多直流电压等级电网运行稳定控制系统

吴 雪，肖 莹，张 旺，诸德律，卢 璐

（国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏南京 210008）

分布式电源品种与数量逐渐增加，变频设备直流供电系统的使用频率也随之增加。原有的配电网形式正在发生改变，其供电功能的特殊性将日益突出。目前，直流配电网低电压层级主要采用微供电的方式，但随着大型集中式光伏电厂的建设以及对多种类型工业直流设备电力需求量急剧增加，多直流电压等级电网运行的稳定性受到重视。其中，直流变压器成为多种电压级别直流配电网的稳定控制系统，也成为研究的重点。

文献[1]提出多直流电压配电网动态相量建模及稳定性分析方法，以网络系统中各变数的动态数值状态确定输入变数。并通过高次分数减少模式的复杂度，实现误差校正。将等效移相占空比视为调整后的代数变量，降低忽视高次动态数值所带来的偏差值，达到对均衡动态相量模型中直流变量的精确测量。以此完成运行稳定性分析方法，但该方法在校正步骤的运算量过于巨大，耗费时间长。文献[2]提出包含综合电力的多直流电压等级互联电网运行控制理论以及直流故障隔离对策方法。建立了包含新能源的多直流电压等级互联电网，剖析其结构特征与工作机理。为处理不同情况的直流故障，提供采用DCCB 的故障隔离对策。在PSCAD/EMTDC 平台下建立仿真模式，对各种工况进行模拟分析，完成运行控制策略，但该方法仿真模型花费成本较高。

为了弥补传统方式中存在的问题，设计了一种多直流电压等级电网运行稳定控制系统。

1 控制系统硬件设计

1.1 变压器

该文选用DIAU-1928 系列的直流电力变压器，利用高频斩波、直流变压器分离、高频整流电压，来完成直流压力和与之成正比的另一种或多种直流压力的转换[3-4]。变压器结构如图1 所示。

图1 变压器结构

由图1 可知，变压器内部含有多数字信号处理器，高压直流输电系统内部变压器具有输送电源体积大、消耗能量低、传输距离远、安全性高的优点，达到了输入输出电压相互之间的电力分离与平衡状态。同时还可以进行高速传递，通过变压器进行功率传递，达到无功耗、转换效率高、功率密度高的要求[5-6]。引入变压器后，系统不再需要滤波处理的电子传感器，可以大幅度地降低输入输出滤光器的尺寸与体积，系统动态稳定性高，暂态响应好，利用系统谱带宽可以不失真传送电流[7-8]。同时通过开环控制检测回路，提高开关效率，安全性较高，对电源等一般用电系统的电磁干扰较小。

1.2 变换器

采用SCC-9901 型DC 变换器作为控制系统的核心设备，由两个变换元件构成。在两个变换元件的交界处采用直流变压器连接[9]。变换器结构如图2所示。

图2 变换器结构

DC 变换器的变换元件之间使用三相二电平桥电路连接，DC 变换器之间使用三相交流变压器连接，根据DC 自动变换器的电压等级和频率判断该直流变压器效率[10-11]。在高压大威力的使用情况下，使用MMC 代替二电平变换元件，采取三相二电平桥的拓扑设计提高计算效率，引入更精确的优化模式，以进一步提高效率。

2 稳定控制软件系统设计

2.1 稳定性分析程序

设计稳定性分析程序，对直流变压器运行产生的漏感以及频率变化进行分析，计算出电网系统运行产生的特征根，通过特征根轨迹对直流变压器漏感和频率变换对系统稳定性产生的影响进行分析。

2.1.1 直流变压器漏感的影响

多直流电压等级电网的直流变压器漏感[12]，从0.25 mH 增大至0.4 mH，但其余参数维持不变，系统的特性线根轨迹如式（1）所示：

其中，d表示特性线根轨迹，k表示开环增益，x和u表示状态向量以及输入向量。由式（1）可发现，即使多直流电压等级电网所相应的模型向右移，控制系统仍能稳定，其改变可以忽略不计[13-14]。与其他模态存在着相同的改变特性，可认为控制系统基本不受直流变压器漏感改变的影响。

