分布式電源由于具有距離負荷近、輸電損失小、換流環(huán)節(jié)少、損耗低以及便于可再生能源應用等特點，受到越來越多的關(guān)注。隨著社會經(jīng)濟水平地提高，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的直流負荷，利用直流配電網(wǎng)可以省略交流電網(wǎng)的AC-DC環(huán)節(jié)，使能耗得到降低。

與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)絡本身具有線路成本低、傳輸損耗低、電源可靠性高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。因此，建設(shè)和發(fā)展直流配電網(wǎng)在分布式能源接入、環(huán)保等方面具有重大意義。

1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)拓撲說明

直流配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由風力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲能單元、負荷單元、聯(lián)網(wǎng)變流器這5部分組成。

1）風力發(fā)電單元。該研究采用額定風速為12m/s的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組（wind generation system with permanent magnet synchronous generators, PMSG），并通過電壓型脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）變流器W-VSC接入DC配電網(wǎng)絡。正常以最大功率跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）方式運行。

2）光伏發(fā)電單元。光伏發(fā)電單元通過升壓式Boost電路接入DC配電網(wǎng)絡。正常以MPPT方式運行時，可盡可能多的利用光能。

3）儲能單元。儲能方式為蓄電池儲能，通過雙向DC/DC變換器Bi-DC接入DC配電網(wǎng)絡。在AC主網(wǎng)功率受限或孤島狀態(tài)下，儲能單元向系統(tǒng)輸送功率，穩(wěn)定直流電壓，以確保功率平衡及系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在AC主網(wǎng)正常情況下，電池充電狀態(tài)或為后備電源。

圖1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

4）負荷單元。DC負載直接或通過Buck降壓式電路接入DC配電網(wǎng)絡[2]，AC負荷通過電壓型逆變器L-VSC接入DC配電網(wǎng)絡。當電源有功功率不足時，需要根據(jù)負荷的優(yōu)先級進行減載控制，以保證DC配電網(wǎng)絡的功率平衡及重要負荷的不間斷供電。

5）并網(wǎng)變流器。DC配電網(wǎng)絡通過電壓型PWM變流器G-VSC接入AC主網(wǎng)絡。當DC配電網(wǎng)絡正常并網(wǎng)運行時，G-VSC通過控制直流電壓的穩(wěn)定來確保直流配電網(wǎng)絡內(nèi)有功功率平衡。

1.2 拓撲優(yōu)勢說明

采用如圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)，具備以下優(yōu)勢：

• 1）直流負荷、交流負荷和風光儲新能源分別集中分布，風光儲之間可以相互平滑功率，負荷具有較好的可擴展性。
• 2）直流負荷和交流負荷都有兩路供電，即交流主網(wǎng)供電和風光儲新能源供電，供電可靠性高。
• 3）風光儲電源可以經(jīng)直流負荷或交流負荷送入電網(wǎng)，減小線路故障時的送出功率損失。

2 直流配電網(wǎng)的控制

2.1 控制策略說明

直流配電網(wǎng)的控制系統(tǒng)采用分散自律的一次調(diào)壓和主從控制的二次調(diào)壓以及三次調(diào)壓，分別負責直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、減小電壓偏差以及優(yōu)化運行。其整體控制體系框圖如圖2所示。

1）直流配電網(wǎng)的一次調(diào)壓（略）

各端根據(jù)直流電壓分層，自動參與系統(tǒng)一次調(diào)壓，各端的一次調(diào)壓器的控制特性如圖3所示。

圖2 直流配電網(wǎng)整體控制體系框圖

圖3 一次調(diào)壓器的控制特性

2）直流配電網(wǎng)的二次調(diào)壓

通過一次調(diào)壓可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，以交流主網(wǎng)換流器為主控系統(tǒng)，可進一步優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)，其中二次調(diào)壓負責電網(wǎng)在多次有功擾動電壓偏差較大時，改變下垂特性初值績效系統(tǒng)電壓總偏差。根據(jù)是否考慮網(wǎng)損，分為以下兩種情況：（1）不考慮網(wǎng)損時，使得總的直流電壓偏移最?。唬?）直流電壓偏移滿足一定范圍時，以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標，計算參與二次調(diào)壓的電壓給定值。

