基于前端电流平衡器概念的分布式直流系统极间均衡策略

1 引言

相较于传统交流配电网，直流配电系统具有若干技术特点，包括：①适应潜在直流负载，减少中间转换环节，增效节能；②相同电压水平(线路耐压)下传输容量大，覆盖范围广；③无集肤效应，线损小；④不涉及无功功率与频率问题，系统分析、控制简明清晰；⑤具有良好稳定性，无相位同步问题，适应分布式可再生能源高渗透率接入。因此，中/低压直流配电网作为未来电力系统的重要形态，已得到学术界与工业界的广泛关注，并在数据中心、通信机房等场合获得成功应用[1,2]。

总之，教师应当用一颗智慧的心去纠正课堂作业中出现的误区，恰到好处的利用好课堂作业这一环节，挖掘这一环节的潜力，才能够有效的提高课堂效率，切实减轻学生过重的作业负担。

直流配电网电压等级序列目前尚无公认标准，依照对地电压关系不同，可分为单极性与双极性两种制式。其中双极性直流配电具备以下优点：①用户侧可选供电电压等级多；②可单极运行，供电可靠性高；③相同容量下，线路对地电压低，绝缘应力小，安全性好。可以预见，双极性直流配电系统作为优势技术方案，将在未来区域性直流配电网建设中获得广泛应用。

构成双极性中/低压直流配电网的方式可分为两种：①双电压源型(VSC)换流器直流侧串联输出，中点接地的“真双极”结构；②单VSC换流器直流侧中点接地的“伪双极”结构(也称对称单极结构)。其中方式②因具有硬件成本低、运行控制方法简明等特点，广泛适用于低压直流配电网、直流微网的构建，其基本架构如图1所示[3,4]。低压直流配电网作为电力系统末梢环节，直接面对用户负载与分布式电源。当采用图1(b)的对称单级制式构建低压直流配电系统时，因正、负两极所带负载不平衡，将导致两极对地电压不均衡[5]，电能质量降低，影响系统正常运行，这时需引入电压平衡器(Voltage Balancer, VB)加以主动控制[6,7]。基于电压平衡器的三线制双极性低压直流配电网结构如图2所示。

本文以分布式可再生电源高渗透率接入条件下的三线制低压直流配电网为基本技术场景，深入探讨系统极间均衡运行控制方法，进而提出在用户节点引入前端电流平衡器(Front-End Current Balancer, FECB)，以实现系统正负极间电压、电流、功率良好均衡，提升电能质量的新方案，并进行仿真模拟验证。

2 三线制低压直流配电系统的极间均衡

本节将首先分析三线制双极性直流配电网极间不均衡现象的产生原因与表现，进而提出借助前端电流平衡器实现极间均衡运行控制的方法与相关技术概念。

2.1 极间均衡条件

图2直流配电网的等效电路如图3所示。左侧虚线框内电压源代表运行于定直流侧电压模式下的VSC换流站，其对外呈现电压源特性，为整个配电网系统提供电压支撑,输出端电压值为2Vdc；右侧虚线框内为N个用户集群的等效电路，可视为电路割集，其内部含有独立连接于正、负极两侧的负载与分布式电源，均呈现电流源特性；正极、负极、中性线(接地)线路电阻分别集总等效为电阻rp、rn、re；各物理量符号及参考极性、方向见图3。

为便于阐明问题，不失一般性，此处仅分析VSC换流站与共用PCC点(节点N3、N4和N5)的一组用户(N个)通过独立线路连接的情况。系统运行中电压平衡器维持其出口正、负极间电压相等，即Vpg=Vng=Vdc；用户i正、负极侧负载电流分别为Ipl-i和Inl-i，正、负极侧分布式电源电流分别为Ips-i和Ins-i，则对节点N3、N4由KCL可有：

(1)

针对电压平衡器两端节点N1和N2，由KCL可有：

ΔI=Ip-In

(2)

式中，Ip和In分别为用户集群与配电网间交换的正、负极电流(设发出电能为正)。对于从节点N3-N4-N5切断的割集，由KCL可知中性线电流ΔI为：

(3)

式中，IVSC为换流站输出直流电流(以向直流侧供电为正)；Ivb-p和Ivb-n分别为电压平衡器对正、负极线路的等效转移电流。由式(2)和式(3)联立可得：

ΔI=Ivb-p+Ivb-n

(4)

