丁潤(rùn)初,史書(shū)懷,2,卓放,王豐
(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,河南 鄭州 450052)
近十五年來(lái),在全球范圍內(nèi),直流電網(wǎng)的研究進(jìn)入快車(chē)道。中國(guó)陸續(xù)建設(shè)了多條±800 kV,±500 kV直流輸電線(xiàn)路,為直流輸電網(wǎng)的建設(shè)打下了基礎(chǔ)[1-2]。而小型適配器、充電樁、軌道列車(chē)、光伏小鎮(zhèn)等研究也豐富了直流微網(wǎng)、直流用電網(wǎng)等的研究發(fā)展[3-4]。但居于輸電網(wǎng)和用電網(wǎng)之間的直流配電網(wǎng)絡(luò)在近四、五年才陸續(xù)開(kāi)展研究。直流配電網(wǎng)由于涉及到新能源的并網(wǎng)、多級(jí)輸電網(wǎng)匯入、用電功率分配等多種功能,因此其應(yīng)用場(chǎng)景是直流網(wǎng)絡(luò)里最為多樣和復(fù)雜的[5]。直流變壓器作為直流輸配電網(wǎng)中的核心設(shè)備,承擔(dān)電壓等級(jí)變換、功率傳輸、故障隔離等作用。故而直流變壓器的多場(chǎng)景適應(yīng)性也是核心研究點(diǎn)之一。
輸入側(cè)為單極、輸出側(cè)為真雙極的應(yīng)用場(chǎng)景就是其中的一種。單極和真雙極是直流輸配電中最常用的兩種結(jié)構(gòu)。單極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但系統(tǒng)可靠性弱。真雙極結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,但增加了系統(tǒng)的可靠性[6]。一般情況下輸入和輸出均為單極或均為真雙極,便于直流變壓器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)與工程實(shí)施。但在實(shí)際工程中,由于地理?xiàng)l件的限制,或經(jīng)濟(jì)成本的考量,會(huì)出現(xiàn)一側(cè)單極一側(cè)真雙極的應(yīng)用場(chǎng)景。最典型的應(yīng)用是海島風(fēng)電傳輸。文獻(xiàn)[7-8]介紹了由于海島地理環(huán)境的限制,輸入側(cè)采用單極結(jié)構(gòu)。在城市示范區(qū)等區(qū)域,可用建設(shè)區(qū)域狹小,但又需要保證供電可靠性,也會(huì)出現(xiàn)輸入側(cè)單極、輸出側(cè)真雙極的應(yīng)用情況[9]。兩端拓?fù)洳粚?duì)稱(chēng)帶來(lái)的最大問(wèn)題是真雙極的正、負(fù)極之間負(fù)載不平衡時(shí)極易導(dǎo)致供電電壓不平衡,進(jìn)而增大某一極的設(shè)備使用壓力和設(shè)計(jì)容量。交流電網(wǎng)中出現(xiàn)負(fù)載不平衡時(shí),可以通過(guò)控制三相交流電的正負(fù)序電流來(lái)達(dá)到輸出電壓的平衡[10]。其根本原因是相當(dāng)于有三個(gè)單相電路并聯(lián)運(yùn)行。因此交流電網(wǎng)中治理負(fù)載不平衡的方法難以借鑒到直流電網(wǎng)中?,F(xiàn)有的直流變壓器拓?fù)鋵?duì)上述應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性也表現(xiàn)出不足。文獻(xiàn)[11-15]提及了多種直流變壓器拓?fù)洌p有源橋(dual-active-bridge,DAB)級(jí)聯(lián)型拓?fù)洹⒚鎸?duì)面(face-to-face,F(xiàn)2F)型拓?fù)洹⒆择钭儔浩魍負(fù)涞?。但這些拓?fù)涠际怯糜谳斎?、輸出?duì)稱(chēng)的場(chǎng)景。在實(shí)現(xiàn)海島電能傳輸時(shí),文獻(xiàn)[7]提出兩個(gè)DAB級(jí)聯(lián)型拓?fù)漭斎氩⒙?lián)、輸出串聯(lián)實(shí)現(xiàn)單極到真雙極的變換。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[8]為了減小設(shè)備成本,考慮在直流變壓器的交流變換環(huán)節(jié)并聯(lián)。依照文獻(xiàn)[16-17]的思路,上述幾種直流變壓器拓?fù)渚赏ㄟ^(guò)輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)單極到真雙極的變換。但該思路會(huì)增加幾乎一倍的設(shè)備成本。目前針對(duì)單極到真雙極場(chǎng)景的拓?fù)溲芯枯^少,有一些多端電力電子變壓器的應(yīng)用[15,18-19]可以借鑒。DAB級(jí)聯(lián)型拓?fù)渲械淖幽K換為三端口DC/DC子模塊,并將兩個(gè)輸出串聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)單極到雙極變換[18-19]。但其中高頻變壓器的設(shè)計(jì)、輸出串聯(lián)后子模塊之間的環(huán)流問(wèn)題,都未有深入的研究。
