陳 晨， 丁書音

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800)

0 引 言

配電系統(tǒng)[1]作為電網(wǎng)與用戶之間的橋梁，肩負(fù)著為用戶供給和分配電能的職能。然而由于新能源發(fā)展迅速，大量分布式電源[2]的接入對電網(wǎng)的沖擊尤為嚴(yán)重。與其他發(fā)達(dá)國家相比，我國的配電側(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起步較晚，多樣性的負(fù)荷變化對原有較為落后的配電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊更為嚴(yán)重，同時電力設(shè)備的投入數(shù)量增多但性能不夠優(yōu)越，使得電能質(zhì)量較低，停電事故頻發(fā)，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

SNOP(Soft Normally Open Points，智能軟開關(guān))[3-7]是一種用于設(shè)置在傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的全控型裝置，其可以對聯(lián)接的兩側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行雙向功率傳輸，使得兩側(cè)有功與無功聯(lián)系起來，互相補(bǔ)給保證系統(tǒng)的可靠性，同時可以通過控制策略提高輸電質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]提出了一種把儲能系統(tǒng)添加到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中來彌補(bǔ)風(fēng)力出力不均衡的輸電方式，其控制策略以風(fēng)電場作為輸送端對有無功進(jìn)行單獨(dú)控制，接收端利用儲能系統(tǒng)補(bǔ)充或者吸收風(fēng)電場傳輸?shù)墓β剩洳钪底鳛槟孀兤鞯闹绷麟妷嚎刂破鬟M(jìn)行控制，可對風(fēng)電場的發(fā)電不均、接收端故障進(jìn)行較好地調(diào)控。文獻(xiàn)[9]提出了一種以交流側(cè)電壓相位和幅值為控制對象，有功、無功功率為被控對象的穩(wěn)態(tài)模型[8-10]，利用基波幅值和相位的控制從而間接控制網(wǎng)側(cè)電流的間接控制法，但是其控制缺點(diǎn)較為突出，網(wǎng)側(cè)電流動態(tài)響應(yīng)較慢，對系統(tǒng)參數(shù)要求較高。文獻(xiàn)[10]將變換系統(tǒng)分為主從兩個子系統(tǒng)，利用逆變側(cè)的動態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到整流側(cè)，控制其功率傳輸?shù)钠ヅ?，使其直流?cè)功率流動不變，主從控制可有效保證功率傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，減小誤差，同時可快速完成響應(yīng)需求。文獻(xiàn)中SNOP均以背靠背VSC(Voltage Source Converter，電壓源換流器)，其結(jié)構(gòu)簡單，控制易于實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行滿容量有無功傳遞。但文獻(xiàn)中缺少對帶儲能系統(tǒng)[11-12]的雙側(cè)交流電網(wǎng)互聯(lián)的SNOP控制策略研究。

以儲能型SNOP裝置為研究對象，在背靠背VSC的直流側(cè)加入儲能環(huán)節(jié)，構(gòu)建基于dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，通過對VSC內(nèi)環(huán)電流解耦控制、外環(huán)功率恒定控制及儲能系統(tǒng)[13]出口電壓恒定控制策略研究配合。同時儲能系統(tǒng)要兼顧維持直流側(cè)電壓恒定和新能源的消納，利用控制策略配合兩側(cè)VSC進(jìn)行不同控制目標(biāo)協(xié)調(diào)控制。最后通過仿真驗(yàn)證SNOP的優(yōu)越性。

1 SNOP的數(shù)學(xué)模型

圖1所示電路為SNOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩個相互對稱的VSC和儲能系統(tǒng)構(gòu)成，在正常的工作狀態(tài)下，兩個VSC一個處于整流狀態(tài)，另一個則工作在逆變狀態(tài)[14]，通過AC-DC-AC變換，達(dá)到兩側(cè)系統(tǒng)電氣聯(lián)接的效果，并且對兩側(cè)進(jìn)行能量交互。直流環(huán)節(jié)中的電容處聯(lián)接儲能系統(tǒng)，可以穩(wěn)定直流母線電壓，保證雙向能量傳輸?shù)囊恢拢岣呖箷簯B(tài)擾動能力。同時可以利用儲能系統(tǒng)作為新能源存儲消納環(huán)節(jié)，使得SNOP具備對電能進(jìn)行時空調(diào)節(jié)的能力。

