直流配電實驗系統初探

葉李心，江道灼，尹瑞，張弛

(浙江大學電氣工程學院，杭州市310027)

0 引言

傳統的交流配電網面臨著供電走廊緊張，電能質量問題突出，分布式能源接入以及電能供應可靠性、經濟性等方面的巨大挑戰。研究資料表明，基于直流的配電網具有提高供電容量，減小線路損耗，改善用戶側電能質量，隔離交直流故障以及可再生能源靈活、便捷接入等一系列優點［1］。瑞典、日本、法國和美國等國家的通信公司已于20世紀90年代開始了300～400 V數據中心直流配電的研究。另外，軍艦、航空和自動化系統的直流區域配電的技術也已然成熟［2］。如今，在住宅直流供電方面，歐盟、日本和美國紛紛開展了相關方面的研究和示范工程。我國在直流配電的研究方面還處于起步階段。隨著政府對新能源開發的日益重視以及越來越多的直流家電技術得到推廣和應用，直流配電網將具有廣闊的發展空間。國內對直流配電網的技術研究正在有序地進行中，主要集中在柔性直流的配電網穩態分析、故障分析與保護、穩定運行控制、電能質量控制等方面。無論是仿真建模、保護與控制理論、關鍵設備研制以及工程應用的研究都離不開實驗檢測與驗證階段，由于國內尚無直流配電系統實驗系統，因此建立相關的直流配電系統實驗系統，從仿真模擬和動態模擬2個方面對直流配電的技術研究提供實驗條件顯得非常必要。本文主要介紹直流配電實驗系統的結構和功能，仿真模擬平臺、動態模擬平臺設計以及控制等，提出直流配電實驗系統的初步建設方案。

1 直流配電實驗系統的結構和功能

直流配電實驗系統由物理模擬(動態模擬)與數字模擬(仿真模擬)2個部分構成，可開展直流配電網拓撲結構、系統控制與保護等相關技術的建模仿真與實驗研究，以及變流器、直流斷路器等直流配網關鍵設備的功能性試驗研究，其結構框圖如圖1所示。

圖1 直流配電實驗系統的結構Fig.1 Structure of DC power distribution experimental system

該實驗系統可開展如下工作:(1)直流配電系統的仿真分析。例如大規模柔性直流配電網實時仿真分析;一次設備、控制系統性能測試;繼電器保護和重合閘裝置閉環測試等。(2)直流配電系統方面的研究。例如直流配電系統靜態、動態穩定，沖擊負荷對系統的影響，現場故障再現等實驗;交直流混合系統在正常和故障時的運行狀態;直流配電系統對交流系統的影響等。(3)研發裝置的試驗。例如直流配電微機型繼電保護、新型的自動化裝置等，在動態模型中用各種運行方式來考驗它的性能，進行研發試驗、驗證試驗以及入網試驗等。

2 直流配電系統仿真模擬平臺

2.1 直流配電系統純數字仿真平臺

直流電磁暫態計算程序PSCAD/EMTDC具有大規模的計算容量、完整而準確的元件模型庫、穩定高效的計算內核、友好的界面和良好的開放性等優點，是進行直流系統分析和工程研究的有力工具［3］。由于柔性直流配電系統屬于新研究領域，PSCAD提供的自定義元件模型對于建立直流配電元件模型非常方便，可對柔性直流配電系統中存在的各類型負荷、分布式能源、儲能系統以及各種換流器建立穩態和暫態仿真模型，并對其控制和保護策略進行仿真研究。因此直流配電系統的純數字仿真軟件采用PSCAD軟件。

2.2 直流配電系統實時仿真平臺

在現代電力系統的研究中，模擬仿真可以加速研究進程。而實時數字仿真不僅僅能夠在軟件仿真中驗證工作原理的正確性以及準確性，還可以進行與物理模型對接仿真，使整個開發過程從本質上更接近于實際，具有更高的置信度，并且大大縮短了開發周期，具有較高的經濟價值。國內外常見的電力實時仿真系統包括加拿大的RTDS、RT-LAB，法國電力公司的ARENE以及中國電力科學研究院的ADPSS等［4］。

