直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略

杜 翼，江道灼，尹 瑞，鄭 歡，王玉芬

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的日趨成熟，城市用電負(fù)荷不斷增長，用戶對電能質(zhì)量的要求也不斷提高，現(xiàn)有的交流供電系統(tǒng)越來越難以滿足發(fā)展的需求。近年來，隨著大功率電力電子器件、高壓換流技術(shù)的高速發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)也得到了不斷的完善，中國、美國、瑞典等國家已經(jīng)在建造多端直流輸電工程[1-3]。

直流配電網(wǎng)是一個(gè)具有先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)的智能、穩(wěn)定的交直流混合廣域網(wǎng)絡(luò)[4]。與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)有著一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：在絕緣水平相同的情況下，直流配電網(wǎng)的傳輸功率約為交流配電網(wǎng)的1.5倍；直流配電網(wǎng)能夠方便各種分布式電源和電動(dòng)汽車充電站的接入；不同于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)并不存在渦流損耗以及線路的無功損耗，直流配電網(wǎng)的損耗僅為交流網(wǎng)絡(luò)的15%～50%；理論上直流系統(tǒng)沒有頻率偏差、三相電壓不平衡和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}，因此能夠有效避免電壓波動(dòng)與閃變、頻率偏移、諧波污染等問題，能夠有效地改善電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)可靠性[5-10]。

目前，國內(nèi)外對直流配電網(wǎng)的研究尚處于初級階段，未來的直流配電網(wǎng)技術(shù)仍存在許多挑戰(zhàn)。本文首先提出了直流配電網(wǎng)的基本概念，對直流配電網(wǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)典型支路的功率方程等進(jìn)行了推導(dǎo)與求解，并對環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了探討；然后對分布式電源和儲能裝置接入直流配電網(wǎng)進(jìn)行了研究，同時(shí)采用混合式直流斷路器并且提出了一種直流配電網(wǎng)的控制方式；最后通過直流配電網(wǎng)的建模仿真，獲得了一些有益的結(jié)論，對直流配電網(wǎng)的進(jìn)一步研究具有一定的參考價(jià)值。

1 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多端直流系統(tǒng)是從交流系統(tǒng)引出多個(gè)換流站，通過多組點(diǎn)對點(diǎn)直流連接不同的交流系統(tǒng)，沒有網(wǎng)格、冗余，當(dāng)拓?fù)渲腥魏我粋€(gè)換流站或線路上發(fā)生故障時(shí)，整條線路及其相連的換流站要退出運(yùn)行，可靠性較低。直流配電網(wǎng)中，各條直流線路可以自由連接，可以互相作為冗余使用，而不是僅僅作為異步交流電網(wǎng)的連接設(shè)備[4]。直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)用途來決定，常見的直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為：鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1 鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

常見的直流配電網(wǎng)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在直流配電網(wǎng)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中，隨著負(fù)荷的增加，直流電壓將會(huì)隨著潮流流動(dòng)的方向下降。

圖1 鏈?zhǔn)街绷髋潆娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of chained DC distribution network

圖2為直流配電網(wǎng)的典型支路。其中，Ui、Uj為始、末兩端的端直流母線電壓；Ib為支路電流；Rij為線路阻抗；Pj為末端負(fù)荷的有功功率。

由圖2可得：

圖2 直流配電網(wǎng)典型支路示意圖Fig.2 Typical branch of DC distribution system

由式（1）、式（2），得：

求解式（3），可得：

若式（4）有實(shí)數(shù)解，則：

考慮式（5）等于0的臨界情況，則：

在實(shí)際的直流配電網(wǎng)中，由于線路上的阻抗相對較小，正常情況下線路兩端的電壓相差不大，不會(huì)出現(xiàn)如式（6）所示的末端電壓只有始端電壓一半的情況，即式（3）始終有解?？梢娭绷髋潆娋W(wǎng)不存在類似交流配電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題。

1.2 環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性

環(huán)狀直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。交流配電網(wǎng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通常采用環(huán)狀設(shè)計(jì)、解環(huán)運(yùn)行，從而避免了雙電源時(shí)電壓幅值差、相角差引起的無功環(huán)流。由于直流配電網(wǎng)中并不需要考慮無功功率，因此也不需要考慮無功環(huán)流問題。在研究直流配電網(wǎng)環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮出現(xiàn)短路情況的保護(hù)問題。

