學(xué)校建筑電氣中低壓直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

南京長(zhǎng)江都市設(shè)計(jì)股份有限公司 劉 珈

學(xué)校建筑人員密集，其中低壓直流配電系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，通常情況下選擇的供電方式為分段供電，因此其則面臨運(yùn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，除此之外，其用量需求較大，并存在諸多需要長(zhǎng)期供電的設(shè)備，也導(dǎo)致電負(fù)荷較大。因此，學(xué)校建筑配電網(wǎng)安全運(yùn)行是主要原則。中低壓直流配電系統(tǒng)是由多個(gè)供電單元完成供電，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的冗余較多。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩種電壓直流母線(xiàn)之間的連通，分別為中壓和低壓，極大程度增加了系統(tǒng)內(nèi)電壓控制的靈活性，同時(shí)也導(dǎo)致控制的復(fù)雜程度提升[1]。學(xué)校建筑為多層建筑，并且學(xué)校自身特殊性質(zhì)導(dǎo)致學(xué)校的用電設(shè)備較多，用電量較大，電力系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，中低壓直流配電系統(tǒng)自身作為分布式電源、并網(wǎng)逆變器以及多種負(fù)荷的集成系統(tǒng)，為保證其穩(wěn)定運(yùn)行，需關(guān)注和保障運(yùn)行時(shí)每一個(gè)供電部分的有效協(xié)調(diào)控制[2]。并且，電力系統(tǒng)通常采用多等級(jí)、多母線(xiàn)等，分別對(duì)應(yīng)電壓和直流。直流變壓器作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的重要依據(jù)，電壓等級(jí)的變化等，均對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行造成一定程度風(fēng)險(xiǎn)，尤其在運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化情況下，系統(tǒng)的控制難度則明顯提升[3]。

本文以中低壓直流配電系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)為依據(jù)展開(kāi)研究，為保證該系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行切換過(guò)程中，有效、穩(wěn)定以及可靠控制，研究學(xué)校建筑電氣中低壓直流配電系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，提升對(duì)系統(tǒng)的可控程度，降低控制難度，保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 學(xué)校建筑電氣中低壓直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 中低壓直流配電系統(tǒng)分散式統(tǒng)一控制策略

直流變壓器是該配電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)中低壓直流母線(xiàn)的互聯(lián)的依據(jù)，并且該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的切換即為中低壓電流的切換[4]，因此，有效控制直流變壓器，則可保證中低壓直流切換時(shí)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的有效控制。

1.1.1 控制策略原理

該策略的實(shí)現(xiàn)，需和下垂控制單元同時(shí)設(shè)計(jì)；差異化電壓等級(jí)是母線(xiàn)的典型特點(diǎn)，且屬于中低壓直流[5]，采取標(biāo)幺化對(duì)其實(shí)行處理，則得出：

式中：標(biāo)幺值用VM，dc，nom、VL，dc，nom、表示，取值范圍為[-1，1]，均屬于母線(xiàn)電壓偏差，前者對(duì)應(yīng)中壓直流、后者對(duì)應(yīng)低壓直流；VM，dc、VL，dc表示直流電壓，前者對(duì)應(yīng)中壓、后者對(duì)應(yīng)低壓，其各自的上限分別為VM，max和VL，max、下限分別為VM，min和VL，min；兩者的額定電壓為和、。

電壓存在數(shù)個(gè)運(yùn)行區(qū)間，屬于直流母線(xiàn)，其下垂控制需分階段完成，隨機(jī)選取該母線(xiàn)上的某一個(gè)區(qū)間，中低電壓的上、下限分別用VM，up和VL，up、VM，down和VL，down，則得出：

為獲取下垂系數(shù)，屬于標(biāo)幺化且為每一個(gè)電源模塊，以公式（1）為依據(jù)，對(duì)公式（2）實(shí)行處理后得出；直流母線(xiàn)的標(biāo)幺化下垂系數(shù)，即為上述結(jié)果的求和：

式中：電源模塊數(shù)量分別用NM和NL表示，兩者均為相同電壓區(qū)間內(nèi)，屬于下垂控制，對(duì)應(yīng)中、低壓直流母線(xiàn)。

WT表示傳輸功率，屬于變壓器，且為直流；依據(jù)正方向的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，完成直流母線(xiàn)傳輸，且由低壓傳送至中壓[6]，則得出：

式中：總負(fù)荷功率為WM，load、WL，load，分別對(duì)應(yīng)中、低壓直流母線(xiàn)；總輸出功率用WM，cpc、WL，cpc表示，均屬于電源模塊，且在恒功率控制下，分別對(duì)應(yīng)中、低壓直流母線(xiàn)，其可用于描述功率，且為非正負(fù)荷[7]。則對(duì)變量實(shí)行相關(guān)定義，為：

