可控負荷對直流配電網(wǎng)的電壓波動抑制策略

張 力，趙巧娥，段俐存，肖逸軒，任建龍

（山西大學 電力工程系，太原 030006）

隨著能源危機的和環(huán)境問題的惡化，可再生能源得到國際社會和各國政府的高度重視。快速增加的新能源滲透率，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[3]，使其在未來配電網(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，沒有旋轉慣性的支撐，存在很大輸出波動的新能源直接并入配電網(wǎng)，往往引起并網(wǎng)節(jié)點的電壓波動。此外，母線電壓的大幅波動會影響許多分布式發(fā)電單元的使用壽命，還會對太陽能發(fā)電的最大功率跟蹤造成很大的干擾[4-5]。由此，有必要對直流配電網(wǎng)電壓波動的形成機理及其抑制做進一步研究。

目前，國內外學者對電壓波動抑制的研究通常從電源側控制來實現(xiàn)，而從負荷側控制方式還鮮有研究。從電源側來看，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]。從負荷側來看，一些非關鍵負荷也可以承擔調壓工作，利用可控負荷的需求側響應來提升母線電壓的穩(wěn)定性。可控負荷可作為一個新的維度來調節(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，在此提出一種負荷側多可控負荷協(xié)調控制調壓策略。

1 直流配電系統(tǒng)的構成

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”兩端配電型結構，可提高供電的可靠性。2個與交流主網(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)內部有2種可控負荷，可以吸收靈活的功率，在負荷側提供一定的調壓能力。為了最大程度利用新能源發(fā)電，故不考慮光伏風電等新能源發(fā)電的調壓能力，使其始終以最大功率運行。

圖1 直流配電系統(tǒng)結構Fig.1 DC distribution system structure

2 電壓波動抑制策略

2.1 直流配電網(wǎng)電壓波動的成因及其傳播

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

供電用電的不平衡產(chǎn)生波動的不平衡功率會在直流線路阻抗上產(chǎn)生波動的電壓降，因此節(jié)點的電壓波動會向相鄰節(jié)點傳播。節(jié)點處的負荷電阻、該節(jié)點兩側的線路電阻共同構成了影響節(jié)點電壓波動的放大系數(shù)。為了對波動的電壓就地平抑，有必要分析研究負荷側抑制電壓波動的控制原理。

2.2 可控負荷

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

如圖1所示，可控負荷A為電解水制氫的儲氣負荷，即電解槽；可控負荷B為城市儲熱負荷、照明負荷等。可控負荷A的響應時間為s級，但可調容量較大，可控負荷B的響應時間很短，但可調容量有限。所以，可控負荷A主要調節(jié)長周期、大容量的功率變化，而可控負荷B主要調節(jié)短時間的小容量的負荷變化，以彌補可控負荷A動態(tài)響應慢的不足。

可控負荷A，即堿性電解槽，是發(fā)展時間最長、技術最為成熟的電解制氫裝置。其總的化學方程式為

為便于研究，忽略電解槽正常工作時的溫度改變和溶液濃度改變，得到外特性U-I關系：

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分解電壓后呈線性關系。

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態(tài)響應。

圖3 可控負荷A電路模型Fig.3 Controllable load a model

而可控負荷B，即RLB為城市儲熱負荷、照明負荷、儲水負荷等，等其效電路可用電阻RLB來表示。

2.3 可控負荷控制電路拓撲結構

針對可控負荷A和B，因其工作特性不同，需用不同拓撲的控制電路相連接。

可控負荷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。可控負荷A的控制電路拓撲結構如圖4所示，其2種運行模式如圖5所示。

圖4 可控負荷A控制電路Fig.4 Controllable load A control circuit

圖5 開關模式Fig.5 Switching modes

開關模式1開關管V1和V2導通，二極管VD1承受反壓關斷。此時，電路中電源側的2個電感和電容并聯(lián)，電源對其充電，負載由C2供電。

開關模式2開關管V1和V2關斷，二極管VD2承受反壓關斷。電路中電感L1和L2、電源、電容C1串聯(lián)，經(jīng)VD1向負載供電，同時向電容C2充電。