從硬件結構、擴展費用、產品價格等方面對比分析，RT-LAB采用集群計算機，并行分布式計算，投資風險小。和基于DSP的RTDS相比，RT-LAB可擴展性強、結構靈活、軟件可繼承、模型較全、通用性好。相比較而言，RT-LAB比較適合作為直流配電實驗系統的實時仿真平臺。

RT-LAB可基于MATLAB/Simulink等圖形化建模工具建立相應的數學模型，在實時仿真平臺上運行，并可通過Windows窗口對目標機的整個運行過程進行實時監控，提供在線修改參數的功能［5］，從而方便地實現復雜仿真、快速控制原型仿真，以及硬件在回路仿真的工作。半實物仿真能夠解決真實環境和全數字仿真平臺技術引入的難以解決的問題，為直流配電系統各種控制器和保護裝置的研發提供了相對真實和易控的測試環境。

3 直流配電實驗系統動態模擬平臺

3.1 動模平臺的結構及參數設計

動態模擬平臺的框架結構設計考慮到以下方面。(1)動態模擬平臺應該包括電壓源型換流器、各種分布式能源發電模擬裝置、儲能裝置、直流配電線路模擬裝置、各類負荷模擬裝置、直流變壓器等直流配電系統典型元件的動態模擬。(2)拓撲結構應靈活可變。通過斷路器以及開關的開斷可以組成環狀、放射狀、兩端配電3種拓撲結構，研究直流配電系統不同拓撲結構的特性。(3)考慮到供電的可靠性問題，動態模擬平臺需要保留至少2個與交流系統的連接點，實現交直流系統互聯功能。其中一個用以模擬動態模擬平臺連接至無窮大系統的情況，另一個可以連接于交流380 V配電網，以方便研究交直流系統之間的相互影響。(4)動態模擬平臺可包含與實時數字仿真平臺的接口設備。

在確定動態模擬平臺的電壓、容量時，考慮到以下幾個方面。

(1)動態模擬平臺的電壓等級不宜過高太多，但需模擬柔性直流配電多電壓等級以及其中的直流變壓器的情況，因此電壓等級為2級較適宜。

(2)與380 V交流系統連接時，如果直流電壓選擇合適，則隔離變壓器不需要再對交流電壓進行變換，對電壓源型變流器，交流電壓與直流電壓存在如下關系:。式中:u為交流側相電壓峰值;abcUdc為直流電壓，M為調制比。如果調制比的范圍為0.6～0.8，則可知直流電壓的范圍應為776～1 034 V，因此動模系統高壓直流電壓可定為±500 V。

(3)選擇恰當的動態模擬平臺的直流配電網電壓等級，使盡可能多的電力負載直接接入直流配網以減少電壓變換環節。直流配網系統以及現存的直流微網系統中為了滿足不同負荷對電壓等級的要求，同時也為了滿足各種變換器對輸入電壓的要求，往往采用三線制的直流配電結構，常見的為±200 V三線制系統［6］?？照{、冰箱等大型家電內部使用的最高直流電壓為360 V，可以選擇±200 V作為低壓直流配電系統的電壓，即線電壓為400 V，通過Buck斬波器供電;LCD屏和LED燈等小型家電所需直流電壓為24～48 V，可由單級200 V電壓經Cuk電路取得。

(4)確定系統容量時可參考國內外現有動模實驗室的情況。

綜上所述，動態模擬實驗平臺的電壓等級定為±500 V和±200 V，系統容量定為30 kW。其結構框圖如圖2所示。

圖2 直流配電實驗系統動態模擬平臺結構圖Fig.2 Structure of dynamic simulation platform for DC power distribution experimental system