圖3 環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Ring structure of DC distribution network

由于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中線路阻抗較小，當(dāng)線路上發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流上升速度快、幅值高。如果缺乏實(shí)用的直流斷路器，通常只能將直流變壓器或換流器閉鎖，以隔離故障。當(dāng)采用鏈?zhǔn)较到y(tǒng)時(shí)，若末端線路發(fā)生故障，將上級直流變壓器或換流器閉鎖，余下線路仍可以正常運(yùn)行；當(dāng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，只能將全部線路停運(yùn)，極大地降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，制約環(huán)狀直流配電網(wǎng)可行性的關(guān)鍵技術(shù)即為直流斷路器的研發(fā)。

1.3 兩端直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性

為了保障直流配電網(wǎng)的可靠性，在兩端直流配電網(wǎng)中通常會(huì)有一端的交流接口采用定電壓控制，其余交流接口采用定功率控制。直流配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于不需考慮無功功率因素，并且整個(gè)直流配電系統(tǒng)的電壓完全由定電壓控制端和負(fù)荷決定，從而避免了直流電壓差引起的功率環(huán)流，常見的兩端直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 兩端直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Dual-terminal structure of DC distribution network

2 分布式電源與儲能接入直流配電網(wǎng)

近年來，分布式電源越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，研究表明：分布式電源具有負(fù)荷變動(dòng)靈活、供電可靠、輸電損失小的特點(diǎn)。常見的分布式電源主要有光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，而這些電源產(chǎn)生的電能均為直流電。因此相較于并入現(xiàn)有的交流電網(wǎng)，直接將其并入直流配電網(wǎng)能夠有效減少換流站的投資，同時(shí)能夠減小換流過程的損耗，均有很大的經(jīng)濟(jì)效益[11-12]。

2.1 光伏電池

2.1.1 光伏電池模型

光伏發(fā)電存在的主要問題是光伏電池受外界環(huán)境影響大，溫度和光照輻射強(qiáng)度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化。因此，為了使光伏電池在不同的光照強(qiáng)度下都能夠獲得最大的輸出功率，通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略[13]。

本文建立光伏發(fā)電的模型等效電路如圖5所示。圖中，IPH為給定光強(qiáng)下的短路電流；I0為二極管飽和電流；RS和RSH為等效電阻；I為電池組件輸出電流；U為電池組件終端電壓。

圖5 光伏發(fā)電的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of photovoltaic generation

考慮到光照強(qiáng)度S和光伏電池溫度T的變化，光伏電池輸出如下：

其中，K1、K2為常數(shù)；ΔT、ΔI、ΔU 分別為光伏電池溫度、電流、電壓的增量；P為輸出功率；UM和IM分別為最大電壓、電流；UOC為開路電壓；ISC為短路電流；Sref和Tref分別為參考光照強(qiáng)度和參考光伏電池溫度，通常分別取1 kW／m2和25℃；參數(shù) α和β分別為參考光照強(qiáng)度下的電流和電壓溫度系數(shù)。

2.1.2 光伏電池并入直流配電網(wǎng)

光伏電池發(fā)出的是電壓隨機(jī)波動(dòng)的直流電，且光伏電池的出口電壓相對較低，若想并入交流配電網(wǎng)中首先需要經(jīng)過DC／DC變壓器，再經(jīng)過DC／AC換流器，同時(shí)還需要增設(shè)濾波裝置，才能有效地并入電網(wǎng)，光伏電池并入交流配電網(wǎng)如圖6所示。

圖6 光伏接入交流配電網(wǎng)Fig.6 Grid-connection of photovoltaic generation to AC distribution network

若是將光伏電池直接并入直流配電網(wǎng)中，則不需要DC／AC換流器和濾波裝置，能夠有效地節(jié)省設(shè)備投入，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義，光伏電池并入直流配電網(wǎng)如圖7所示。

圖7 光伏接入直流配電網(wǎng)Fig.7 Grid-connection of photovoltaic generation to DC distribution network

