摘要：近年来，我国的用电量不断增加，电力电子变压器的应用也越来越广泛。针对应用于交直流配电网的电力电子变压器，根据孤岛模式下配电网的运行特性，提出了一种应用于孤岛模式的自治运行控制策略，通过建立全局化的多端口传输模型，统一各端口的运行状态，协调各端口的能量交换，充分发挥电力电子变压器各个端口能量互通、相互支撑的优势，实现配电网的自治运行。搭建了含电力电子变压器的交直流配电网仿真系统，验证了控制策略的有效性。
关键词：交直流配电网；电力电子变压器；自治运行；多端口传输模型
引言
伴随着分布式发电、储能、电力电子等技术的不断发展，配电网中用户侧分布式可再生发电容量占比不断提高，分布式储能、直流负荷等供电需求日益显现，配电网中潮流在电网与用户、高压配电网与中压配电网、中压配电网与低压配电网之间双向互动的需求日益增多。与交流配电相比，直流配电因具有无稳定性问题、输电效率高、调节快速可靠、节省输电走廊等优势，成为未来配电网的发展趋势。
1 ＰＥＴ结构
本文采用基于ＭＭＣ的ＰＥＴ拓扑，如图1所示。高压输入级采用ＭＭＣ结构，每个桥臂由ｎ个子模块和一个串联电抗器Ｌα组成，子模块采用级联方式。高压输入级可以参考ＭＭＣ的基本控制方式。中间隔离级将输入较高的直流电压转变为高频交流电压，经过高频变压器降压，在副边再还原为较低的直流电压输出。由于输入侧电压等级较高，故直流／直流变换器模块采用输入串联、输出并联的组合方式。
2 交直流配电网特性分析
2.1含ＰＥＴ的交直流配电网结构
ＰＥＴ通过中、低压交直流端口连接中、低压交直流配电网，如附录Ａ图Ａ1所示。各配电网均包含光伏和风电机组等ＤＧ，以及蓄电池、超级电容和燃料电池等储能单元。在并网模式下，10ｋＶ主网接入中压交流端口，支撑交流配电网母线电压、频率和直流配电网母线电压。
2.2孤岛模式下配电网特性分析
在孤岛模式下，交流配电网中ＰＥＴ和ＤＧ的有功、无功功率输出分别基于ｆ－Ｐ，Ｖ－Ｑ下垂特性。由于ｆ－Ｐ，Ｖ－Ｑ下垂特性基于高压输电线路阻抗以感性为主的假设，但中、低压配电网中，线路阻抗阻性成分大大增加，会使得中、低压配电网特性发生变化，严重时变为Ｖ－Ｐ，ｆ－Ｑ特性。但可以通过逆变器输出串联电感，调整电流环ＰＩ参数，引入虚拟阻抗控制等方法，使中、低压配电网中逆变器仍然适用ｆ－Ｐ，Ｖ－Ｑ下垂特性。各ＤＧ单元ｆ－Ｐ，Ｖ－Ｑ下垂特性的数学描述为：
式中：ｆｘ和Ｖａ，ｘ分别为频率和电压幅值；ｆ0ｘ和Ｖ0ａ，ｘ分别为空载时的频率和电压幅值；ｍｘ和ｎｘ为负下垂系数；Ｐａ，ｘ和Ｑａ，ｘ分别为有功和无功功率；ｘ表示交流配电网中各ＤＧ单元。稳态时，配电网中各ＤＧ单元频率相同，如附录Ａ图Ａ2中虚线所示。为使各ＤＧ能按照其容量Ｓａ，ｘ分担负荷功率需求，需令：
与交流配电网相比，直流配电网中ＤＧ仅需考虑有功功率和直流电压的关系，无需考虑无功功率和频率，Ｖ－Ｐ下垂特性如附录Ａ图Ａ3所示。Ｖ－Ｐ下垂特性的数学描述为：
式中：Ｖｄ，ｙ为直流电压；Ｖ0ｄ，ｙ为空载时的直流电压；ｖｙ为负下垂系数；Ｐｄ，ｙ为有功功率；ｙ表示直流配电网中各ＤＧ单元。为简化分析，稳态时，忽略线路阻抗等因素的影响，认为各ＤＧ单元输出电压相同。为使各ＤＧ能按照其容量Ｓｄ，ｙ分担负荷功率需求，需令：
根据电能质量的国家标准，10ｋＶ及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％；正常频率偏差允许值为±0.2Ｈｚ。本文取电压允许偏差为额定电压的±5％，正常频率偏差允许值为额定频率的±3％。
3孤岛自治运行控制策略
3.1全局化的多端口传输模型