本文根據(jù)單極到真雙極變換時(shí)負(fù)載不平衡的特點(diǎn),提出一種新的直流變壓器拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案。在真雙極的兩極之間增加功率平衡系統(tǒng)(power balance system,PBS)。PBS只處理負(fù)載不平衡導(dǎo)致的不平衡功率,使兩極之間的差值功率通過(guò)PBS處理,從而減小整個(gè)直流變換環(huán)節(jié)的設(shè)備容量需求。最后在Matlab/Simulink中搭建了相應(yīng)的仿真模型并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了該方案的可行性。
圖1為本文所提直流變壓器與功率平衡系統(tǒng)拓?fù)洹?/p>
圖1 直流變壓器與功率平衡系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 DC transformer and power balance system
圖1中,單極直流輸入通常由電網(wǎng)接入或風(fēng)電、光伏等的新能源直流接入。負(fù)載1與負(fù)載2串聯(lián)后接入直流變壓器的輸出,兩負(fù)載之間引出地線(xiàn),由直流變壓器實(shí)現(xiàn)單極到真雙極的變換。負(fù)載1與負(fù)載2可以為低電壓等級(jí)直流電網(wǎng)、用電負(fù)荷等多種形式。直流變壓器為電壓控制型輸出,維持下級(jí)母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定,直流變壓器的輸出電壓為Udc,負(fù)載1、負(fù)載2的電壓、功率分別為Vout+,Vout-,Pout+,Pout-。當(dāng)負(fù)載1與負(fù)載2出現(xiàn)負(fù)荷不平衡的情況時(shí),兩者的串聯(lián)特性導(dǎo)致二者分壓不均,即無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)電壓輸出。圖1中深色部分為功率平衡系統(tǒng)PBS。系統(tǒng)的一端連接負(fù)載1,另一端連接負(fù)載2。當(dāng)負(fù)載1與負(fù)載2的電壓不平衡時(shí),PBS處理二者之間的差值功率,進(jìn)而使二者輸出電壓達(dá)到平衡。
圖2 單極到真雙極變換拓?fù)銯ig.2 The topology of unipolar to true bipolar
目前最為成熟的實(shí)現(xiàn)單極到真雙極變換的拓?fù)淙鐖D2所示。拓?fù)涫褂脙蓚€(gè)直流變壓器,在單極處并聯(lián),兩者的輸出串聯(lián),各自接負(fù)載,中間引出地線(xiàn)。
假設(shè)兩個(gè)負(fù)載平衡時(shí)每極功率Pout+=Pout-=P,P為額定功率;真雙極側(cè)的負(fù)載最大總功率設(shè)計(jì)為2P。目前直流電網(wǎng)并沒(méi)有定義不平衡度的公式,由于直流系統(tǒng)中負(fù)載1與負(fù)載2串聯(lián),因此負(fù)載、電壓、功率的不平衡度相等。本文定義系統(tǒng)極限情況下的功率不平衡度(power unbalance factor,PUF)為η:
式中:Pload為正極或負(fù)極的負(fù)載功率。
設(shè)定以下兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行比較。
0≤Pout+≤P,0≤Pout-≤P,即Pout+與Pout-都不會(huì)超過(guò)各自線(xiàn)路的額定功率。
在實(shí)際生活中,該情況表示負(fù)載1與負(fù)載2都只運(yùn)行在各自的設(shè)定區(qū)間,兩條線(xiàn)路不會(huì)互為備用,也不會(huì)出現(xiàn)各自過(guò)載的情況。此時(shí),圖1拓?fù)涞脑O(shè)備總設(shè)計(jì)功率:
式中:ηL1為負(fù)載1的功率不平衡度;ηL2為負(fù)載2的功率不平衡度。
圖2拓?fù)涞脑O(shè)備總設(shè)計(jì)功率為2P。