式中，Np和Nn分别为正、负极组分布式电源数量；IpL和InL分别为接入正、负极两侧等效负荷电流。

Pvb=Pvb-p+Pvb-n=Ivb-pVpg-Ivb-nVng

(5)

理想运行状况下Vpg=Vng=Vdc，且电压平衡器内部不含有阻性功率消耗，即Pvb=0，再结合式(2)、式(4)、式(5)可得：

(6)

考虑线路损耗，用户侧正、负极电压Vp和Vn分别为：

Vp=Vdc+Iprp+reΔI

(7)

Vn=Vdc+Inrn-reΔI

(8)

用户侧正负极间电压偏移值ΔV与用户侧中性线对地电位偏移值Vneu分别为：

ΔV=Vp-Vn=2reΔI+Iprp-Inrn

(9)

Vneu=-reΔI

(10)

为了分析负载与分布式电源对直流配电网极间均衡性的影响，可以忽略线路电阻参数的轻微差异，因此本文中假设：

rp=rn=re=r

(11)

联立式(2)、式(9)～式(11)可得：

ΔV=3rΔI

(12)

Vneu=-rΔI

(13)

此时可求得用户集群向配电网正、负极两侧注入的功率差额ΔP为：

ΔP=Pp-Pn=VpIp-VnIn

(14)

式中，Pp和Pn分别为用户集群向正极侧和负极侧注入的功率(发电上网为正)。联立式(2)、式(7)、式(8)、式(11)、式(14)可得：

在广义装配式的策划阶段，应加强土建、机电、精装、园林景观等专业之间的配合，并协调业主、监理、总包、设计、厂家之间的关系。各专业、各参建方需要进行协同工作，根据标准化原则，共同对项目进行优化，对装配式构件的技术可行性和经济性进行论证，共同进行整体策划，提出最佳方案。

ΔP=[Vdc+2r(Ip+In)]ΔI

(15)

综上可知，在存在不平衡负荷与不平衡分布式电源的情况下，仅依靠电压平衡器无法确保双极性直流配电网正负极整体均衡运行，可能出现以下问题：①用户侧正负极电压不相等；②中性线电流不为零，且对地电位出现偏移；③系统各断面下正负极功率不对等。上述问题可能造成：①用户侧电能质量降低，敏感负荷无法正常工作；②增加线路发热损耗；③降低用电安全性；④系统正负极线路、设备容量得不到充分对称的使用，可能引发额外损耗或影响系统正常稳定运行。

(3)多次分析后，得到上浆浓度、上浆流量、清水加入量这3个成分的贡献率达到了98%，能较好地代表原数据信息。

2.2 “前端电流平衡器”基本概念

随着分布式可再生能源发电技术的普及，未来中/低压直流配电系统将成为接纳分布式电源的主要载体。高渗透率、大容量分布式电源接入将成为直流配电网的技术“新常态”。

无论在模式1或模式2下，当S1或S2导通时，流经电感L的电流ΔI将增大；当S1或S2关断时，ΔI将减小。因此可通过改变S1或S2的占空比d1或d2调节极间等效转移电流的大小，从而达到稳态 (Ip2=In2，ΔI2=0)，具体控制框图如图7所示。

（6）实习生要提高警惕，重视法律知识的学习与法律意识的培养。实习生应明确违反相关法律法规所造成的医疗事故，护生应与教师、有关单位共同承担民事责任、行政责任[6]。在实习过程中自觉培养实事求是的报告意识及科学的工作态度，杜绝医疗事故、护理差错的发生，为成为一名优秀的护士打下扎实基础，全面提高护理质量。

由式(2)、式(12)、式(13)、式(15)可知，在换流站侧正负极电压对称、正负极传输线路电阻特性一致的条件下，保持系统正负极间电压、电流、功率处处均衡的充分必要条件是用户侧正负极电流相等。对于图3的系统而言，该条件可具体表示为：

ΔI=Ip-In=0

(16)

即

(17)

对于某一用户i可以将其与配电网正极(节点N3)交换的电流记作Ip-i，将其与配电网负极(节点N4)交换的电流记作In-i，则有：

(18)

由此，可将系统均衡条件式(17)改写为：

(19)

考虑到实际直流配电网的网架拓扑复杂多变，为保证系统极间处处均衡，应当引入更加严格的条件，使得每一用户割集满足正负极电流平衡。即对于任意用户单元i，满足：

Ip-i=In-i

(20)