为实现ＰＥＴ各端口能量流动的一致性，建立ＰＥＴ全局化的多端口传输模型，如图2所示。图中，Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4分别为端口1，2，3，4的输出功率。端口1，2，3，4分别为中压交流、中压直流、低压交流和低压直流端口，分别连接中压交流、中压直流、低压交流和低压直流配电网。
2，3，4的特征信号进行标幺化处理：
式中：ｆ1和ｆ2分别为中、低压交流端口频率；Ｖ1和Ｖ2分别为中、低压直流端口电压；下标ｐｕ表示相应量的标幺值；下标ｍａｘ和ｍｉｎ分别表示相应量的最大和最小值；ｋｎ（ｎ＝1，2，3，4）为端口ｎ下垂曲线平移量，在下文中用以调节各配电网的负荷率。
3.2自治运行控制策略
目前对于ＰＥＴ能量输送及平衡的研究，基本都是利用上级电网或控制器的调度指令，ＰＥＴ被动地实现能量传输，本文则利用下垂控制实现ＰＥＴ各个端口的功率平衡，以及不同端口连接的不同配电网络电能质量的最优控制，有利于柔性变电站的无人值守及智能自治运行。直流端口作为连接不同电压等级交直流配电网的“桥梁”，承担着不同电压等级配电网间能量分配的任务。由于交流配电网涉及无功功率，故当ＰＥＴ向交流配电网传输功率时，需考虑交流配电网的Ｖ－Ｑ下垂特性，传输无功功率参考值如式（12）所示。
式中：ｎ为负下垂系数；Ｖａ和Ｖ＊ａ分别为交流母线电压及其基准值；Ｐｒｅｆａ为ＰＥＴ向交流配电网传输功率的参考值。
4仿真验证
1）仿真条件1，下垂曲线平移量均为0。0.2～0.6ｓ（时段1），各配电网负荷量均为0.1ＭＷ；0.6～1.2ｓ（时段2），中压交流配电网负荷量增大到0.4ＭＷ；1.2～1.8ｓ（时段3），中压直流配电网负荷量增大到0.3ＭＷ。可见，在时段1时，各配电网负荷量均为0.1ＭＷ，各配电网负荷率均为25％；在时段2时，中压交流配电网负荷量增大到0.4ＭＷ，各配电网负荷率均增大到43.8％；在时段3时，中压直流配电网负荷量增大到0.3ＭＷ，各配电网负荷率均增大到56.2％。由仿真结果可以看出，下垂曲线平移量均为0时，通过自治运行控制策略可以协调各配电网间的功率传输，各配电网均以相同的负荷率输出功率，动态响应良好。2）仿真条件2，各配电网负荷量不变。时段1，各下垂曲线平移量均为0；时段2，中压交、直流配电网下垂曲线平移量ｋ1，ｋ2分别增大到0.5，0.4；时段3，中压直流配电网下垂曲线平移量ｋ2增大到0.6。
结语
综上所述，通过建立全局化的多端口传输模型，根据端口特征信号，实现多端口的标幺化，通过仿真对本文所提的自治运行控制策略进行了验证，结果表明该控制策略可以不依靠上层控制，充分发挥ＰＥＴ各个端口能量互通，相互支撑的优势，实现配电网的自治运行。但此方法的局限性在于由于多端口传输模型的限制，各个端口无法解耦，还有待于进一步研究。
参考文献
[1]汤广福，罗湘，魏晓光.多端直流输电与直流电网技术[J].中国电机工程学报，2013，33（10）：8－17.
[2]李岩，罗雨，许树楷，等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望[J].南方电网技术，2015，9（1）：7－13.
[3]廖国虎，邱国跃，袁旭峰.电力电子变压器研究综述[J].电测与仪表，2014，51（16）：5－10.
论文作者:邓伟国
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：配电网论文; 电压论文; 端口论文; 负荷量论文; 功率论文; 低压论文; 中压论文; 《电力设备》2018年第16期论文;