在場(chǎng)景1的設(shè)定下,由于兩個(gè)負(fù)載并不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載的情況,因此在圖1始終會(huì)多出來(lái)PBS處理不平衡功率,系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)功率會(huì)大于圖2拓?fù)?。該?chǎng)景設(shè)定下本文所提拓?fù)洳痪哂泄β试O(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。
0≤Pout++Pout-≤2P,0≤Pout+≤2P,0≤Pout-≤2P,即負(fù)載1和負(fù)載2的總運(yùn)行功率不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)的額定功率。但在不同的運(yùn)行時(shí)刻,某一個(gè)負(fù)載會(huì)出現(xiàn)過(guò)載的情況,在實(shí)際生活中,該情況表現(xiàn)為某一線(xiàn)路會(huì)突增負(fù)荷,或兩線(xiàn)路備用運(yùn)行的情況。此時(shí),圖1拓?fù)涞脑O(shè)備總設(shè)計(jì)功率如式(2)所示。
圖2拓?fù)涞脑O(shè)備總設(shè)計(jì)功率:
在場(chǎng)景2的設(shè)定下,由于兩個(gè)負(fù)載會(huì)在不同的時(shí)刻出現(xiàn)過(guò)載的情況,因此圖2中兩個(gè)直流變壓器的額定容量需要設(shè)計(jì)滿(mǎn)足過(guò)載功率,系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)功率將大于負(fù)載的總額定功率。而圖1拓?fù)涞闹绷髯儔浩魅灾恍枰獫M(mǎn)足負(fù)載的額定功率,系統(tǒng)的不平衡功率由PBS處理,即由一條支路向另一條支路補(bǔ)償部分功率。故而系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)功率要明顯小于使用兩個(gè)直流變壓器。由表1可以明顯看出,在場(chǎng)景2的設(shè)定條件下,含有PBS的直流變壓器拓?fù)淠軌驕p少設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率。
表1 拓?fù)渑c場(chǎng)景對(duì)比Tab.1 Topology and scene comparison
將場(chǎng)景2中兩種拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)容量進(jìn)行定量比對(duì),繪制成圖3所示的三維圖。
從圖3可以看出,在負(fù)載的最大總功率同為2P時(shí),在場(chǎng)景2下PBS具有明顯的功率設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)ηL1=ηL2=0時(shí),兩種拓?fù)湫枰墓β试O(shè)計(jì)容量相等,隨著負(fù)載不平衡程度的增大,含PBS拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。當(dāng)ηL1=ηL2=1時(shí),負(fù)載不平衡度最大,含PBS的直流變壓器拓?fù)湓O(shè)備需求容量為3P,雙變換器并聯(lián)拓?fù)涞脑O(shè)備需求容量為4P,采用PBS使直流變壓器的設(shè)備需求容量減少了25%。
如圖1所示的直流變壓器拓?fù)洳](méi)有固定的要求。本文以F2F型拓?fù)渥鳛槠渲兄绷髯儔浩鞯耐負(fù)?,如圖4所示。
圖4 F2F型直流變壓器拓?fù)銯ig.4 The topology of F2F DC transformer
圖4中,拓?fù)溆蓛蓚€(gè)模塊化多電平變換器(modular multilevel converter,MMC)組成,中間由中頻變壓器連接。每個(gè)MMC由4個(gè)橋臂組成,每個(gè)橋臂包含相同數(shù)目的半橋子模塊。根據(jù)輸入和輸出電壓等級(jí)的不同,2個(gè)MMC中每個(gè)橋臂的子模塊數(shù)目不同。
直流變壓器控制策略示意圖如圖5所示。F2F型直流變壓器經(jīng)DC/AC/DC變換,交流部分可輸出方波而非正弦波,用以增加傳輸功率。直流變壓器的輸出與設(shè)定值進(jìn)行比較,經(jīng)PI調(diào)節(jié)后,與一次側(cè)形成與傳輸功率相關(guān)的傳輸角。傳輸角度與傳輸功率成正比。然后對(duì)每個(gè)橋臂的各個(gè)子模塊進(jìn)行均壓計(jì)算,得到各子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào),確定直流變壓器中各器件的運(yùn)行狀態(tài)。