式中，Ip-i和In-i分别为该用户节点与直流配电网正、负极侧交换的电流(以向配电网注入电流为正方向)。

为实现这一目标，可在用户侧引入专用极间功率交换装置，实现正负极线路电流转移与二次均衡控制。该装置安装于直流配电网前端用户侧，其核心控制目标为保证用户与配电网连接点处正负极电流相等(中性线电流为零)，对配电网呈现电流源特性。从电路分析角度，该装置可认为是直流配电网中电压平衡器(安装在VSC侧，控制正负极电压相等，对配电网呈现电压源特性)的对偶，因此称之为前端电流平衡器。

在理想网络条件下(换流站侧正负极电压对称、正负极传输线路电阻特性一致)，若每个用户处均设有电流平衡器，则对任意用户而言，其与配电网连接处正负极电压必然相等。此时极间电流平衡即为功率平衡。

3 计及电流平衡器的分布式电源双极性接入

基于2.2节中所述电流平衡器的概念，本节将给出一种适用于小容量用户终端的分布式可再生电源接入双极性低压直流配电网技术方案，该方案可实现接入点正负极电流有效平衡。其基本系统结构如图4所示。

3.1 系统结构

由图4可见，该系统含有多种相互独立的分布式可再生能源发电装置(如小型风机、光伏面板等)，分布式电源依照各自容量平均分配为正极组(P-group)与负极组(N-group)，分别通过P型Boost变换器(P-type Boost)与N型Boost变换器(N-type Boost)接入用户端直流配电网的正极侧和负极侧；同时用户线路出口处挂接前端电流平衡器，以实现用户节点与外电网间所交换的正、负极电流相等。P型Boost变换器与N型Boost变换器拓扑结构分别如图5(a)和图5(b)所示。

系统中各处电流、电压参考方向、极性见图4。任意时刻，将正极组第i个分布式电源输出电流记作Ips-i，负极组第i个分布式电源输出电流记作Ins-i，则正、负极两侧电流关系分别表达为：

(21)

(22)

电压平衡器可视为两端口网络，根据电路原理其消耗的总功率Pvb可表示为任意两端口功率的代数和，考虑电压电流参考的关联性，则有：

公路运输行业作为民生行业的重要组成部分，在国民经济领域占据着越发重要的位置。若想有效开展公路桥梁养护工作就必须要引起有关政府部门的高度关注。首先，国家有关交通管理部门要充分意识到公路桥梁养护工作的重要性，以此为基础拓宽公路桥梁养护的扶持政策，以保证公路桥梁养护工作的连续性；其次，国家有关法律部门还需要制定一系列法律法规，对公路桥梁养护工作的内容与流程进行规范化管理，使公路桥梁养护工作变得更加合法化与科学化。

在电流平衡器控制作用下，该用户单元与外部配电网正负极线路间交换电流相等，结合割集KCL有：

ΔI2=In2-Ip2=0

(23)

式中，ΔI2为该用户节点与直流配电网中性线交换的电流；Ip2和In2分别为经过前端电流平衡器调节后的正、负极线路电流。对节点N1、N2、N3使用KCL可得：

(24)

ΔIp+ΔIn=ΔI=ΔI1+ΔI2

(25)

式中，ΔIp和ΔIn分别为电流平衡器正、负极端口电流(参考方向见图4)。假定电流平衡器工作于稳态且自身无功率消耗，则由两端口系统功率平衡条件推导得出：

Vdc-pΔIp=Vdc-nΔIn

(26)

联立式(23)～式(26)，可得：

(27)

ΔI1=Ip1-In1

(28)

(29)

式中，k=Vdc-p/Vdc-n；Pt为正极侧向负极侧传递的转移功率。特别地，当用户接入点正负极电压对称时(k=1，Vdc-p=Vdc-n=Vdc)，有：

(30)

(31)

3.2 工作机理

本节将针对图4系统中关键电力电子装置的拓扑结构与工作机理进行分析，得出其稳态下工作特性方程。

3.2.1 P/N型Boost变换器

你一直在说这句话，包括我们在万象做爱的时候。那我是什么，一个工具吗，一个不需要发表意见和感觉的协助生育的机器吗。

该系统中使用非隔离型变换器作为分布式电源接入直流配电网的前端变换装置，以实现升压变换与最大功率点跟踪(MPPT)功能，此处选用Boost型电路拓扑。

P型Boost变换器拓扑结构为常规Boost电路，如图5(a)所示，输入-输出侧为“共负极”结构。该变换器输入端与分布式电源相连，输出端正、负极分别与配电网正极线、中性线相连接。

