含分布式电源的中压柔性直流配电网研究

由于大量分布式电源的接入，现代电网面临着巨大的挑战。无论对于分布式电源的并网，还是对于直流用电设备的接入，采用传统的交流配电方式都必须经过多级变流环节，因此增加了系统的复杂程度和制造成本，提高了设备损耗。国内外学者研究表明，与交流配电相比，直流配电具有输送容量大、电能质量高等优势[1-2]。除此之外，基于直流的配电技术可以大量减少换流器的使用，降低运行成本、解决分布式电源与大电网之间的协调问题，减少"弃光"、"弃风"等现象[3-4]。

随着电网中的非线性负荷以及敏感负荷日益增多，加上越来越多的分布式电源通过电力电子设备接入其中，对于交流配电网的一些固有问题如线损大、供电走廊大，以及电压谐波含量高等电能质量问题，改变现有配电网的结构以及供电方式势在必行。

柔性直流配电网可通过优化控制，将间歇性分布式电源合理接入到交流系统中，减少了传统配网运行方式的频繁改变，从而提升了系统的可控性和可靠性。近几年，一些国家的高校或研究机构逐渐开展了柔性直流配电技术的相关研究并提出了可行的拓扑结构和发展思路[5-7]。但研究重点主要集中在以直流微网为核心的低压直流配电方面，这些技术主要以现有的舰船直流系统为基础，而对于城市中高压直流配电系统的研究较少[8-9]。

目前，国内对直流配电网的研究尚处于初级阶段，还有待进一步研究[10-13]。两端直流配电网相较于放射状网络的供电可靠性更高，而相较于环状网络，两端直流配电网的故障识别和保护配置也相对容易，因此，该文从两端直流配电网入手，提出典型城市中压直流配电网拓扑，结构如图1所示。其中VSC(voltage source converter)为电压源换流器，MVDC(medium-voltage direct current)为中压直流。此外，该文建立了AC/DC变流器VSC的功率和电压控制模型以及双有源H桥DC/DC变换器DAB(Dual Active Bridge)的控制模型，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，针对光伏、储能、负荷分别波动的情况，基于两端直流配电网系统平台进行了仿真分析，以验证该文提出的含分布式电源的直流配电网控制策略的可行性与有效性。

图1 典型城市中压直流配电网拓扑

Figure 1 Topology of MVDC distribution network in typical cities

1 变流器模型与控制

1.1 并网变流器

AC/DC变流器可以作为直流配电网的并网接口，也可以作为交流电源并入直流配电网的接口装置。典型的AC/DC并网变流器拓扑如图2所示，由IGBT、电容C、滤波电感L等元件构成。

图2中，usa，usb，usc为三相交流电压；ia，ib，ic为AC/DC变流器的三相电流；uoa，uob，uoc为AC/DC变流器的三相电压；Udc为变流器直流侧电压；Ps为并网变流器的有功功率，Qs为无功功率；R和L分别为滤波器的等效电阻和等效电感。

图2 并网变流器拓扑

Figure 2 Topology of AC/DC converter

AC/DC变流器一般采用双闭环控制，外环控制器可以实现不同的控制策略，内环控制用以精细调节达到控制目标。由于usq=0，可得

(1)

双闭环控制的VSC定功率控制器如图3所示。计算测量得到的有功功率Ps和无功功率Qs，分别与对应参考值Pref、Qref相比较，输出经PI控制器产生d-q旋转坐标系下的电流参考值idref和iqref。

除了功率控制，还需要一个采用定直流电压控制方式的VSC用来平衡系统有功功率和保持直流侧电压稳定，如图4所示。

图3 功率控制

Figure 3 Control block diagram of power

图4 直流电压控制

Figure 4 Control block diagram of DC voltage

1.2 直流电源接口变流器

DC/DC变流器可以连接直流负载或光伏电池、储能电池等分布式电源。隔离型DC/DC变流器可实现宽范围调压与较大容量的输出，适合应用在较高电压等级的直流配电网系统中。该文采用如图5所示的基于DAB结构的DC/DC变流器拓扑。