依據(jù)上述公式即可得出電壓偏差的差，母線(xiàn)標(biāo)幺化公式為：

實(shí)行變量定義：

將公式（7）實(shí)行簡(jiǎn)化后得出：

式中：差異程度用ΔS、ΔD表示，分別對(duì)應(yīng)直流母線(xiàn)之間的供、需，且各自對(duì)應(yīng)中、低壓。

分析公式（8）可知，ΔS、ΔD與直流變壓器傳輸功率存在直接關(guān)聯(lián)，配電系統(tǒng)的整體功率均衡時(shí)，需ΔS=0。

1.1.2 控制器設(shè)計(jì)

對(duì)下垂曲線(xiàn)實(shí)行擴(kuò)張，是保障功率雙向傳輸?shù)氖侄危覍儆谥绷髯儔浩?，其擴(kuò)展公式為：

式中：下垂系數(shù)、最大輸出功率分別用kT、表示，均屬于直流變壓器。

依據(jù)公式（8）對(duì)控制環(huán)節(jié)實(shí)行改進(jìn)，形成移位控制，其公式為：

式中：傳遞函數(shù)用GPI表示，其屬于PI控制器。

傳輸功率的調(diào)控，通過(guò)移動(dòng)電壓下垂曲線(xiàn)完成，其屬于直流變壓器[8]；保證配電系統(tǒng)均衡程度，其屬于整體功率，需使ΔS=0?；诖耍赏ㄟ^(guò)公式（11）描述統(tǒng)一控制策略：

在移位過(guò)程中，通過(guò)增加限幅環(huán)節(jié)來(lái)避免過(guò)渡現(xiàn)象的發(fā)生，其取值范圍用[-（VM，max-VM，min），VM，max-VM，min]表示，脈寬調(diào)制為PWM，統(tǒng)一控制策略框架如圖1所示。

圖1 策略框架

該控制策略的最終目的為實(shí)現(xiàn)多種控制模式的整合，形成單一的控制回路。系統(tǒng)整體功率均衡的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)將電壓下垂曲線(xiàn)實(shí)行移動(dòng)ΔVM，dc完成，且為電壓控制單元不存在異常運(yùn)行狀態(tài)，直流變壓器運(yùn)行在功率控制模式下，均處于中低壓直流母線(xiàn)上[9]。當(dāng)其中電壓控制單元發(fā)生故障，為保證故障母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，且為電壓控制單元，VL，dc，nom和VM，dc，nom實(shí)行相互跟蹤，對(duì)傳輸功率的大小實(shí)行調(diào)節(jié)，保證當(dāng)下運(yùn)行的控制模態(tài)為直流母線(xiàn)電壓控制[10]。

綜上所述，可實(shí)現(xiàn)文中配電系統(tǒng)的控制，可在簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)下，保證配網(wǎng)系統(tǒng)的一體化控制的有效性。

1.2 中低壓直流配電系統(tǒng)的有源阻尼補(bǔ)償器

采用統(tǒng)一控制策略控制中低壓直流配電系統(tǒng)時(shí)，為避免諧振的發(fā)生對(duì)系統(tǒng)造成影響，甚至導(dǎo)致電壓崩潰，為保證控制策略在控制時(shí)電壓的正常，進(jìn)而保證控制的可靠性，設(shè)計(jì)有源阻尼補(bǔ)償器，對(duì)控制過(guò)程中產(chǎn)生的諧振實(shí)行有效抑制和消除，保證統(tǒng)一控制的效果[11]。

有源阻尼信號(hào)通過(guò)直流電壓表示，將其引入控制環(huán)內(nèi)，其屬于線(xiàn)路調(diào)節(jié)變流器（line regulating converter，LRC）。有源阻尼補(bǔ)償器可實(shí)現(xiàn)LRCs在輸出時(shí)抗阻的減小，同時(shí)，可使頻率響應(yīng)ZSo（s）的相位增加，改變LRCs端口特性，使其轉(zhuǎn)變成感性特性，并且保證CPLs（constant power load，恒功率負(fù)載）特性不發(fā)生變化，其屬于端口，以此實(shí)現(xiàn)諧振回路的消除，使配電系統(tǒng)諧振穩(wěn)定性提升[12]。

阻抗的輸入和輸出為：

式中：φ1和φ2相位，屬于抗阻，分貝對(duì)應(yīng)輸出和輸入；RSo、Rin分別表示阻性部分，其屬于阻抗，前者對(duì)應(yīng)輸入，后者對(duì)應(yīng)輸出；Yin（s）表示電流源；Lin表示感性部分，屬于輸出抗阻。

