齊可延，鄒曉松，胡 晟，成 峰，陳 磊，袁旭峰，熊 煒

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

含光伏的環(huán)狀直流配電網(wǎng)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(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

構(gòu)建合理的直流配電網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展直流配電的首要任務(wù)，并隨著電力電子技術(shù)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(shù)，提出了一種含光伏的環(huán)狀直流配電網(wǎng)，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(jié)果表明，提出的配電網(wǎng)模型及解決諧波的方法是可行的。

直流配電網(wǎng)；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(wǎng)作為分配傳輸電能的主要通道，又是直接面向用戶，和人們?nèi)粘５纳罹o密相關(guān)，尤其對于復(fù)雜的配電網(wǎng)，如何保證高的電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)安全可靠性及運(yùn)行效率等問題，都應(yīng)進(jìn)行合理的研究分析。近年來，隨著電力電子技術(shù)、分布式電源和直流(或可控)負(fù)荷的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)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(wǎng)具有很好的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)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(zhì)量等方面都比傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)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(wǎng)的發(fā)展提供了方向[1-4]，引起了人們的廣泛關(guān)注。

特別是柔性直流輸電技術(shù)的成熟，使柔性直流配網(wǎng)的發(fā)展成為了可能。但目前對直流配電網(wǎng)的研究主要集中在直流微電網(wǎng)的研究層面，對于配網(wǎng)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(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中環(huán)狀直流配電網(wǎng)可靠性高，但控制復(fù)雜。當(dāng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，如果線路發(fā)生短路故障，在缺乏實(shí)用的直流斷路器的情況下，只能將全部線路停運(yùn)，極大地降低了系統(tǒng)的可靠性[6]。

目前直流電已應(yīng)用于通信[7，8]、艦船[9]、油井[10]、鐵路[11]等領(lǐng)域。但沒有環(huán)狀、兩端和輻射狀這三種直流配電網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)例，國內(nèi)多處于仿真實(shí)驗(yàn)研究階段，如利用PSCAD/EMTDC搭建直流配網(wǎng)仿真模型[6]和利用RT-LAB搭建的四端柔性直流配電網(wǎng)[12]，均未明確指出是單極供電還是雙極供電，也未考慮當(dāng)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(wǎng)，采用單極和雙極同時(shí)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(wǎng)的線路進(jìn)行合理的分段運(yùn)行，仿真結(jié)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(wǎng)是可行的。

1 多端環(huán)狀直流配電網(wǎng)

本文以單個(gè)交流電源的環(huán)狀直流配電網(wǎng)為研究對象，該配電網(wǎng)是具有多個(gè)電壓等級，可以柔性接入交直流負(fù)荷和分布式電源的網(wǎng)絡(luò)。直流配電網(wǎng)的構(gòu)成如圖1所示。

從圖1可知，該配電網(wǎng)是含分布式電源的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，包含DC 750 V和DC 375 V直接供電電壓或經(jīng)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(wǎng)絡(luò)通過兩電平的電壓源換流器(voltage source convert，VSC)與直流線路并聯(lián)，光伏電池(photovoltaic cell，PV)通過升壓Boost電路并入配電網(wǎng)，DC和AC負(fù)荷可以通過變換器進(jìn)行電能傳輸，而DC負(fù)荷還可以直接有直流線路進(jìn)行電能分配。

圖1 多端環(huán)狀直流配電網(wǎng)

該配電網(wǎng)示意圖中有8個(gè)斷路器共分成了8個(gè)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(fù)荷示意圖，其他配電區(qū)域未給出。如果某個(gè)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(yùn)行，不影響其他區(qū)域的正常用電，提高了配電網(wǎng)供電的靈活性。

2 兩電平VSC基本結(jié)構(gòu)及控制策略

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

圖2 基于SPWM調(diào)制的兩電平VSC結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)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(diào)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(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的受端VSC采用定交流電壓控制[14]。

3 光伏電池模型及負(fù)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(diǎn)，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(wǎng)，大大提高了光伏發(fā)電的利用效率，由文獻(xiàn)[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(qiáng)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(gè)PV的輸出電壓；I是單個(gè)PV的輸出電流；Rs是電池的等效串聯(lián)電阻；Rsh是電池的等效并聯(lián)電阻；α是為P-N結(jié)理想因子，常取值1～1.5；k是波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；T是電池溫度。

3.2 負(fù)荷模型

直流配電網(wǎng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)較多，為了方便驗(yàn)證所提出的配電網(wǎng)的可行性，本文的直流負(fù)荷被簡化為4個(gè)8 Ω電阻和3個(gè)1 kW、1個(gè)10 kW、1個(gè)20 kW定功率表示，通過DC/DC變換器或直接通過直流線路進(jìn)行電能分配。無源網(wǎng)絡(luò)等效為交流負(fù)荷模型，用10 kW定功率表示，通過VSC進(jìn)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(fù)荷，觀察對系統(tǒng)的影響。

4 仿真算例的分析

為驗(yàn)證含PV的環(huán)狀直流配電網(wǎng)的可行性，本文通過MATLAB/Simulink搭建多端的環(huán)狀直流配網(wǎng)仿真模型，其中交流電壓源為380 V/30 MVA，送端VSC(整流)交流側(cè)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(cè)交流母線BA1和逆變側(cè)交流母線BA2的電壓大小為311 V。為保證仿真的準(zhǔn)確性，仿真步長為5 μs，仿真總時(shí)長為1.25 s。

如圖4所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)S1和S2是斷開的，其中K3和S1、K14和S2不能同時(shí)閉合。

仿真分析：系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)S1和S2、斷路器K13均斷開。無源網(wǎng)絡(luò)在0.12 s時(shí)投切，在0.29 s后系統(tǒng)達(dá)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(shí)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(wǎng)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(shí)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(diǎn)遠(yuǎn)，又經(jīng)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(fù)荷離電源越遠(yuǎn)，電流電壓發(fā)生畸變的情況可能會加大，所以應(yīng)合理接入濾波裝置。

BD7和BD8負(fù)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(shí)的電壓電流諧波畸變率。由于負(fù)極供電和正極供電的負(fù)荷類同，其電壓大小及畸變率幾乎相等，但要注意，每極的負(fù)荷應(yīng)該均衡，避免有一極過負(fù)荷運(yùn)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(dá)到穩(wěn)定后，BA1的電流為51.14 A，在0.8 s突然閉合開關(guān)K13，接入20 kW的負(fù)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(wǎng)絡(luò)，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(guān)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(chǎn)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(wǎng)電壓分析(圖9)：

圖9 PV電壓波形

PV經(jīng)Boost升壓電路接入直流配網(wǎng)，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(fù)荷前后，PV輸出電壓穩(wěn)定。

5 結(jié)論

配網(wǎng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并隨著直流及敏感性負(fù)荷越來越多的接入，對電能質(zhì)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(jìn)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(wǎng)，重點(diǎn)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(wǎng)分成多個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域，從而提高系統(tǒng)配電的靈活性。仿真結(jié)果表明，所提出的直流配電網(wǎng)模型和方法是可行的。本文基于這次得到的性能數(shù)據(jù)，將進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，為今后多端直流配網(wǎng)的研究提供參考。

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(責(zé)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(xué)基金項(xiàng)目(51667007)；2016年貴州大學(xué)校立研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(研理工2016061)

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

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

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