交直流混合微电网是未来智能电网的重要组成部分,与单一的交流微电网和直流微电网相比具有以下优点:1)交直流微电网之间互相提供功率支撑,改善了系统供电可靠性;2)减少电力电子变换环节,降低了建设成本和运行损耗;3)扩大负荷切除灵活性和选择性,提高了重要负荷的供电可靠性。因此,推动交直流混合微电网的研究与应用是高渗透率新能源接入电网的有效途径。本文紧紧围绕交直流混合微电网的拓扑设计和运行控制等相关关键技术进行深入细致的研究,具体工作如下:首先,针对目前混合微电网拓扑设计方面的不足,本文从交直流混合微电网拓扑设计的需求出发,找到微电网拓扑设计的影响因素:微电网规模、可再生能源特性与渗透率、负荷分布与类型、供电可靠性、网间互联必要性,在此基础上提出了分区原则、分层原则、供电质量保证原则以及网间互联的设计原则。依据所提出的拓扑设计基本原则,设计了三类新型交直流混合微电网拓扑:一对多型、多对一型、多对多型。以某高校为例进行了交直流混合微电网拓扑设计案例分析,对所提出的设计原则的适用性进行了验证。从拓扑可靠性方面对所设计的新型拓扑进行了对比分析,并从影响混合微电网拓扑可靠性出发,研究了线路、换流器、交直流断路器等对系统可靠性影响的程度。其次,针对交直流不同类型微电网之间功率交换难的问题,本文提出了混合微电网网间互联变流器功率控制策略。定义了交直流混合微电网四种典型运行方式,即联合并网、交并直离、联合离网、分别离网,并对每种运行方式下的功率平衡关系进行了研究。对应用于交直流微电网的下垂控制进行了改进,使之更好适用于低压微电网场合。根据交直流混合微电网两侧的下垂特性,提出了应用于混合微电网之间互联变流器的功率控制策略,仿真分析和物理实验结果表明,本文提出的功率控制策略能够实现混合微电网之间的有功功率平衡并维持交直流两侧电压稳定。再次,针对混合微电网运行方式多样、切换控制复杂的问题,本文详细分析了不同运行方式之间的切换关系,定义了相邻运行方式和相对运行方式两个基本概念。针对物理开关切换、平衡节点转移和控制策略切换三者之间的时序配合问题,提出了并网转离网时软件切换优先,离网转并网时硬件切换优先的切换原则,并在此基础上提出了一种平衡节点转移时序方法。引入并离网切换时电压电流参考值补偿算法,解决了PQ控制和V/f控制,恒压控制和电压-功率控制之间切换时,控制器中PI调节器的输出量突变问题。在PSCAD/EMTDC仿真平台上对所提出的切换原则和平衡节点转移时序方法进行了仿真验证,结果表明能够实现四种运行方式之间之间的平滑切换。最后,针对目前对混合微电网中故障传递机理与保护方案研究不充分的现状,本文深入分析了故障在混合微电网中传递机理,提出了交直流混合微电网协同保护改进方案。重点对混合微电网交流侧故障对直流侧电压影响的机理进行了研究,理论分析了电压工频和二倍频分量在混合微电网中的传递机理,在此基础上,研究了不同控制策略下,工频分量和二倍频分量对直流侧分布式发电控制系统造成的影响。根据以上分析结果,对混合微电网交直流两侧的继电保护方案提出改进建议,即在为直流线路配置保护时,尽量采用基于电压和电流幅值类型的保护;在直流微电网中配置基于du/dt或di/dt等变化率类型的保护时,整定条件需要引入工频谐波含量,作为直流保护延时动作判据;在为DG配置保护时,尽量选用基于du/dt或di/dt等变化率类型的保护,或直接为DG配置直流谐波保护(50Hz或100Hz保护)。仿真分析结果验证了本文故障机理分析和保护改进方案的正确性和有效性。