2.2 儲能裝置

2.2.1 儲能裝置模型

超級電容是一種新型儲能元件，是具有超強(qiáng)儲電能力、可提供強(qiáng)大脈動(dòng)功率的物理二次電源。相比于常規(guī)的電容，它的容量可達(dá)近萬法。由于超級電容的充放電過程屬于純物理過程，因此它具有循環(huán)次數(shù)高、充電過程快、適用于接入直流電網(wǎng)的特點(diǎn)。超級電容具有良好的充放電性能，在額定電壓范圍內(nèi)，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時(shí)則可以放出所儲存的全部電能，而且不存在蓄電池快速充電和放電的損壞問題，并且在瞬間高壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定[14]。

本文所采用的儲能模型為超級電容與雙向DC／DC變換器相連接，如圖8所示。

圖8 儲能模型Fig.8 Model of energy storage

2.2.2 儲能裝置并入直流配電網(wǎng)

如上文所述，含有超級電容的儲能裝置輸出的是直流電，若要并入交流配電網(wǎng)，需要經(jīng)過DC／AC換流器，同時(shí)還需要增設(shè)濾波裝置，才能有效地并入電網(wǎng)，儲能裝置并入交流配電網(wǎng)如圖9所示。

圖9 儲能裝置接入交流配電網(wǎng)Fig.9 Grid-connection of energy storage device to AC distribution network

若是將儲能裝置直接并入直流配電網(wǎng)中，則不需要DC／AC換流器和濾波裝置，能夠有效地節(jié)省設(shè)備投入，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義，儲能裝置并入直流配電網(wǎng)如圖10所示。

圖10 儲能裝置接入直流配電網(wǎng)Fig.10 Grid-connection of energy storage device to DC distribution network

3 直流斷路器模型與直流配電網(wǎng)控制策略

3.1 混合式高壓直流斷路器

與傳統(tǒng)的交流輸電相比，直流輸電由于沒有電流過零點(diǎn)，因此相較于交流電弧，直流電弧更難以熄滅?，F(xiàn)有的高壓直流斷路器能夠在幾十毫秒內(nèi)斷開電路，但對于高壓直流輸電系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求?；诎雽?dǎo)體的高壓直流斷路器能夠克服動(dòng)作速度上的問題，但是需要大量電力電子開關(guān)器件串并聯(lián)[15-18]。本文采用了新型的混合式直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示，能夠有效地克服上述缺點(diǎn)。

機(jī)械開關(guān)S采用高速斥力開關(guān)，該裝置動(dòng)作時(shí)間短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時(shí)間；電力電子復(fù)合開關(guān)由IGBT閥組T1與晶閘管閥組T2串聯(lián)構(gòu)成，由于晶閘管的容量較大，靜態(tài)電阻也較大，其均壓（均流）技術(shù)亦較為成熟，因此該復(fù)合開關(guān)可以有效降低電力電子器件的串（并）聯(lián)數(shù)量及均壓（均流）難度；限流電路由限流電感 L、晶閘管 VDL、V′DL及能量釋放電阻RL構(gòu)成，故障發(fā)生時(shí)，L用于限制短路電流上升率，故障切除后，L中儲存的能量經(jīng)VDL、V′DL及RL釋放，并限制L的感應(yīng)過電壓；續(xù)流二極管VD用于釋放電源出口與短路點(diǎn)間的線路阻抗中儲存的能量，故障切除后，線路阻抗經(jīng)續(xù)流二極管與短路點(diǎn)續(xù)流，其感應(yīng)過電壓不會(huì)對其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

圖11 混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.11 Topological structure of hybrid DC circuit breaker

3.2 直流配電網(wǎng)的控制策略

直流配電網(wǎng)的控制策略可以分為2層：第一層為配電網(wǎng)上層控制，即系統(tǒng)控制，主要對換流站進(jìn)行控制，控制直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的功率傳輸和整個(gè)直流配電網(wǎng)的電壓；第二層為配電網(wǎng)下層控制，即單元控制，主要對分布式電源的發(fā)電、儲能元件、直流負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