N型Boost变换器拓扑结构为常规Boost电路衍生而来，如图5(b)所示，输入-输出侧为“共正极”结构。该变换器输入端与分布式电源相连，输出端正、负极分别与中性线、配电网负极线相连接。

由电路对称性易知，上述两种结构的Boost电路工作机理相仿，此处不再赘述，其稳态电压增益均为：

(32)

式中，D为开关管导通占空比。

3.2.2 前端电流平衡器

由2.2节和3.1节中理论分析可知，前端电流平衡器的核心功能在于建立正负极两侧间能量转移通路，从而实现用户接入点正负极线路电流相等的控制目标[8-14]。可见，其物理本质与工作机理同VSC侧电压平衡器一致，因此其具体设计可在借鉴电压平衡器既有拓扑的基础上，通过引入新的闭环控制策略而实现[15-17]。

根据3.1节中所述的具体应用场景，考虑电压等级与容量，本文选择桥式功率转移电路作为前端电流平衡器拓扑结构，如图6所示。其稳态工作机理分析如下。

1)基于智能矿井建设的具体需求，研究设计了大数据集成分析平台的架构、流程和功能，开发了包括安全生产全业务流程的动态诊断系统，为提高决策管理水平奠定了基础。

(1)模式1

We thank L Yang, J Liu, Z C Chen and J Z Ling for their help. We are grateful for financial supports from the A*STAR, SERC 2014 Public Sector Research Funding (PSF) Grant (SERC Project No. 1421200080).

当Ip1大于In1时，S2保持关断，通过控制S1的导通和关断，实现极间电流转移。当S1导通时，形成回路S1-L-Ip1与回路S1-L-In1-C，由电容C与正极电流源Ip1向电感L中充入能量；当S1关断时，S2中反并联二极管将导通续流，进而形成回路L-In1-S2(续流二极管)与L-Ip1-C-S2(续流二极管)，从而释放电感L能量并通过正极电流源Ip1向电容C补充能量。此时，在完整开关周期内，N1/N3端口始终从正极侧吸收功率(电流)，N2/N3端口始终向负极侧释放功率(电流)，由此实现从正极侧到负极侧的电流(功率)转移。

(2)模式2

当Ip1小于In1时，S1保持关断，通过控制S2的导通和关断，实现极间电流转移。当S2导通时，形成回路S2-In1-L与回路C-Ip1-L-S2，由电容C与负极电流源In1向电感L中充入能量；当S2关断时，S1中反并联二极管将导通续流，进而形成回路L-S1(续流二极管)-Ip1与回路C-In1-L-S1(续流二极管)，从而释放电感L能量并通过负极电流源In1向电容C补充能量。此时，在完整开关周期内，N1/N3端口始终向正极侧释放功率(电流)，N2/N3端口始终从负极侧吸收功率(电流)，由此实现从负极侧到正极侧的电流(功率)转移。

临床上，通常把下面的两类药叫做消炎药，一类是激素，如可的松、氢化可的松、地塞米松等；另一类是消炎止痛药，如布洛芬等。但请注意，对于具有正常免疫功能的人而言，可的松类激素是我们人体可以自己分泌的，感冒等引起的嗓子发炎不需要额外用消炎药，好好休息，提高免疫力，就可以自愈，也就是人们常说的“吃药一周好，不吃药七天好”。吃药不能缩短感冒病程。免疫系统异常者有时为了控制炎症会用消炎药，但也要区分不同的炎症部位来选用。例如过敏性鼻炎，常选用激素类鼻喷雾剂，关节炎则会选消炎止痛的布洛芬。

电流平衡器达到理想稳态时，忽略电容电压纹波，可认为电压vC保持稳定，其等于网侧正负极总电压。此时可认为开关周期内，流过电容的平均电流为零，即有：

此时各端口吸收/释放的电流/功率数值可由式(27)～式(31)计算。

iC=0

(33)

但在过去，卫星会发出两种不同的信号：一种是精确的军事信号，另一种是民用信号。这一想法的初衷是为了阻止敌军使用美国的技术攻击美国。在20世纪90年代中期，白宫要求兰德公司研究全球定位系统的通用政策，包括信号干扰，即所谓的“选择可用性”。

