含光伏的環(huán)狀直流配電網仿真分析

齊可延，鄒曉松，胡 晟，成 峰，陳 磊，袁旭峰，熊 煒

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

含光伏的環(huán)狀直流配電網仿真分析

齊可延，鄒曉松*，胡 晟，成 峰，陳 磊，袁旭峰，熊 煒

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

構建合理的直流配電網絡是發(fā)展直流配電的首要任務，并隨著電力電子技術的日趨成熟，直流配電成為可能。本文基于電壓源換流器技術，提出了一種含光伏的環(huán)狀直流配電網，通過采用單極和雙極供電的形式，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，并通過合理布置直流濾波裝置，減小系統(tǒng)的諧波。仿真結果表明，提出的配電網模型及解決諧波的方法是可行的。

直流配電網；光伏；分布式電源；環(huán)狀

環(huán)境問題和能源問題的日益凸顯，也對清潔的電能提出了更高的要求，而配電網作為分配傳輸電能的主要通道，又是直接面向用戶，和人們日常的生活緊密相關，尤其對于復雜的配電網，如何保證高的電能質量、提高系統(tǒng)安全可靠性及運行效率等問題，都應進行合理的研究分析。近年來，隨著電力電子技術、分布式電源和直流(或可控)負荷的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的交流配電網所面臨的問題變得日益突出，很難滿足用戶的需求。而直流配電網具有很好的經濟及技術優(yōu)勢，如在節(jié)能損耗、傳輸容量、減少供電走廊和提高電能質量等方面都比傳統(tǒng)的交流配電網具有優(yōu)勢，又適合分布式電源的接入，為未來新一代配電網的發(fā)展提供了方向[1-4]，引起了人們的廣泛關注。

特別是柔性直流輸電技術的成熟，使柔性直流配網的發(fā)展成為了可能。但目前對直流配電網的研究主要集中在直流微電網的研究層面，對于配網層面的研究較少[5]。常見的有輻射狀、兩端狀和環(huán)狀三種常見的直流配網結構，其中環(huán)狀直流配電網可靠性高，但控制復雜。當采用環(huán)狀結構時，如果線路發(fā)生短路故障，在缺乏實用的直流斷路器的情況下，只能將全部線路停運，極大地降低了系統(tǒng)的可靠性[6]。

目前直流電已應用于通信[7，8]、艦船[9]、油井[10]、鐵路[11]等領域。但沒有環(huán)狀、兩端和輻射狀這三種直流配電網的應用實例，國內多處于仿真實驗研究階段，如利用PSCAD/EMTDC搭建直流配網仿真模型[6]和利用RT-LAB搭建的四端柔性直流配電網[12]，均未明確指出是單極供電還是雙極供電，也未考慮當采用雙極供電所造成環(huán)流問題以及直流諧波對系統(tǒng)影響。而本文通過MATLAB/Simulink搭建多端的環(huán)狀直流配網，采用單極和雙極同時供電，通過直流濾波裝置可以很好地解決直流諧波問題，并通過使用斷路器將直流配電網的線路進行合理的分段運行，仿真結果表明了該方法可以很好地提高系統(tǒng)的可靠性，又增加了系統(tǒng)的靈活性，證明了所提出的直流配網是可行的。

1 多端環(huán)狀直流配電網

本文以單個交流電源的環(huán)狀直流配電網為研究對象，該配電網是具有多個電壓等級，可以柔性接入交直流負荷和分布式電源的網絡。直流配電網的構成如圖1所示。

從圖1可知，該配電網是含分布式電源的環(huán)狀結構，包含DC 750 V和DC 375 V直接供電電壓或經變換器降壓為DC 220 V雙極供電電壓和DC 110 V單極供電電壓，其中無源網絡通過兩電平的電壓源換流器(voltage source convert，VSC)與直流線路并聯，光伏電池(photovoltaic cell，PV)通過升壓Boost電路并入配電網，DC和AC負荷可以通過變換器進行電能傳輸，而DC負荷還可以直接有直流線路進行電能分配。

圖1 多端環(huán)狀直流配電網

該配電網示意圖中有8個斷路器共分成了8個配電區(qū)域，如上圖，只給出了2和4、3和5配電區(qū)域的負荷示意圖，其他配電區(qū)域未給出。如果某個區(qū)域發(fā)生故障或需要檢修，則可以通過斷開斷路器使該配電區(qū)域退出運行，不影響其他區(qū)域的正常用電，提高了配電網供電的靈活性。

2 兩電平VSC基本結構及控制策略

VSC具有多種結構，常見的有兩電平、三電平和多電平(如：MMC)。本文配電網采用兩電平的VSC，調制方式為正弦脈寬調制SPWM?；窘Y構如圖2：

圖2 基于SPWM調制的兩電平VSC結構示意圖

其中，VSC交流母線電壓基頻分量Us與交流輸出電壓基頻分量Uc共同作用于聯結變壓器和相電抗器的等效電抗Xc，并決定VSC與交流系統(tǒng)間交換的有功功率P和無功功率Q分別為式(1)和(2)：

(1)

(2)

