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面向能源互联网的交直流混合配电系统研究

作者2019-03-27 10:58未知
由于现代城市的迅速扩张、经济的快速发展以及环境和能源问题的日益严重,逐步扩大电能在能源利用中的占比是解决目前能源问题的重要手段。为了解决现有电网存在网架结构薄弱、短路电流偏大、动态无功不足、不能满足能源互联网供需互联等问题,本文提出了一种采用更加灵活、经济、环保的配电方式——交直流混合配电系统。所提出的交直流混合配电系统,在原有电网中加入直流配电部分构成的新型交直流混合配电系统,实现更为方便、灵活,为未来全面发展能源互联、互通打下坚实的基础。文中依据已有配电系统结构,将交直流混合配电系统拓扑结构分为三种类型:辐射型、两端型和环型。分析了基于传统拓扑下,不同的交直流混合配电系统拓扑的优劣,选择了适合于交直流混合配电的拓扑和电压等级,对交流配电系统、直流配电系统及交直流混合配电系统分别以辐射型结构配电网络为例进行计算分析,对系统中的传输损耗和效率分别进行了计算,并对三者进行了效率对比,通过这一理论计算、分析得出了交直流混合配电系统在未来传输效率上的发展前景。并以南方某园区为案例分析交直流混合配电系统的经济效益。根据提出的交直流混合配电系统拓扑结构,对分布式电源进行了系统的分析研究,对不同能源根据其性质设置了不同的并网接口,同时对含有多种分布式电源的交直流混合配电系统进行了稳态仿真,得到多种工况下的仿真结果。对可能发生的故障种类进行了分析,具体描述在三种不同情况下交直流混合配电系统的故障特性,并分别对交直流混合配电系统在不同故障情况下进行了仿真。针对发生的两种典型直流故障情况,对比了三组(极间电容、限流电抗及负荷容量)不同系统参数下,参数变化对故障处电流、电压的影响。依据仿真结果,提出了两种故障限流保护方法。为了抑制交直流混合配电系统电网功率波动,保障系统安全稳定的运行,文中阐述了一般情况下直流母线电压波动的平抑方法,分析研究了配电系统功率波动协调运行控制策略,提出了一种储能系统配合交直流混合配电系统的换流站协调运行控制策略,并进行了相关指标定义及理论分析;在PSCAD/EMTDC软件中建立了仿真模型,对包含储能系统协调控制的稳态模型进行了仿真;依据提出的储能系统与换流站协调运行控制策略,对交直流混合配电系统短路故障进行了对比仿真及分析。仿真结果表明:在包含大量分布式电源及储能的交直流混合配电系统中,采用储能系统与换流站协调运行控制策略,能较好地平抑系统故障状态下产生的功率波动;在直流母线功率切换频繁时,控制策略能快速响应,降低对保护设备的要求,保障系统稳定运行。该换流站储能协调运行控制策略可作为抑制交直流混合配电系统电网功率波动的方案。为了提高交直流混合配电系统对新能源的接纳能力,提出了一种全模型预测控制的交直流混合配电系统,在此基础上,又提出了一种三层能源管理控制系统Energy Management and Control System(EMCS)。在EMCS中,第一层是最大功率点跟踪Maxmuim Power Point Tracking(MPPT)控制算法和电池安全控制策略,当充电状态State of Charge(SOC)低于设定点时,Photo Voltaic(PV)和风能为MPPT控制状态。第二层是基于模型预测控制Model Predictive Control(MPC)的功率变换器控制算法,以在配电系统的不同电源之间提供电源兼容性。第三层为协调控制层,可自动实现功率平衡,保持系统稳定。为了验证提出的能源管理系统的有效性,基于MATLABRT-Lab搭建了实验室级的交直流混合配电系统HIL测试平台,其由风能、太阳能和储能系统等混合能源组成,用于测试多种不同的控制配置。HIL测试结果表明基于交直流混合配电系统下的EMCS,可以快速实现功率平衡和稳定运行,能够实现交直流状态下的能量交换,系统响应速度快,对能源互联网系统的稳定性具有积极意义。

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