基于SST的新型直流微网架构

刘丽莉，袁 至，王维庆，杨红品

(新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047)

随着化石能源危机和环境污染的加剧，以风电、光伏发电为代表的新能源得到各国关注.风电及光伏发电受制于自然条件，发电具有随机性和间歇性，其分散接入会造成配电网潮流分布复杂多变，导致电压和频率波动，严重时影响电网的安全稳定运行.传统电网越来越难以适应新能源日趋增长带来的变化.

直流微网为大规模间歇式新能源的接入提供了有效途径.新能源采用直流形式接入，可节省换流环节，且无须相位和频率跟踪.但是，各新能源有各自的并网变换器，不利于系统整体协调控制，难以实现真正意义上的“即插即用”，也不符合能源互联网的理念.

固态变压器(solid state transformer，简称SST)结合了电力电子技术和高频电能变换技术，除具有传统变压器的电压变换和电气隔离功能外，还具有隔离端口故障、治理谐波、灵活控制功率因数、方便接入直流新能源或储能设备等优点，可在能源互联网和智能配电网中广泛应用.

基于SST的直流微网中，直流母线电压是衡量直流微网功率平衡的唯一指标，故保证直流母线电压稳定至关重要.大规模电动汽车的接入会给电网带来负荷增大、电能质量降低等问题.优化电动汽车充电策略，可改善电网节点电压水平、提高配电网运行的可靠性.文献[17]提出一种接入电动汽车的模块化多电平型固态变压器拓扑，在输出级设置了可切换功率模块及储能模块，能进行交直流切换；但切换瞬间，负载电压电流波形出现了严重畸变，降低了负载的电能质量，且逆变器出口电流的严重振荡可能损坏SST.为解决此问题，文献[18]在文献[17]的基础上，提出工作模式平滑切换的控制策略，逆变器平滑输出功率，减轻了负载电压电流的畸变和三相不平衡的程度；但只研究了功率的平滑输出，未关注由此给直流母线电压带来的影响.文献[19]通过控制移相比使直流固态变压器在一定范围内实现了功率的主动控制，能根据充电站内的负荷自动控制充电桩的功率流向.

为使风电、光伏发电、储能和电动汽车(仅考虑充电)最大限度接入且稳定运行，该文提出基于SST的新型直流微网架构.以一次侧直流母线电压稳定为目标，设计结构简单易于控制的SST的3级拓扑结构及其控制方案.针对多种工况进行仿真，验证所提架构的有效性.

1 基于SST的新型直流微网架构

图1为该文提出的基于SST的新型直流微网架构.新能源采用直流形式接入，可减少换流环节，无需相位和频率跟踪，不用考虑同步.该架构无论从经济还是技术层面，均符合未来能源互联网的理念.

图1 该文提出的基于SST的新型直流微网架构示意图

新能源包含风电、光伏发电和储能.风电经AC/DC变换器、光伏发电经DC/DC变换器、储能装置经DC/DC变换器接入直流母线.储能装置为直流微网提供能量支撑，能提高电能质量和调度能力.负荷包含直流微网中的直流负荷(含电动汽车)以及输出级后的交流负荷.一次侧直流母线与直流微网母线串联给直流负荷供电，新能源通过公共直流母线接入.输出级的交流端口提供符合国家电能质量标准的三相工频交流电.直流微网中，母线电压的稳定直接影响直流负载和电动汽车充电站的稳定运行，故保证直流母线电压的稳定至关重要.

2 SST拓扑结构及控制策略

2.1 SST拓扑结构

该文设计的SST的3级拓扑结构如图2所示.输入级为AC/DC 变换环节，将工频交流电转换为直流电；隔离级为DC/DC变换环节，将直流电转换为高频方波，然后将经高频变压器耦合到副边的高频方波转换为直流电；输出级为DC/AC变换环节，将直流电转换为工频交流电.SST各级的独立控制，能使SST功能更多、应用更广.负载不平衡导致的输出电压偏移会影响网侧电压，进而影响一次侧直流母线电压稳定，该SST拓扑结构能有效避免网侧与负载间的相互影响.

图2 SST的3级拓扑结构

输入级的AC/DC变换通过三相PWM整流器实现.PWM整流器直流侧的输出电压与网侧的交流相电压峰值间的关系为

u

>2

u

，

(1)

其中：

u

为整流器直流侧的输出电压，

u

为整流器网侧交流相电压峰值.当网侧相电压有效值为220 V时，可以算出

u

>622 V.考虑一定裕量，

u

通常取750～800 V.因此，风电、光伏发电、储能装置及电动汽车均可通过一次侧直流母线接入直流微网.

2.2 SST控制策略

2.2.1 输入级控制

输入级由滤波器和PWM整流器构成，如图3所示.输入级控制目标为：使一次侧直流电压稳定、电网侧功率因数为1.

图3 输入级拓扑结构

根据基尔霍夫电压定律，得到输入级数学模型为

(2)

其中：

ω

为网侧基波角频率，

σ

为网侧电压与整流器电压间的夹角，

k

为直流电压利用系数.(2)式通过Park变换转换至旋转坐标系后，经相关运算可得

(3)

其中：

u

s,

u

s分别为网侧电压的

d

,

q

分量；

i

,

i

分别为网侧电流的

d

,

q

分量；

u

i,

u

i分别为整流前电压的

d

,

q

分量.从式(3)知，电流分量

i

,

i

分别含有耦合项

ωLi

，-

ωLi

，故需增加一个解耦器.

