【柔性配电网的架构及建模分析案例3200字】

TOC\o"1-3"\h\u21143220381826166798513298601901931380对于直流配电网来说，两端供电或者多端供电才是其主要的供电网络拓扑结构。对于柔性直流配电网，最关键的电力器件就是换流器，当前效率最高、成本最低且可靠性最好的换流器是电压源型换流器（voltagesourceconverter，VSC），该换流器能够对有功功率和无功功率进行灵活可靠且又独立的控制，而在配电网的负荷侧还需要假装其他的换流装置，以实现能量的双向流动以及电压变换。按照规划，在未来的城市配电网当中，基于柔性互联的直流配电网将会更多的建设和运行来投入到城市供电当中，为居民、企业、商城、工厂等各种用户提供稳定且高质量的电能。放射状及两端配电的结构是当前研究的主流，而环状结构可以很好的将两者相结合，在需要的时候也可以解列为放射状或者两端直流配电系统。以环状结构作为研究对象，从系统的接地方式以及系统关键设备两个方面展开研究讨论。对于直流配电网来说，只有正负极之间会形成电流回路，不存在有电流过零点或者中性点，所以理论上来说，直流配电系统是可以不用接地的。但考虑到柔性电网当中不可避免的会有直流电网和交流电网的连接，所以配电网的接地存在也是很有必要的。双极接线系统当中直流侧是存在有中性点的，所以在线路当中应该将中性点接地，以此来形成正负极对称的直流线路，从而降低系统的绝缘电压。而在其他情况下，直流侧无自然的中性点，此时可以在交流侧接地，也可以在直流侧构造接地。可以在中性点处直接接入一个较大的钳位电阻，但是大电阻的引入会造成很大的损耗，因此合理选择电阻参数来实现系统接地的同时尽量减少损耗。此外，配电网络的电压等级一般都不算太高，所以在绝缘成本不高的时候来增加线路的绝缘水平，提高电缆的绝缘电压也同样可以提高系统的可靠性和安全性。在柔性配电网当中，构成配电网络的元件非常多，但其中最关键的环流设备主要还是起到交直流变换作用的电压源型换流器（VSC）。利用VSC进行整流的方案采用的是PWM调制技术，这一技术能够使器件交流侧电流接近正弦，且具有电路动态响应好、输出电压纹波小、系统功率因数高等多种优点。在过去，电力电子开关的不可控性使得电力电子发展受到一定的影响，但随着晶闸管、IGBT等半控型、全控型电力电子器件的发展，目前整流设备的性能再不断得到提升，电力电子开关应用在电力系统当中的场景也越来越丰富，效率也越来越高。现阶段采用的电压源型换流器主要包括两电平换流器、三电平换流器以及MMC换流器等。（1）两电平换流器如图4-1所示，为两电平换流器的拓扑结构。每相桥臂的上下两个全控型开关不能同时导通或关闭，通过控制上下桥臂的开通与关断来实现整流环节或逆变环节。而换流器的输出通常采用的是PWM脉冲宽度调制技术来实现控制，将三角波与载波比较后，控制导通角来控制脉冲宽度。图4-1两电平换流器（3）中性点钳位三电平换流器如图4-2所示，为中性点钳位三电平换流器的拓扑结构图。这种换流器在与两电平换流器开关器件数量相同的情况下，能够提高交流侧的谐波频率以及输出电压等级。图4-2中性点钳位三电平换流器（3）MMC（模块化多电平）换流器如图4-3所示，为模块化多电平换流器的拓扑结构图。图中的VT是电压互感器，而SM是功率子模块。模块化多电平换流器（MMC）是由6给桥臂组成，上下各有3各桥臂。其中每个桥臂都包括一个电抗器以及多个功率子模块组成。功率子模块可以采用半桥型结构或者全桥型结构。MMC换流器的直流侧存在有公共的直流母线，通过公共的直流母线可以实现多个换流站的背靠背式连接。它的这一特性使得MMC换流器特别适合应用在柔性配电网的领域中来。