从图5可以看出双有源H桥变流器由2个H桥外加1个高频变压器(应当漏感值比较大)以及两侧的直流电容C组成。由于两侧均采用全控型器件(IGBT)，因此可以使能量双向流动。

图5 双有源H桥变流器拓扑结构

Figure 5 Topology of DAB converter

1.2.1 DC/DC变流器数学模型

在理想情况下，DC/DC变流器的平均输出电流简化模型为

(2)

从而可以求得输入输出的关系为

(3)

根据二次函数特性极点特性，可以知道，当d=0.5时输出电压达到最大值。经过同样分析可以得出：

(4)

根据式(2)、(4)可以得出系统的平均信号模型如图6所示。

图6 双有源H桥变流器平均电路模型

Figure 6 Average model of DAB converter

1.2.2 DC/DC变流器控制

理想情况下，忽略功率开关器件的损耗以及电阻上的损耗，则其输出功率为

(5)

在附近进行线性化处理后，可以得到

(6)

其中

(7)

(8)

对应于控制器为一阶系统，其中TP=-1/A，G=-B/A，通常φZ(n)≈π/2，即cos[φZ(n)] ≈0，根据无穷级数特性可知A趋近于-1/CRL，B与φo有关系，且当φo比较小时，B会比较大，在这里考虑20次谐波以内特性。系统的控制如图7所示。

图7 DAB变流器控制示意

Figure 7 Control block diagram of DAB

2 分布式电源接入直流配电网

相较于并入交流电网，直接将光伏电池、储能电池等分布式电源并入直流配电网可以更有效减少换流站等设备的投入，有效节约建设成本。

2.1 光伏电池接入直流配电网

光伏发电固有问题是光伏电池受温度和光照辐射强度的影响大，容易导致光伏电池的输出特性发生较大变化。因此，必须采用最大功率点跟踪(MPPT)控制策略。

该文建立的光伏发电等效电路模型如图8所示。图中，IPH为给定光强下的短路电流；Io为二极管饱和电流；RS和RSH为等效电阻；I为电池组件输出电流；U为电池组件终端电压。光伏电池在不同光照强度下的输出特性如图9所示。

光伏电池并入直流配电网如图10所示，只需要DC/DC变流器就可接入直流配电网，从而减少了换流变压器的投入，有效提高了光伏发电的效率。

2.2 储能装置接入直流配电网

大规模储能可以对光伏或风力发电产生的波动起到平抑的作用，也可以有效消纳可再生能源发出的电能，从而提高其并网效率。

该文采用的储能模型为储能蓄电池与双向DC/DC变换器相连接，然后接入直流系统，如图11所示。将输出电压与电压参考值比较得到的差值经过第1个PI调节器得到电流的参考值，电流参考值与实测得到的电流比较得到的差值经过第2个PI调节器得到PWM调制信号，然后与载波比较生成开关S1和S2的触发脉冲。

图8 光伏发电的等效电路

Figure 8 Equivalent circuit of photovoltaic generation

图9 光伏电池输出特性曲线

Figure 9 Output characteristic curves of photovoltaic cells

图10 光伏接入直流配电网简化示意

Figure 10 Photovoltaic power generation access to DC distribution network

图11 储能接入直流配电网模型

Figure 11 Model of energy storage access to DC distribution network

3 系统仿真与分析

该文基于两端直流配电网拓扑构建的仿真模型如图12所示。图中，直流配电网电压等级为10 kV；低压负荷的电压等级为0.4 kV；VSC交流侧电压为6.6 kV；VSC1、VSC2分别采用功率和定电压控制；DC/DC为双向变流器，其中低压负荷采用图5所示的DAB连接至直流配电网，储能系统和光伏电池通过图10所示的双向DC/DC连接至直流配电网。

