一體化智能電網(wǎng)中模塊化功能單元的設計與實現(xiàn)

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(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611231；2.四川明星電力股份有限公司信通公司，四川 遂寧 629000)

一體化智能電網(wǎng)中模塊化功能單元的設計與實現(xiàn)

王珂濤1，廖兵2

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611231；2.四川明星電力股份有限公司信通公司，四川 遂寧 629000)

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)復雜度的不斷增加，其運行和控制相比傳統(tǒng)電網(wǎng)而言面臨著巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)需要一方面實現(xiàn)各組件之間的協(xié)調(diào)運行;另一方面也要實現(xiàn)各自“即插即用”的模塊化運行功能，由此實現(xiàn)在一體化智能系統(tǒng)引導下的模塊化靈活運行模式。為此給出了一體化智能系統(tǒng)中模塊化功能單元設計和實現(xiàn)的具體方法。首先，從模塊化功能單元彼此之間協(xié)調(diào)運行的角度入手，以阻抗匹配特性作為系統(tǒng)穩(wěn)定運行的判定標準；其次，從網(wǎng)側(cè)交互穩(wěn)定運行的角度入手，給出了對變換器網(wǎng)側(cè)阻抗的估算方法。從理論上分析了上述方法的工作原理，而后利用Matlab/Simulink搭建了包含多臺并聯(lián)模塊化單元的仿真模型，驗證了上述所提出的模塊化功能單元在一體化智能電網(wǎng)中的應用。

智能電網(wǎng)；模塊化運行；阻抗匹配；高頻諧波注入

0 引 言

隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中使用率的不斷提高，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的改變。與此同時，人們對于環(huán)境污染、能源來源等方面需求的不斷加深，進一步加速了能源形式的改變[1-3]。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)以大型發(fā)電機為主要供電單元，而負荷多為感應電機、照明等常規(guī)負載形式，因此其在結(jié)構(gòu)和復雜度方面相對現(xiàn)代電力系統(tǒng)而言更為簡單。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，不僅僅包含傳統(tǒng)的發(fā)電和用電設備。從發(fā)電側(cè)的角度講，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中一方面包含傳統(tǒng)的發(fā)電機等供電單元，同時存在光伏、風電、燃料電池以及電池儲能等多種新型的能源形式[4-6]。上述新型的能源形式不僅在時間尺度上和傳統(tǒng)的發(fā)電單元具有動態(tài)過程上的差別，而且在輸出功率方面存在隨機性特點，即其可以提供的功率隨著光照、風強等方面的因素會發(fā)生波動性變化。從負荷側(cè)角度講，現(xiàn)代電力系統(tǒng)在傳統(tǒng)的感應電機、照明等常規(guī)負荷的基礎上，增加了多種其他的負荷形式，其一方面包括具有阻抗性質(zhì)的電阻型負載；另一方面包括具有恒功率性質(zhì)的功率型負載，因此負載的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程也更為復雜[7-8]。

為了對上述日益復雜化的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行研究，實現(xiàn)有效的建模和控制，學者們提出了智能電網(wǎng)的概念，以便對現(xiàn)代電網(wǎng)進行有效調(diào)度和管理[9-12]。概括來講，智能電網(wǎng)可以看作是對新型能源結(jié)構(gòu)的區(qū)域化匯總，對傳統(tǒng)電網(wǎng)的劃分管理，在每一部分中實現(xiàn)電源側(cè)和負載側(cè)的功率平衡，同時滿足穩(wěn)定性運行的需要。需要指出的是，由于大量的新型能源形式，如光伏、風電等，廣泛存在于智能電網(wǎng)之中，且其滿足分布式接入的特點，因此智能電網(wǎng)具有分散化特點，在控制和建模等方面也更為復雜。與此同時，為了有效地管理各種新能源發(fā)電單元和各類新型負載，通常需要引入電力電子接口電路，利用并聯(lián)運行的接口電路實現(xiàn)不同單元的分布式運行。在此基礎上，為了實現(xiàn)對智能電網(wǎng)的有效管理，學者們提出了基于接口電路的多種分布式控制方法。具體來講，分布式控制方法基于本地信息，實現(xiàn)模塊化運行，滿足各個模塊之間以及模塊和網(wǎng)側(cè)之間的穩(wěn)定性要求。