图4-3模块化多电平换流器图4-4电压源型换流器的主电路结构图换流器是是能进行交、直流转换的电气设备，通常是由单个或多个换流桥臂组成。概括来说换流器可以分为两类：一类是整流器，可以将交流电转换为直流电；一类是逆变器，将直流电转换为交流电。换流器还可以分为电压源型换流器和电流源型换流器。电压源型换流器中直流电压的极性始终保持不变，要想改变系统输送功率的方向，只有通过改变直流电流的方向才可以实现。电流源型换流器中直流侧电流的方向始终保持一个方向，要想改变系统传输功率的方向，只有通过改变直流电压的极性才可以实现。将图4-4的电压源型换流器的主电路结果图直流侧电容合并，再加以简化，得到简单的电压源型换流器模型如下图4-5。图4-5电压源型换流器模型上式中，为三相交流电网电压，为等效电阻，为滤波电感，、为换流器交流侧端口的电流、电压。根据基尔霍夫电压定律（KVL）可得：在交流侧为三相电流，分别为a，b，c三相，则电路中的电压和电流可以表示为： 对上述式子进行派克变换（dq变换），坐标变换的矩阵设为T：将变换矩阵带入可得：又因为：所以可得：其中：于是： 因此可得：从而：推得：在换流器的直流侧并联一个较大的电容，起到保持电压稳定的作用。同时，直流电流也是双向流动的，能够实现电能的双向变换。交流侧通过一定大小的电感与交流系统相连，串接在电路中，能够防止电流快速变换，避免短路电流过大造成的器件或装置损坏。一般来说，交流侧电压源的内阻抗也相对较小，所以串接电感很有必要。注意：在变换器中同一支路的上、下两桥臂不能同时导通。又由于在变换器当中，电阻R和电感L都相对较小，所以可以认为交流系统发出的有功功率、无功功率与变换器和交流系统间传输交换的有功、无功功率P和Q是近似相等的，也即：（1）时换流器工作在整流状态，从交流电网吸收能量；（2）时，换流器工作在逆变状态，能量从直流侧返回传输到交流侧；（3），换流器从电网吸收滞后的无功功率；（4），换流器从电网吸收超前的无功功率。图4-6背靠背VSC换流器的主电路结构背靠背式电压源型换流器是由两个结构完全相同的VSC换流器相连接组成的，连接方式为“背靠背”方式，即直流侧耦合的方式，通俗来说就是变换器1的直流侧与变换器2的直流侧相连，一个交流电网通过背靠背式电压源型换流器与另一个交流电网连接，能够实现交流电网之间的柔性互联。通过这个结构，可以实现两个交流电网间的无功功率交换以及有功功率的传输，但应注意装置的协调控制，来保证直流侧电压的恒定。静止坐标系下的状态方程表示为：式中，、分别为变换器1、变换器2交流侧输出相电压的基波分量。将上述状态方程进行派克变换，转换到两相同步旋转坐标系下，背靠背电压源型换流器的状态方程为：式中，、、、。、分别为变换器1、变换器2连接的交直流电网角频率。因为变换器上的电感和电阻相应较小，所以在忽略连接电感、电阻上的损耗时，流入变换器1、变换器2的有功功率、无功功率分别表示为：由于、均为常数，因此对有功功率和无功功率的控制可转化为对有功电流和无功电流的控制。忽略变流器开关损耗，则输入变换器1的有功功率应等于直流侧输出功率，变换器2直流侧注入功率应等于其交流侧的输出功率，即：由电容电压状态方程可知，为维持直流侧电容电压恒定，需要使，即要求背靠背换流器与两端交流系统间的有功功率交换需保持平衡。模型如下图，包含俩个部分，上面的部分为主电路部分，下面为控制部分。主电路部分包括交流电源、交流负载、滤波电路、电压源型换流器、直流电容、负载以及电压电流测量模块几部分。其中交流侧的电源电压为600V，频率为50Hz。图4-7电压源型换流器图4-8VSC主电路部分下面部分为控制环节，采用的是双闭环控制，其控制