MMC型微網(wǎng)復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略研究.pdf

1、分布式可再生能源發(fā)電技術(shù)被公認(rèn)為是可有效緩解世界一次能源緊缺危機(jī)以及環(huán)境污染的重要“武器”。作為分布式發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的重要實(shí)現(xiàn)形式之一，微網(wǎng)既能夠在孤島運(yùn)行狀態(tài)下完成分布式可再生能源的“就地消納”，又可以與主網(wǎng)互聯(lián)形成能量的雙向流動(dòng)。分布式發(fā)電以及微網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和逐步成熟使得現(xiàn)代電力系統(tǒng)由傳統(tǒng)單一的垂直一體化結(jié)構(gòu)，向著多元的分散合作平面化的結(jié)構(gòu)發(fā)展。然而此技術(shù)是一把“雙刃劍”，一方面具有能源高效利用，功率優(yōu)化調(diào)配，提高經(jīng)濟(jì)效益，供應(yīng)

2、電能靈活以及改善環(huán)境效益等優(yōu)勢(shì)，另一方面其又會(huì)帶來諸如電能質(zhì)量惡化等問題:功率波動(dòng)較大（如電弧爐）及基于電力電子器件（如整流器）的非線性、非對(duì)稱負(fù)荷依然存在;大規(guī)模的微源伴隨著間歇性、波動(dòng)性、不確定性等自然屬性;微源經(jīng)電力電子變換器接入系統(tǒng)引入特征諧波;雙向流動(dòng)的特性導(dǎo)致大量分布式能源并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題蔓延至上一級(jí)電網(wǎng);微網(wǎng)運(yùn)行模式的切換造成頻率、電壓的偏差等等。除此之外，雙向流動(dòng)的特性還可能引發(fā)故障的相互滲透，降低微網(wǎng)和與之相

3、連主網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。有必要對(duì)含有多個(gè)微源的微網(wǎng)以及含微網(wǎng)的系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行有效治理，并實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間功率的可控傳輸，為新一代電力系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行環(huán)境，保證電能供應(yīng)的質(zhì)量及微網(wǎng)的可靠運(yùn)行。
　　復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是基于全控型電力電子器件的用戶電力技術(shù)(CustomPower，Cuspow)之一，采用背靠背連接的換流器。與具有單一補(bǔ)償功能的設(shè)備相比，這種主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)﹄妷簳航?暫升、諧波、無(wú)功及不平衡進(jìn)行綜合的補(bǔ)償，不

4、需要考慮多個(gè)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制問題，且成本相對(duì)較低，因此，目前在實(shí)際的配電網(wǎng)中得到了工程應(yīng)用的機(jī)會(huì)。而將模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)與復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合，一方面充分發(fā)揮了MMC可以實(shí)現(xiàn)高電壓、大容量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，另一方面MMC已經(jīng)在高壓直流輸電（High-voltage Direct Current，HVDC）領(lǐng)域得到豐富的實(shí)踐和發(fā)展，能夠?yàn)镸MC在主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用工程

5、化的實(shí)現(xiàn)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
　　為保證微網(wǎng)提供更加優(yōu)質(zhì)的電力，運(yùn)行的更加經(jīng)濟(jì)、高效、安全以及可靠，本文將MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于含有分布式電源的微電網(wǎng)。MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)既能夠高效地綜合改善微源的電能質(zhì)量，又能夠因地制宜地根據(jù)微網(wǎng)電壓等級(jí)、系統(tǒng)容量及裝設(shè)的位置實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)與微網(wǎng)之間、分布式電源與微網(wǎng)之間功率輸送與電能質(zhì)量治理一體化的調(diào)節(jié)。但上述功能的實(shí)現(xiàn)需要串、并聯(lián)側(cè)換流器的協(xié)調(diào)配合，因此論文對(duì)MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)

6、節(jié)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、基本控制算法、協(xié)調(diào)控制方法、優(yōu)化再分配方法、保護(hù)控制策略以及功率輸送與電能質(zhì)量治理一體化的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了研究，為MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工程化實(shí)現(xiàn)提供一定的理論依據(jù)。
　　(1) MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理及基本控制策略
　　首次將MMC應(yīng)用于復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)以提高電能質(zhì)量綜合治理裝置的應(yīng)用電壓等級(jí)和容量。以并聯(lián)側(cè)MMC并接于系統(tǒng)與負(fù)荷之間，串聯(lián)側(cè)MMC通過耦合變壓器接入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為研

7、究對(duì)象。首先確定復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本組成單元——MMC的參數(shù)計(jì)算及選取方法，建立MMC的數(shù)學(xué)模型;其次，分析MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，并給出相應(yīng)的基本檢測(cè)與控制方法，設(shè)計(jì)基本控制器。最后，分別采用PSCAD/EMTDC(Power Systems ComputerAided Design/Electromagnetic Transients including DC)仿真軟件和RTDS(RealTime Dig

