改进下垂控制下的中压直流配电系统双时间尺度分层调控方法

针对中压直流配电系统,在负荷激增、可再生能源出力突变等特殊工况下,传统优化调度方案与协调控制策略存在系统运行经济性有待提升、直流母线电压易越限的问题。为此,提出一种基于改进下垂控制的中压直流配电系统双时间尺度分层调控方法。首先,构建一种具备直流故障穿越能力的3端混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)环状±10 kV中压直流配电系统,该系统含电动汽车充电站、储能系统、分布式光伏与风电等灵活性资源。其次,制定各单元协调控制策略,并采用tan函数改进传统下垂控制,以提高系统应对大幅功率波动的能力。然后,基于改进控制策略提出一种双时间尺度分层优化调控方法:在长时间尺度的系统调度层,以运行总成本最小为优化目标,确定各换流器参考功率;在短时间尺度的换流器间协调控制层,改进下垂曲线,并优化控制系数,以兼顾系统运行经济性与电能质量。最后,以典型算例验证该文所提优化调度方案及协调控制策略的有效性:通过灵活调度多种柔性资源,系统运行总成本可降低约11%;在某数据中心负荷激增100%的工况下,各直流母线电压波动仍能维持在±3%UN(额定电压)的允许范围内。

超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

基于电压补偿的双端直流配电网电压就地协调控制

双端直流配电网是一种双端电源供电的网络结构,可为直流负荷提供更加稳定和可靠的电源电压。然而,负荷的功率波动和不平衡使线路电压跌落增大,可能导致直流负荷的电压不平衡度和电压偏差指标越限,影响直流负荷的正常运行。文中基于电压源型换流器(VSC)外环电压控制,考虑中线电压补偿,提出基于电压补偿等效模型的直流配电网电压偏差及不平衡度联合抑制策略,实现直流配电网电压就地协调控制。首先,建立双端直流配电网潮流模型,将VSC电压下垂控制引入潮流模型,分析不同控制策略下的电压偏差和不平衡度的特性。其次,在此基础上,以电压最低点为分点获得双端电源供电回路压降的简化等效模型,并利用最小二乘法实现等效阻抗参数辨识,构建双端直流配电网的电压补偿等效模型。以参数辨识结果作为电压外环控制输入,提出考虑中线电压补偿的双端直流配电网电压就地协调控制策略。最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证了双端直流配电网潮流模型的正确性和控制策略的有效性。

基于VMD模糊熵与GG聚类的直流配电网故障检测方法

针对直流配电网存在的故障信号难以提取、不易对各类故障进行诊断等问题,提出一种基于变分模态分解(VMD)模糊熵与Gath-Geva(GG)聚类的故障检测方法。首先,提取出暂态电流,采用VMD算法将故障暂态电流分解成若干个固有模态分量(IMF)。然后,分别计算分解得到的若干个IMF的模糊熵,将其作为特征向量。最后,采用GG聚类算法对故障特征的特征向量进行聚类识别。GG聚类的主要算法为将聚类样本划分为c类,设出隶属度矩阵,通过设定迭代来计算聚类中心与最大似然估计距离,更新隶属度矩阵,当隶属度矩阵满足条件矩阵时终止迭代,从而实现对单极故障、极间故障以及区外交流侧接地故障的聚类识别。仿真结果表明,所提保护方案可靠性强、准确率高,在不同故障类型、故障位置和过渡电阻等工况下均能可靠检测直流线路故障并准确识别故障类型,且具备一定的抗干扰能力。

船舶大容量直流配电板磁场抑制措施研究

基于Biot-Savart定律,结合配电板实际状态,分析了大容量直流配电板在通电状态下主汇流排及配电板整柜产生的外部磁场特征,根据其对所在船舶磁场的影响提出相应的磁场抑制措施,并对所提措施的效果进行仿真对比分析。研究结果表明,对主汇流排进行优化设计是大容量直流配电板在通电状态下磁场抑制的有效措施。

