可控負(fù)荷對(duì)直流配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)抑制策略

張 力，趙巧娥，段俐存，肖逸軒，任建龍

（山西大學(xué) 電力工程系，太原 030006）

隨著能源危機(jī)的和環(huán)境問(wèn)題的惡化，可再生能源得到國(guó)際社會(huì)和各國(guó)政府的高度重視?？焖僭黾拥男履茉礉B透率，使傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)表現(xiàn)出很大的局限性，而直流配電網(wǎng)可充分適應(yīng)高滲透率的新能源接入[1-2]。此外，直流配電網(wǎng)還具有電能質(zhì)量高，在一定線路絕緣水平下輸電容量大，輸電損耗低等優(yōu)勢(shì)[3]，使其在未來(lái)配電網(wǎng)的發(fā)展中具有廣闊的前景。然而，在典型的直流系統(tǒng)中，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)慣性的支撐，存在很大輸出波動(dòng)的新能源直接并入配電網(wǎng)，往往引起并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)。此外，母線電壓的大幅波動(dòng)會(huì)影響許多分布式發(fā)電單元的使用壽命，還會(huì)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的最大功率跟蹤造成很大的干擾[4-5]。由此，有必要對(duì)直流配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的形成機(jī)理及其抑制做進(jìn)一步研究。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電壓波動(dòng)抑制的研究通常從電源側(cè)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，而從負(fù)荷側(cè)控制方式還鮮有研究。從電源側(cè)來(lái)看，目前比較成熟的控制方法有電壓裕度控制、下垂控制和主從控制[6-8]。從負(fù)荷側(cè)來(lái)看，一些非關(guān)鍵負(fù)荷也可以承擔(dān)調(diào)壓工作，利用可控負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)來(lái)提升母線電壓的穩(wěn)定性?？煽刎?fù)荷可作為一個(gè)新的維度來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率的平衡。為平抑高滲透率下的直流配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，在此提出一種負(fù)荷側(cè)多可控負(fù)荷協(xié)調(diào)控制調(diào)壓策略。

1 直流配電系統(tǒng)的構(gòu)成

所研究的直流配電系統(tǒng)如圖1所示，采用了典型的“手拉手”兩端配電型結(jié)構(gòu)，可提高供電的可靠性。2個(gè)與交流主網(wǎng)相連的電壓源換流器VSC（voltage source converter），作為主電源提供系統(tǒng)的基荷并提供電壓支撐。在配電系統(tǒng)內(nèi)部有2種可控負(fù)荷，可以吸收靈活的功率，在負(fù)荷側(cè)提供一定的調(diào)壓能力。為了最大程度利用新能源發(fā)電，故不考慮光伏風(fēng)電等新能源發(fā)電的調(diào)壓能力，使其始終以最大功率運(yùn)行。

圖1 直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 DC distribution system structure

2 電壓波動(dòng)抑制策略

2.1 直流配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的成因及其傳播

在圖1中，由于新能源的輸出功率會(huì)隨著外界條件的變化而變化，負(fù)荷消耗的功率也存在很大的隨機(jī)性。波動(dòng)的功率會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的電壓。各節(jié)點(diǎn)電壓受系統(tǒng)潮流分布的影響，數(shù)值并不相同，具有節(jié)點(diǎn)電源注入功率越大，則節(jié)點(diǎn)電壓水平越高；節(jié)點(diǎn)負(fù)荷吸取功率越大，則節(jié)點(diǎn)電壓水平越低的電壓分布特點(diǎn)。

供電用電的不平衡產(chǎn)生波動(dòng)的不平衡功率會(huì)在直流線路阻抗上產(chǎn)生波動(dòng)的電壓降，因此節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)會(huì)向相鄰節(jié)點(diǎn)傳播。節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷電阻、該節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的線路電阻共同構(gòu)成了影響節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)的放大系數(shù)。為了對(duì)波動(dòng)的電壓就地平抑，有必要分析研究負(fù)荷側(cè)抑制電壓波動(dòng)的控制原理。

2.2 可控負(fù)荷

常見的可控負(fù)荷包括空調(diào)、冰箱、熱水器等儲(chǔ)熱負(fù)荷；電解水制氫、電制天然氣等儲(chǔ)氣負(fù)荷；一些地區(qū)還有海水淡化等儲(chǔ)水負(fù)荷。這些可控負(fù)荷的端電壓可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，當(dāng)其端電壓發(fā)生變化時(shí)，它消耗的功率也隨之改變。文中根據(jù)不同可控負(fù)荷不同的數(shù)學(xué)模型和物理特性，將可控負(fù)荷分為2類。

