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直流微电网及 电能质量 柳丹 国 网江苏省电力有限公司电力科学研究院 成员 ， IEC/TC8/WG9 直流 微电网的运行控制3 汇报提纲 Contents 直流 微电网概述1 直流 微电网的电压等级和拓扑结构2 直流 微电网的电能质量4 定义 ：直流微电网是以直流配电的形式，通过直流母线很好地将各分布式电源融合起 来并加以协调控制，同时又能将直流电直接输送给对电能质量要求高的直流负荷。 1 .1直流 微电网的含义 图 1.1 交流型微电网 交 流 母 线 PCC 图 1.2 直流型微电网 直 流 母 线 PCC 图 1.3 交直混合型微电网 直流母线 交流 母线 PCC [1]吴卫民 ,何远彬 ,耿攀 ,钱照明 ,汪槱生 .直流微网研究中的关键技术 [J].电工技术学报 ,2012,27(01):98-106+113. 直流微电网交流微电网 虽然交流微电网是微电 网的主要形式，但其不 足之处逐渐凸显，如 电 能转换环节多、网络损 耗大、电网运行控制复 杂 ，这些都与用户期望 的高效、可靠和高电能 质量的供电服务存在矛 盾。 与交流电网相比，其主 要优势体现在：分布式 电源与直流母线的 链接 形式更简便 、 易于实现 分布式电源间的协调控 制 、 线路成本和损耗低、 没有无功功率平衡和稳 定问题 ， 电网运行可靠 性更高 。 发展 1 .1直流 微电网的含义 荷兰 隧道银行 家用 商用 公用 停车场 ◼ 电压等级 350V和 700V ◼ 功率等级 6kW~1MW ◼ 针对安全保护，系统配置，基础设施，负面影响，商业案例，电力电子技 术等方面进行研发 ◼ 应用场景：建筑、户外服务、配电网、温室 直流系统应用于工业生产 6 德国 提升效率 10 % 工业 BMWi 研究计划 ◼ 结合智能市场和物理系统的新型保护和解决方案 ◼ 模块化分布式直流电网（ 380V/±750V） ◼ 基于全自动控制的模型和智能算法 LVDC应用平台 直流保护 下垂控制 电源模块 研究领域 降低设备成本 20 % 7 日本 P2P能量共享 P2P能源共享 ◼ 双向 P2P能量交换 ◼ 每个节点均可看做电源或负载 ◼ 通过母线实现节点间能量交换 ◼ 双向 DC/DC变换器和 自动控制单元 ACU通过 I/F（ RS-485或 CAN）与电池相连 D C 513 V PV PV # 9 # 10 A i r c ond i t i one r 1 RT M RT M G ri d ~ D C 540 V S t e p D ow n A CP A CP A CP A CP A CP A CP D C 220 V L i ght 1 L i ght 2 L i ght 3 S oc ke t 1 S oc ke t 2 S oc ke t 3 A i r c ond i t i one r 2 ➢ 配置 • 电压等级 600V • 主要为空调负荷 • DC在楼宇内的验证性应用 • 研究保护措施及相应的控制策略 • 直流电网的电能质量研究 中国 LVDC楼宇 2017-2020 国家重点研究计划 《 基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究 》 苏州同里新能源小镇 ➢ 硬件配置 • 四端口 PET • 配备直流侧储能系统 ➢ 研究内容 • 柔性变换器研究 • 保护设备及控制策略 • 直流负载运行方式研究 中国 直流 微电网的运行控制3 汇报提纲 Contents 直流微电网的含义 直流微电网的电压等级和拓扑结构2 直流 微电网的电能质量4 1 2.1 直流 微电网的电压等级 电压等级 额定 电压 • Voltage level ( IEC IEV 601-01-25) One of the nominal voltage values used in a given system • Nominal voltage of a system (IEC IEV 601-01-21) A suitable approximate value of voltage used to designate or identify a system 2.1 直流 微电网的电压等级 13 Research & Development Direct Current BV VOL TA GE CLA SS DIRE CT TOUCH PROT ECT I ON 3 ms NO A C VOL TA GE L EV EL APPLICATION Ma xim al ca ble len gth 1% dro p @ 6A /m m2 . Fo r b iop olar sy ste m is ba lan ce d Ma xim al ca ble po we r @6A /m m2 po we r p er 1m m2 co pp er Num be r o f w ire ex clud ing PE