证明了仿真系统及控制策略的可行性。