當(dāng)系統(tǒng)級發(fā)生故障時(shí)，即交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)連接處或換流站發(fā)生故障時(shí)，如果與發(fā)生故障的線路連接的換流站為一般換流站，只需切除故障線路，將故障的線路與整個(gè)直流系統(tǒng)隔離即可；如果與發(fā)生故障的線路相連接的換流站為控制直流配電網(wǎng)電壓等級的換流站，則應(yīng)迅速切除故障線路，同時(shí)將備用換流站由定功率控制轉(zhuǎn)為定電壓控制，來維持直流配電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

當(dāng)直流配電網(wǎng)下層發(fā)生故障時(shí)，如分布式電源發(fā)生故障，首先將故障線路切除，為了避免整個(gè)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)功率跌落，控制儲能單元向直流系統(tǒng)傳輸功率，維持系統(tǒng)的功率平衡，減小直流系統(tǒng)的電壓波動(dòng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 建模仿真

4.1 光伏電池與直流斷路器模型

4.1.1 光伏電池建模

按照2.1.1節(jié)所述的光伏電池模型，采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制，利用PSCAD／EMTDC對光伏模型進(jìn)行建模仿真，仿真時(shí)間為13s，仿真步長為50μs，仿真系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)變化和光伏電池向系統(tǒng)輸出的功率如圖12所示，從圖中可以看到隨著環(huán)境因素的不斷變化，光伏電池的輸出功率也在不斷變化。

圖1 2環(huán)境因素和光伏電池輸出功率的變化Fig.12 Variation of environmental factors andphotovoltaic power output

4.1.2 斷路器建模

利用PSCAD仿真軟件對提出的限流式直流斷路器進(jìn)行建模仿真。仿真參數(shù)如下：直流電源40 kV；機(jī)械開關(guān)S為高速開關(guān)，電弧模型采用Cassie電弧模型；固態(tài)開關(guān)開通時(shí)間10μs，關(guān)斷時(shí)間400μs（即晶閘管閥組T2的導(dǎo)通時(shí)間和零電流下正向阻斷能力恢復(fù)時(shí)間）；限流電路 L=20mH、RL=2 Ω；負(fù)載電阻R=20Ω，忽略線路阻抗。假設(shè)在t=0.5s時(shí)發(fā)生短路故障，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 直流斷路器仿真波形圖Fig.13 Simulative waveforms of hybrid DC circuit breaker

如上所述，0.5s時(shí)線路負(fù)載發(fā)生接地短路故障，由于采用故障預(yù)處理控制策略，提前對固態(tài)開關(guān)閥組施加觸發(fā)脈沖，故障判斷時(shí)間幾乎可以忽略；機(jī)械開關(guān)S經(jīng)過0.3 ms基本完成換流，即電力電子復(fù)合開關(guān)于0.5003s導(dǎo)通；0.503s時(shí)，機(jī)械開關(guān)S完成零電壓下的分閘過程，此時(shí)向電力電子復(fù)合開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號；IGBT閥組迅速斷開，約400μs后晶閘管閥組T2亦恢復(fù)正向阻斷能力，電力電子復(fù)合開關(guān)完全關(guān)斷，短路故障被切除。

4.2 系統(tǒng)建模仿真

如1.3節(jié)所述，制約環(huán)狀直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸是傳統(tǒng)的直流斷路器不能夠滿足開斷的要求，如果加入了實(shí)用的高壓直流斷路器，環(huán)狀直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能夠提供較為穩(wěn)定的系統(tǒng)。本文在環(huán)狀直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入上文的混合式高壓直流斷路器，構(gòu)建的仿真模型見圖14。

圖14 直流配電網(wǎng)仿真模型示意圖Fig.14 Simulation system of DC distribution network

圖中，交流系統(tǒng)1、2、3的電壓等級均為10 kV；直流配電網(wǎng)的電壓等級為15 kV；低壓直流配電網(wǎng)的電壓等級為1 kV；換流站1采用定電壓控制，控制整個(gè)直流配電系統(tǒng)的電壓；換流站2、3采用定電流控制；DCT表示直流變壓器。