如圖1所示，可控負(fù)荷A為電解水制氫的儲(chǔ)氣負(fù)荷，即電解槽；可控負(fù)荷B為城市儲(chǔ)熱負(fù)荷、照明負(fù)荷等?？煽刎?fù)荷A的響應(yīng)時(shí)間為s級(jí)，但可調(diào)容量較大，可控負(fù)荷B的響應(yīng)時(shí)間很短，但可調(diào)容量有限。所以，可控負(fù)荷A主要調(diào)節(jié)長(zhǎng)周期、大容量的功率變化，而可控負(fù)荷B主要調(diào)節(jié)短時(shí)間的小容量的負(fù)荷變化，以彌補(bǔ)可控負(fù)荷A動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的不足。

可控負(fù)荷A，即堿性電解槽，是發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟的電解制氫裝置。其總的化學(xué)方程式為

為便于研究，忽略電解槽正常工作時(shí)的溫度改變和溶液濃度改變，得到外特性U-I關(guān)系：

式中：U為電解槽外加電壓；V0為分解電壓；a為電解系數(shù)，由電解槽濃度、溫度等因素決定；R0為電解槽內(nèi)阻。電解槽外特性曲線如圖2所示。由圖可見電解槽電壓超過(guò)分解電壓后呈線性關(guān)系。

圖2 電解槽外特性曲線Fig.2 Characteristic curve of electrolyzer

電解槽工作在線性區(qū)時(shí)的等效電路模型如圖3所示。圖中電感L用于模擬電解槽的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖3 可控負(fù)荷A電路模型Fig.3 Controllable load a model

而可控負(fù)荷B，即RLB為城市儲(chǔ)熱負(fù)荷、照明負(fù)荷、儲(chǔ)水負(fù)荷等，等其效電路可用電阻RLB來(lái)表示。

2.3 可控負(fù)荷控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)可控負(fù)荷A和B，因其工作特性不同，需用不同拓?fù)涞目刂齐娐废噙B接。

可控負(fù)荷A，即電解槽的分解電壓V0約為1400 V，而直流母線電壓和新能源出口電壓均比較低，要求向電解槽提供輸入的電氣彈簧具有較高的電壓增益。傳統(tǒng)的BOOST電路具有很大的局限性?？煽刎?fù)荷A的控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，其2種運(yùn)行模式如圖5所示。

圖4 可控負(fù)荷A控制電路Fig.4 Controllable load A control circuit

圖5 開關(guān)模式Fig.5 Switching modes

開關(guān)模式1開關(guān)管V1和V2導(dǎo)通，二極管VD1承受反壓關(guān)斷。此時(shí)，電路中電源側(cè)的2個(gè)電感和電容并聯(lián)，電源對(duì)其充電，負(fù)載由C2供電。

開關(guān)模式2開關(guān)管V1和V2關(guān)斷，二極管VD2承受反壓關(guān)斷。電路中電感L1和L2、電源、電容C1串聯(lián)，經(jīng)VD1向負(fù)載供電，同時(shí)向電容C2充電。

2個(gè)開關(guān)管同步工作，令其導(dǎo)通占空比為d1，二極管VD1的導(dǎo)通占空比為d2。電感L1和L2在1個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，電流的增加量等于電流的減小量。在開關(guān)模式1時(shí)，電感L1的伏安方程為

得電感L1電流增加量為

在開關(guān)模式2時(shí)，電感L1伏安方程為

得電感L1電流減小量為

聯(lián)立式（4）和式（6），得電氣彈簧的電壓增益為

該電路中電感電壓應(yīng)力、平均電流更低，可以減小電感節(jié)約成本。在占空比為0.5時(shí)，電壓增益便可達(dá)到4倍左右。設(shè)電解槽最大功率運(yùn)行時(shí)的電壓為ULAmax，電流為ILAmax，那么電解槽消耗功率PLA的范圍為

電解槽消耗功率變化范圍大，但響應(yīng)時(shí)間相對(duì)稍長(zhǎng)，所以需要可控負(fù)荷B快速吸納動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)的功率，電氣彈簧B控制可控負(fù)荷B的電路拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 可控負(fù)荷B控制電路Fig.6 Controllable load B control circuit