输入级采用如图4所示的电压电流双闭环解耦控制.

图4 输入级控制框图

u

i,

u

i的控制方程为

(4)

其中：

K

,

K

均为PI控制器参数.

2.2.2 隔离级控制

隔离级二次侧只对外供电，故隔离级的二次侧可采用不控整流电路，以减少全控型开关器件的使用数量.将全控型开关输出的占空比为50%的高频方波作为隔离级的驱动信号.隔离级采用高频变压器，目的是降低装置的体积和重量，提高SST的功率密度.

2.2.3 输出级控制

输出级将隔离级输出的直流电逆变为380 V工频交流电供交流负载使用.图5为输出级的拓扑结构.输出级的控制目标为：即使网侧电压波动及负载变化，也能保证输出电压的电能质量符合国家标准.

图5 输出级的拓扑结构

根据基尔霍夫电压定律，得到输出级数学模型为

(5)

其中：

u

l,

u

l,

u

l为负载电压.

(5)式通过Park变换转换至旋转坐标系后，经相关运算可得

(6)

其中：

v

,

v

分别为逆变器输出的三相电压

d

,

q

分量；

u

l,

u

l分别为负载电压的

d

,

q

分量.根据(6)式，可看出逆变器的输出电流

i

,

i

受控制量

v

,

v

的影响，还受耦合电压

ωLi

,-

ωLi

和负载电压

u

l,

u

l的影响.由(6)式可得

(7)

同理可得

(8)

输出级采用电压电流双环控制，控制框图如图6所示，其中VR，CR分别为电压、电流调节器.

图6 输出级控制框图

3 仿真分析

在PSCAD平台进行仿真.表1为直流微网的仿真参数.表2为SST的仿真参数.双环解耦控制器PI参数如下：

K

=3.5，

K

=285.7，

K

=0.5，

K

=12.5.

表1 直流微网的参数

表2 SST的仿真参数

3.1 电动汽车不同接入方式的仿真

电动汽车作为直流环节的主要负载，其充电行为会直接影响直流母线电压的稳定性.

假设某小区有400辆汽车，电动汽车的渗透率为0.5.图7为电动汽车接入时的一次侧直流母线电压.

图7 电动汽车接入时的一次侧直流母线电压

由图7可知，电动汽车有序接入时，一次侧直流母线电压响应较快，超调量较小.1 s时，电动汽车有序接入并未引起一次侧直流母线电压明显波动.

电压波动率的表达式为

(9)

其中：

U

为直流母线电压稳态幅值，Δ

U

表示电动汽车接入前后直流母线电压波动幅度.

表3为一次侧直流母线电压波动情况.由表3可看出，相对于无序充电，电动汽车有序充电明显提升一次侧直流母线电压的稳定性.

表3 一次侧直流母线电压波动情况

3.2 电动汽车不同接入规模的仿真

某小区有400辆汽车，不同规模电动汽车有序接入时的直流母线电压如图8所示.从图8可看出，电动汽车接入的规模对一次侧直流母线电压基本没有影响.

图8 不同规模电动汽车有序接入时的一次侧直流母线电压

3.3 网侧短路的仿真

直流微网系统，在1.0～1.05 s网侧发生单相短路、两相短路、三相短路时的一次侧直流母线电压如图9所示.

图9 3种短路情况下有无SST的一次侧直流母线电压对比

从图9可看出：有SST的一次侧直流母线电压在3种短路情况下均在其参考值附近微小波动；而无SST的一次侧直流母线电压在两相短路和三相短路时，跌落严重甚至崩溃，而单相短路时一次侧直流母线电压波动率为2.7%.

从1 s前后的放大图可看出：有SST时两相短路和三相短路的一次侧直流母线电压波动的幅度比单相短路稍大；无SST时单相短路的一次侧直流母线电压波动明显大于有SST时单相短路的波动.

可见，网侧发生单相短路、两相短路、三相短路时，SST能有效提升一次侧直流母线电压的稳定性.

3.4 负载不对称的仿真

输出级后的交流负载不对称时的仿真参数如表4所示.

表4 交流负载不对称时的仿真参数

图10为负载电压和一次侧直流母线电压.图10(a)为负载不对称时的三相电压波形；图10(b)对比了负载对称与不对称时的直流母线电压，可看出两种情况下的一次侧直流母线电压基本一致，表明该文所提基于SST的新型直流微网架构对负载的不对称具有较强的适应性.

图10 负载电压和一次侧直流母线电压

4 结束语

为提高电能质量和供电稳定性，该文提出了基于SST的新型直流微网架构.设计了SST的3级拓扑结构及其控制方案.针对不同典型工况进行仿真，得到结论如下：

(1)相对于无序充电，电动汽车的有序充电能明显提升一次侧直流母线电压的稳定性.

(2)电动汽车有序接入时，接入汽车的规模对一次侧直流母线电压基本没有影响.

(3)网侧发生单相短路、两相短路、三相短路时，SST能有效提升一次侧直流母线电压的稳定性.

(4)新型直流微网架构具有较强的负载适应性.