通過(guò)公式（13）表示系統(tǒng)特征方程，為：

此時(shí)，配電系統(tǒng)的分母降為一階系統(tǒng)，因此，不會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。

2 測(cè)試分析

為驗(yàn)證本文研究的中低壓直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用性，以某高校建筑的中低壓直流配電系統(tǒng)作為實(shí)例對(duì)象，采用MATLAB/Simulink仿真軟件模擬其中低壓直流配電系統(tǒng)模型用于完成相關(guān)測(cè)試分析。

在配網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行、低壓儲(chǔ)能故障、中壓負(fù)荷功率波動(dòng)以及運(yùn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換四種情況下，隨機(jī)加入負(fù)荷功率，測(cè)試采用本文技術(shù)實(shí)行控制后，低中壓母線(xiàn)電壓變化結(jié)果，以此衡量本文技術(shù)的優(yōu)劣，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 并網(wǎng)運(yùn)行情況下測(cè)試結(jié)果

圖3 低壓直流母線(xiàn)功率波動(dòng)時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖4 中壓直流母線(xiàn)功率波動(dòng)時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖5 模態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖2～圖5的測(cè)試結(jié)果可知：在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為1.0s時(shí)，向中壓直流母線(xiàn)中分別加入負(fù)荷功率后，電壓發(fā)生驟降，低于9.5kV，本文技術(shù)對(duì)其實(shí)行控制后，其在1.1s時(shí)即完成控制后，中壓直流母線(xiàn)電壓恢復(fù)平穩(wěn)；在1.0s和1.5s時(shí)也向低壓直流母線(xiàn)中加入不同程度負(fù)荷功率，電壓也隨之發(fā)生變化，文本技術(shù)在電壓發(fā)生變化后對(duì)其實(shí)行控制后，電壓恢復(fù)平穩(wěn)。除此之外，分別在低壓和中壓直流母線(xiàn)功率波動(dòng)運(yùn)行情況下，采用相同方式在不同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，加入不同的負(fù)荷功率后，本文技術(shù)依舊可完成電壓控制，使其恢復(fù)平穩(wěn)；即使在模態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)，加入負(fù)荷功率，本文技術(shù)依舊可完成電壓恢復(fù)，并可保證模態(tài)轉(zhuǎn)換后的正常運(yùn)行。該結(jié)果均表明文本技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)中低壓直流配電系統(tǒng)的整體功率均衡，實(shí)現(xiàn)中低壓直流配電系統(tǒng)分散式統(tǒng)一控制。

為測(cè)試本文技術(shù)在實(shí)現(xiàn)中低壓直流配電系統(tǒng)分散式統(tǒng)一控制過(guò)程中對(duì)電壓諧振的抑制效果，在運(yùn)行時(shí)間為4.5s時(shí)，將負(fù)載擾動(dòng)加入配電系統(tǒng)中，由于篇幅原因，僅以低壓直流為例，產(chǎn)生諧振。測(cè)試有源阻尼補(bǔ)償和沒(méi)有補(bǔ)償情況下，母線(xiàn)電壓波動(dòng)變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6測(cè)試結(jié)果可知：負(fù)載擾動(dòng)發(fā)生后產(chǎn)生的激勵(lì)諧振，沒(méi)有采取有源阻尼補(bǔ)償則無(wú)法更好地抑制諧振的對(duì)電壓造成的波動(dòng)影響；采用有源阻尼補(bǔ)償可0.7s內(nèi)完成諧振的衰減和抑制，保證母線(xiàn)電壓波動(dòng)平穩(wěn)，使系統(tǒng)的阻尼顯著提升，直觀(guān)體現(xiàn)文本技術(shù)的有效性。

圖6 有源阻尼補(bǔ)償前后的結(jié)果

3 結(jié)論

本文研究學(xué)校建筑電氣中低壓直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，有效控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，本文所研究的技術(shù)，可在學(xué)校建筑電氣中低壓直流配電系統(tǒng)不同的運(yùn)行情況下，完成電壓有效控制，保障該配電系統(tǒng)的整體功率均衡水平，并可快速完成諧振的衰減和抑制。

由于時(shí)間和篇幅關(guān)系，針對(duì)本文技術(shù)在應(yīng)用測(cè)試方面存在一定不全面性，下一步的工作將對(duì)本文技術(shù)應(yīng)用的全面性展開(kāi)相關(guān)測(cè)試，例如配電網(wǎng)通信性能、保護(hù)性能等，完善技術(shù)全方面應(yīng)用測(cè)試結(jié)果。