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DC513VPVPV#9#10Airconditioner1RTMRTMGrid~DC540VStepDownACPACPACPACPACPACPDC220VLight1Light2Light3Socket1Socket2Socket3Airconditioner2➢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412.1直流微电网的电压等级电压等级额定电压•Voltagelevel(IECIEV601-01-25)Oneofthenominalvoltagevaluesusedinagivensystem•Nominalvoltageofasystem(IECIEV601-01-21)Asuitableapproximatevalueofvoltageusedtodesignateoridentifyasystem2.1直流微电网的电压等级13Research&DevelopmentDirectCurrentBVVOLTAGECLASSDIRECTTOUCHPROTECTION3msNOACVOLTAGELEVELAPPLICATIONMaximalcablelength1%drop@6A/mm2.ForbiopolarsystemisbalancedMaximalcablepower@6A/mm2powerper1mm2copperNumberofwireexcludingPEHOMES<20kWOFFICES<200kWWAREHOUSE>100kWGREENHOUSE500kW~2MWDISTRUBUTION500kW~1MWUSB-CLIGHTINGVENTILATIONHEATPOMPSOLAR>10kWKITCHENEVCHARGINGUSB-CLIGHTINGVENTILATIONHEATPOMPSOLAR>100kWKITCHENEVCHARGINGLIGHTINGVENTILATIONHEATPOMPSOLAR>200kWDRIVESLIGHTINGVENTILATIONPUMPSDRIVESHPSGENSOLAR>1MLASTMILEPUBLICLIGHTINGEVCHARGINGPUMPSTELECOMNOMINALDCVoltageSELVLVDCW/ODROOPINCLDROOP12V0,6m72W224V)1,2m144W248V2)2,4m288W260V2,9m360W2120V5,9m720W2190V9,3m1140W2200V9,8m1200W2250V12,3m1500W2300V14,7m1800W2350V17,2m2100W2380V)18,6m2280W2±190V)18,6m2280W3400V19,6m2400W2±200V19,6m2400W3500V24,5m3000W2±250V24,5m3000W3600V29,4m3600W2±300V29,4m3600W3700V34,3m4200W2±350V34,3m4200W3750V36,8m4500W2760V37,3m4560W2±380V37,3m4560W3800V39,2m4800W2±400V39,2m4800W31000V49,0m6000W2±500V49,0m6000W31200V58,8m7200W2±600V58,8m7200W31400V68,6m8400W2±700V68,6m8400W31500V73,5m9000W2±750V73,5m9000W3AdvisedproposalbyDirectCurrentBVNAPossiblePossiblebutonthelimitNotadvisableSource：HarryStokman，Netherlands)EmergeAlliancestandardUS1)Asanapplication,butnodistribution2)UsedbyDirectCurrentforauxiliariesandsafetywire2.1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4117DCDC光伏360V380V400VVgrid𝐼𝑃𝑉−𝑚𝑎𝑥=𝑓𝑀𝑃𝑃𝐼𝑃𝑉DCDC储能360V380V400VVgrid𝑉0,𝑅i=𝑓𝑆𝑂𝐶,𝑆𝑂𝐹,…𝐼batACDC交流网360V380V400VVgrid𝐼𝐴𝐶VgridDCDC𝐼𝐿,1𝐼𝐿,2ACDCDC/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DCDC𝐼𝐿,33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(passivesystem)主动系统（activesystem）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213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DroopUrefPIPIPWMg1UUo+-+-Iog2电流内环电压外环PIPWMg1U+-Iog2电流环IrefU1U0BAU1_a/U2_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380360400410330260440直流电压/VSource：BerndWunder,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414.1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+𝑃𝐿ossσ𝑈𝑆ource𝐼𝑆ource=σ𝑈𝐿oad𝐼𝐿oad+𝑃𝐿oss4.2.1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MATLABSimulink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。（IEC60050_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33.13.23.33.4t/s700740780820860Udc/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10V4.2.3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iaVD1VD3VD5idiCudCRiRVD4VD6VD2abc三相不控整流变换器u1u2i2VD1VD2VD3VD4idiCudCRiR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③电路控制响应延迟UrefPIPIPWMg1UUo+-+-Iog2电流内环电压外环通过高级算法得到Uref例如电压环环中的比例积分控制器，其参数选择不当，将会直接在直流侧造成纹波振荡的影响。无论前级控制策略如何选择，得到Uref都需要通过电压外环来进行跟踪控制。PI参数的选择会对直流电压产生直接影响。直流侧电压测试结果2V250Hz~5500Hz4.2.3电压纹波4直流微电网的电能质量问题影响+xV-yVx+yVLoad#1Load#2Load#1Load#2xy➢由于电压不平衡造成的电流不平衡，可能会降低变换器的工作效率；➢电压不平衡会降低变换器的性能，缩短变换器的使用寿命。双极直流系统的电压不平衡主要是由于直流电网两极的负荷分配不均造成的。此外，因为系统中的负载运行具有不确定性，电压不平衡量不断变化。4.2.4双极电压不平衡4直流微电网的电能质量问题基于电压平衡器的双极性双向DCDC控制，其电路拓扑可以等效为两个双向DCDC变换器解耦控制，分别运行，每个DCDC控制一个输出电压，当C1和C2严重不平衡时，如超过25%，开关管应力将会超出设定值。V1V2V3V4C1C2DC1+-0V1V2V3V4C1C2DC1-+0V1V2V3V4C1C2DC1-+0DC2LVT1VT2DC14.2.4双极电压不平衡4直流微电网的电能质量问题Thanks！