8、ital Simulator)實(shí)時(shí)數(shù)字-物理閉環(huán)仿真對(duì)串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償電壓暫降/暫升，并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償不平衡、無(wú)功及諧波電流的綜合治理功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　　(2)定有功電流限值協(xié)調(diào)控制方法研究
　　微網(wǎng)中大量分布式可再生能源的接入增加了微源側(cè)電壓的不確定性，電壓暫降發(fā)生的頻次、暫降幅值可能較傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)更過更深、持續(xù)時(shí)間也可能更加持久。具有優(yōu)良電力調(diào)節(jié)能力與特性的MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)能夠在惡劣電壓驟降的情況下盡最大可能提供

9、電壓補(bǔ)償，令微網(wǎng)持續(xù)堅(jiān)強(qiáng)穩(wěn)定的運(yùn)行。本文對(duì)MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓跌落補(bǔ)償能力進(jìn)行深入的理論分析，給出電壓凹陷幅值、補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間和主電路參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式;在傳統(tǒng)定直流電壓協(xié)調(diào)控制方法的基礎(chǔ)上提出了定有功電流限值協(xié)調(diào)控制方法，通過并聯(lián)側(cè)的限流對(duì)串聯(lián)側(cè)開關(guān)器件承受過流進(jìn)行抑制，并利用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中子模塊(Sub-module，SM)直流電容的儲(chǔ)能對(duì)復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的低電壓跌落補(bǔ)償能力進(jìn)行提升，以提供電壓驟降嚴(yán)重情況下的

10、短時(shí)支撐;PSCAD/EMTDC環(huán)境下的仿真模型采用定有功電流限值協(xié)調(diào)控制方法，仿真結(jié)果表明基于定有功電流限值控制的復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)提高了能夠補(bǔ)償?shù)牡碗妷喊枷莘狄约半妷喊枷菅a(bǔ)償持續(xù)時(shí)間，確保了微源側(cè)的短時(shí)供電。
　　(3)考慮經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的補(bǔ)償量?jī)?yōu)化分配控制方法研究
　　理想的供電系統(tǒng)中電源側(cè)只需提供正弦基頻的有功電流，然而隨著大量非線性、波動(dòng)性、沖擊性等負(fù)荷的接入，電流質(zhì)量問題變得越來越嚴(yán)重。系統(tǒng)中諧波、不平衡及無(wú)功電

11、流的存在使發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備的損耗增大、發(fā)熱、絕緣老化以及壽命降低;精密電子設(shè)備運(yùn)行不正常;通訊、測(cè)量線路等產(chǎn)生輻射干擾，最終給供用電雙方造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)微網(wǎng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)待補(bǔ)償容量超過MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身容量限值的情況時(shí)，對(duì)已有設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)比更換更大容量的設(shè)備在時(shí)間、資金成本上的投入要小的多，因此有必要通過需求側(cè)引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量的再分配以優(yōu)化治理各種電流質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有資源合理可靠的利用。

12、首先引入電能質(zhì)量事件平均經(jīng)濟(jì)損失的量化指標(biāo)——平均經(jīng)濟(jì)損失，作為決定并聯(lián)側(cè)MMC電流優(yōu)化再分配補(bǔ)償控制的關(guān)鍵因素;接著，提出了側(cè)重優(yōu)先治理的優(yōu)先級(jí)分配控制方法和側(cè)重綜合治理的自適應(yīng)懲罰遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化分配控制方法;最后在PSCAD/EMTDC軟件中建立MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，模擬補(bǔ)償容量超限工況，對(duì)提出的上述兩種方法的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。補(bǔ)償容量超限優(yōu)化補(bǔ)償控制是對(duì)并聯(lián)側(cè)MMC基本控制方法進(jìn)行補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)功能的進(jìn)一步完善

13、。
　　(4) MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)負(fù)荷側(cè)故障保護(hù)控制方法研究
　　當(dāng)微網(wǎng)中復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)所在支路的負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路故障時(shí)，不僅裝置對(duì)保護(hù)自身的安全有一定的要求，系統(tǒng)對(duì)裝置也有一定的要求。本文分析并提出了MMC型復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在負(fù)載側(cè)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)策略的制定原則，將反并聯(lián)晶閘管(Silicon Controlled Rectifier，SCR)并聯(lián)在串聯(lián)耦合變壓器的一次側(cè)，并通過在復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

14、中加設(shè)的斷路器與線路斷路器之間的連鎖動(dòng)作配合，在負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障的情況下，將復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與故障線路隔離，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合主動(dòng)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有效保護(hù)。針對(duì)負(fù)載側(cè)故障，串聯(lián)側(cè)MMC可以分別采取子模塊處于全閉鎖狀態(tài)或者各相上橋臂旁路、下橋臂閉鎖狀態(tài)這兩種不同的保護(hù)動(dòng)作方式，基于PSCAD/EMTDC軟件的仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了這兩種不同方式的有效性以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　(5)微網(wǎng)的功率輸送與電能質(zhì)量治理一體化功能及其實(shí)現(xiàn)