图12 柔性直流配电网仿真系统

Figure 12 Simulation system of flexible DC distribution network

3.1 系统稳态仿真分析

设置光伏输出功率为1.5 MW，储能系统输出功率为2 MW，这个直流配电网的稳态特性如图13所示。仿真结果表明，在光伏电池和储能系统同时向直流配电网输入功率时，整个系统能够保证稳定运行。

3.2 系统静态稳定性仿真分析

1)光伏输出的扰动。

为了测试分布式电源输入功率以及负载变化对直流配电网的影响，考虑不同动态情况下直流配电网的动态响应特性，首先以光伏为例，设置光伏电池的输出功率在t=4 s时从1.5 MW阶跃下降至0.35 MW；在t=6 s时，光伏电池的输出功率从0.35 MW阶跃至2.3 MW。

10 kV直流线路测量电压和光伏输出功率变化如图14所示，光伏输出功率下降时，直流线路电压基本保持在额定值；光伏输出功率突增时，直流线路的电压有一个短时间的小幅上升，波动为0.23%，并且在波动发生后0.3 s内直流电路电压恢复成额定值。说明此系统在光伏输出功率大幅波动的情况下，能够保证直流电压的稳定，满足负荷用电需求的同时保证了较高的电能质量。

图13 直流配电网稳态特性

Figure 13 Steady state characteristics of DC distribution network

图14 光伏输出波动对直流电压的影响

Figure 14 Influence of photovoltaic output fluctuation on DC voltage

2)储能系统的充放电扰动。

储能系统在直流配电网中扮演削峰填谷的作用，有充电和放电2种状态。设置储能为放电状态，对直流配电网输入功率2 MW；在t=5 s时，设置储能系统进入充电状态，充电功率为1 MW。

10 kV直流线路测量电压和储能系统功率变化如图15所示，储能系统输出功率由2 MW变化为-1 MW时，直流线路电压出现小幅下降，波动为3.3%，并且在波动发生后0.2 s内直流线路电压恢复至额定值。说明此系统在储能系统从放电状态进入至充电状态情况下，能够保证直流电压的稳定，满足负荷用电的同时能够给储能系统有效充电，保证了直流配电网的灵活性。

图15 储能系统输出波动对直流电压的影响

Figure 15 Influence of output fluctuation on DC voltage of energy storage system

3)低压负荷的扰动。

低压负荷通过双向DC/DC变流器连接至中压直流配电网。设置低压负荷功率在t=5 s时，功率从30 kW增加至60 kW。

10 kV直流线路测量电压和低压负荷功率变化如图16所示，在低压负荷增加时，直流电压出现小幅下降，波动为1.9%，并且在波动发生后0.1 s时恢复至额定值。说明此系统在低压负荷增加时，能够保证直流电压的稳定，双向DC/DC变流器也有较好的调节能力和响应速度，保证了低压负荷的可靠供电。

仿真结果证明：当中压直流配电网中分布式电源输入功率发生变化，或者低压负荷发生变化时，该文提出的直流配电网的控制策略，能够快速地调节直流线路电压，使整个直流配电网更加有效稳定的运行。

图16 低压负荷波动对直流电压的影响

Figure 16 Influence of low voltage load fluctuation on DC voltage

4 结语

1)相较于交流电网，直流配电网在光伏、储能等分布式电源接入时具有多种优势，在充分利用分布式电源的同时具有良好的经济效益，提高了电能质量。

2)建立了AC/DC和双向DC/DC变流器的控制模型。建立了光伏电池的等效模型，设计了光伏和储能电池接入直流配电网的接口结构。相较于交流配电网，接入直流配电网可以减少变流设备的投入。

3)基于PSCAD/EMTDC平台在光伏、储能电池功率变化、负荷功率波动时对两端直流配电网模型进行仿真分析，结果表明在正常情况下直流配电网能够稳定运行。在分布式电源输出功率发生波动以及低压负荷发生波动时，所采用的控制策略能够维持直流线路电压的稳定，整个直流配电系统能够稳定运行。