由于動態模擬系統是根據實際電力系統按一定比例縮小了的系統，直流配電網實驗系統的動態模擬也需按照實際直流配電系統按一定比例關系縮?。?］。但是現在尚無實際的直流配電網工程，因此按照擬建設的電壓等級為±7.5 kV，容量為15 MW的工程為原系統，動態模擬系統選用電壓等級±500 V，容量30 kW，則功率模擬比、電壓模擬比和電流模擬比分別為:mp=500，mv=15，mi=33.333，模擬系統的最大電流為30 A。

理論上，動態模擬平臺是柔性直流配電網示范工程的等比例微縮模型，動態模擬平臺內的設備的額定容量、額定電壓等均可以參照示范工程的情況，按照模擬比算出。然而，示范工程的實際情況目前尚未全部確定，所以目前只能按照各設備所占的比例，結合將來研究的方向，初步確定相關設備的容量。

風力發電、光伏發電是目前國內外發展迅速、技術成熟、前景廣闊的分布式發電方式，也是研究柔性直流配電網在適合分布式能源接入方面不可或缺的部分，因此有必要在動態模擬平臺中接入一定容量的“風光儲”模擬裝置。儲能裝置的容量應該盡可能大，但是接入系統的容量應當靈活可調，用以研究不同的儲能裝置容量對柔性直流配電網系統的影響。因此各設備的初步定容如表1所示。

表1 動模平臺分布式能源容量Tab.1 Capacity of distributed energy source in dynamic platform

3.2 模型建立

3.2.1 光伏發電模擬

光伏發電系統的模型結構如圖3所示。由于光伏發電輸出具有波動性和隨機性，因此需對光伏發電實施最大功率點追蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)［8］。光伏陣列模擬器是利用實際電源來模擬實際光伏陣列輸出特性，按實現方式的不同，主要分為模擬式與數字式2種［9］。該動模平臺采用單片機或DSP控制的開關電源來模擬光伏陣列輸出特性，如圖4所示。整流后輸入功率電路(BUCK降壓變壓器或半橋變換器)，控制電路通過采集回來的Vs，根據光伏電池工程用數學模型實時計算出參考電流Iref，與實測的電流Is做差后經過PI調節產生脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)波，控制驅動信號，從而實現對光伏輸出特性的跟蹤模擬［10］。該動模實驗平臺所需的光伏模擬設備的參數要求為:直流電壓為±500 V，功率為0～5 kW。由于橋式電路輸出功率等級較大，因此選擇半橋變換器作為主電路;另一方面，由于升壓型BOOST電路效率高，方便實現最大功率點追蹤控制。因此雙向DC/DC變流器采用BOOST電路。

圖3 光伏發電結構示意圖Fig.3 Structure of photovoltaic power generation

圖4 數字式光伏陣列模擬器原理圖Fig.4 Schematic diagram of digital solar array simulator

3.2.2 風力發電模擬

風力發電實驗室模擬系統包括風速模擬、風力機模擬和發電機模擬。實驗室風力發電模擬系統結構如圖5所示。風速數字模擬通過編程實現風速模型的建立，輸出符合風機特性的電動機轉矩指令，主要采用Matlab、PSCAD及LABView軟件平臺來實現。風力機模擬多采用電動機，通過控制電動機的轉矩特性去模擬實際風機的運行特性，主要有直流電動機、異步電動機與永磁同步電動機。發電機多采用異步發電機、雙饋異步發電機、無刷雙饋發電機、永磁同步發電機［11］。該動模平臺采用直流電動機模擬風力機，發電機采用永磁同步發電機，容量要求為10 kW。

