文摘

与分布式可再生能源的集成分销网络和多端柔性直流输电技术的发展,多端柔性直流配电网络具有广阔的应用前景。与此同时,随着新能源汽车的快速发展,动力电池的雁行利用已成为一个研究热点。通过分析柔性直流配电网络的特点和雁行利用电池的结构和控制策略模块化的多级转换器(MMC),直流固态变压器、光伏发电、风力发电、和雁行利用电池储能系统,分别。实现直流网络连接各类电源和负载,提出了一种启动方法的多端柔性直流配电网络和合作wind-solar-storage系统的控制策略。一个six-terminal圆环直流配电网络模型是建立在实时数字仿真(高压)平台。仿真结果表明,该建模方法和控制策略的实时仿真模型中的每个组件满足操作要求的多端柔性直流配电网络,它提供了一个参考的建设和研究柔性直流配电网络。

1。介绍

随着可再生能源技术的发展和能源存储技术,现代分销网络将包含越来越多的分布式电源和储能。常见的分布式电源包括光伏电池,燃料电池,风力涡轮机,燃气涡轮机,所产生的力量这些电源是直流还是可以简单的整流后转换为直流。与此同时,现代负载情况发生了变化。越来越多的负载需要使用直流电源模式,如液晶电视、LED照明、电动汽车、个人电脑和手机;直流电网的发展可以极大地减少流动改变链接,降低负载接入成本,提高功率转换效率和电能质量,提高能源利用效率,充分证明了经济效益和利用分布式能源的价值。新能源产生率的增加,DC分布将扮演越来越重要的角色在未来电网(1]。

目前,研究柔性直流配电网络系统在国内外实验探索阶段2,3]。直流配电网络的仿真设计,文献[4)深圳MMC-DCDS示范项目的基础上,提出了柔性直流配电网络的启动和控制策略,基于系统运行特点。文档(5]提出了保护控制系统设计方案和相应的控制保护策略直流换流站的分销网络,但不涉及到研究分布式电源的控制策略。摘要(6]研究直流配电网络的控制和保护策略和构建柔性直流配电系统的离线仿真模型基于MATLAB,用于验证控制策略的正确性和保护方案的可靠性,但离线仿真不适合模拟电力电子器件开关频率高。论文(2,7)研究和分析的建模和实时仿真技术与多端柔性直流配电网络,在直流配电网络的实时仿真模型建立了基于实时实验室(RT-Lab)。上述研究涉及的建模与wind-solar-storage直流配电系统的关键设备和系统的协调控制策略相对较少。

通过分析直流配电网络的关键设备(包括分布式发电、直流变压器、变频器、和其他组件),建立不同的负载类型的直流配电网络,如模块化多电平转换器,雁行利用电池存储系统,风力发电设备,光伏发电装置,同步电动机,它是基于vdc-q的控制方式,p q, VF,等等,从而实现直流电源和负载的多种类型的网络。基于高压模拟平台,six-terminal“环”直流分销网络模型构建研究启动和源多端直流配电网络协调控制策略。最后,进行了仿真验证。

2。直流配电系统建模组件的灵活

多端柔性直流配电系统主要由变频器,直流变压器,分布式电源(如光伏发电系统、风力发电系统和能源存储设备),和直流负载。

2.1。模块化多电平变换器

目前,有三种电压源转换器用于柔性直流输电项目:两级电压源变换器(VSC),三级万顺昌和模块化的多级转换器(MMC) (8]。MMC转换器的优点容易扩张,谐波失真小、开关损耗低,没有换向失败,错误处理能力强(9- - - - - -12]。它在最近几年得到了广泛的应用。

三相MMC的主电路拓扑如图1(a)。每个阶段包含两个手臂上、下桥,还有六桥臂在所有三个阶段。每个桥臂由N子(SM)和循环反应器串联。SM的结构如图1(b),包括与开关元件IGBT半桥直流储能电容器。

MMC建模主要分为三个模块:MMC控制模块、阀门模块,和主电路。MMC控制模块主要是负责活动和无功功率变换器的控制,然后输出电压幅值和相位调制波功率指令对应的值(13,14]。阀门模块使用子模块的数量对应于前调制波形来控制每个子模块由一组状态的优化算法,实现换向。此外,MMC转换器的控制还包括一些辅助控制,如启动、锁相、内部循环抑制,抑制负序电压。MMC的控制策略结构如图2。

2.2。直流固态变压器

直流固态变压器(DCSST)基于电力电子技术可以实现不同直流电压水平分布的匹配网络。为了提高功率密度,dual-active-bridge (DAB)结构可用于应用程序需要双向电力传输。DCSST主要由N个相同的民建联转换器;每个民建联变换器由两个完整的桥梁和一个高频隔离变压器,如图3。N民建联转换器连接在系列高压端与高压直流总线和并行连接在低压端与低压直流总线连接,以增加的高压侧的电压水平n时间和目前的低压端n次了。

