中压柔性直流配电网关键控制技术研究

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近年来,随着城镇化规模的不断扩大、分布式电源、可再生能源的高密度接入以及大量直流负荷的广泛使用,如何合理地发展和有效地消纳可再生能源、如何满足大型城市的用电需求、如何进一步提高电网的供电质量和增强电网系统的可控性是目前电网面临的巨大挑战。相比传统的交流配电网,采用柔性直流技术构建的直流配电网可以节省大量的DC/AC换流环节,提高系统的运行效率;可以增加系统供电容量和半径,减少城市土地的占用面积;可以减小线路上的电磁辐射,降低对于通讯系统的干扰。除此之外,还能解决现有交流配电网线路损耗大以及电压波动、电网谐波、三相不平衡等一系列电能质量问题,大大提高城市配电的可靠性和可控性,因此是一种具有很大技术优势和发展潜力的配电方式。然而,目前对于直流系统的研究主要集中在高压直流输电和低压微电网方向,对于中压直流配电网的研究较少。本文重点围绕中压直流配电网的系统架构和关键控制技术展开了研究,主要工作和创新成果如下:1)在中压柔性直流配电网总体架构研究方面,确定了适合柔直配网特点的系统结构和关键组网设备,并基于“关键设备统一控制,用电负荷分布自治”的设计原则,提出了一种适合中压柔直配网的三层控制体系。同时,对中压柔性直流配电网的典型运行方式和关键设备的控制模式进行了研究。2)在中压柔性直流配电网关键设备控制系统研究方面,对柔直配网中的关键换流设备模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)和直流变压器(DC solid state transformer,DCSST)的工作原理进行了研究。并提出了一种交流系统故障下MMC最大功率传输策略,有效减下了交流系统故障对电网的影响。3)在柔直配网运行控制研究方面,通过研究传统主从电压控制策略和下垂控制存在的缺陷,本文提出了一种具有三环特点的P-U-I控制器。该控制器在稳态时可以为能量管理系统(Energy Management System,EMS)提供友好的功率接口,实现功率调节的功能;在暂态时,可以维持系统暂态电压的稳定,实现换流站控制模式的无缝切换。此外,基于P-U-I控制器还提出了一种适用于多端中压柔性直流配电网的电压协调控制策略,仿真结果表明该控制策略提高了系统在大扰动下的电压和电流控制能力,实现了直流配网系统运行方式的无缝切换。4)在柔直配网运行方式识别研究方面,为解决采用传统主从控制的直流配网系统和EMS系统存在列写系统运行方式表复杂难于在线应用的问题,基于图论原理提出了一种基于广度优先搜索算法的直流配电网控制策略,实现了复杂直流配电网运行方式的快速识别。5)针对中压柔直配网系统组网设备多样和控制复杂的特点,还提出了系统启停控制策略、“即插即用”控制策略和直流故障穿越控制策略,丰富了柔直配网系统在不同运行工况下的控制方案。6)按照一定的模拟比搭建了柔直配网动态模拟试验平台,并对搭建动模系统过程中所涉及的实际问题,如模拟比的选择、系统通讯与接口的选择、模拟设备的选择以及动模系统主控制器的研发进行了详细分析。最终,通过动模试验验证了本文所提的直流配网系统关键控制技术的正确性和有效性。
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