光伏直流配电故障诊断及火灾风险评估技术

长期服役的光伏发电系统直流配电故障概率高、火灾风险及危害大,严重影响光伏电站的运行安全、发电与出力能力,并对电站运维提出故障与火灾精准检测的技术挑战。为此,从生产现场直流配电柜故障分析入手,揭示接触不良、绝缘劣化、故障电弧、电气火灾的演变机理;分析国内外故障电弧诊断与火灾检测技术的理论成果应对在运电站电弧火灾的有效性,提出故障电弧预诊断与火灾检测技术的应用解决方案。研究结果表明,提出的故障电弧诊断与火灾检测技术应用方案,弥补直流继电保护对串联电弧故障无法保护的不足,能够有效诊断故障电弧并检测烟雾和高温,避免火灾及其扩大事故的发生。

基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距

为克服对端系统助增作用的影响,实现直流配电线路短路故障的准确测距,提出一种主动探测式的故障测距原理。故障发生后,设计限流策略限制短路电流,进而切换至主动探测控制策略下,向直流线路注入特征频率探测信号。根据特征频率下故障等效电路的激励与响应特性,构建故障测距方程,实现了基于故障分析法的单端量故障测距。基于PSCAD电磁暂态仿真软件搭建了对应模型,仿真验证了不同故障位置和故障过渡电阻情况下测距原理的性能,采用特征频率探测信号构建测距方程,克服了对端电源助增作用的影响,测距结果的相对误差在0.5%以内。

基于PCA和EEMD的柔性直流配电网故障选线算法

柔性直流故障选线技术的发展对直流配电网有着至关重要的作用。本文针对现有柔性直流故障存在的可利用的故障信息较少等问题,提出了一种新算法,该算法有效利用了集合经验模态分解EEMD(ensemble empirical mode decomposition)算法、主成分分析PCA(principal component analysis)和相关系数各自的优势。首先,提取暂态电流样本信号,采用EEMD得到以正交基函数表示的数据矩阵;接着,基于PCA进行该矩阵元素特征向量到主成分的转换,将样本信号投影到主元空间实现坐标变换,从而得到对样本数据的聚类和识别结果;最后,基于相关系数进行故障线路判别。本文算法的EEMD揭露了原始历史数据的内在变化规律,PCA能够有效选择故障有效特征。大量实验表明,该新算法准确有效,与现有其他方法相比,在故障信息不明显、不同过渡电阻方面具有优势。

中压直流配电场景下混合型MMC过调制工况对运行稳定性的影响分析

混合型模块化多电平换流器(hybrid MMC)可通过过调制运行实现中压直流(MVDC)配电网的直流故障穿越.现有研究未充分分析过调制工况下混合型MMC的运行稳定性,无法满足中压直流配电网的运行需求.为此,本文通过与正常工况进行对比,分析了过调制工况对混合型MMC运行稳定性的影响.首先,在电气与控制部分统一的dq坐标系下,构建考虑直流调制比的混合型MMC小信号模型,并将其与详细电磁暂态(EMT)仿真结果对比,验证所建立模型的准确性;其次,对比正常及过调制工况下的根轨迹,进而从控制参数可行域的角度分析了过调制工况对系统运行稳定性的影响;然后,基于主导模态特征根的虚部计算系统失稳时的振荡频率,并将其与相同控制参数下电磁暂态仿真结果进行对比,验证上述稳定性分析结果的正确性;最后,基于参与因子法计算各状态变量对于主导模态的参与程度,从而揭示对系统稳定性影响较大的关键状态变量.理论分析及仿真结果表明,混合型MMC的内部模态会随着交流及直流电流控制器参数的增大而逐渐趋于不稳定;相较于正常工况,过调制工况下混合型MMC控制参数可行域扩大,小信号稳定性提高.