民建联DCSST由移相控制,能源传输实现相移的大小两个细胞之间的桥梁。民建联的控制框图和恒定电压和低电压如图4。其中,和V_{证券交易委员会}代表的标准和测量值的二次侧直流电压轻拍,分别;δ₁代表的电压相角桥臂中点的主要方面;δ₂代表的电压相角桥臂中点的二次侧;和∆δ是两个整流桥元素之间的相角差。

2.3。光伏发电设备

光伏发电装置是一种发电装置,将光能转换成电能。灵活的光伏发电直流配电系统主要由光伏电池板和增加链接,如图5。

光伏电池板的输出电压和电流随光照强度的变化和改变细胞结温,具有强烈的非线性特征,有一个特定的工作条件下的最大输出功率点。当光照强度和电池结温变化,光伏阵列的输出电压和输出电流也会变化,输出功率也会改变。为了充分利用太阳能,有必要使工作点的光伏电池最大功率点下降,也就是说,最大功率点跟踪翻译(MPPT)控制光照强度和温度变化的情况下15]。翻译的MPPT算法用于计算电压下的最大功率点的相应的照明和温度。光伏发电设备的控制框图如图6。V_光伏代表了直流电压输出的光伏发电装置,和责任的准时的责任比可控设备在提高电路(16]。

2.4。风力发电设备

风力发电设备主要包括风力发电机、齿轮箱、发电机、变换器。常见的风力发电机主要是双馈风力发电机和永磁同步发电机(PMSGs)。PMSG没有转子绕组,没有励磁电源,集电环,碳刷,简化了结构,提高了转换效率。PMSG的柔性直流配电系统的结构如图7。

PMSG全功率变换器。不同风速下,风扇的最大输出功率速度是独一无二的。因此,最大的机械功率可以通过调整风扇转速;采用翻译,MPPT控制以提高系统的能源利用率。PMSG如图的控制策略8。其中,ω 和ω分别代表风力涡轮机的参考价值和测量值的速度,我_sa,我_某人,我_sc分别代表了当前三相发电机方面,u_sa,你_某人,和你_sc分别代表了转换器三相参考电压,ω_e代表了同步电动机的角速度,L_年代代表定子电感,Ψ_f我代表转子永磁磁通_sd 和我_sd分别代表D-axis参考电流与实际电流_平方 和我_平方分别代表q-axis参考电流与实际电流_sd 和你_sd分别代表d-axis参考电压与实际电压和u_平方 和你_平方分别代表q-axis参考电压与实际电压(17]。

2.5。雁行利用储能电池

目前,常用的能源存储设备是锂电池,这取决于浓度差李+完成充电和放电的18]。雁行利用电池储能体系结构模型的柔性直流配电系统图所示9。在雁行电池储能系统中,每个电池的电压是不一致的,所以直流/直流转换器需要增加或减少电压,然后是能量存储系统可以连接到电网。直流/直流转换器在此体系结构中采用多通道交叉技术,和每一个电池都可以配备一个DC / DC分支实现独立的充电和放电,从而减少短板效应和安全问题造成的贫困电池组的一致性雁行利用率(19]。直流/直流转换器的工作原理在能源存储系统如下:当卸货时,巴克电路IGBT关闭,Boost电路IGBT工作,DC / DC电路充当Boost电路,和电池的电流负载或电网;当充电时,IGBT提升电路,IGBT的巴克电路的工作原理,DC / DC电路是巴克电路,电流从电池供电。

能量存储系统的操作模式是连接到网格是恒功率控制方式(20.]。储能变换器发送接收到的命令输出功率DC / DC转换器。控制器的直流/直流转换器获得每个分支电池组SOC和发送功率命令每个DC / DC分支根据每个分支电池组SOC。电力系统直流/直流分支实现命令跟踪准确通过电源闭环控制21]。

3所示。建模和控制策略的Six-Terminal“环”柔性直流配电系统

3.1。柔性直流配电系统建模

“环”six-terminal柔性直流配电系统图所示10(22- - - - - -25]。1号和3号航站楼连接到10 kV交流分销网络,终端2连接到交流负载,终端4是连接光伏发电和储能设备,5号航站楼连接到0.38 kV交流微型智能电网"组成的加载和同步发电机,和终端6连接到直流负载,风力发电,能源存储设备。考虑每个终端的操作特点,MMC转换器用于终端1,2,3,5,而直流变压器用于终端4和6。在终端2是交流电阻负载,负载和负载终端6是直流负载的植物。每个终端的参数和运行方式如表所示1(26]。

3.2。多端直流配电系统的控制策略

3.2.1之上。启动控制策略

在柔性直流系统的启动过程,必须采取适当的启动控制和限流措施抑制过电压和过电流的现象。开始控制的目的是使柔性直流系统的直流电压迅速上升到正常工作电压的控制方法和辅助措施,但不能产生过度充电电流和电压超调现象。

一个可行的方案是连接起动电阻器串联在启动充电回路,电荷通过交流系统电压,直流能力和消除起动电阻器的初创企业减少损失,如图11。

转换器的整个启动过程分为两个区域:无法控制的电流和控制电流,如图12。在当前的地方不可控,通过系列转换器站实现限流起动电阻器。在控制区,换流站控制限制链接实现限流的外层循环系统的控制器。