圖5 風力發電模擬系統結構圖Fig.5 Structure of wind power simulation system

3.2.3 儲能裝置

現有常見的儲能技術主要包括蓄電池儲能、超級電容器儲能和超導磁儲能技術等。其中，蓄電池和超級電容器儲能容量大，投資小［12］，適宜于實驗系統儲能裝置的模擬，儲能系統原理框圖如圖6所示。超級電容和蓄電池的混合儲能可以充分利用超級電容和蓄電池的互補特性［13］，可作為實驗系統儲能裝置的研究方向。

圖6 儲能系統原理框圖Fig.6 Schematic diagram of energy storage system

3.2.4 模擬負載

該動態模擬實驗平臺采用幾種具有代表性的負載類型作為配電網的負荷，如圖2所示，主要包括線性負載、非線性負載以及旋轉電機等。傳統的模擬負載模型一般有異步電動機、燈箱串并聯電容器模型等［14］。但傳統模擬負載體積大、成本高、能量消耗大，無法精確模擬時變的系統負荷，該動模系統采用基于電力電子技術的可控負載作為模擬負載。它采用一系列全控電力電子器件和少量儲能元件(電容)組成的硬件電路來實現，電路結構為三相整流與三相逆變串聯后接入無窮大系統，如圖7所示。它通過實時算法來控制開關器件的開閉規律，在大范圍內控制放電電流，模擬各種阻值的電阻負載，甚至是阻感負載和阻容負載［15］。

圖7 可控負載電路結構圖Fig.7 Structure of controllable load circuit

3.2.5 直流變壓器

直流變壓器通過高頻斬波－變壓器隔離－高頻整流來實現一種直流電壓到與之成正比的另一種或多種直流電壓的變換。直流變壓器的基本結構如圖8所示，高頻逆變/整流電路可以是推挽、半橋、全橋、推挽正激、雙管正激、有源鉗位正激、不對稱半橋等電路拓撲［16］。

3.2.6 直流配電線路

圖8 直流變壓器基本結構Fig.8 General structure of DCT(direct current transformer)

用等值∏型鏈型元件以分段集中參數來模擬實際線路，根據直流電纜的參數和阻抗模擬比(mz=0.45)可以計算出配電等效∏型電路中的串聯阻抗和對地導納。

3.3 測量控制

監控系統可使用霍爾傳感器在各交、直流節點獲取交直流電壓，交直流電流等量測數據;在各交直流斷路器、隔離開關處設置遙信、遙控;在各故障點接入錄波器，獲取其波形，最終通過光纖將上述信號傳輸至上層管理系統，進行數據采集、存儲、監測等管理。其結構示意圖如圖9所示。

主站監控系統通過網絡式遠方終端設備主要完成對配電線路、變壓器、負荷、分布式能源等電力設備的監控控制、事故報警和記錄等功能。利用以上功能在監控臺上可以實現投切線路、投切負荷、監視或調整實驗系統的運行參數等功能，適應動模實驗及科研的需要。

圖9 動模平臺數字監控系統結構示意圖Fig.9 Structure of dynamic simulation digital monitoring system

3.4 裝置試驗

在該動態模擬平臺上可以開展直流配網相關智能設備(如直流斷路器、直流變壓器等)的控制特性、抗干擾等功能性試驗研究和測試檢驗，為柔性直流配電網內關鍵設備的研發提供試驗檢測基礎。在裝置研發前期，也可以用仿真模擬平臺模擬裝置的電氣特性和動作特性等，接入動態模擬實驗平臺中留有的接口對其控制特性及動作特性等電氣參數進行觀察試驗，并據此對裝置設計進行相應的調整和完善。

4 結語

該直流配電實驗系統由仿真模擬平臺和動態模擬平臺組成。仿真模擬平臺通過純數字仿真和實時仿真對直流配電系統進行建模仿真研究;動態模擬平臺包括了直流配電系統典型元件的模擬和控制。這個系統可對柔性直流配電系統的電壓穩定控制和故障保護進行理論及試驗研究，并可對柔性直流配電系統的關鍵設備進行功能性試驗研究，從而推動直流配電網的技術進步。

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