直流配电技术成熟度分析及发展趋势预测

针对当前直流配电技术发展路径不明晰的问题,提出了直流配电技术发展阶段评估和成熟度预测方法以探究其发展趋势。首先,构建基于技术成熟度曲线的技术成熟度评估模型,通过调研文献将其按内容分为规划设计、运行控制与保护、关键设备3类,并进行文献检索以获取成熟度预测数据基础;接着,对未来直流配电技术的成熟度阶段和整体发展趋势进行分析预测,给出技术、热度双重作用下的直流配电成熟度预测结果;最后,通过设计拟合优度指标和交叉验证方法,验证了所提模型的准确性。研究结果表明:文献、专利等成果的数量可以反映技术发展趋势,直流配电技术科学研究热潮将在2030—2040年达到顶峰,并在2060年前后实现稳定发展,这与我国“双碳”目标实现的时间节点有效对应。

考虑柔性资源多维价值标签的交直流配电网灵活调度

可再生能源高渗透率使得交直流配电网面临严重的随机性和波动性,充分挖掘柔性资源调控潜力可以有效地降低可再生能源带来的网络运行风险。针对当前交直流配电网优化调度主要考虑电压源型换流器(VSC)的调控能力,对VSC与柔性资源协同研究不足的问题,提出一种考虑柔性资源多维价值标签的交直流配电网灵活调度方法。首先,考虑柔性资源调控特性差异,构建了包含响应时段、调节能力、调节成本及响应意愿的多维价值标签评估体系,准确全面地评估柔性资源聚合调控潜力范围;其次,以运行成本最小为目标函数,柔性资源多维价值标签为约束,建立交直流配电网两阶段鲁棒日前优化调度模型,并采用嵌套列和约束生成算法(C&CG)及强对偶理论进行求解;最后,通过改进的IEEE 33节点交直流配电网仿真结果表明,所提方法能够充分发挥柔性资源的调控潜力和协同能力,同时可有效提高模型求解效率和求解精度。

基于MMC的多端柔性直流配电网控制与保护

为提高多端柔直配电网系统的稳定运行能力,本文首先对分割的城市中压配电网进行互联设计了多端柔性直流混合配电网,对主要换流设备选型进行实例设计;基于下垂控制策略并结合功率参考值平移的曲线特性,将考虑电压限值的直流电压斜率控制方法应用于多端柔直配网,并制定本文设计案例的换流器保护配置策略。在PSCAD/EMTDC中完成10 kV多端柔直配网应用案例的搭建,最后仿真验证直流电压斜率控制策略及保护配置方案的有效性。

直流配电网交流侧不对称故障对直流侧电容电压影响研究

直流配电网的AC/DC换流器交流侧不对称故障对直流侧正、负极电容电压有重要影响。本文对直流配电网在交流不对称故障工况下直流侧电容电压进行理论推导分析,指出单相接地故障下因零序分量的存在使得AC/DC换流器直流侧正、负极两个电容的电压会呈现出共模波动特征。在PSCAD/EMTDC软件中搭建典型的直流配电网电磁暂态仿真模型,分别开展直流配电系统在稳态和交流单相接地故障暂态工况下的仿真分析,仿真结果也表明交流侧不对称故障过程中AC/DC换流器直流侧正、负极两个电容的电压表现共模波动过程,进而引起正、负极电容电压的不平衡,使得AC/DC换流器交流侧三相交流电压也出现直流偏置,影响系统恢复。

低压直流配电网强弱电弧特征及检测算法

直流电弧没有过零点特性,难以自行熄灭,易引发电气火灾,威胁直流配用电安全。通过搭建电弧模拟发生实验平台,采集不同电压下电弧信号,研究电弧电阻、电压等特性,分析了不同电压下电弧特征的差异性。以GB/T 35727—2017中低压直流配网标称电压优选值为依据,研究220 V、750 V、1 500 V3种不同电压等级电弧检测特征,对比傅里叶、小波、奇异值分解等频域特性,最大值、最小值、平均值、标准差等时域特性,得到不同电压等级下电弧检测的优质判据,证明了不同时频域特征适用于不同的电压等级。结合神经网络模型,设计了适用于750 V系统的电弧检测算法,算法检测精度为99.12%。