4.2.1 系統(tǒng)正常情況下仿真

設(shè)置中壓配電網(wǎng)負(fù)荷需求功率為1.2MW，低壓直流配電網(wǎng)需求功率為100kW，系統(tǒng)環(huán)境因素和光伏電池的輸出功率的變化如4.1.1節(jié)所述，整個(gè)直流配電網(wǎng)的電氣變化量如圖15所示。仿真結(jié)果表明：正常情況下，中壓直流配電網(wǎng)和低壓直流配電網(wǎng)的電壓和功率傳輸都能夠穩(wěn)定在設(shè)定的值，不會(huì)隨著外界環(huán)境的不同而產(chǎn)生較大波動(dòng)。

4.2.2 系統(tǒng)故障情況下仿真

為了驗(yàn)證直流斷路器、控制策略的有效性和直流配電系統(tǒng)的可行性，考慮系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障的情況，設(shè)置故障發(fā)生在10.5s，直流斷路器檢測到故障后自動(dòng)動(dòng)作。以光伏系統(tǒng)為例，當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如果不采用3.2節(jié)的控制策略，僅僅是將故障線路切除，則整個(gè)直流配電網(wǎng)的電氣變化量如圖16所示。

當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如果采用3.2節(jié)的控制策略，將故障線路切除，同時(shí)儲能系統(tǒng)向直流配電系統(tǒng)輸出功率，則整個(gè)直流配電網(wǎng)的電氣變化量如圖17所示。

圖15 直流配電網(wǎng)中電氣量的變化Fig.15 Variation of electrical variables in DC distribution network under normal condition

圖16 直流配電網(wǎng)中電氣量的變化（未采用本文控制策略）Fig.16 Variation of electrical variables in DC distribution network without proposed control strategy

對比圖16、17可知，采用3.2節(jié)所述的控制策略時(shí)，能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)有效地限制整個(gè)直流配電系統(tǒng)的電壓和功率的波動(dòng)幅度，同時(shí)能極大地縮短波動(dòng)時(shí)間。圖18為15kV配電系統(tǒng)電壓波動(dòng)的過渡過程對比圖。

對比圖16、17、18可知，光伏電池在10.5s時(shí)發(fā)生短路故障，斷路器檢測到故障后切斷故障線路。以15 kV電壓為例，如果不采用3.2節(jié)所述的控制策略，在發(fā)生故障后的過渡過程中系統(tǒng)電壓會(huì)降至11.5kV，且需要0.3 s系統(tǒng)才能恢復(fù)到正常的電壓；當(dāng)采用3.2節(jié)所述的控制策略時(shí)，在發(fā)生故障后的過渡過程中系統(tǒng)的電壓僅下降至14 kV，而且僅需要0.01s系統(tǒng)便能恢復(fù)到正常的電壓。上述仿真結(jié)果證明：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流斷路器能夠快速斷開故障線路，保障非故障線路正常運(yùn)行；同時(shí)采用本文提出的直流配電網(wǎng)的控制策略，能夠有效限制短路故障對系統(tǒng)造成危害，縮短短路時(shí)間，使整個(gè)直流配電網(wǎng)更加有效穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖17 直流配電網(wǎng)中電氣量的變化（采用本文控制策略）Fig.17 Variation of electrical variables in DC distribution network with proposed control strategy

圖18 過渡過程波形對比圖Fig.18 Comparison of transient process

5 結(jié)語

本文對直流配電網(wǎng)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型支路的功率方程等進(jìn)行了推導(dǎo)與求解，并對環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了探討，接著對分布式能源和儲能裝置接入直流配電網(wǎng)進(jìn)行了研究，最后采用了混合式直流斷路器模型同時(shí)提出了一種新的直流配電網(wǎng)控制策略。仿真結(jié)果證明：在正常工況下，中壓直流配電系統(tǒng)和低壓直流配電系統(tǒng)的電壓和功率都可以保持穩(wěn)定；在故障情況下，直流斷路器能夠迅速地切斷故障線路，同時(shí)采用本文提出的控制策略，能夠更好地維持系統(tǒng)電壓和功率傳輸?shù)姆€(wěn)定，縮短故障時(shí)間，使整個(gè)直流配電系統(tǒng)能夠更加有效穩(wěn)定地運(yùn)行。