3）直流配電網(wǎng)的三次調(diào)壓

一次調(diào)壓和二次調(diào)壓為有功擾動后的調(diào)節(jié)，三次調(diào)壓為事前的優(yōu)化控制，根據(jù)優(yōu)化目標為系統(tǒng)運行成本還是新能源利用率，可分為以下兩種情況。

• 目標1：直流配電網(wǎng)的運行成本最小，如上網(wǎng)電價低時儲能，電價高時多給系統(tǒng)輸送功率。
• 目標2：新能源的利用率最高，如預報未來大風，則儲能先放電，以便未來能吸收更多風能。

2.2 電壓分段下垂、多點協(xié)同的控制策略

基于電壓分段下垂控制的策略為：①第一段為主調(diào)壓，以主網(wǎng)換流器和可控電源為主；②第二段為備用電壓調(diào)節(jié)，主要采用儲能，主網(wǎng)變流器限流或發(fā)生故障時提供備用支持；③第三段為緊急調(diào)壓，風電光伏進行高頻降額，負荷進行低頻減載。

從圖4中可見，可將該控制策略分為3層：第一層控制由并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器G-VSC控制，電壓保持在0.98～1.02p.u.的范圍內(nèi)；第二層由電池側(cè)轉(zhuǎn)換器B-DC進行電壓控制，維持電壓在0.95～0.98p.u.或1.02～1.05p.u.的范圍內(nèi)；當電壓高于1.05p.u.時，PMSG脫網(wǎng)運行，當電壓低于0.95p.u.時，根據(jù)優(yōu)先級切除負載。

圖4 直流配電網(wǎng)電壓分層協(xié)調(diào)控制策略

3 仿真（略）

為驗證所提控制策略的有效性，利用Matlab/ Simulink仿真軟件搭建了如圖1所示的仿真系統(tǒng)。運行參數(shù)如圖1標識，風機額定轉(zhuǎn)速為75r/min，W-VSC的額定容量為20kW（對應風速為12m/s）；光伏發(fā)電系統(tǒng)按額定輻射強度為1000W/m2，升壓Boost-DC的額定容量為20kW；交流負荷L1、L2的參數(shù)為AC 380V/10kW，直流負荷L3、L4的參數(shù)為300V/10kW，降壓Buck-DC換流器的額定容量為20kW。

仿真初設(shè)條件為：風速初始值為9m/s，風電機組在最大功率跟蹤，輸出功率約為10kW；光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT狀態(tài)下運行，額定光強條件下輸出功率約為20kW；蓄電池處于后備狀態(tài)，輸出功率為0；AC負荷L1和DC負荷L3接入配電網(wǎng)，負荷總功率為20kW。采用基于電壓下垂的分層控制，如圖5所示。

在模擬中，各端換流器的功率以流入直流配電網(wǎng)為正方向。

圖5 基于電壓下垂的分層協(xié)調(diào)控制策略

1）聯(lián)網(wǎng)自由運行的仿真分析

圖6 聯(lián)網(wǎng)自由模式下直流配電網(wǎng)的運行特性

2）光伏板切除、風機降功率運行時直流配電網(wǎng)的仿真分析

圖7 光伏板切除、風機降功率運行時直流配電網(wǎng)的仿真分析

3）負荷減載運行的仿真分析

圖8 負荷減載運行時直流配電網(wǎng)的運行特性

綜合以上仿真算例可以看出，在基于電壓下垂的分層控制下，直流配電網(wǎng)各端換流器無需相互通信，實現(xiàn)了各種運行狀態(tài)的平滑切換。為了減少由一次調(diào)壓引起的電壓偏差，二次調(diào)壓、三次調(diào)壓能有效實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各端換流站的最小總DC電壓偏移。

結(jié)論

本文主要針對直流配電網(wǎng)中存在的功率平衡和電壓波動的問題，提出了一種新型分層協(xié)調(diào)控制方法，具有一定創(chuàng)新性。文中主要對該方法的控制策略進行說明，并通過仿真表明該策略可以快速、實時地響應系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定和功率平衡，具有很強的調(diào)節(jié)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)各種運行狀態(tài)的平滑切換。