控制可控負(fù)荷B的控制電路工作于斬波降壓模式，控制負(fù)荷電壓uLB參與系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)，通過(guò)改變其占空比D來(lái)改變可控負(fù)荷的取用功率，當(dāng)其消耗的波動(dòng)功率等于節(jié)點(diǎn)的波動(dòng)功率時(shí)，可保持節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。

令可控負(fù)荷B的端電壓可調(diào)范圍為

其可調(diào)功率范圍為

式中：UNB，PNB分別為可控負(fù)荷B的額定電壓和額定功率。從輸出端看進(jìn)去的等效電阻為

其虛擬電阻為

可控負(fù)荷B的調(diào)壓能力有限，但可以快速響應(yīng)電壓變化，可以與可控負(fù)荷A相互配合，協(xié)同抑制系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。

綜上所述，2種控制電路的本質(zhì)在于：控制可控負(fù)荷的虛擬電阻Rvir和負(fù)荷電壓uL來(lái)改變等效負(fù)荷電阻，使得負(fù)荷消耗的功率跟隨節(jié)點(diǎn)的波動(dòng)功率，進(jìn)而抑制電壓波動(dòng)。

3 仿真分析

在MatLab/Simulink中建立圖1所示的直流配電網(wǎng)仿真模型。其中采用定電壓控制的VSC1用400 V的直流電壓源作為簡(jiǎn)化模型，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)額定電壓為380 V，等效負(fù)荷電阻20 Ω，線路電阻均為1 Ω。擾動(dòng)設(shè)置為：0.1 s時(shí)，光伏電池的光照強(qiáng)度由1000 W/m2下降為800 W/m2；0.2 s時(shí)，光照強(qiáng)度上升為1200 W/m2；0.3 s時(shí)模擬負(fù)荷功率突增，接入等效電阻為100 Ω的負(fù)荷。

光伏電池在24℃恒溫度時(shí)，在給定擾動(dòng)下的輸出功率如圖7所示，由圖可見光照強(qiáng)度和輸出功率的正向關(guān)聯(lián)?？煽刎?fù)荷控制電路不工作，VSC2額定功率輸出如圖8所示。由圖可見，由于沒(méi)有可控負(fù)荷的調(diào)節(jié)，新能源輸出功率的波動(dòng)和負(fù)荷的變化均使得負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓大幅度波動(dòng)。

圖7 光伏輸出功率變化Fig.7 Photovoltaic output power change

圖8 負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行電壓變化Fig.8 Voltage of load independent operation

在相同的擾動(dòng)設(shè)置下，啟動(dòng)可控負(fù)荷控制電路來(lái)調(diào)節(jié)電壓。系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓變化如圖9所示，可見負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)得到了明顯的抑制，基本使電壓保持在了額定值。由圖9還可見在0.1 s時(shí)，因?yàn)楣夥隽p小，可控負(fù)荷的端電壓明顯降低，從248 V降低到240 V左右，減小了吸收的功率，以維持電壓穩(wěn)定；0.2 s時(shí)，光伏出力增加，此時(shí)可控負(fù)荷的端電壓也相應(yīng)上升為257 V，增加了吸取的功率，響應(yīng)光伏出力的變化；0.3 s時(shí)，系統(tǒng)重載，負(fù)荷功率突增，可控負(fù)荷端電壓明顯減低，最后保持在220 V左右，大幅度減小了可控負(fù)荷吸收的功率，保持了負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，有效地抑制電壓波動(dòng)。

圖9 系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓變化Fig.9 Voltage variation in normal operation of the system

仿真分析結(jié)果表明：①采用一定容量的可控負(fù)荷參與調(diào)壓的直流配電網(wǎng)在新能源出力波動(dòng)和負(fù)荷突變時(shí)均能穩(wěn)定工作，基本可以保持直流電壓在額定值；②由于有可控負(fù)荷對(duì)波動(dòng)功率的響應(yīng)，減小了直流配電網(wǎng)對(duì)交流主網(wǎng)的功率沖擊，有效抑制了新能源高滲透率下直流配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在此提出了負(fù)荷側(cè)多可控負(fù)荷協(xié)調(diào)控制的調(diào)壓策略，對(duì)可控負(fù)荷根據(jù)數(shù)學(xué)、物理特性的不同做分類，并對(duì)不同類型的可控負(fù)荷建模，將所設(shè)計(jì)的不同控制電路與不同的可控負(fù)荷相連接，完成負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)。利用仿真軟件驗(yàn)證了所提策略的有效性，為直流配電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)行提供了新的思路。