的起动控制流six-terminal“环”直流配电系统图所示13。

3.2.2。源协调控制策略

源供电方法的协调是一种采用多种类型的分布式电源和利用不同分布式电源的互补特性改善分布式电源的输出特性(27,28]。例如,太阳能和风能具有强大的间歇性和波动,分别,所以太阳能发电设备的输出功率和风能发电装置还具有间歇性和波动。这种分布式发电装置输出不稳会影响配电系统的稳定、可靠运行。因此,光伏发电和风力发电设备配备适当的能量存储系统可以提高分布式发电的输出特性,使光伏发电和风力发电控制和稳定的电力供应。

4所示。仿真结果和分析

基于实时数字仿真平台高压,six-terminal直流配电系统模型是建立“环”。高压有一个基于FPGA的MMC阀模型,这有利于模拟开关的MMC阀有大量元素和模拟阀内部压力平衡的问题。six-terminal模型,临终状态和3-terminal转换器阀门运行在fpga硬件,和其他地方在高压运行。

4.1。启动的模拟

当系统启动时,辅助开关端子1、2、3和5关闭充电的MMC直流配电网络;当直流电压达到0.73 p.u。(参考价值是10 kV),转炉站在第一个结束解锁,继续负责直流网络。直到p.u直流电压达到1。,the main switch at the first end is closed and the other ends are unlocked so that the system enters the no-load operation stage. During system start-up, the waveform of DC voltage and charging current at terminal 1 of constant DC voltage is shown in Figure14。根据仿真波形,大约需要40°s为终端1电压从0部件1 p.u上升。,最大充电电流峰值0.04 p.u。(参考价值是1 kA)。

当终端2是恒定的频率电压(VF)终端合并成直流系统,主开关关闭终端2和交流侧电压提高根据建立边坡实现并网两端换流站的控制。在终端1和2的仿真波形如图所示15。仿真结果表明,终端1的电压基本稳定在1 p.u。的直流电源终端1 = 0∼−1 p.u。(参考价值是10 MW)。终端2交流电压的有效值不同从0到0.99 p.u。(交流电压的参考价值是10 kV),和终端2直流电源不同p.u从0到0.94。持续5 s。

4.2。权力的一步

假定直流配电网的运行状态由这双头电源如下:(1)终端1是恒定电压终端;(2)终端5 AC微型智能电网",其中包括3 MW负荷和1 MW同步发电机,它需要从电网吸收2 MW有功功率;(3)终端3是恒功率终端输出功率是0 MW;(4)终端4是光学存储访问终端,将传输3兆瓦电网有功功率;(5)终端6与风力发电和能源存储设备;(6)终端2是在空载运行阶段。

4.2.1。准备转换器的力量一步阀门

假设此时,三号航站楼的力量是恒功率终端将一步从0 MW 6 MW和终端6传送0 MW电网有功功率。系统仿真波形如图16。仿真结果表明,系统的直流电压稳定在1 3 s后部件。二次侧电压的直流变压器(参考价值1.5 kV)终端4和终端6基本上是稳定在1 p.u。直流输电在每个终端也可以在短时间内是稳定的。

4.2.2。负载的功率一步

基于上述试验,负载切换实验是在5号航站楼,和3 MW负荷由5号航站楼关闭在10年代投产。仿真波形如图17。根据仿真波形,当负载切换实验是在5号航站楼,每个终端可以迅速恢复到稳定运行状态。

4.3。源协调控制策略

直流配电系统启动时的协调控制策略,光伏发电、储能、风力发电、储能,终端4和终端6是整个系统稳定的电源。摘要集电力传输系统的终端4 3 MW和温度25°C。光伏设备的输出功率与光照强度变化。光伏的输出功率波形和能量存储在终端4图所示18。从图可以看出18能量存储设备可以快速应对能力变化的光伏设备的输出功率终端4是稳定的。

摘要集电力传输系统的终端6 4兆瓦。风力发电设备的输出功率与风速和风向变化。风力发电输出功率波形和能量存储在终端6所示图19。可以看到,输出功率的能量存储设备可以快速跟踪风力发电设备的输出功率,从而确保输出功率终端6是恒定的。

5。结论

直流配电系统的关键环节是保证电能质量,提高运行效率,创新服务内容。模型的模块化多电平转换器,变压器,直流固态光伏发电设备、风力发电设备和能源存储设备建立符合实际的设备的基本特征。启动策略可以使多端直流配电系统投入运行快速和顺利。源协调控制策略可以大大提高直流配电系统运行的经济效益,使系统稳定运行。因此,每个组件的结构和控制策略以及系统启动和源协调控制策略采用本文是正确的和有效的,为后续的控制奠定了坚实的基础和研究复杂的直流配电系统的保护。规划和设计的理论和技术问题,调度控制和直流配电网继电保护的需要进一步研究。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作的部分支持由中国国家自然科学基金(51807179)和中国的内蒙古自治区科技重大项目(2020 zd0018)。