中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員賀悝、李勇、曹一家、王煒宇，在2017年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，針對(duì)多節(jié)點(diǎn)直流配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性差且控制困難的問題，提出一種考慮分布式儲(chǔ)能參與的直流配電網(wǎng)電壓柔性控制策略。
首先，分析直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出了現(xiàn)有控制策略在多節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)方面的不足以及分布式儲(chǔ)能參與調(diào)壓的可行性。其次，推導(dǎo)配電網(wǎng)中交直流接口的電壓-頻率耦合關(guān)系以及雙向直流接口的級(jí)聯(lián)下垂特性。針對(duì)配電網(wǎng)端口交直流斷面，將交流電網(wǎng)的頻率波動(dòng)經(jīng)虛擬慣性作用與直流電壓波動(dòng)建立聯(lián)系，生成虛擬電壓差以控制儲(chǔ)能響應(yīng)頻率波動(dòng)，減小直流配電網(wǎng)的接入對(duì)交流電網(wǎng)的影響。
針對(duì)配電網(wǎng)-微網(wǎng)變流器斷面，依據(jù)接口類型的不同設(shè)計(jì)分布式儲(chǔ)能單元的控制策略，使其響應(yīng)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的變化，增強(qiáng)功率波動(dòng)時(shí)直流電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，減小配電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的可能性。該策略僅需本地節(jié)點(diǎn)信息，無需通信，可擴(kuò)展性好。
最后，建立典型的兩端直流配電網(wǎng)的仿真模型，通過系統(tǒng)仿真證明了所提柔性電壓控制策略的有效性。
隨著環(huán)境問題和能源危機(jī)的凸顯，分布式能源及具有區(qū)域自治特性的微電網(wǎng)近年來成為研究熱點(diǎn)，高滲透率的可再生能源接入將極大地改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，在優(yōu)化用戶配電網(wǎng)供電性能的同時(shí)，也給電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)由于功率耦合、保護(hù)及運(yùn)行控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜、線路損耗大、對(duì)諧波污染敏感等缺陷并不適合分布式能源的廣泛接入。直流配電網(wǎng)具有傳輸容量高、電能損耗小、對(duì)分布式新能源具有良好兼容性、降低電能多級(jí)變換頻率等優(yōu)勢(shì)，因此直流配電網(wǎng)將成為未來配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的趨勢(shì)和熱點(diǎn)。
直流電網(wǎng)電壓與功率平衡的關(guān)系將決定直流配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此電壓穩(wěn)定是反映直流配電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。目前對(duì)于直流配電網(wǎng)的電壓控制策略尚無成熟方案，主要借鑒柔性直流輸電及直流微網(wǎng)的電壓控制策略。
文獻(xiàn)提出基于高帶寬通信的主從控制策略，即選擇某一換流站作平衡節(jié)點(diǎn)，其余換流站定功率控制，此策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但過于依賴站間通信，可靠性不高。文獻(xiàn)提出利用自適應(yīng)下垂控制策略，即利用給定直流電壓與換流站功率的斜率關(guān)系進(jìn)行多端直流系統(tǒng)的電壓控制，此策略無需通信，但存在穩(wěn)定運(yùn)行偏差，且下垂系數(shù)的整定較為復(fù)雜，不恰當(dāng)?shù)南禂?shù)選取可能引起系統(tǒng)潮流混亂甚至失穩(wěn)。
文獻(xiàn)提出一種分層式直流微網(wǎng)電壓控制策略，在一次有差下垂控制的基礎(chǔ)上，引入二次電壓調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)電壓質(zhì)量的提升，但由于直流配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，潮流復(fù)雜，此方法在分布式控制的前提下難以實(shí)現(xiàn)。此外，由于電力電子器件的廣泛使用，將與直流配電網(wǎng)相連的外源交流電網(wǎng)視為無窮大電源已不再合適，配電網(wǎng)端口變流器在考慮穩(wěn)定電壓的同時(shí)，需要適當(dāng)考慮緩解其對(duì)交流電網(wǎng)的頻率影響。
為減小分布式電源功率波動(dòng)特性的影響，儲(chǔ)能（Energy Storage, ES）裝置獲得了廣泛應(yīng)用。直流配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元多為分布式布局：一種為獨(dú)立配置的儲(chǔ)能單元，通過雙向DC-DC變換器掛接于配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，追蹤直流電壓變化，控制方式與端口換流站相同；另一種為配置于微網(wǎng)內(nèi)部的儲(chǔ)能單元。
配置于微網(wǎng)內(nèi)部的儲(chǔ)能單元有兩種運(yùn)行模式：①儲(chǔ)能單元在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不起動(dòng)，在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)作為備用電源起動(dòng)，則并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)配電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)較重；②根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)能單元在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)承擔(dān)全部?jī)艄β首兓?，不能平抑的部分由配電網(wǎng)承擔(dān)。以上運(yùn)行方式存在儲(chǔ)能在單一模式下閑置率過高或依賴歷史數(shù)據(jù)控制精度低的不足。
隨著直流配電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，遠(yuǎn)離換流站的節(jié)點(diǎn)電壓控制變得愈加復(fù)雜和困難；其次，可再生能源功率的高滲透率隨機(jī)頻繁波動(dòng)亦給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)。
本文首先分析典型直流配電網(wǎng)的組成、不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)行控制方法；然后研究配電網(wǎng)交直流接口、雙向直流接口的虛擬慣性及功率級(jí)聯(lián)下垂特性，并基于此提出一種含分布式儲(chǔ)能參與的配電網(wǎng)調(diào)壓控制策略。該策略無需通信，可提升配電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，減小直流配電網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)交流電網(wǎng)的影響。最后，為證明所提控制策略的有效性，搭建直流配電網(wǎng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行了對(duì)比。
圖1 不同類型配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的控制策略示意圖
結(jié)論
本文針對(duì)直流配電網(wǎng)提出了一種含分布式儲(chǔ)能參與的電壓調(diào)節(jié)策略。通過理論推導(dǎo)配電網(wǎng)交直流接口電壓頻率耦合關(guān)系以及雙向直流接口級(jí)聯(lián)下垂特性，控制相應(yīng)節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能單元補(bǔ)償電壓波動(dòng)及電網(wǎng)頻率波動(dòng)，設(shè)計(jì)了其控制策略及基本參數(shù)。通過系統(tǒng)仿真證明了所提控制策略的有效性。
研究結(jié)果表明，基于所提電壓控制策略，可有效減小功率變化時(shí)直流配電網(wǎng)母線電壓的波動(dòng)及其對(duì)交流大電網(wǎng)的影響，提升系統(tǒng)魯棒性與故障穿越能力，在保護(hù)儲(chǔ)能單元的同時(shí)，充分利用了其功率調(diào)節(jié)裕量。本文為多端多節(jié)點(diǎn)直流配電網(wǎng)電壓控制及儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)級(jí)管控提供了一種新的方法。