由上式可知：只需調節(jié)移相角度δ，就可以控制有功功率的大小和方向，只需控制Uc，就可以控制VSC吸收或發(fā)出無功功率[13]。其中，本文的送端VSC采用外環(huán)定直流電壓/定無功控制，與無源網絡并聯的受端VSC采用定交流電壓控制[14]。

3 光伏電池模型及負荷模型

3.1 光伏電池模型

PV具有清潔環(huán)保、高效等優(yōu)點，還可直接把太陽能變?yōu)橹绷麟?，通過直流變換裝置可直接并入直流配電網，大大提高了光伏發(fā)電的利用效率，由文獻[15]可知光伏電池模型(圖3)：

圖3 光伏電池等效電路

(3)

式中：Iph是單晶硅的光電流強度；Ios是電池反向飽和電流；q是電子電荷，q=1.602×10-19C;U是單個PV的輸出電壓；I是單個PV的輸出電流；Rs是電池的等效串聯電阻；Rsh是電池的等效并聯電阻；α是為P-N結理想因子，常取值1～1.5；k是波爾茲曼常數(1.38×10-23J/K)；T是電池溫度。

3.2 負荷模型

直流配電網的負荷節(jié)點較多，為了方便驗證所提出的配電網的可行性，本文的直流負荷被簡化為4個8 Ω電阻和3個1 kW、1個10 kW、1個20 kW定功率表示，通過DC/DC變換器或直接通過直流線路進行電能分配。無源網絡等效為交流負荷模型，用10 kW定功率表示，通過VSC進行電能的分配，并在0.29 s后系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)情況下，在0.8 s通過斷路器投切20 kW交流負荷，觀察對系統(tǒng)的影響。

4 仿真算例的分析

為驗證含PV的環(huán)狀直流配電網的可行性，本文通過MATLAB/Simulink搭建多端的環(huán)狀直流配網仿真模型，其中交流電壓源為380 V/30 MVA，送端VSC(整流)交流側穩(wěn)定輸出有功功率44.58 kW，其直流母線BD1和BD2電壓大小為750 V，BD4、BD6、BD7和BD9電壓大小為375 V，BD3為220 V，BD5和BD8為110 V，整流側交流母線BA1和逆變側交流母線BA2的電壓大小為311 V。為保證仿真的準確性，仿真步長為5 μs，仿真總時長為1.25 s。

如圖4所示，系統(tǒng)正常運行時，聯絡開關S1和S2是斷開的，其中K3和S1、K14和S2不能同時閉合。

仿真分析：系統(tǒng)初始運行時，聯絡開關S1和S2、斷路器K13均斷開。無源網絡在0.12 s時投切，在0.29 s后系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，并在0.8 s突然閉合K13，觀察對系統(tǒng)的影響，并分析直流母線和交流母線電壓和電流的諧波和波動情況。

BD1、BD2和BD3雙極供電分析如圖5所示。

在0.29 s后，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，BD1和BD2、BD3直流母線電壓分別接近750 V、220 V，由于線路的壓降，使得母線BD2的電壓略低。在0.8 s投切K13，對母線電壓電流幾乎沒有影響。圖中分析了在0.29～1.25 s時的電壓電流諧波畸變率，其諧波分量幾乎為零。投切K13，對母線電壓電流幾乎沒有影響。

BD4和BD5正極供電分析見圖6。

圖4 環(huán)狀直流配電網算例系統(tǒng)電路圖

圖5 BD1、BD2、BD3電壓波形及BD3電流波形

圖6 BD4、BD5電壓波形及BD5電流波形

如圖6，分析了BD4、BD5在0.29～1.25 s時的電壓電流諧波畸變率。BD4、BD5直流母線電壓分別接近375 V、110 V，其中BD5因離電源點遠，又經直流換流器接入，諧波有所增加，但其電壓電流畸變率仍小于1%?？梢?，隨著負荷離電源越遠，電流電壓發(fā)生畸變的情況可能會加大，所以應合理接入濾波裝置。

BD7和BD8負極供電分析如圖7所示。

如圖7，分析了BD7、BD8在0.29～1.25 s時的電壓電流諧波畸變率。由于負極供電和正極供電的負荷類同，其電壓大小及畸變率幾乎相等，但要注意，每極的負荷應該均衡，避免有一極過負荷運行。

BA1和BA2供電分析見圖8。

如圖8，交流母線BA1電壓為311V，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，在0.29 s系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，BA1的電流為51.14 A，在0.8 s突然閉合開關K13，接入20 kW的負荷后，其電流升至為95.72 A，電流畸變率小于3%；在0.12 s受端VSC接入10 kW的無源網絡，0.15 s后，BA2電壓一直處于穩(wěn)態(tài)值311 V，其電流在0.8 s閉合開關K13前后，由21.45 A變?yōu)?4.82 A，畸變率小于2%。說明系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)后，并未對交流電壓的穩(wěn)定產生影響。

