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[科普中国]-多端柔性直流电网公共直流电压协同控制方法

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简介

柔性直流电网被公认为是构建智能电网的重要组成部分。与传统交流电网相比,柔性直流电网在孤岛供电、分布式供电、区域性供电、交流系统互联等方面具有较强的技术优势。而在含有可再生能源(太阳能、风能等)的多端柔性直流电网中,由于可再生能源具有不稳定性和间歇性,孤岛运行状态下通常需要增加储能单元对多端柔性直流电网的功率进行预调节1。

从电网的可靠性、可扩容性、可维护性以及系统效率等方面来看,多端柔性直流电网通常需要满足以下要求:

1)保证系统可靠运行;

2)能够提供良好的电能;

3)具备可再生能源最大功率跟踪能功率跟踪能力;

4)易于实现井网或孤岛运行;

5)减少系统内各单元间通信量;

6)减少能量与外界电网交换次数。

为了满足上述要求,核心是需要对并网/孤岛运行的多端柔性直流电网的公共直流电压进行有效可靠的控制。

现有的公共直流电压控制方法包括电压下垂法控制、混合控制、储能单元控制、主从控制等。其中电压下垂控制要求系统中所有单元都参与对电网电压的控制,但这有可能造成可再生能源单元无法工作在最大功率输出状态,降低了系统效率;混合控制采用直流电压恒定控制、直流电压斜率控制和直流电压偏差控制共同实现了直流电网与交流主网能量双向流动的公共直流电压控制,但仅适用于单一主电源进行直流电压控制,降低了系统可靠性;储能单元控利用储能单元输出储能单元输出功率调节直流电压偏差,但在储能单元不能够有效充放电时,就可能失去对柔性直流电网电压控制;主从控制利用主控制器集中控制公共直流电压,可合理分配系统各单元输出功率,但存在当主控出现问题时,控制系统将不能继续维持直流电压稳定。

多端柔性直流电网公共直流电压协同控制方法利用柔性直流电网公共直流电压作为公共信息源,根据负载单元、可再生能源单元、储能单元和辅助供电单元的不同工况,分别由可再生能源单元、储能单元以及辅助供电单元独立地将公共直流电压控制在规定范围之内,实现电网电压稳定。

与传统交流电网相比,柔性直流电网具有较强优势,在可再生能源等多能源接入应用中引起了高度重视,可避免多端柔性直流电网中各子系统争夺电压控制权问题2。

多端柔性直流电网系统构成一种典型多端柔性直流电网结构如图1所示。它由可再生能源单元、负载(直流成交流)、储能单元、辅助供电单元(公共电网或独立发电机等)、通信线路以及各种变换器等构成。可再生能源通过变换器、采用最大功率跟踪控制技术接人柔性直流电网;储能单元通过双向变换器与柔性直流电网互联,协调系统功率平衡。

公共直流电压协同控制利用多端柔性直流电网的公共直流电压作为公共信息派,在不同运行工况下,把电压控制在3个不同的参考值:最大参考值、中间参考值、最小参考值。当储能单元能够调节系统功率平衡时,储能单元将公共直流电压控制在中间参考值;当储能单元放电电能不足时(比如放电电流达到限值),辅助供电单元将公共直流电压控制在最小参考值;当储能单元充满或充电电流达到限值时,可再生能源单元将退出最大功率控制模式,进入电压控制模式将公共直流电压控制在最大参考值。

储能单元控制模式

储能单元可以调节系统功率平衡时,由其控制柔性直流电网电压;反之,退出对柔性直流电网电压的控制。基本控制原理如图3所示。其中,UAbus为图1中A点电压;Ubat为储能单元端电压;Ibat为储能单元电流;Ilim为电流限值。为了简化分析,假设储能单元充放电电流限值大小一样。

该单元通过电压和电流调节器将柔性直流电网电压控制在Unormbusref(中间参考值);电流调节器具有限流功能,限制储能单元充放电流|Ibat|不大于Ilim;过度充放电检测部分控制储能单元避免出现过度充放电;判断与选择部分根据输入信号进行判断并选择相应的控制信号(如图2(a)),实现不同控制模式。

1)电网电压控制模式储能单元调节系统功率平衡时,即电压调节器输出没有达到充放电电流限值Ilim.储能单元通过吸收多余功率或释放不足的功率,将柔性直流电网电压(图1中A点)控制在Unormbusref此时,限流功能和过度充放电保护功能退出工作。

2)限流运行模式如果注入柔性直流电网功率过大或过小,电压调节器的输出将达到储能单元电流限值Ilim,储能单元充放电电流将被限制在Ilim。电压调节器将失去对柔性直流电网电压的控制。此时,根据电网电压情况,辅助供电或可再生能源单元将分别实现对直流电网电压的控制,即:

(1)当注入柔性直流电网功率小于负载需求,同时储能单元放电电流达到限值Ilim时,电网电压将会持续降低,直至降低至最小参考值Uminbusref。辅助供电单元检测到电网电压降至下最小参考值时,将自动启动控制电网电压。

(2)当注入柔性直流电网功率过大,储能单元充电电流达到限值Ilim时,电网电压将升高。当其升高至最大参考值Umaxbusref时,可再生能源单元退出最大功率控制模式,进入电网电压控制模式,将电网电压控制在最大值Umaxbusref。

3)停止运行模式过度充放电检测单元检测储能单元电压和电流,当发现过度充放电时,停止储能单元对电网电压的控制2。

辅助供电单元控制模式

当辅助供电单元检测到柔性直流电网电压降低至最小参考值Uminbusref时,启动工作仅向电网注入功率(并不从电网吸收功率)。为了避免辅助供电单元频繁地启停,采用迟滞比较方法,根据迟滞比较器的输出,辅助供电单元也有两种运行控制模式,基本原理如图4所示。其中Iauxi是辅助单元输出电流。控制流程图如图2(b)所示。

1)停止运行模式(—1模式)

当电网电压处于最小参考值以上时,辅助供电单元不工作。电网电压将由储能单元或可再生能源单元控制。

2)电网电压控制模式(1模式)

当注入电网的功率之和无法满足负载需求,电网电压将持续降低。当其降至最小参考值时.辅助供电单元启动工作、通过单向AC/DC变换器向直流电网注入一定量的电流Iauxi,将电网电压控制在最小参考值y。在电网电压控制模式下,如果可再生能源的输出功率增加,那么辅助供电单元向电网注入的功率将逐渐地减少;当电流Iauxi降至零时,辅助供电单元进入停止运行模式3。

可再生能源单元控制模式

可再生能源单元既要实现对可再生能源的最大跟踪控制,也要实现将柔性直流电网电压UBbus(图1中B点)控制在最大参考值。可再生能源单元控制模式基本原理如图5所示。其中Ii是该发电单元注入柔性直流电网的电流,控制流程图如图2(c)所示。为了避免最大功率跟踪控制模式和电网电压(电压下垂法)控制模式之间的频繁切换,采用迟滞比较方法。

1)电网电压控制模式(—1模式)

当储能单元充满,且可再生能源单元注入电网的功率不断增加时,储能单元无法控制电网电压,造成电网电压持续升高。为了避免电网电压继续升高,各可再生能源单元将自动从最大功率跟踪控制模式改变为电压下垂控制模式,将电网电压控制在最大参考值。

2)最大功率控制模式(1模式)

当注入电网电能不足以满足负载需求时,电网电压会低于最大参考值,可再生能源单元将退出对电网电压的控制模式而进人最大功率跟踪控制模式。在这种情况下,电网电压将由储能单元控制在中间参考值,或由辅助供电单元控制在最小参考值4。