向学生发调查问卷62份，回收有效问卷62份，有效回收率为100%．调查结果表明，2个班大部分学生对授课整体表示满意．学生反映课程还需要进一步改进的方面主要包括：（1）在讲授理论知识时，多讲解一些生产上的实例；（2）采用PPT展示讲解生产实例效果会更好一些；（3）希望教师上课时语速稍微再慢一些；（4）蛋白质工程这门课整体比较难，部分章节理解起来有些难度．

分布式电源的出力具有随机性强、波动幅度大的显著特点，其大量接入将极大增加直流配电网正负极间功率失衡的可能性与潜在程度。因此，为确保分布式电源高渗透接入条件下双极性直流配电系统安全稳定运行，维持系统各处正负极间电压、电流、功率总体均衡，保证电能质量，需要在现有三线制直流配电网的基础上进一步引入新的均衡控制装置及相应控制策略。

4 仿真验证

本节在MATLAB-Simulink环境下进行系统仿真，验证所提出的接入系统方案与所选用的前端电流平衡器的电路拓扑、控制策略。

4.1 系统结构与仿真条件

仿真中选用图4的系统架构、图5的正、负极组分布式电源接入变换器拓扑以及图6的前端电流平衡器拓扑。

网侧直流电压±375V，正/负极线、中性线等效电阻均为0.1Ω；前端电流平衡器电感1mH，开关频率20kHz；正负极线路间总等效电容300μF。

正负极分别接入相同规格光伏阵列PV-1与PV-2，其饱和光照下最大功率点电压328.2V，最大功率点电流33.48A，最大输出功率10.99kW；光伏组件分别由P/N型Boost电路连接到正负极侧。

仿真时间1.5s，步长1μs；改变PV-1与PV-2的光照条件，调节其输出功率，进而验证前端电流平衡器不同工况下均衡控制效果，相关结果如下。

测量实际温度对标准20℃的最大偏差为2℃，被测塞规与标准件之间线性膨胀差假定<10%并且服从U形分布，则因线性膨胀差引入的不确定度分量u4为：

4.2 仿真结果

各时段下PV-1和PV-2光照强度数值见表1。当t=0.5s时前端电流平衡器投入运行，0.5s与1.0s前后正、负极线路电流Ip2、In2与中性线电流ΔI2波形如图8所示。

由图8可见，电流平衡器启动前正极线电流Ip2平均值22.5A，负极线电流In2平均值16.5A，中性线电流ΔI2平均值6.0A；t=0.5s时电流平衡器投入，Ip2逐渐减小，同时In2逐渐增大，t=0.75s时达到平衡。当t=1.0s时PV-2输出功率阶跃增加，使In2突增，ΔI2小于零；随即在电流平衡器控制下逐步恢复，于t=1.25s时重新达到平衡。

上述仿真结果表明本文所提出的前端电流平衡器电路拓扑与控制策略合理有效，相应的分布式可再生能源发电单元接入双极性低压直流配电系统方案正确合理，可实现预期功能。

5 结论

在用户与双极性直流配电网公共连接点处配备前端电流平衡器，可有效平抑由分布式电源与负荷波动造成的正、负极线路电流不均衡现象，使稳态下中性线平均电流为零。

黑鹰山铁矿床的大地构造位置处于西伯利亚板块与哈萨克斯坦—北山板块碰撞对接带，具体位置为哈萨克斯坦—北山板块北带红石山—黑鹰山地体东北部，黑鹰山—流沙山背斜东南倾末端[6]。

通过在全部用户连接点配备前端电流平衡器，可控制任意用户节点与配电网正、负极侧交换电流相等，从而在理想网络条件(正负极支撑电压、线路电阻特性完全一致)下保证稳态时双极性直流配电网中正负极电流、电压、功率处处均衡，提升电能质量。

采用P/N型Boost电路与桥式功率转移电路相互配合，可构建适用于低压双极性直流配电网的可再生能源发电接入系统，实现分布式电源与负荷的高效、灵活直流接入。

本文研究内容及相关成果，将为解决未来直流配电系统中极间均衡控制与电能质量问题提供新的技术思路，从而有效促进未来直流配电系统建设、运行与分布式可再生能源发电的直流并网。

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