基于直掛儲能控制的煤礦交直流混合配電網電壓波動抑制研究

摘要：針對煤礦交直流混合配電網中因負載變化造成的直流母線電壓波動問題，通常在直流母線處設置儲能裝置予以解決。現有的儲能裝置控制策略使得裝置負擔過重，且未考慮其荷電狀態。針對煤礦交直流混合配電網的直流側直掛儲能拓撲，提出一種抑制母線電壓波動的儲能裝置控制策略。經分析確定直掛儲能裝置工作于定功率模式，通過加入母線電壓反饋進而調整儲能裝置出力的方式改進傳統定功率控制策略，從而減小系統的不平衡功率；采用載波移相調制策略，以降低電流紋波；以荷電狀態為對象進行排序均壓，保證各儲能子模塊均勻充放電。在PSCAD/EMTDC 中搭建煤礦交直流混合配電網仿真模型并進行實驗，結果表明：在切除電動機或純阻性負載突變情況下，母線電壓波動率分別減小約70% 和90%，驗證了該控制策略可有效抑制母線電壓波動，且蓄電池充放電速率為0.628C，滿足快速響應要求。在實時數字仿真實驗平臺中進行硬件在環實驗，結果與仿真結果一致，進一步驗證了該控制策略的有效性。

關鍵詞：煤礦供電系統；交直流混合配電網；直掛儲能；電壓波動抑制；定功率控制；載波移相調制；荷電狀態

中圖分類號：TD608 文獻標志碼：A

0 引言

進入新時代，我國煤礦現代化建設取得了長足進步，千萬噸級煤礦數量穩定增長。隨著供電網絡復雜程度的不斷提高與高壓大功率設備的大幅增多，整個供電系統的協調控制越來越復雜[1]。同時，大量電力電子設備在煤礦中應用，導致交流電網中產生了嚴重的諧波污染和電磁干擾[2]，降低了煤礦供電系統的可靠性。煤礦井下以電動機和純阻性照明負載為主，相較于交流供電，直流供電能省去整流環節，不存在頻率穩定和相位同步問題，且沒有無功補償裝置[3]，能有效提高供電可靠性，降低建設成本，在煤礦具有良好的應用前景。

在直流配電網中，直流母線電壓是衡量系統有功功率平衡的唯一依據[4]。在煤礦交直流混合配電網中，大功率負荷頻繁啟停會導致直流母線電壓出現波動，影響其他設備正常穩定運行。因此，通常在直流電網的直流母線處配置一定容量的儲能裝置，以平抑系統有功功率波動，維持母線電壓穩定。蓄電池以其技術成熟、容量大的優點，成為目前主要的儲能形式。

眾多學者針對儲能裝置在交直流混合配電網中的控制策略展開研究。文獻[5]提出了一種儲能參與協調的直流配電網控制策略，有效降低了因負荷突變導致的直流母線電壓變化。文獻[6]和文獻[7]分別提出了加入電流前饋和功率前饋的電壓閉環控制策略，減小了母線電壓暫態波動。以上研究利用儲能裝置大幅減小了母線電壓波動，但儲能裝置負擔過重，且未考慮其荷電狀態（State of Charge，SOC）。

本文針對直流側單獨配置儲能的直流側直掛儲能拓撲[8-10]，提出了一種抑制母線電壓波動的儲能裝置控制策略，在PSCAD/EMTDC 中搭建了煤礦交直流混合配電網仿真模型，并利用RTLAB 進行硬件在環（Hardware in the Loop，HIL）實驗，驗證了所提控制策略在抑制母線電壓波動上的有效性。

1 煤礦交直流混合配電網拓撲與工作原理

1.1 系統整體拓撲與母線電壓波動分析

煤礦交直流混合配電網拓撲如圖1 所示。考慮煤礦對供電可靠性的要求高，采用兩端供電結構，換流器采用模塊化多電平（Modular Multilevel Converter，MMC）型式。MMC 型直流變壓器拓撲參照文獻[11]；光伏單元拓撲參照文獻[12]，將文獻[12]中的風機替換為光伏；連接交流電動機的逆變器采用三電平中點鉗位拓撲[13]。