直流配电网新型直流电压控制策略

陈昱芝， 赵巧娥

(山西大学 电力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

因世界能源危机以及环境污染问题，国家开始鼓励分布式电源接入。直流配电网比交流配电网更易接纳分布式能源，并且直流母线可以节省许多DC/AC和AC/DC环节，减少了损耗。直流配电网线路成本低、对绝缘要求也比较低、传输容量大、供电可靠且环保，可以为敏感负荷提供高质量的电能服务[1-2]。因此，越来越多学者对其进行了深入研究。

在直流配电网中，功率控制是首要问题，直流电网凭借无感抗、无容抗的特点使得电压成为衡量功率平衡的唯一指标[3]。主从控制、裕度控制和下垂控制等方式是当今用在直流配网抑制电压波动的主要方式。主从控制结构简单，但要求准确、快速通信。电压裕度控制无须站间通信，但配网负荷种类众多且波动随机性大，使得电压裕度的选取较为困难。下垂控制根据各换流站指定功率与电压的线性关系，通过增减功率一起调节直流电压，但传统下垂控制会使母线电压偏离额值。文献[4]对下垂控制进行改良，分段修正斜率系数，但该策略无法消除静态误差。文献[5-6]采用新的调节直流电压的方法，欲通过平移下垂曲线准确调压，但仍旧不能消除静态误差。

因此，本文对传统下垂控制方式加以改进，将平移下垂曲线和下垂曲线分段运行相配合，建立了直流侧电压控制系统模型，采用劳斯判据从理论上验证所选下垂系数能否使系统稳定运行。最后根据Simulink仿真模型验证所提策略对稳定直流配电网电压的可行性。

1 直流配电网及其控制策略

1.1 系统拓扑结构

直流配网的拓扑一般有环状、放射状和两端配电等。本文以基于VSC的两端配电网为例进行分析，如图1所示，该系统主要包含以下四部分。

图1 双端直流配网结构示意图

(1) 并网换流器：通过变流器G-VSC并入交流电网。

(2) 分布式电源：光伏系统经DC/DC变流器接入直流母线，为了尽可能多地利用能源，使其运行在最大功率点跟踪模式。

(3)储能系统：为稳定功率波动，蓄电池经双向DC/DC接进直流电网。

(4)负荷单元：电网中的交流负载需由AC/DC变流器L-VSC接进直流网络；电网中的直流负载需经DC/DC接进直流配网。

1.2 VSC的数学模型

换流站中各个VSC均为如图2所示的拓扑结构。

图2 VSC的拓扑结构图

在两相dq旋转坐标系下VSC的数学模型为：

(1)

式中：usd和usq分别为VSC交流母线电压在dq坐标系下的分量；ud和uq分别为VSC交流电压基波在dq坐标系下的分量；id和iq分别为VSC交流电流在dq坐标系下的分量；Rsi和Lsi分别为VSC交流侧的电阻和等效电感；ω为同步旋转角频率。

当d轴方向定为交流主网电压方向，且不计损耗时，交、直流两侧与VSC交换的功率是守恒的，即：

(2)

(3)

式中：Ps和Pdc分别为电网侧和直流侧与VSC交换的有功功率；udc和idc分别为VSC直流侧的电压和电流。

1.3 传统直流电压斜率控制策略

电压斜率控制指当直流网络功率不平衡时，各侧换流站按照各自的下垂特性响应功率差值，但当某一换流站传输功率突增或突减时，将产生电压静态偏差；反之，电压变化也将影响功率。

G-VSC的U-P特性关系为：

Pref-P=Kr(Udc-Udref)

(4)

式中：P和Pref分别为传输有功的实测值和参考值；Kr为下垂斜率。由式P=UI[7]，可得直流电压与电流有如下等式关系：

(5)

由式(4)、式(5)可知，整个系统的稳定性和动态性能与下垂系数的大小息息相关，因此需合理设计下垂特性曲线。

1.4 新型直流电压斜率控制策略

为了更好地提高系统动态性能，消除电压静态误差，防止系统在功率突变时电压超出限值，本文采用下垂曲线分段和平移相配合的方法。下垂曲线平移控制如图3(a)所示，其中：u1、u2分别为直流侧电压升高和下降值。当电压值在允许范围内，各侧换流站按定下垂系数增减功率调节直流电压，即图中实线条；当电压升高时，曲线平移至图中左下线条的位置，使得电压快速降低；当电压降低时，曲线向上平移，即图中右上线条，使得电压快速升高。

图3 下垂曲线平移原理

下垂曲线平移控制器如图3(b)所示。参考值与实测值作差后经过PI输出修正值附加到原来的直流电压参考值，使得下垂曲线根据需要实时平移。不足之处在于，当系统因负荷波动大造成功率突变时，直流侧电压或超出正常工作范围。