基于贝叶斯网络信息融合的直流配电网故障诊断方法

新型直流配电系统故障期间暂态特征复杂多变,继电保护存在拒动和误动情况。为了避免继电保护的不正确动作对故障诊断产生影响,提出一种基于贝叶斯网络信息融合的直流配电网故障诊断方法。首先,对传统继电保护贝叶斯网络模型进行改进,同时考虑直流配电网故障限流策略,分别构建保护动作信息、断路器动作信息和限流策略信息3种贝叶斯网络模型,对故障区域内各元件的故障概率进行初步评估。其次,利用D-S证据理论将各元件对应的故障概率信息进行融合,完成故障元件的判别。然后,应用故障元件对应的贝叶斯网络模型识别误动或拒动的保护装置与断路器,实现对直流配电网的故障诊断。最后,通过算例验证了所提故障诊断方法的可靠性以及准确性。

直流配电网交错串联式固态断路器

鉴于有源直流配电网的故障特性,能够快速有效切除故障电流的固态直流断路器对提高直流配电网的供电可靠性意义重大。为此,提出一种交错串联式固态断路器,其拓扑将多个内层单元串联交错以提高整体耐压能力,每个内层单元由多个串联的常通型SiC JFET开关管组成,电路拓扑具有极强的可扩展性。通过双层均压网络实现串联开关的快速响应、动静态电压平衡。基于LTspice软件构建4.5 kV/20 A固态断路器仿真,仿真结果表明额定工况下该断路器关断时间仅为80 ns,验证了所提交错串联式固态断路器拓扑可行性。

基于合作博弈的交直流配电网光储协调规划方法

为进行电力市场背景下的交直流配电网光伏与储能合理规划,该文以中、低压交直流配电网运营商为投资主体,提出基于合作博弈的交直流配电网光储协调规划方法。确定中、低压交直流配电网运营商的合作博弈关系;中压配电网以投资/运维成本、购电成本和双边市场交易成本最小为目标,低压配电网以投资/运维成本、双边市场交易成本最小为目标,基于纳什议价理论建立光储协调规划模型,同时优化规划策略和交易电价;引入线性化方法处理非线性项,将模型转化为两个易于求解的子问题,采用分布式优化算法进行顺次求解。通过算例对比分析验证了所提规划模型和算法的可行性和有效性。

柔性直流配电网仿真与计算研究

以双端柔性直流配电网为例进行分析,研究了直流配电网的多种运行方式以及不同运行模式间的切换策略,对柔性直流配电网合环运行工况下的直流短路故障电流进行研究,提出了短路后极短暂时间内的故障电流计算方法。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了仿真模型,逐一验证了所提出的柔性直流配电网运行模式与切换策略,并仿真模拟了最严重情况下的直流侧双极短路故障。仿真结果表明:提出的直流配电网暂态故障电流计算方法能够精准预测故障电流最值,为限流设备的设计和选型提供依据。

基于过零特征的柔性直流配电网电压分层控制

柔性直流配网系统中含有较多的换流站,在不同的运行模式下电压等级各不相同,增加了对配电网的控制难度为此,研究基于过零特征的柔性直流配电网电压分层控制方法。以配电网典型拓扑结构为切入点,分析两端供电型结构的配电网,在对称原理下描述配电网的运行状态。设定配电网中换流站与有源网络的关系,并建立配电网双向传输数学模型。选择过零特征理论识别并处理电压向量,以加窗间隔密度计算电压向量函数值,实现柔性直流配电网电压分层控制。实验中,以多端柔性直流配电网为测试对象,在换流站退出运行时进行电压控制,发现:应用该方法后,无论是在主站退出还是从站退出时,均可以实现有效控制。

光伏建筑一体化项目发电和直流配电系统设计实践

基于北京某光伏建筑一体化(BIPV)工程项目介绍了光伏发电直流配电系统,对光伏发电、直流配电2个子系统的设计、各系统设计的要点分析及系统的运行工况等进行了介绍,为后续BIPV工程的设计提供了参考。