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MMC型微网复合主动电力调节系统协调控制策略研究

陆晶晶  
【摘要】:分布式可再生能源发电技术被公认为是可有效缓解世界一次能源紧缺危机以及环境污染的重要“武器”。作为分布式发电大规模接入电网的重要实现形式之一,微网既能够在孤岛运行状态下完成分布式可再生能源的“就地消纳”,又可以与主网互联形成能量的双向流动。分布式发电以及微网技术的出现和逐步成熟使得现代电力系统由传统单一的垂直一体化结构,向着多元的分散合作平面化的结构发展。然而此技术是一把“双刃剑”,一方面具有能源高效利用,功率优化调配,提高经济效益,供应电能灵活以及改善环境效益等优势,另一方面其又会带来诸如电能质量恶化等问题:功率波动较大(如电弧炉)及基于电力电子器件(如整流器)的非线性、非对称负荷依然存在;大规模的微源伴随着间歇性、波动性、不确定性等自然属性;微源经电力电子变换器接入系统引入特征谐波:双向流动的特性导致大量分布式能源并网发电产生的电能质量问题蔓延至上一级电网:微网运行模式的切换造成频率、电压的偏差等等。除此之外,双向流动的特性还可能引发故障的相互渗透,降低微网和与之相连主网的运行可靠性。有必要对含有多个微源的微网以及含微网的系统电能质量进行有效治理,并实现微网与主网之间功率的可控传输,为新一代电力系统提供优质的运行环境,保证电能供应的质量及微网的可靠运行。复合主动电力调节系统是基于全控型电力电子器件的用户电力技术(Custom Power, Cuspow)之一,采用背靠背连接的换流器。与具有单一补偿功能的设备相比,这种主动电力调节系统能够对电压暂降/暂升、谐波、无功及不平衡进行综合的补偿,不需要考虑多个设备之间的协调控制问题,且成本相对较低,因此,目前在实际的配电网中得到了工程应用的机会。而将模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)与复合主动电力调节系统结合,一方面充分发挥了MMC可以实现高电压、大容量的技术优势,另一方面MMC已经在高压直流输电(High-voltage Direct Current, HVDC)领域得到丰富的实践和发展,能够为MMC在主动电力调节系统中应用工程化的实现提供宝贵的经验。为保证微网提供更加优质的电力,运行的更加经济、高效、安全以及可靠,本文将MMC型复合主动电力调节系统应用于含有分布式电源的微电网。MMC型复合主动电力调节系统既能够高效地综合改善微源的电能质量,又能够因地制宜地根据微网电压等级、系统容量及装设的位置实现主网与微网之间、分布式电源与微网之间功率输送与电能质量治理一体化的调节。但上述功能的实现需要串、并联侧换流器的协调配合,因此论文对MMC型复合主动电力调节系统参数设计、基本控制算法、协调控制方法、优化再分配方法、保护控制策略以及功率输送与电能质量治理一体化的调节实现等方面进行了研究,为MMC型复合主动电力调节系统工程化实现提供一定的理论依据。(1)MMC型复合主动电力调节系统工作原理及基本控制策略首次将MMC应用于复合主动电力调节系统以提高电能质量综合治理装置的应用电压等级和容量。以并联侧MMC并接于系统与负荷之间,串联侧MMC通过耦合变压器接入系统的结构为研究对象。首先确定复合主动电力调节系统基本组成单元——MMC的参数计算及选取方法,建立MMC的数学模型;其次,分析MMC型复合主动电力调节系统综合补偿的工作原理,并给出相应的基本检测与控制方法,设计基本控制器。最后,分别采用PSCAD/EMTDC (Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC)仿真软件和RTDS (Real Time Digital Simulator)实时数字-物理闭环仿真对串联侧补偿电压暂降/暂升,并联侧补偿不平衡、无功及谐波电流的综合治理功能进行仿真验证。