圖1 儲能型SNOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the energy storage SNOP

為了更好地設(shè)計SNOP的控制策略，需要對其被控對象進(jìn)行研究分析，根據(jù)其動態(tài)特性設(shè)計相應(yīng)的控制。因此，先對SNOP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

(1)

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(5)

其中，ω1、ω2分別為變換器兩邊交流側(cè)電壓角頻率；id1、iq1、id2、iq2分別為VSC1和VSC2交流側(cè)輸出電流d、q分量；e1d、e1q、e2d、e2q分別為變換器交流側(cè)電壓d、q分量；md1、mq1、md2、mq2分別為變換器的開關(guān)函數(shù)d、q分量；udc、ub分別為直流母線電壓和蓄電池電壓。R1、R2為線路等效電阻。式(4)、式(5)分別為儲能系統(tǒng)在BUCK、BOOST模式下的狀態(tài)方程。

在忽略VSC1、VSC2開關(guān)損耗情況下，有：

Pk=udc(makiak+mbkibk+mbkibk)=udcidckk=1,2

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其中，Pk為變換器輸入或輸出的有功功率，在保持直流母線電壓恒定時，兩個系統(tǒng)輸出的直流相等，即可保持功率輸送平衡。

2 SNOP的運(yùn)行控制策略研究

在利用SNOP互聯(lián)交流系統(tǒng)時，其總體控制目標(biāo)是對系統(tǒng)兩側(cè)的功率傳遞進(jìn)行獨(dú)立控制，而系統(tǒng)具體控制又分為三大部分：整流側(cè)VSC、逆變側(cè)VSC和儲能側(cè)。三部分均采用雙閉環(huán)的控制策略[16]。3個變換器的控制，都根據(jù)其具體實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)來控制外環(huán)，為電流內(nèi)環(huán)提供電流目標(biāo)值。內(nèi)環(huán)控制則進(jìn)行輸出調(diào)制，保證電流的無靜差跟蹤。SNOP的另一個特性就在于可進(jìn)行雙向能量交換，這也就使得其控制更加靈活，兩側(cè)VSC的控制策略可進(jìn)行相互調(diào)換。

2.1 VSC控制策略

整流側(cè)VSC和逆變側(cè)VSC內(nèi)環(huán)控制策略一致，都是用來控制變換器的調(diào)制電壓，使變換器的輸出電流可以快速跟蹤外環(huán)的給定值。兩個VSC的外環(huán)控制目標(biāo)各有不同所以需要根據(jù)其具體目標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的外環(huán)控制策略。

內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。為了消除耦合相，需要利用PI控制器，通過交叉相消方式引入電流反饋消除了d、q軸之間的電流耦合，而對于交流電源的干擾，則采取前饋補(bǔ)償，利用電源補(bǔ)償其產(chǎn)生的干擾。

圖2 內(nèi)環(huán)控制Fig.2 Internal loop control

VSC1作為整流器，為保證能量傳輸?shù)姆€(wěn)定，其基本的控制目標(biāo)為直流電壓穩(wěn)定和無功調(diào)節(jié)。同時因?yàn)閮δ芟到y(tǒng)的存在，在VSC1側(cè)電能足夠充足的時候，還要肩負(fù)為儲能系統(tǒng)供電的職能，可對儲能系統(tǒng)進(jìn)行電能供給，確保儲能系統(tǒng)的SOC為安全可靠狀態(tài)。所以對其運(yùn)用U-Q控制策略。其中d軸的參考量為

(7)

無功分量則根據(jù)需要的功率因數(shù)而設(shè)定，可獨(dú)立調(diào)節(jié)。圖3為外環(huán)的直流電壓控制原理圖。其中Udcref、Qref為被控對象的參考值，其既可以實(shí)現(xiàn)對直流母線電壓的恒定，又實(shí)現(xiàn)對交流側(cè)的無功的調(diào)節(jié)。

