柳丹：含新能源和储能的主动配电网实验系统建设

8月25-26日，首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会在江苏无锡太湖饭店召开。会议由江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办。会议吸引了国内近400位学术和行业专家及企业高层代表参会。中国电科院新能源所新能源电站自动化研究室柳丹在会上就“含新能源和储能的主动配电网实验系统建设”发表演讲。

 

 

演讲全文如下：

 

柳丹：大家好，我今天汇报的主题是《含新能源和储能的主动配电网实验系统建设》。首先简单介绍一下我们系统的概况。

 

我们的建设目标是要建成一个全面支撑技术研究与验证、设备检测与评价、成果孵化与推广等工作的主动配电网真型试验场。这个实验室建成以后，我们希望能够具备主动配电网的设计、评估、调试测试以及功能验证测试的一体化综合测试能力，能够有效支撑省公司目前在做的源网荷互动和主动配电网建设。储能也是主动配电网当中很重的单元，所以也在我们的建设目标当中。

 

第二是实验室功能定位，主要是六个方面。我们的研究领域非常广，主要包括多能互补、发电功率预测、微电网群协调控制、电动汽车充放电控制、胶质瘤混合柔性组网、源网荷储协同控制等关键技术研究。我们目前能做的包括风电光伏、储能电站、充电桩、配电自动化、虚拟同步机、微电网等设备和系统的试验检测，我们现在已经具备了相关的能力，并且我们院建了一个仿真平台，能够开展储能配电网能量管理和储能系统的分析和仿真验证。这张图就是我们实验室目前电器的接线图，我们主要是分了四块区域。第一块区域就是浅黄色的部分，是360V交流配网。第二块区域是400V的直流微电网，第三块区域是深黄色的，也是一个360V的交流配电网，第四块我们主要是在系统当中集中装置了一些模拟的电网友好型的逆变器，第四块区域主要是做一些偏设备型的技术验证，整个系统是交直流环网系统，可以开展各种系统级的技术验证。

 

这边是我们的二次控制的框图，主要分为能量管理系统层、分层分布式控制层以及本地的控制。后面的话我会再详细展开来讲。这是我们主要的系统架构，下面我们因为依托平台做了很多工作，结合刚才结题的国网项目关于交直流供电系统的项目，我简单的介绍一下在这个平台上做的相关工作，主要是两块。一块是数模仿真、一块是控制保护。在数模仿真这块主要是做了特性研究、实时建模仿真和控制保护。第一主要是对各种分布式电源、风机、光伏和储能的运行特性进行了分析，并且建立了他们自己的小信号模型，为我们做稳定性信息提供一个基础。第二就是我们针对直流系统当中典型的包括阻性负载、旋转电机负载和电力电子类的负载建立了一个模型。另外我们考虑到很多负荷是可以直接接入到直流系统当中，本身就是直流供电，只不过现在是交流系统，所以很多都需要一个转换的环节才可以接到交流网。我们现有的交流负荷做了一些介入，针对他们可能出现的问题包括极性反接、电弧、电火花等一些问题提出了相应的提升兼容性的方案。我们数模仿真的第二块内容就是实时建模，这个在运行特性分析的基础上完成了三种典型电源和三种典型负载的实时仿真模型的搭建。电源主要包括光伏、风机以及混合储能。因为我们现在实验室是交直流混合系统，所以我们针对交直流的换流器做了专门统一的模块。这当中主要是有两块，第一个是我们左下角DCDC统一功能设置接口，无论是光伏的DCDC还是储能的DCDC，我们都有统一的模块，可以通过设置不同的参数实现不同DCDC的功能。另外一块就是右边的代码加密模块，这个模块是对所有做变流器厂商开放的，变流器厂商可以通过这个模块把自己实际在现场运行的控制策略写到模块当中，这样就保证了在我们仿真程序当中跑的控制策略和实际在现场运行的控制策略是一致的。

 

我们对统一的直流换流器的功能包括稳压、稳流以及最大功率点跟踪的功能进行了一些验证，验证的效果也挺好。第三块是基于RTLAB数模仿真平台建立。我们调研了各类实时仿真平台的特点，最终选定的是基于RTLAB同时嵌套了FPGA的模块搭建了分布式新能源交直流供电系统实时化模型。

 