從功能的角度講，模塊化運行單元實現(xiàn)以下幾方面的要求：

1) 實現(xiàn)本地電壓及電流的控制，滿足諧波和不對稱度方面的標準要求；

2) 實現(xiàn)并網(wǎng)和離網(wǎng)運行控制，同時實現(xiàn)兩種運行模式下的靈活切換；

3) 實現(xiàn)對系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的監(jiān)測和在線實時評估，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行；

4) 實現(xiàn)低電壓穿越、本地無功補償、黑啟動等輔助性功能。

在滿足上述本地功能的基礎上，模塊化單元還需要通過和網(wǎng)側(cè)的信息交互，實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)狀態(tài)的監(jiān)測，一方面實現(xiàn)在本地故障時的自身快速切除，以避免對外部大系統(tǒng)的擾動；另一方面也要在網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)故障時提供緊急支援，實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率的補給。

為了確?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的可靠運行，在模塊化功能單元的各項性能要求中，最為重要的一點在于系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)測和評估，包括各模塊化功能單元之間的穩(wěn)定性判定；也包括模塊化功能單元和外部電網(wǎng)之間的穩(wěn)定性判定。在滿足上述兩方面穩(wěn)定性要求的基礎上，整體系統(tǒng)的供電質(zhì)量才能得以保證[13-16]。

在分析現(xiàn)代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎上，首先介紹了模塊化功能單元的需求和特點，而后著重分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題，包含兩方面的內(nèi)容，即各功能模塊之間的穩(wěn)定運行判定和模塊與網(wǎng)側(cè)之間的交互穩(wěn)定性判定。在模塊之間穩(wěn)定性判定的過程中，引入了阻抗匹配的思想[17-18]，利用分析得到的變換器的輸出阻抗，利用阻抗匹配判定原理實現(xiàn)對并聯(lián)運行的各模塊單元穩(wěn)定性的判斷。上述方法對于多變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有很好的檢測和判定效果。通過對輸出阻抗的實時檢測，可以有效地判斷多變換器系統(tǒng)的阻抗特性是否滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求；同時，可以進一步計算得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，確保整體運行效果滿足設計要求。在模塊和網(wǎng)側(cè)之間穩(wěn)定性判定的過程中，利用高頻諧波注入的方法，實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)阻抗的監(jiān)測。當網(wǎng)側(cè)阻抗過大的時候，本地系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度會大幅降低，因此會產(chǎn)生并網(wǎng)過程中失穩(wěn)情況的出現(xiàn)?；诟哳l注入的方法，通過對本地模塊化功能單元的輸出電壓和并網(wǎng)電流的傅里葉分析，提取所需要的頻率分量，以實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)阻抗的在線估算，進而實現(xiàn)對本地功能性模塊單元和網(wǎng)側(cè)交互過程中的穩(wěn)定裕度的在線監(jiān)測。

1 模塊化單元功能分析

智能電網(wǎng)中的模塊化功能單元適用于多種發(fā)電和用電組件，例如：光伏、風電、燃料電池、儲能、主動性負載等，其示意結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出，智能電網(wǎng)中的各個單元實現(xiàn)模塊化運行，因此可以有效地降低控制復雜度。與此同時，各單元基本上均需要利用接口電路連接到公共母線，因此可以增加對電能質(zhì)量額外的控制自由度，且可以實現(xiàn)各類輔助功能。

圖1 智能電網(wǎng)中模塊化功能單元的結(jié)構(gòu)