(2)定有功电流限值协调控制方法研究微网中大量分布式可再生能源的接入增加了微源侧电压的不确定性,电压暂降发生的频次、暂降幅值可能较传统的电力系统更过更深、持续时间也可能更加持久。具有优良电力调节能力与特性的MMC型复合主动电力调节系统应能够在恶劣电压骤降的情况下尽最大可能提供电压补偿,令微网持续坚强稳定的运行。本文对MMC型复合主动电力调节系统电压跌落补偿能力进行深入的理论分析,给出电压凹陷幅值、补偿持续时间和主电路参数之间关系的数学表达式;在传统定直流电压协调控制方法的基础上提出了定有功电流限值协调控制方法,通过并联侧的限流对串联侧开关器件承受过流进行抑制,并利用MMC拓扑结构中子模块(Sub-module, SM)直流电容的储能对复合主动电力调节系统的低电压跌落补偿能力进行提升,以提供电压骤降严重情况下的短时支撑;PSCAD/EMTDC环境下的仿真模型采用定有功电流限值协调控制方法,仿真结果表明基于定有功电流限值控制的复合主动电力调节系统提高了能够补偿的低电压凹陷幅值以及电压凹陷补偿持续时间,确保了微源侧的短时供电。(3)考虑经济性评估的补偿量优化分配控制方法研究理想的供电系统中电源侧只需提供正弦基频的有功电流,然而随着大量非线性、波动性、冲击性等负荷的接入,电流质量问题变得越来越严重。系统中谐波、不平衡及无功电流的存在使发电机、变压器等设备的损耗增大、发热、绝缘老化以及寿命降低;精密电子设备运行不正常;通讯、测量线路等产生辐射干扰,最终给供用电双方造成巨大的经济损失。当微网负载侧出现待补偿容量超过MMC型复合主动电力调节系统自身容量限值的情况时,对已有设备的技术改进比更换更大容量的设备在时间、资金成本上的投入要小的多,因此有必要通过需求侧引导实现MMC型复合主动电力调节系统容量的再分配以优化治理各种电流质量问题,实现对已有资源合理可靠的利用。首先引入电能质量事件平均经济损失的量化指标——平均经济损失,作为决定并联侧MMC电流优化再分配补偿控制的关键因素;接着,提出了侧重优先治理的优先级分配控制方法和侧重综合治理的自适应惩罚遗传算法多目标优化分配控制方法;最后在PSCAD/EMTDC软件中建立MMC型复合主动电力调节系统仿真模型,模拟补偿容量超限工况,对提出的上述两种方法的有效性进行仿真验证。补偿容量超限优化补偿控制是对并联侧MMC基本控制方法进行补充,以实现功能的进一步完善。(4)MMC型复合主动电力调节系统对微网负荷侧故障保护控制方法研究当微网中复合主动电力调节系统所在支路的负载侧出现短路故障时,不仅装置对保护自身的安全有一定的要求,系统对装置也有一定的要求。本文分析并提出了MMC型复合主动电力调节系统在负载侧发生故障时保护策略的制定原则,将反并联晶闸管(Silicon Controlled Rectifier, SCR)并联在串联耦合变压器的一次侧,并通过在复合主动电力调节系统中加设的断路器与线路断路器之间的连锁动作配合,在负载侧发生短路故障的情况下,将复合主动电力调节系统与故障线路隔离,从而实现了对复合主动电力调节系统的有效保护。针对负载侧故障,串联侧MMC可以分别采取子模块处于全闭锁状态或者各相上桥臂旁路、下桥臂闭锁状态这两种不同的保护动作方式,基于PSCAD/EMTDC软件的仿真结果对比验证了这两种不同方式的有效性以及各自的优缺点。(5)微网的功率输送与电能质量治理一体化功能及其实现为了实现微网中分布式能源的有效利用、微网对本地负荷的可靠优质供电以及微网与主网之间的功率调配,本文将MMC型复合主动电力调节系统拓展至三端结构,并对其功能进行延伸,分析MMC型三端主动电力调节系统在微网中的运行模式,并设计协调控制策略以实现微网中电能质量综合治理兼顾微网与主网之间功率可控调节的一体化功能,通过PSCAD/EMTDC对提出的协调控制策略进行验证。


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