各换流站的下垂曲线分段运行原理如图4所示，其中f(udc)为斜率分段函数。

图4 下垂曲线分段变化控制

(6)

式中：Kh为电压值在上限之上时所选斜率值;Kr为电压值在上下限之间时所选斜率值;Kl为电压值在下限之下时所选斜率值。

当直流电压发生波动而在小范围[u1,u2]内变化时，U-P下垂调节与传统下垂控制相同，即在[P1,P2]区间内下垂曲线不变，此时电压参考值与实测值作差后与斜率系数Kr相乘，再叠加至功率外环，最终得到直流电流指令值；在[0，P1]和[P2，Pmax]内采用较Ⅱ段斜率小的下垂曲线。当直流电压低于u2，换流器有功出力超过P2(取1.45Pref)时，斜率系数会自行按分段斜率函数改变，使电压偏移在下限之上；当直流电压升高而大于u1，变流器有功出力少于P1(取0.55Pref)时，斜率系数同样会自行按分段斜率函数改变，使得电压偏移在上限之下。缺点是无法彻底消除静态误差。

为了准确且快速地调节直流电压和有功功率，本文将上述两种方法相配合，得到综合控制结构如图5所示。

图5 综合直流电压控制器

本文设定直流母线额定电压为400 V，电压允许波动范围为5%，两端换流站的有功参考值为30 kW，则u1=412 V，u2=388 V,umax=420 V，umin=380 V。

式(7)所示为系统有功功率增加和减少时电压对应的输出表达式。

(7)

经计算可得下垂系数a=c=2 062，b=1 125。

由于电压波动范围小，U-I下垂控制和U-P下垂控制具有一致性，根据式(4)、式(5)可知两种控制方式可以相互转换。从图5可看出，在U-P下垂曲线的基础上所得新型电压控制器参数设计冗杂，为了简化其结构和计算过程，设计了如图6所示的在U-I下垂曲线的基础上改进的新型电压控制器。由两者的斜率关系知，基于U-I曲线的分段斜率值分别为：KR1=KR3=5.34,KR2=3。

图6 改进的新型电压控制器

2 基于劳斯判据的稳定性研究

2.1 直流侧电压控制系统模型

根据换流器数学模型和在U-I下垂曲线基础上改进的新型直流电压控制策略可得到直流侧电压控制框图，如图7所示。

图7 直流侧电压控制框图

从图7可得在改进的新型电压控制策略下电压外环闭环传递函数。

(8)

式中：KPI、Kii分别为电流环中PI的比例和积分系数；Kiu为电压环积分系数。当开关管动作频率很高时，系统换流站放大特性可近似为比例放大器，其增益由KPWM表示，本文中KPWM为1。

2.2 下垂斜率与直流侧电压稳定性的关系

由式(8)可得系统闭环特征方程为：

LsiCs4+(Rsi+KPI)Cs3+(KiiC+KRKPI)s2+
KR(Kii+KiuKPI)s+KiuKiiKR=0

(9)

根据劳斯判据，式(9)的稳定判据为

(10)

下面分析基于VSC的系统，其容量为100 kW，各元件取值、新型直流电压控制环节各比例和积分系数如表1所示。

表1 VSC主电路及控制环节参数

将上述参数代入式(10)，计算得下垂斜率KR的值在0～9.7之间。

因此，按照上述方法所得曲线斜率可以满足系统直流侧电压稳定性的要求。

3 仿真分析

根据Simulink仿真模型验证所提策略对稳定图1中直流配电网电压是否可行。变流器的功率以流入直流电网为正向。 一开始，直流负载L1消耗80 kW功率，交流负载L2消耗50 kW功率，光伏阵列提供50 kW功率;L1在2 s时功率突减使直流侧电压达到动作电压上限值412 V；L2在3 s时功率增加使直流侧电压达到动作电压下限值388 V；光伏电池的光照强度在4 s时由1 000 W/m2升高至1 300 W/m2，功率增加10 kW；在5 s时又由1 300 W/m2降低为1 000 W/m2。当功率变化使得直流电压在小范围波动时，两换流站通过下垂曲线的上下平移，共同调节直流电压；当直流电压越限时，下垂曲线斜率控制器会选择合适的斜率值，防止直流电压超出允许工作范围，并且提升系统动态响应速度。当光伏电源发出功率变化时，在本文提出的控制策略下，功率在VSC1和VSC2中自行平均分配。仿真结果如图8所示。

图8 稳态运行仿真图

4 结束语

本文考虑到传统下垂控制会使母线电压偏离额定值，提出了把下垂曲线分段和平移相配合的新型直流电压控制方法，并根据给定参数得到了使直流侧电压稳定的下垂系数范围。最后根据Simulink仿真模型验证所提策略对稳定直流配电网电压的可行性。仿真结果及试验表明，该策略不仅能消除电压静态偏差，而且避免了过电压的出现，保证了系统稳定运行。