HOMES 100kW GREENHOUSE 500kW~2MW DISTRUBUTION 500kW~1MW US B- C LIGHT ING VE NT ILA TION HE AT POM P SOL AR 10 kW KI TCH EN EV CHA RGI NG US B- C LIGHT ING VE NT ILA TION HE AT POM P SOL AR 10 0k W KI TCH EN EV CHA RGI NG LIGHT ING VE NT ILA TION HE AT POM P SOL AR 20 0k W DR IV ES LIGHT ING VE NT ILA TION PUM PS DR IV ES HP S GE N SOL AR 1M LA ST M ILE PUB LIC LIGHT ING EV CHA RGI NG PUM PS TE LE COMNOMINAL DC Voltage SE LV LV DC W /O DR OO P INCL DR OO P 12V 0,6m 72W 2 24V *) 1,2m 144W 2 48V 2) 2,4m 288W 2 60V 2,9m 360W 2 120V 5,9m 720W 2 190V 9,3m 1140W 2 200V 9,8m 1200W 2 250V 12,3m 1500W 2 300V 14,7m 1800W 2 350V 17,2m 2100W 2 380V *) 18,6m 2280W 2 ± 190V *) 18,6m 2280W 3 400V 19,6m 2400W 2 ± 200V 19,6m 2400W 3 500V 24,5m 3000W 2 ± 250V 24,5m 3000W 3 600V 29,4m 3600W 2 ± 300V 29,4m 3600W 3 700V 34,3m 4200W 2 ± 350V 34,3m 4200W 3 750V 36,8m 4500W 2 760V 37,3m 4560W 2 ± 380V 37,3m 4560W 3 800V 39,2m 4800W 2 ± 400V 39,2m 4800W 3 1000V 49,0m 6000W 2 ± 500V 49,0m 6000W 3 1200V 58,8m 7200W 2 ± 600V 58,8m 7200W 3 1400V 68,6m 8400W 2 ± 700V 68,6m 8400W 3 1500V 73,5m 9000W 2 ± 750V 73,5m 9000W 3 Advised proposal by Direct Current BV NA Possible Possible but on the limit Not advisable Source： Harry Stokman， Netherlands*) Emerge Alliance standard US 1) As an application, but no distribution 2) Used by Direct Current for auxiliaries and safety wire 2.1 直流 微电网的电压等级 2.2 直流 微电网 的拓扑结构 母线结构 单母线结构 双层式母线结构 双母线结构 冗余式母线结构 2.2 直流 微电网 的拓扑结构 双母线结构 ：是指直流微电网 采用双极性的供电制式，相应 的直流母线有正、负 2条线。 特点： 可根据负荷端对供电电压 的不同需求灵活供电，既可取 单极与大地之间的电压，又可 取正负极之间的电压，能够实 现较高的电力输送 直流微电网的运行控制3 汇报提纲 Contents 直流微电网的含义 直流微电网的电压等级和拓扑结构2 直流 微电网的电能质量4 1 17 DC DC 光伏 360V 380V 400V Vgrid 𝐼𝑃𝑉−𝑚𝑎𝑥 = 𝑓 𝑀𝑃𝑃 𝐼𝑃𝑉 DC DC 储能 360V 380V 400V Vgrid 𝑉0,𝑅i = 𝑓 𝑆𝑂𝐶,𝑆𝑂𝐹,… 𝐼bat AC DC 交流网 360V 380V 400V Vgrid 𝐼𝐴𝐶 Vgrid DC DC 𝐼𝐿,1 𝐼𝐿,2 AC DC DC/DC常见 电路拓扑 单级 Buck电路 Boost电路 Buck— Boost电路 双极 AC/DC常见电路 拓扑 不控整流 半控 单相全桥 三相全桥 DC DC 𝐼𝐿,3 3 直流微电网的运行控制 直流微电网是一个纯电力电子化的系统！ 3 直流微电网的运行控制 系统级控制 主要目的是对系统进 行集中管理和能量优化， 提升整体运行效率和可靠 性，实现最优运行。 设备级控制 主要控制目标是维持 直流母线电压稳定，实现 系统功率平衡，保证直流 微电网稳定运行。 3 直流微电网的运行控制 第一层控制 根据直流母线电压控制策略不同： 1）主从控制：直流微电网内通常只有 1个单元 来控制直流母线电压。 （直流微电网并网运行时通常为 DC-AC双向变流器，独立运行时则为可控型风不是电源或能量型储能系统） 2）对等控制：系统中存在多个参与直流母线电压控制的设备，这些单元均为主控制单元。 