從功能的角度講，智能電網(wǎng)中的模塊化功能單元一方面需要實現(xiàn)本地功能需求；另一方面需要實現(xiàn)本地和網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)的運行要求，示意結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了實現(xiàn)對后續(xù)穩(wěn)定性的評估，對圖1的結(jié)構(gòu)可以進行簡化，簡化結(jié)果采用戴維南等效電路，如圖3所示。從圖3可以看出，穩(wěn)定性的判定需要從兩方面進行，其一在于各個模塊之間的穩(wěn)定性評定，通過各模塊之間輸出阻抗的匹配關系實現(xiàn)；其二在于本地模塊和網(wǎng)側(cè)交互過程中的穩(wěn)定性評定，通過觀測網(wǎng)側(cè)阻抗值實現(xiàn)。

圖2 智能電網(wǎng)中模塊化單元功能

圖3 模塊化功能單元簡化模型

2 模塊化單元間穩(wěn)定運行分析

為了實現(xiàn)對模塊化功能單元彼此之間穩(wěn)定性的評估，需要得到各模塊的輸出阻抗，進而利用阻抗匹配原理實現(xiàn)對穩(wěn)定性的判定。

對于發(fā)電單元的輸出阻抗，首先需要確定發(fā)電單元的控制結(jié)構(gòu)。具體來講，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，本地輸出電壓和電流采用比例-諧振(proportional-resonant，PR)控制，其結(jié)構(gòu)形式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中，Gprv和Gprc分別為電壓和電流的比例-諧振控制器。

圖4 模塊化單元控制結(jié)構(gòu)

在分析控制結(jié)構(gòu)的基礎上，可以推導得到模塊的輸出阻抗，其表達式為

(3)

式中：L和C分別為濾波器的電感和電容值；r1為電感串聯(lián)電阻；kp和ki分別為控制器比例和諧振項系數(shù)。

對于負載側(cè)的阻抗，可以分為兩方面推導得到：對于恒阻抗負載，其阻抗計算方法如式(4)所示；而對于恒功率負載，其阻抗計算方法如式(5)所示。

(4)

(5)

為了實現(xiàn)對于并聯(lián)模塊彼此之間穩(wěn)定性的分析，此處需要使用阻抗匹配的判定方法。具體來講，電源側(cè)模塊的阻抗和負載側(cè)模塊的阻抗需要代入式(6)所示的判定表達式。

Z=(1+Zload/Zsource)-1

(6)

若式(6)所示表達式的極點均在頻域內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)域，則系統(tǒng)阻抗匹配得以實現(xiàn)，即系統(tǒng)穩(wěn)定性得以保證。此處所使用的是閉環(huán)極點穩(wěn)定性判據(jù)。當且

圖5 式(5)極點軌跡隨模塊輸出阻抗變化情況

僅當系統(tǒng)所有閉環(huán)極點均處于s域左半平面時，系統(tǒng)穩(wěn)定。以包含兩個模塊化單元的系統(tǒng)為例，在一個模塊的輸出阻抗變化的情況下，式(6)的極點變化情況如圖5所示?？梢钥闯?，通過合理設計模塊的輸出阻抗，可以有效地確保模塊之間的穩(wěn)定性運行要求。

3 模塊化單元和網(wǎng)側(cè)交互影響穩(wěn)定性分析

上面分析了模塊化功能單元彼此之間的穩(wěn)定性問題，下面進一步分析模塊化功能單元和網(wǎng)側(cè)交互部分的穩(wěn)定性情況。

這里采用基于高頻諧波注入的方法，即在變換器的輸出電壓中疊加具有很小幅值的高頻諧波，通過傅里葉分析方法，提取模塊輸出電壓和并網(wǎng)電流之中所需要的諧波分量，進而實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)阻抗的在線監(jiān)測。為了確保本地模塊在網(wǎng)側(cè)交互的過程中系統(tǒng)穩(wěn)定，需要保證上述監(jiān)測得到的阻抗值小于預設閾值。

注入的高頻信號具有如下形式：

vinject=Ainjectsin(ωht)

式中：Ainject為注入信號的幅值(小信號)；ωh為注入信號的頻率(高頻)。

而所使用的信號提取方法為

(7)