圖3 VSC1外環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of outer loop control of VSC1

VSC2工作逆變狀態(tài)，其承擔(dān)著為其交流側(cè)提供能量的職責(zé)，其控制目標(biāo)為所需求的有功和無功傳遞，此外考慮到儲能VSC1交流側(cè)若能量不足以使VSC1交流側(cè)工作在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，需要儲能系統(tǒng)協(xié)助完成，所以VSC2還需要進(jìn)行對儲能系統(tǒng)能量的接收，完成儲能并網(wǎng)任務(wù)。所以對其進(jìn)行P-Q控制，通過控制有功功率來保證傳從交流1側(cè)和儲能系統(tǒng)輸送過來的有功功率滿足交流2側(cè)的需求，可以為變壓器2緩解壓力使其工作在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，保證了其供電側(cè)的電能質(zhì)量和供電的可靠性，如圖4所示。根據(jù)實(shí)際的測量計算可以得到Pref值，在輸入給定量控制在其附近時，可以保證傳輸過來的功率滿足變壓器2側(cè)的缺額，使得其可以工作在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，保障用戶側(cè)供電質(zhì)量，并且通過無功補(bǔ)償，保證負(fù)載側(cè)電壓水平。

圖4 VSC2外環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of outer loop control of VSC2

有功電流和無功電流的預(yù)測值是根據(jù)給定的有功無功功率通過穩(wěn)態(tài)逆模型得到的，逆系統(tǒng)模型可以被控量傳遞函數(shù)逆作為控制器加入到控制系統(tǒng)，可以避免系統(tǒng)因反饋和擾動而使系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定，同時與其他控制解耦改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。把其與PI控制輸出的電流修正量相加作為電流分量的給定輸入到內(nèi)環(huán)系統(tǒng)，可以提高控制器的響應(yīng)，消除靜態(tài)誤差。

2.2 儲能系統(tǒng)控制

儲能系統(tǒng)利用雙向半橋BUCK/BOOST變換器進(jìn)行模塊化處理，DC/DC變換電路作為電池的升降壓電路。對于儲能系統(tǒng)的控制策略關(guān)鍵要使其與VSC進(jìn)行配合協(xié)同工作，儲能系統(tǒng)作用不僅是維持直流母線電壓恒定和新能源發(fā)電過剩的存儲，還需要可以進(jìn)行并網(wǎng)操作[17-18]。

在整流側(cè)的電能裕量較大的情況下，滿足需求側(cè)的功率時還可以繼續(xù)輸送功率時，則利用整理器對儲能系統(tǒng)同時供電，此時儲能系統(tǒng)工作在充電狀態(tài)。在此控制策略下，可保證儲能系統(tǒng)和整流側(cè)的配合利用系統(tǒng)電能充裕量對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電，同時直流母線電壓的穩(wěn)定，也可以保證在兩個VSC進(jìn)行能量交互式，保持平穩(wěn)輸送。

在對儲能系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作時，BMS對總體進(jìn)行監(jiān)控管理，監(jiān)測蓄電池的荷電狀態(tài)和直流電壓電流水平，使儲能系統(tǒng)正常工作，確保電池組處在安全狀態(tài)，在對電池?fù)p耗較小的情況下，實(shí)現(xiàn)充放電模式之間轉(zhuǎn)換，確?？梢耘cVSC之間的控制相互配合，協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3 仿真研究

通過以上分析，使用MATLAB進(jìn)行對SNOP系統(tǒng)進(jìn)行搭建仿真以驗(yàn)證SNOP系統(tǒng)可以對兩側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行雙向能量交互。假設(shè)交流兩側(cè)需要能量補(bǔ)償，以VSC1作為整流器進(jìn)行無功控制和直流電壓跟蹤，VSC2作為逆變器調(diào)節(jié)有功無功傳輸控制，均利用雙環(huán)PI解耦控制，儲能系統(tǒng)采用恒壓充放電方式，保持直流母線電壓恒定。

