摘要
随着经济的持续高速发展，人类社会对能源的需求稳步增长，化石能源短缺问题及化石能源开采利用造成的环境问题也愈发突出，大规模开发与利用可再生能源，调整能源消费结构迫在眉睫。固态变压器具有多个电压等级的交直流端口，且具有无功补偿、谐波治理、故障隔离等功能，可作为能量路由器构建交直流混合配电系统，规模化接纳交直流分布式能源与负荷，减少电能变换环节，提高能量转换效率。但基于固态变压器的交直流混合配电系统包含多级母线、多套交直流子网，运行工况复杂，若控制策略不合理，系统难以安全可靠运行，此外，固态变压器不具备与同步发电机类似的惯性阻尼特性，因此系统频率抗扰动性能差。针对上述问题，本文以基于固态变压器的交直流混合配电系统为研究对象，对系统协调运行控制策略进行了研究。 本文依据基于固态变压器的交直流混合配电系统中断路器开关状态及固态变压器各级状态将系统划分为四种运行模式，分别为停运模式、固态变压器孤岛模式、无源互联模式和有源互联模式，系统在运行时依据模式切换条件在各个模式间切换。本文提出了固态变压器多模式协同运行控制策略，包括固态变压器多模式功率协调控制策略和固态变压器多模式切换控制策略。其中，固态变压器多模式功率协调控制策略包括交直流子网、低压级、隔离级和中压级的控制策略，通过交直流子网和低压级的控制策略，可实现固态变压器孤岛模式中交直流子网内部和交直流子网之间的功率协调，隔离级和中压级的控制策略可以实现无源互联模式中可再生能源的“跨区消纳”和有源互联模式中可再生能源的“余量上网”功能，固态变压器多模式切换控制策略由预同步控制策略和模式切换步骤组成，预同步控制策略保证系统无缝切换至无源互联模式和有源互联模式，其余模式间的切换按照模式切换步骤进行。采用固态变压器多模式协同运行控制策略，可在无通讯与不切换控制策略的前提下实现各个模式中的功率协调与各个模式间的无缝切换，大大提高了系统运行可靠性。 基于固态变压器的交直流混合配电系统中，固态变压器作为能量转换设备，固态变压器物理结构决定其不具备与同步机类似的惯性与阻尼特性，而惯性与阻尼对维持系统频率安全有重要作用。为此，本文提出了固态变压器虚拟同步控制策略，包括固态变压器虚拟惯性控制策略和固态变压器虚拟阻尼控制策略。通过分析得出，采用固态变压器多模式协同运行控制策略中的中压级控制使得中压直流电容与同步发电机转子具有相似的惯性响应过程，并且通过改变电容大小，使电容能提供与同步发电机转子大小相当的惯性支撑，可抵御由交流侧功率突变引起的频率变化。借鉴虚拟同步机中阻尼模拟方式，本文提出了固态变压器虚拟阻尼控制策略，可有效抑制由电网频率突变导致的输出频率振荡。采用所提固态变压器虚拟同步控制策略，使得固态变压器具有惯性与阻尼特性，提高了频率抗扰动性能。 最后，基于RTDS（RealTimeDigitalSimulator）的硬件在环实验平台，搭建了基于固态变压器的交直流混合配电系统，对所提系统协调运行控制策略进行了实验验证，实验结果表明，采用所提固态变压器多模式协同运行控制策略，可实现各个模式中功率协调与各个模式间的无缝切换，采用所提固态变压器虚拟同步控制策略，可使固态变压器具备惯性阻尼特性，进一步证明了本文所提控制策略的有效性与可行性。
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