圖5 直流變壓器控制策略示意圖Fig.5 The schematic of the control strategy for DC transformer
功率平衡系統(tǒng)PBS主要用于處理正負(fù)極之間的不平衡功率,與直流變壓器主拓?fù)湎啾葌鬏敼β瘦^小,可采用較為簡(jiǎn)單的拓?fù)?。但功率平衡系統(tǒng)的兩端分別接負(fù)載1與負(fù)載2。在不同運(yùn)行工況下,功率的流向不同。負(fù)載1與負(fù)載2串聯(lián),為了保證不平衡功率能流經(jīng)PBS,拓?fù)浔仨毑捎酶綦x型拓?fù)?。綜上所述,用于PBS的拓?fù)湫枰獫M(mǎn)足如下條件:1)功率雙向流動(dòng);2)具有隔離能力。故而本文選擇DAB拓?fù)洌O(shè)計(jì)如圖6所示控制策略。
圖6 DAB拓?fù)涞目刂撇呗允疽鈭DFig.6 The schematic of the control strategy for DAB
DAB的兩端分別接負(fù)載1與負(fù)載2。二者的電壓信號(hào)進(jìn)行比較,其差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到功率傳輸?shù)囊葡嘟铅?。DAB的一側(cè)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng),另一側(cè)對(duì)應(yīng)橋臂由驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相δ進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。DAB的每側(cè)的1,4橋臂狀態(tài)相同,2,3橋臂狀態(tài)相同,1,2橋臂狀態(tài)相反。經(jīng)由該控制策略,負(fù)載1與負(fù)載2的電壓趨近于同一電壓。
在目前實(shí)際工程中直流變壓器主要采用DAB級(jí)聯(lián)型拓?fù)浜虵2F型拓?fù)?。?duì)于DAB級(jí)聯(lián)型拓?fù)洌琍BS的拓?fù)渑c其子模塊拓?fù)湟恢?,在設(shè)備需求容量降低的情況下整體的DAB子模塊數(shù)量減少,其造價(jià)必然降低。而F2F型拓?fù)涫沁m用于高電壓場(chǎng)景下的設(shè)備,功率器件多,造價(jià)高,使用DAB作為PBS對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的提升效果更好。因此,對(duì)于主流直流變壓器拓?fù)?,單位傳輸功率下的PBS造價(jià)不高于直流變壓器造價(jià),降低設(shè)備需求容量能夠節(jié)省成本,當(dāng)ηL1=ηL2=1時(shí),在只考慮主電路的情況下,設(shè)備成本至少降低了25%。
本文在Matlab/Simulink中搭建如圖1所示仿真模型。其中直流變壓器主拓?fù)涫褂米幽K為半橋模塊的F2F型拓?fù)?,功率平衡系統(tǒng)使用DAB拓?fù)?。?fù)載為電阻性負(fù)載。仿真模型的參數(shù)如下:輸入側(cè)母線(xiàn)電壓20 kV,直流變壓器輸出電壓6 kV,系統(tǒng)輸出電壓±3 kV,負(fù)載1電阻100 Ω或斷開(kāi),負(fù)載2電阻50 Ω或斷開(kāi)。
參考最新制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》[20],本文選取20 kV作為直流配電網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓,±3 kV作為直流輸出電壓。真雙極側(cè)的正負(fù)極負(fù)載分別設(shè)定為100 Ω和50 Ω,表示正負(fù)極之間負(fù)載不平衡情況。另外考慮系統(tǒng)的極限運(yùn)行情況,包括負(fù)載1斷路或者負(fù)載2斷路的情況。
圖7為負(fù)載1為100 Ω、負(fù)載2為50 Ω的仿真結(jié)果。由圖7可以看出,經(jīng)過(guò)短時(shí)間的電壓波動(dòng)調(diào)整后,輸出的正極和負(fù)極均趨向于同一電壓。由于直流變壓器的輸出電壓為6 kV,正負(fù)極的最終輸出電壓穩(wěn)定在±3 kV。兩極的電壓波動(dòng)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-5%~+5%之間。
圖7 負(fù)載不平衡時(shí)的電壓波形Fig.7 The voltage waveforms when load unbalanced