在此基礎上，利用式(7)所示的信號提取方法，對模塊輸出電壓和并網(wǎng)電流進行特定次諧波的提取，而后基于提取出的信號可以計算得到網(wǎng)側(cè)阻抗，計算方法為

(8)

式中，Vh和Ih分別為模塊輸出電壓和電流在注入諧波頻率的幅值。

為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定，需要限定網(wǎng)側(cè)阻抗小于預定閾值，即滿足

Rg≤Rgmax，Lg≤Lgmax

(9)

4 仿真驗證

為了對上述模塊化功能系統(tǒng)進行有效驗證，利用Matlab/Simulink搭建了系統(tǒng)級仿真模型。模型中包含4組功能模塊，其中2組為源邊側(cè)模塊，2組為負載側(cè)模塊，同時本地公共母線和外部電網(wǎng)相連。

圖6 源邊側(cè)阻抗增大時的并網(wǎng)電流波形

圖7 負載側(cè)阻抗減小時的并網(wǎng)電流波形

案例1：模塊間的穩(wěn)定性判定

如圖6所示，當源邊側(cè)1號模塊的輸出阻抗增大時，系統(tǒng)在阻抗超過閾值時失穩(wěn)；如圖7所示，在負載側(cè)3號模塊的輸入阻抗減小時，系統(tǒng)在阻抗超過閾值時失穩(wěn)。

案例2：模塊和網(wǎng)側(cè)交互過程中的穩(wěn)定性判定

利用所提到的網(wǎng)側(cè)阻抗監(jiān)測方法，計算得到的網(wǎng)側(cè)阻抗如圖8和圖9所示。當網(wǎng)側(cè)阻抗小于閾值時，如圖8所示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定；而當網(wǎng)側(cè)阻抗大于閾值時，如圖9所示，系統(tǒng)運行失穩(wěn)。

圖8 網(wǎng)側(cè)阻抗較小時的并網(wǎng)電流波形

圖9 網(wǎng)側(cè)阻抗較大時的并網(wǎng)電流波形

5 結(jié) 論

在分析智能電網(wǎng)中模塊化功能結(jié)構(gòu)的基礎上，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了詳細的分析。具體來講，給出了各個模塊之間的穩(wěn)定性判定方法以及模塊和網(wǎng)側(cè)之間的穩(wěn)定性判定方法。在模塊化之間的穩(wěn)定性分析過程中，利用阻抗匹配方法監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而在本地模塊和網(wǎng)側(cè)的交互過程中，利用監(jiān)測網(wǎng)側(cè)阻抗的方法對穩(wěn)定性進行判定。其中，對于網(wǎng)側(cè)阻抗的監(jiān)測利用高頻信號注入和傅里葉頻域信號提取實現(xiàn)。仿真結(jié)果驗證了模塊化結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性評估方法的有效性。

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With the development of the complexity of modern power system, its control and operation are facing great challenges compared to the conventional power system. Coordinated control of parallel functional units in modern power system should be satisfied. Meanwhile, "plug-and-play" should be achieved for each unit. Hence, the flexible operation and modular design should be realized in modern smart grid. In order to fulfill the above-mentioned requirements, the integrated design and implementation for modern smart grid is presented. Firstly, as viewed from the coordinated control of different modular functional units, the impedance matching is taken as the criterion. Secondly, as viewed from the interaction between the local inverter and external utility grid, the estimation method for grid impedance is proposed. Theoretical analysis is carried out, and then the simulation model composed of multiple parallel inverters is established with Matlab/Simulink, which is implemented to verify the effectiveness of the proposed method.

smart grid; modular design; impedance matching; high-frequency harmonic injection

TM71

A

1003-6954(2017)06-0039-05

王珂濤(1974)，碩士、講師、工程師，目前主要從事信息理論和信息新技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用研究及教學，重點研究方向為人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用以及電力系統(tǒng)故障分析與診斷。

2017-06-24)