内容整理自《High Voltage》2018年第3卷第4期,由 张怀天、荆龙、吴学智等撰写的《Power flow control scheme for multiport power electronics transformers》(点击)

电力电子变压器(PETs)的发展使直流配电和混合交直流系统成为未来网络扩展的竞争解决方案。

本文主要研究中低压多端口PET接口网络的功能。提出了一种基于全局多端口传输模型的综合潮流控制方案。这允许在PET端口之间进行协调的能量交换,从而实现自主操作。

在不同分布式发电和负载水平的交流/直流混合配电网中对该方法进行了仿真,验证了该方法的有效性。

1.多端口PET的拓扑结构

基于MMC的多端口PET如图1所示。多端口PET可分为三部分。

基于MMC拓扑结构的MV输入级,用于MVAC配电网与MVDC配电网的连接;

基于双有源桥拓扑的隔离输入串联输出并联(isop)DC/DC变换器的中间隔离级,用于MVDC配电网与LVDC配电网的连接;

基于传统两电平变换器的低压输出级,用于低压直流配电网与低压交流配电网的连接。

图1:多端口PET的拓扑结构

2.配电网结构

一般混合配电网的结构如图2所示。

多端口PET通过相应的端口和电力电子转换器连接中低压配电网。系统中的负载所需的电力由每个网络的DG提供,并且电力协调变得特别重要。

图2:交直流配电网的典型结构

1.全球化多端口传输模型

为了实现多端口PET各端口的潮流一致性,建立了多端口PET的全球化多端口传输模型,如图3所示。

图3:全球化多端口传输模型

多端口PET的关键功能之一是连接不同类型的配电网,并以适当的管理方式协调它们之间的潮流。这种控制具有挑战性,因为这些网络的电压水平不同。提出了一种适用于多端口PET三阶段控制的下垂控制方案。通过参考图4所示的例子,可以更好地理解这种下垂控制方案的基本原理。

图4:多端口PET的下垂特性

其中,PN1,max,PN2,max、PN3,max、PN4,max分别表示通过多端口PET互联的MVAC、MVDC、LVAC、LVDC配电网的容量;f1,f2表示MVAC和LVAC端口的频率; V1,V2分别代表MVDC和LVDC端口的端电压; kn(n = 1,2,3,4)表示端口n的下垂曲线偏移值,用于调整四个分配网络中的每一个的负载因子。

通过适当设计的PI控制器维持f1,pu = V1,pu = f2,pu = V2,pu 允许多端口PET的三个阶段在分配网络之间按其各自的功率容量成比例地传输功率。

2.三个阶段的控制

在上一节所建立的全球化多端口传输模型的基础上,通过三个阶段的控制来实现端口之间的能量分布。

直流端口作为“桥”,承担着不同电压水平配电网之间的能量分配任务。直流端口之间的功率交换是通过中间隔离级实现的,如图5所示。

图5:中间隔离级功率控制

多端口PET中的无功功率的控制与典型的交流配电网络中的相同,传输无功功率的参考值可写为:

通过MV输入级和LV输出级,可以实现交流和直流端口之间的无功功率交换。MV输入级实现的控制如图6所示,LV输出级的控制(基于频率f2和电压V2)如图7所示。

图6:中压输入级功率控制

图7:低压输出级功率控制

为了演示全球化多端口传输模型的操作和功能,在Matlab/Simulink中实现了多端口PET的混合AC/DC MV和LV网络,仿真系统的等效模型如图8所示。

图8:仿真系统等效模型

仿真结果包括假设不同网络容量和网络可用性的三种情况。

在第1种情况下,系统包括所有四个网络(MVAC,MVDC,LVAC和LVDC)。该情景下的正常下降曲线和稳态工作点的“移动”如图9所示,PET和配电网的潮流模拟结果如图10所示。

图9:稳态点运动(情况1)

图10:有功功率仿真结果(情况1)

(a)负载(PL1, PL2, PL3, PL4), (b) DG (PN1, PN2, PN3, PN4), (c)流向端口的功率(P1, P2, P3, P4)

可以得出结论,该方法可以协调不同配电网络之间的能量交换。当偏移值都等于零时,所有网络都以相同的负载率工作。当其中一个网络在无负载或高于其额定容量的情况下运行时,系统仍然可以稳定运行,同时在所有端口上保持相同的负载率。

情况2假设所有网络的网络容量与情况1相似,但没有MVAC网络,下垂特性曲线的载荷变化和偏移值也与情况1中的相同。

归一化的下垂曲线和稳态工作点的“运动”如图11所示,相应的模拟结果如图12所示。

图11:稳态点运动(情况2)

图12:有功功率仿真结果(情况2)

(a)负载(PL1, PL2, PL3, PL4), (b) DG (PN1, PN2, PN3, PN4), (c)流向端口的功率(P1, P2, P3, P4)

可以得出结论,当MVAC分配网络不可用时,该方法可以协调配电网络之间的能量交换。当连接到多端口PET的任何其他网络不可用时,可以得出类似的结果。

情况3演示了下垂特性曲线中的偏移值如何用于改变多端口PET内的功率流。负载在整个情况下保持不变。归一化的下垂曲线和稳态操作点的“运动”如图13所示,PET和配电网络中的功率流的模拟结果如图14所示。

图13:稳态点运动(情况3)

图14:有功功率仿真结果(情况3)

(a)负载(PL1, PL2, PL3, PL4), (b) DG (PN1, PN2, PN3, PN4), (c)流向端口的功率(P1, P2, P3, P4)

可以得出结论,所提出的方法可以通过适当选择偏移值,根据任何进一步的要求协调配电网的负荷率。

综上所述,从基于多端口PET的仿真案例中,可得出以下结论:

(i)无论混合交直流配电系统中存在一个或多个网络,该方法都能协调不同电压等级的配电网之间的潮流;

(i i)当补偿值为在每个配电网中,系统可以控制,使每个配电网以相同的负荷率输出功率;

(iii)通过改变所实施控制器中的偏移值,配电网可以根据需要调整负荷率。结果表明,该方法能够在基于多端口PET的交直流混合配电系统中实现多个网络的综合控制和功率共享。

DGs、储能系统、直流负载和PETs的增加使直流配电和混合交流/直流系统成为未来网络扩展的一个有竞争力的解决方案。

本文基于PET和下垂控制的全球化多端口传输模型,提出了一种综合的潮流控制方案。

a.通过建立一个全球多端口传输模型,实现了对每个网络的下垂特性的规范化,允许在不同的电压和频率水平上调节功率。

b.仿真结果验证了该方法的有效性。结果表明,该控制方案能充分利用多端口PET的控制能力优势,实现配电网的自主运行。

c.然而,还需要进一步的工作来解决基于多端口传输模型的方法的主要局限性,该模型不允许对每个端口进行完全解耦操作。

团队介绍

张怀天,硕士研究生,研究方向为新能源发电与交直流配电网等。

荆龙,北京交通大学副教授,博士生导师,一直从事电力电子、新能源发电等方面的教学和科研工作。作为项目负责人,承担了国家能源局项目《基于分层储能的主动配电网关键装备研制》,此外作为主要研发人员,参与了多项863、国家科技支撑计划等重大项目的研究。近年来发表论文30余篇。在电力电子与电传动、新能源发电等技术领域,取得一系列成果,部分成果在实际示范工程中得以应用。

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编辑:强亚君

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