下面简单介绍一下仿真建模的情况。我们研究了电磁暂态实时仿真替代原理，对交直流供电系统模型进行了分割和仿真资源配置。右边的这张图是总体设计方案，建这个仿真模型当中有两个非常关键的点。第一个点就是模型的划分和分核，在这当中一共有三类子系统，第一类就是控制的子系统目前只有一个，然后占一个核。第二个是SS子系统，有一个核。第三个是一个子系统，只有一个没有核。我们研究了一下CPU模型搭建的方法是微秒级的，这里面也包括子系统划分、建立工程等等。我们把FPGA切入到现有的平台当中，在右边我们把控制装置当中的控制信号通过数模转化下发到FPGA当中。我们是在这样的一个方针平台当中开展的实质性研究，首先是针对电源的验证，这页PPT主要是针对光伏的辐照度，如果发生阶跃的情况下，我们的储能系统当中的各个单元的输出位的特性。这个是针对如果风电出现风速阶跃的情况下，系统当中各个单元的响应特性。最后是在负荷发生阶跃情况下，发电系统和用电系统各个单元的响应特性。

 

以上主要是针对仿真平台的基本功能做了一些验证，未来我们基于这个平台还可以开展更多更深入的工作，包括用户储能小规模的协调应用，或者是在微电网当中作为主电源等等有很多场景。我们还有待去发掘，可以利用这个平台进行一些技术验证。第二块就是我们在控制保护相关依托实验平台做的工作，第一块是交直流协调控制，第二块是直流微电网内部多电源和负荷的协调控制，最后是直流当中的相关保护技术。在我们的平台验证采用的是两电平三相半桥并网变流器的电路拓扑，这个并网电流器外环同时具有母线电压的控制和功率的两种控制模式，根据实际的运行模式可以进行灵活切换。从右边的这张图可以看到响应能力还是很好的，这个是并网变流器的控制。另外我们也在平台对多并网变流器并联的情况下实验控制做了一个验证，现在主要是针对在直流侧并联运行的多台变流器，如果采用下垂控制策略均流的效果，我们知道如果是多台并网的变流器同时做电源点的话，并联的时候必然会出现环流的问题，我们也是通过这个平台做了两台并联看均流效果。从右边这个图形看到均流效果还是比较好的。

 

第三块是针对我们系统内部电源和负荷协调的控制做了一个试验的验证，我们提出了无互联通信的直流供电系统、多电源协调控制策略，这个策略本质上是在系统当中储能、光伏、负荷，因为我们是交直流并网，所以还有电网这四个单元，他们之间怎么做协调。从右边可以看到第一种情况是电网主导的模式，在这种情况下，电网的变流器作为一个支撑点比如说这时候出现了大幅功率的缺额，这时候储能就作为一个主要单元来调节，一旦储能通过充放电超过了本身的充放电预值，我们就可能进入到光伏的控制模式，如果系统需要它进行协调的话就会降位运行，最后一条就会运行到如果整个系统的功率缺额比较大，会切掉负荷或者是降低部分负荷的需求，本质上主要是这四个模式进行切换。这是我们依托仿真平台做了一些相关的模式切换仿真。

 

控制保护的第二部分就是直流保护技术，我们分析了一下直流配电网故障特点，第一个是变流器中IGBT关断以后交流电源能够通过续流二极管维持故障电流。第二个是直流网络中阻尼小故障电流上升迅速，影响范围广，故障区域识别困难。第三块是直流故障电流分断比较困难，灭弧比较困难。第四个是控制和保护结合紧密，通过控制策略的改变保护可以免设备受过电流、过电压的影响。从这些特点上我们分析出直流配电网保护的需求，形成了以下几个结论：第一个是交流配电网广泛使用的三段式过流保护不能满足要求了；第二个是需要提出能够快速准确识别故障的直流保护；第三个是制定出相应的故障方案；第四个是能够利用控制策略的变化，抑制故障影响和通过控制保护做一个持续的配合。

 

下面内容比较多我就简单的过一下。我们首先是针对直流微电网当中所有的故障类型进行了分析以及提出了相应保护，在直流微电网当中对于终端本身的控制我们在这边就没有做过多的研究，主要还是针对网络的保护，包括我们主要的一些设备。我们对母线以及故障类型分为单极和双极，针对这样的组合做了相应分析。首先我们分析了一下线路的单极故障下的特征，提出来了相应的保护配置推荐，主要还是采用不平衡电压插动保护，这是我们在仿真当中进行的验证。接着就是我们对线路的双极故障也做了相应的分析，同理我们也对直流和母线故障作为了一个分析。

 

第二块是直流当中故障识别和快速隔离技术。我们现在依托项目对现有的几种基于不同直流故障电流和设备的快速隔离方案做了调研和相应对比。我们在实验室进行一个验证是基于我们提出的变流器的方案，基本上是只在电源点配置，其他的地方都用普通的交流开关。我们也把这种方式和如果在全线布置直流断路器的方式做了一个对比，这样一个方案显然是在经济上更加可行，同时也能够使整个系统的故障时间控制在100毫秒以内，基本上满足了进度的需求，而且本身也比较易扩展。