圖7 BD7、BD8電壓波形及BD8電流波形

圖8 BA1、BA2電壓及電流波形

PV并網電壓分析(圖9)：

圖9 PV電壓波形

PV經Boost升壓電路接入直流配網，在0.58 s后，電壓諧波含量小于1%，其輸出電壓穩(wěn)定在365 V左右，和直流母線BD4(電壓為375 V)的電壓差百分比為2.67%，小于電壓波動±5%要求。由圖9知，在0.8 s投切20 kW負荷前后，PV輸出電壓穩(wěn)定。

5 結論

配網由于結構復雜，并隨著直流及敏感性負荷越來越多的接入，對電能質量提出了更高的要求，如何避免電壓暫降，減少系統(tǒng)的諧波，都需要進行充分的考慮。本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺，有針對性地搭建了含PV的多端環(huán)狀直流配電網，重點分析了單、雙極供電情況下的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性，通過接入交、直流濾波裝置，減少諧波對系統(tǒng)的影響，并用斷路器將直流配電網分成多個配電網區(qū)域，從而提高系統(tǒng)配電的靈活性。仿真結果表明，所提出的直流配電網模型和方法是可行的。本文基于這次得到的性能數據，將進一步進行優(yōu)化，為今后多端直流配網的研究提供參考。

[1] A. M. Abbas，P. W. Lehn. A unified power delivery solution for integrating DER into distribution networks through VSC based DC system [C]. Alberta，Canada：IEEE Power & Energy Society General Meeting， 2009: 1-6.

[2] Tomislav Dragicevic， Juan C. Vasquez， Josep M. Guerrero，et al. Advanced LVDC Electrical Power Architectures and Microgrids: A step toward a new generation of power distribution networks [J]. IEEE Electrification Magazine， 2014， 2(1):54-65.

[3] 劉連光，蔣智化，劉自發(fā). 公共直流配電網的電壓等級研究[J].供用電，2014， 12(7):20-23.

[4] M. H. Ryu，H. S. Kim，J. W. Baek，et al. Effective Test Bed of 380-V DC Distribution System Using Isolated Power Converters [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， 62(7):4525-4536.

[5] 宋強，趙彪，劉文華，等. 智能直流配電網研究綜述[J].中國電機工程學報，2013， 33(25):9-19.

[6] 杜翼，江道灼，尹瑞，等. 直流配電網拓撲結構及控制策略[J]. 電力自動化設備，2015， 35(1):139-145.

[7] 侯福平，孫文波，劉寶貴，等. 通信用240V直流供電系統(tǒng)[M]. 北京：人民郵電出版社，2014.

[8] P. Nuutinen，A. Pinomaa，J. P. Stro-m，T. Kaipia，P. Silventoinen. On Common-Mode and RF EMI in a Low-Voltage DC Distribution Network [J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2014， 5(5):2583-2592.

[9] Sandeep Yeleti， Yong Fu. Load flow and security assessment of VSC based MVDC shipboard power systems [C]. Boston：North American Power Symposium (NAPS)， 2011:1-7.

[10] 胡啟智. 油井直流配電系統(tǒng)項目研究[D]. 東營：中國石油大學(華東)，2010.

[11] F. S. Sutil， J. C. Hernández， P. G. Vidal. Smart DC node to recharge electric vehicles from PV power， electric railway systems and secondary distribution network: Assessment of fault currents [C]. Copenhagen:Developments in Power System Protection (DPSP 2014)， 12th IET International Conference， 2014:1-6.

[12] 季一潤，袁志昌，孫謙浩，等. 柔性直流配電網典型運行方式及切換方法[J]. 南方電網技術，2016， 10(4):8-15.

[13] 湯廣福. 基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M]. 北京：中國電力出版社，2014.

[14] 宋強，饒宏. 柔性直流輸電換流器的分析與設計[M]. 北京：清華大學出版社，2015.

[15] 錢軍，李欣然，王玲，等. 面向負荷的光伏電池和燃料電池建模及其等效描述[J]. 電網技術，2011， 35(4):135-142.

(責任編輯：曾 晶)

Simulation Analysis of Ring DC Power Distribution Network with PV

QI Keyan， ZOU Xiaosong*， HU Sheng，CHENG Feng， CHEN Lei， YUAN Xufeng， XIONG Wei

(College of Electrical Engineering，Guizhou University， Guiyang 550025， China)

Constructing a reasonable DC distribution network is primary task of the development of DC power distribution system. With the development of power electronics technology， DC power distribution becomes possible. Based on the voltage source converter (VSC) technology， ring structure for DC power distribution network containing photovoltaic cell (PV) was proposed. The steady-state and transient characteristics of the system was analyzed by using unipolar and bipolar power supply，then by means of reasonable arrangement of the DC filter， the harmonic of the system was reduced. The simulation results show that the proposed model of the distribution network and method of harmonic solution are feasible.

DC distribution network; photovoltaic cell; distributed power source; ring structure

1000-5269(2016)06-0033-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.09

2016-07-14

國家自然科學基金項目(51667007)；2016年貴州大學校立研究生創(chuàng)新基金項目(研理工2016061)

齊可延( 1989-) ，男，在讀碩士，研究方向：電力系統(tǒng)運行與控制，Email：kyan26@163.com.

*通訊作者： 鄒曉松，Email：zouxs@mail.xjtu.edu.cn.

TM727

A