2個開關管同步工作，令其導通占空比為d1，二極管VD1的導通占空比為d2。電感L1和L2在1個開關周期Ts內，電流的增加量等于電流的減小量。在開關模式1時，電感L1的伏安方程為

得電感L1電流增加量為

在開關模式2時，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，電壓增益便可達到4倍左右。設電解槽最大功率運行時的電壓為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，但響應時間相對稍長，所以需要可控負荷B快速吸納動態(tài)響應時的功率，電氣彈簧B控制可控負荷B的電路拓撲如圖6所示。

圖6 可控負荷B控制電路Fig.6 Controllable load B control circuit

控制可控負荷B的控制電路工作于斬波降壓模式，控制負荷電壓uLB參與系統(tǒng)平衡調節(jié)，通過改變其占空比D來改變可控負荷的取用功率，當其消耗的波動功率等于節(jié)點的波動功率時，可保持節(jié)點電壓穩(wěn)定。

令可控負荷B的端電壓可調范圍為

其可調功率范圍為

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

其虛擬電阻為

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

綜上所述，2種控制電路的本質在于：控制可控負荷的虛擬電阻Rvir和負荷電壓uL來改變等效負荷電阻，使得負荷消耗的功率跟隨節(jié)點的波動功率，進而抑制電壓波動。

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化模型，負荷節(jié)點額定電壓為380 V，等效負荷電阻20 Ω，線路電阻均為1 Ω。擾動設置為：0.1 s時，光伏電池的光照強度由1000 W/m2下降為800 W/m2；0.2 s時，光照強度上升為1200 W/m2；0.3 s時模擬負荷功率突增，接入等效電阻為100 Ω的負荷。

光伏電池在24℃恒溫度時，在給定擾動下的輸出功率如圖7所示，由圖可見光照強度和輸出功率的正向關聯(lián)。可控負荷控制電路不工作，VSC2額定功率輸出如圖8所示。由圖可見，由于沒有可控負荷的調節(jié)，新能源輸出功率的波動和負荷的變化均使得負荷節(jié)點電壓大幅度波動。

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

圖8 負荷獨立運行電壓變化Fig.8 Voltage of load independent operation

在相同的擾動設置下，啟動可控負荷控制電路來調節(jié)電壓。系統(tǒng)正常運行電壓變化如圖9所示，可見負荷節(jié)點的電壓波動得到了明顯的抑制，基本使電壓保持在了額定值。由圖9還可見在0.1 s時，因為光伏出力減小，可控負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，光伏出力增加，此時可控負荷的端電壓也相應上升為257 V，增加了吸取的功率，響應光伏出力的變化；0.3 s時，系統(tǒng)重載，負荷功率突增，可控負荷端電壓明顯減低，最后保持在220 V左右，大幅度減小了可控負荷吸收的功率，保持了負荷節(jié)點電壓穩(wěn)定，有效地抑制電壓波動。

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

仿真分析結果表明：①采用一定容量的可控負荷參與調壓的直流配電網(wǎng)在新能源出力波動和負荷突變時均能穩(wěn)定工作，基本可以保持直流電壓在額定值；②由于有可控負荷對波動功率的響應，減小了直流配電網(wǎng)對交流主網(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。

4 結語

在此提出了負荷側多可控負荷協(xié)調控制的調壓策略，對可控負荷根據(jù)數(shù)學、物理特性的不同做分類，并對不同類型的可控負荷建模，將所設計的不同控制電路與不同的可控負荷相連接，完成負荷側調節(jié)。利用仿真軟件驗證了所提策略的有效性，為直流配電網(wǎng)的規(guī)劃運行提供了新的思路。