2.1.2 直流变压器频率的影响

多直流电压等级电网的直流变压器频段由50 kHz 提高至100 kHz，其余技术参数则维持不变。而控制系统的特征线根轨迹则如式（2）所示：

其中，d1表示控制系统特征线根频率轨迹，i1表示高次动态相量下的电流，i表示低次动态相量下的电流。由式（2）可发现，当变压器系统频度提高时，多直流电压等级电网所相应的模型向脱离实轴的位置偏移，阻尼降低、谐振频率也随之提高，系统稳定性降低。

当多直流电压等级电网直流变压器漏感和频率改变时，控制系统的特征根轨道发生变化[15]。而当多直流电压等级电网中技术参数设定一致时，其根轨道规律性也一致。当一个多直流电压等级电网系数出现改变后，相应的模型改变更为显著，但其余模型改变几乎未受干扰，而且其仍为稳定。综上所提的动态相量模型运用在多直流电压等级电网控制系统上，有着优异的全局稳定性。

2.2 电网控制程序

针对在多直流电压等级电网运行中DC 变换器的变换过程，设计了电网控制程序，结合动态平衡程序和稳定性分析程序，完成对多直流电压等级电网的稳定控制。电网控制流程如图3 所示。

图3 电网控制流程

电网控制程序含有三个控制模块，第一个控制模块为电压平衡控制，其主要功能为对国家电网的多直流电压进行平衡控制，具体原理如式（3）所示：

其中，U1表示多直流电压；P1表示多直流电压功率。

第二个控制模块主要负责对多直流电压相对应的直流功率进行平衡处理[16]，根据电网系统的运行情况实时控制两个多直流电压等级电网的交换功率，交换功率计算过程如式（4）所示：

其中，P2表示其他被控制的多直流电压等级电网功率。第三个控制模块为功率平衡节点，控制直流电压的设定值。

通过上述三个控制模块，对多直流电压等级电网进行稳定性控制，结合动态平衡程序建立的模型使多直流电压等级电网运行的稳定性得到保障，并通过稳定性分析程序对系统进行实时监测[17]。

3 实验研究

为了验证提出的多直流电压等级电网运行稳定控制系统的实际应用效果，设定实验，分析在多直流电压等级电网出现波动时，该文控制系统和传统的平均动态相量建模控制系统、互联电网运行控制系统的控制能力。电网波动功率如图4 所示。

图4 电网产生波动功率变化

在实验过程中，对直流变压器的平均动态相量进行建模，该文选取平均动态相量模型Z(t)作为状态变量，计算相关变量函数平均化数据在时域上的连续方式，对控制系统的时域进行研究。通过省略动态相量中的不重要分量减小模型复杂性，其状态变量可用式（5）表示：

在直流变压器建模中，采用相应的代数约束条件来校正误差。在多直流电压等级电网闭环系统中，利用直流变压器设定基准值，控制多直流电压直流母线的变化，使其稳定运行。由控制系统的信号控制误差，其误差可转换为相占空比值。稳态运行的工作情况下，考虑输出电压的直流分量，将开关参数中的动态相量转换为高次动态相量，保证输出电流恒定，用等效移相占空比系数代替误差调整后的移相占空比，计算过程如式（6）所示：

其中，s表示移相占空比；s1表示占空比系数。直流变压器其主要的输入输出方式为直流状态，其动态变化速度较慢，动态向量的直流分量可表示为i1=0。综上所述，可以用一般动态相量模型描述的DAB 直流变压器系统的最大信号模型，从而完成建模，建模过程如式（7）所示：

其中，f表示状态空间方程；g(k) 表示代数约束方程。根据得到的模型结果进行稳定性控制，分析在功率出现波动后，产生的稳定控制结果，如图5所示。

图5 稳定控制实验结果

由图5 可知，该文提出的控制系统具有很强的控制能力，在控制时间为60 s 时，控制系统已经保持稳定，能够很好地保证控制电压基本稳定在1.01 pu，而传统的控制系统控制过程始终存在波动，控制效果较差，无法保证电网稳定运行。

4 结束语

多直流电压等级电网因其成本低、容量大、品质高与电源安全性较高、功率管理简单等优点，成为未来电力网络中的关键部分。该文设计了多直流电压等级电网运行稳定控制系统，硬件部分由变压器和变换器构成，软件部分设计了动态平衡程序、稳定性分析程序以及电网控制程序。经实验表明，该文设计的系统在计算速度、控制精确度等方面具有较高的优势，适用于实际使用。但在对于系统鲁棒性方面仍有欠缺，后续研究将延续此方面进行深入分析。