圖8為沒(méi)有PBS時(shí)系統(tǒng)的電壓輸出情況??梢钥闯?,沒(méi)有任何處理的情況下,負(fù)載的電壓受負(fù)載比例的影響。負(fù)載不平衡的極限情況為一個(gè)負(fù)載保持不變,另一個(gè)處于空載的情況,即負(fù)載1處于斷路或負(fù)載2處于斷路。
圖8 無(wú)PBS的電壓波形Fig.8 The voltage waveforms without PBS
圖9為具有PBS時(shí)負(fù)載1正常、負(fù)載2斷路時(shí)的電壓波形。圖10為具有PBS時(shí)負(fù)載1斷路、負(fù)載2正常時(shí)的電壓波形。由圖9、圖10可以看出,在某一極斷路的情況下,系統(tǒng)由于PBS的存在,輸出的兩極電壓經(jīng)過(guò)短時(shí)的調(diào)整,依然可以趨向于同一電壓,且兩極的電壓波動(dòng)也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。
圖9 負(fù)載2斷路時(shí)的電壓波形Fig.9 The voltage waveforms without load 2
圖10 負(fù)載1斷路時(shí)電壓波形Fig.10 The voltage waveforms without load 1
搭建具有PBS的直流變壓器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)的主電路由IGBT搭建,控制部分由dSPACE控制器完成。直流變壓器部分采用圖3所示的F2F型直流變壓器拓?fù)?,搭建的?shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示,能量平衡系統(tǒng)采用DAB拓?fù)?,由兩個(gè)H橋中間經(jīng)過(guò)高頻變壓器組成,H橋電路板如圖12所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:直流變壓器輸入電壓50 V,直流變壓器輸出電壓40 V,逆變側(cè)每橋臂模塊數(shù)4,整流側(cè)每橋臂模塊數(shù)4,負(fù)載1電阻25 Ω,負(fù)載2電阻 75 Ω。
圖11 DCT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 The experimental platform of DCT
圖12 H橋電路板Fig.12 The circuit board of H-bridge
實(shí)驗(yàn)得到圖13所示實(shí)驗(yàn)波形。兩個(gè)負(fù)荷的電壓分別為10 V和30 V。在t2時(shí)刻PBS投入運(yùn)行后,兩個(gè)電壓趨于一致。經(jīng)過(guò)短暫的系統(tǒng)調(diào)整后,兩個(gè)負(fù)荷的電壓趨向一致。實(shí)驗(yàn)的控制器使用半實(shí)物仿真系統(tǒng),由于控制步長(zhǎng)與控制精度的問(wèn)題,兩個(gè)負(fù)載的電壓沒(méi)有完全重合。
圖13 實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 The experiment waveforms
隨著直流發(fā)電單元的推廣,直流負(fù)荷的大量增加,處于傳輸關(guān)節(jié)的直流配電網(wǎng)研究成為重中之重。而源荷的多樣性又決定了直流配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求的多樣性。本文針對(duì)直流配電網(wǎng)中其中一種應(yīng)用場(chǎng)景——單極輸入到真雙極輸出的DC/DC變換,提出一種直流變壓器與功率平衡拓?fù)洌脕?lái)解決該應(yīng)用場(chǎng)景下負(fù)載不平衡的問(wèn)題。
1)將單極到真雙極變換場(chǎng)景下負(fù)載不平衡的情況分為兩種場(chǎng)景,討論了兩種場(chǎng)景下負(fù)載的運(yùn)行情況、直流變壓器的設(shè)計(jì)需求。
2)分析了直流變壓器在兩種場(chǎng)景下的冗余要求。在第二種場(chǎng)景中,本文所提直流變壓器與功率平衡拓?fù)渚哂泄β试O(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì),能夠減少DC/DC變換系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)需求。
3)對(duì)所提出的拓?fù)溥M(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證了本文所提拓?fù)涞目尚行浴T诙喾N運(yùn)行工況下,該拓?fù)淠軌蚱胶庹?fù)極的輸出電壓,減小負(fù)載不平衡對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。