第二层控制 依据通信和控制方式不同，直流微电网二次协调控制策略分为以下三类： 1）集中通信与控制 2）集中通信与分布式控制 3）分布式协调控制 第三层控制 目的主要是根据分布式电源出力预测、系统内负荷需求、储能系统运行状态、市场信息等数据， 按照不同的优化运行目标和约束条件作出决策，实时定制直流微电网运行调度策略，实现对分布式电 源、储能系统、负荷出力及交直流系统交换功率的灵活调度来保证系统安全经济运行。 被动系统 (passive system) 主动系统 （ active system） 通过对分布式电源的调 控，实现 就地电压管理、 潮流控制、故障处理 等 功能，并能够实现孤岛 运行和黑启动。 通过配电系统对用户进 行供电，接入分布式电 源 容量有限 ， 不就地对 电压、潮流、故障进行 处理和控制 。 3 直流微电网的运行控制 21 3 直流微电网的运行控制 电力电子变换器 控制 主从控制 主源电压控制 从源功率控制 对等控制 Droop U r e f P I P I P W M g 1 U * U o + - + - I o g 2 电 流 内 环电 压 外 环 P I P W M g 1 U * + - I o g 2 电 流 环 I r e f U 1 U 0 B A U 1 _ a /U 2 _ b 电压电流双环控制 3 直流微电网的运行控制 对等控制 3 直流微电网的运行控制 额定电压范围 稳态过电压 暂态过电压 自我保护 稳态欠电压 暂态欠电压 特殊功能 380 360 400 410 330 260 440 直流电压 /V Source： Bernd Wunder, Germany 设备动作 开关闭锁 实现部分功能，并进行功率降额 全功能运行，允许功率降额 正常运行 实现部分功能，并进行功率降额 采用多种保护和安全动作 电压带 全功能运行，允许功率降额 直流微电网不完全工作在一个恒定电压点，而是在一个连续的电压带范围！ 直流微电网的运行控制3 汇报提纲 Contents 直流微电网的含义 直流微电网的电压等级和拓扑结构2 直流微电网的电能质量4 1 4.1 直流电 能质量分类 4 直流 微 电网 的 统 电能质量问题 双极不平衡 稳态 暂态 电压幅值问题 电压纹波 电压偏差 电压暂降 /升 电压中断 电压瞬变 （ 1）负载率过高或过低导致电压偏差 P=UI能量守恒 ： 电源输出功率 =负荷输入功率 +功率损耗 𝑃Source= 𝑃𝐿oad+𝑃𝐿oss σ𝑈𝑆ource𝐼𝑆ource=σ𝑈𝐿oad𝐼𝐿oad+𝑃𝐿oss 4.2.1 电压偏差 4 直流 微 电网的电能 质量问题 （ 2）系统控制跟踪误差导致电压偏差 利用 MATLAB Simulink仿真，设置阶跃， 跟踪目标为 500V，由于控制偏差，导致电 压最终只在 300V持续稳定一段时间，形成 电压偏差。 • 电压暂降 ：由直流系统 、 电力电 子变换器的故障或负荷突然出现 大的变化 (如大功率设备启动等 ) 所引起的 。 4.2.2 电压暂升 /电压暂降 4 直流 微 电网的电能 质量问题 • 电压暂升： 发生系统故障 ， 如接地故障 、 短路故障；大 功率负荷的停运 。 纹波含量 ， 又称交流分量：从脉动量中去掉直流分量后所得到的量 。 （ IEC 60050_161_0225） 纹波会影响安装在工厂 、 住宅及商业环境中由直流供电的设备和系统的可靠运行 。 4.2.3 电压纹波 4 直流 微 电网的电能 质量问题 影响主要因素 表征 交流侧三相不平衡 100Hz 不控整流 三相不控直流侧 300Hz，单相不控直流侧 100Hz 电路控制响应延迟 250Hz~5500Hz 开关频率 开关频率 Ts（ 3kHz~10kHz） ① 交流 侧三相不平衡 3 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3 . 4 t / s 7 0 0 7 4 0 7 8 0 8 2 0 8 6 0 U d c / V 两倍频波动（ 100Hz）交流侧三相不平衡 当交流侧三相不平衡时 ， 传输功率存在两倍频 分量 ， 根据功率传递守恒原则 ， 传递到直流侧 表现为直流侧电压两倍频波动 10V 4.2.3 电压纹波 4 直流 微 电网的电能 质量问题 ② 不 控 整流 不控整流采用比较多的有三相不控整流和单相不控整流。其中三相不控整流会在直流侧产生 6k次低频纹波， 单相不控整流会在直流侧产生 2k次低频纹波。 在中小型容量 的不控整流领 域应用广泛 广泛应用于较 大功率的不控 整流中 i a V D 1 V D 3 V D 5 i d i C u d C R i R V D 4 V D 6 V D 2 a b c 三相不控整流变换器 u 1 u 2 i 2 V D 1 V D 2 V D 3 V D 4 i d i C u d C R i R 单相不控整流变换器 4.2.3 电压纹波 4 直流 微 电网的电能 质量问题