經(jīng)計算，需VSC1側(cè)傳輸25 kW功率使得T2工作在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，所以在SNPOP開始工作時，傳輸功率在25 kW左右，假定在0.15 s時刻，逆變側(cè)負(fù)載側(cè)并聯(lián)接入負(fù)載25 kW，由于逆變側(cè)變壓器已經(jīng)飽和，而整流側(cè)仍有裕量足夠支撐此負(fù)載，所以整流側(cè)需要增加輸出，為逆變側(cè)提供功率支撐。具體仿真輸出波形如圖5所示。

(a) 輸出電流波形

(b) 輸出電壓波形

(c) 直流電壓波形

(d) 有功波形

圖5(a)為VSC2側(cè)輸出電流波形圖，從圖中可以看出，在前0.15 s時，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，在0.15 s時刻,負(fù)載增加，SNOP輸出電流出現(xiàn)了輕微的波動，并且在之后輸出電流增加，表明系統(tǒng)可以很好地響應(yīng)逆變側(cè)的負(fù)載變化，并及時提供能量補(bǔ)充。其波形畸變率在0～0.15 s時THD為1.25%，在0.15 s之后，THD為1.08%，遠(yuǎn)小于國家并網(wǎng)規(guī)定值，可以達(dá)到優(yōu)質(zhì)的并網(wǎng)效果，不會對原有電網(wǎng)產(chǎn)生影響。圖5(b)為輸出電壓，可以看出電壓基本穩(wěn)定在380 V左右,即使在0.15 s秒時刻，出現(xiàn)負(fù)載突增的情況，電壓波動也很小，可以保持基本不變，表明SNOP對維持系統(tǒng)穩(wěn)定的性能較為優(yōu)良，可以對突增負(fù)載和原有負(fù)載都保持電壓不變供電，幾乎對用戶不會產(chǎn)生影響。圖5(c)為直流側(cè)電壓，在0.15 s時出現(xiàn)了一個小幅度的電壓跌落，但是又瞬間恢復(fù)到原有電壓水平，表明了在儲能系統(tǒng)和VSC1側(cè)直流電壓控制策略下的雙重穩(wěn)定，可以保證直流母線電壓穩(wěn)定，控制策略的配合效果明顯，控制策略的動態(tài)穩(wěn)定性較好。圖5(d)為VSC2側(cè)實(shí)際接收的功率，在0.15 s時系統(tǒng)負(fù)載突增，SNOP反應(yīng)較為迅速，繼續(xù)為負(fù)載增加提供了25 kW的有功功率，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行功率追蹤控制。在穩(wěn)態(tài)情況下，基本上與設(shè)定值相吻合，表明其可以對參考值進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無誤差跟蹤。通過上述仿真可以表明理論的可行性，利用SNOP裝置在交流系統(tǒng)一側(cè)有功充足的情況下，可以對交流兩側(cè)進(jìn)行補(bǔ)充，同時可以保證電能傳輸?shù)馁|(zhì)量，對原系統(tǒng)穩(wěn)定并無影響。

4 結(jié) 論

為了應(yīng)對化石能源危機(jī)和人們?nèi)找孀兓挠秒娦枨?，提高新能源的利用和保障用戶用電可靠是現(xiàn)在電力系統(tǒng)發(fā)展的至關(guān)重要一步。SNOP的運(yùn)用對電網(wǎng)消納新能源，緩解現(xiàn)有電網(wǎng)壓力都有著重要的作用。通過對SNOP的控制運(yùn)用，在儲能系統(tǒng)的配合下，不僅表明了其具有穩(wěn)定直流電壓，還可以對功率進(jìn)行無誤差的跟蹤，保障了功率的雙向傳輸能力。仿真也進(jìn)一步驗(yàn)證了控制策略的可靠性，可以在較低的畸變率下進(jìn)行并網(wǎng)傳輸功率，在儲能系統(tǒng)的配合下，可以進(jìn)行新能源的就地消納。在接下來的研究中，將著重于其對電能可靠性的研究，在負(fù)載側(cè)發(fā)生故障情況下，如何保障非故障相可以持續(xù)供電將和多端口饋線互聯(lián)[19]是以后研究的重點(diǎn)。