基于分布式電源的直流配電網(wǎng)建模與仿真

杜翼，朱克平，尹瑞，江道灼，王玉芬

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027;2.浙江省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州市310003)

0 引言

隨著城市用電負荷的增長，用戶電能質(zhì)量要求的提高，以及新能源并網(wǎng)的需求，電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，原有交流配電網(wǎng)絡(luò)難以適應(yīng)新的發(fā)展需求。

近年來，電力電子器件和變流拓撲技術(shù)的長足發(fā)展，交、直流電壓形式和電壓等級的相互轉(zhuǎn)換已成為現(xiàn)實并已逐步實現(xiàn)了在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。大容量絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等電力電子器件在高壓變頻、有源濾波和無功補償?shù)葢?yīng)用場合獲得了大量成功的商業(yè)應(yīng)用，接近于配網(wǎng)電壓等級的輕型直流輸電的研究和工程實踐為引入直流配電系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件［1-5］。

文獻［6-7］總結(jié)了直流配電網(wǎng)的主要優(yōu)缺點，研究了直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，探討了直流配電網(wǎng)的可行性。本文通過對直流配電網(wǎng)適用于分布式電源接入的特性進行研究，提出一種適用于直流配電網(wǎng)的環(huán)狀拓撲，接入光伏、燃料電池、小型風機等分布式電源，同時接入含有電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的電動汽車充放電站。利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對光伏、燃料電池、小型風機和電動汽車充放電站分別進行建模，同時對直流配電網(wǎng)整個拓撲進行建模仿真，以驗證本文提出的環(huán)狀直流配電網(wǎng)拓撲的可行性與有效性。

1 分布式電源接入直流配電網(wǎng)

隨著可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用，如何將光伏、風機、太陽能等可再生分布式電源有效并網(wǎng)已成為學(xué)術(shù)界研究的重點。對于大規(guī)模接入的分布式可再生能源，由于其地域分散和能量不連續(xù)，有功出力具有隨機性，如果不加控制往往會引起系統(tǒng)頻率偏移。同時，間歇性電源的接入不但會影響穩(wěn)態(tài)電壓分布，還會引起系統(tǒng)電壓波動，特別是大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)后，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓越限。由于多數(shù)可再生能源實質(zhì)上是提供直流電，各種儲能裝置大多也是直流電的形式，通過選擇合理電壓等級的直流母線，可實現(xiàn)光伏、風機、燃料電池等直流分布式電源的直接并入直流配電網(wǎng)，并可減小風電并網(wǎng)裝置的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性［8-9］。

1.1 光伏電池接入直流配電網(wǎng)

光伏電池發(fā)出的是電壓隨機波動的直流電，且光伏電池的出口電壓相對較低，若想并入交流電網(wǎng)中首先需要經(jīng)過DC/DC變壓器，再經(jīng)過DC/AC換流器，與此同時還需要增設(shè)濾波裝置，才能夠有效地并入電網(wǎng)，光伏電池并入交流配電網(wǎng)如圖1所示。

若是將光伏電池直接并入直流配電網(wǎng)中，則不需要DC/AC換流器和濾波裝置，能夠有效地節(jié)省設(shè)備投入，具有較大的經(jīng)濟意義，光伏電池并入直流配電網(wǎng)如圖2所示。

圖1 光伏接入交流配電網(wǎng)Fig.1 AC grid-connected model of PV

圖2 光伏接入直流配電網(wǎng)Fig.2 DC grid-connected model of PV

1.2 燃料電池接入直流配電網(wǎng)

燃料電池并網(wǎng)和光伏并網(wǎng)類似，由于燃料電池出口電壓較低，接入交流網(wǎng)絡(luò)同樣需要通過DC/DC變壓器、DC/AC換流器和濾波裝置，燃料電池并入交流配電網(wǎng)如圖3所示。

圖3 燃料電池接入交流配電網(wǎng)Fig.3 AC grid-connected model of fuel cell

與光伏電池類似，燃料電池并入直流配電網(wǎng)中，只需要DC/DC變換器，同樣節(jié)省了DC/AC換流器和濾波裝置的投入，燃料電池并入直流配電網(wǎng)如圖4所示。

圖4 燃料電池接入直流配電網(wǎng)Fig.4 DC grid-connected model of fuel cell

1.3 小型風機接入直流配電網(wǎng)

由于小型風機輸出的電壓和頻率都很不穩(wěn)定，若并入交流電網(wǎng)則需要AC/DC換流器和DC/AC換流器，再經(jīng)過濾波裝置，小型風機并入交流配電網(wǎng)如圖5所示。

圖5 風機接入交流配電網(wǎng)Fig.5 AC grid-connected model of wind power unit

若接入直流配電網(wǎng)，首先不需要考慮系統(tǒng)頻率問題，極大簡化了小型風機的制造成本，簡化了換流器架構(gòu)。其次，只需要通過AC/DC換流器便可接入直流配電網(wǎng)，節(jié)省了并網(wǎng)成本和無功補償設(shè)備的投資。最后，接入直流配電網(wǎng)也無須考慮風電場低電壓穿越等問題，增加了風能的利用率，小型風機并入直流配電網(wǎng)如圖6所示。

圖6 風機接入直流配電網(wǎng)Fig.6 DC grid-connected model of wind power unit

1.4 電動汽車充放電站接入直流配電網(wǎng)

隨著電動汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，未來將會有大規(guī)模的電動汽車并入電網(wǎng)［10-14］。像許多分布式電源一樣，電動汽車并入電網(wǎng)同樣需要DC/DC變壓器，再經(jīng)過DC/AC換流器，研究表明:經(jīng)電動汽車轉(zhuǎn)化后的電能含有大量的諧波，因此同樣需要增設(shè)濾波裝置，電動汽車充放電站并入交流配電網(wǎng)如圖7所示。

圖7 電動汽車接入交流配電網(wǎng)Fig.7 AC grid-connected model of vehicle charging and discharging station

由于電動汽車中的能量以直流的形式輸入與輸出，電動汽車接入直流配電網(wǎng)中，不但能夠減少DC/AC換流器和濾波裝置，同時能夠作為儲能設(shè)備，進一步節(jié)省了投資，電動汽車充放電站并入直流配電網(wǎng)如圖8所示。

圖8 電動汽車接入直流配電網(wǎng)Fig.8 DC grid-connected model of vehicle charging and discharging station

2 直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 常見的直流配電網(wǎng)拓撲

目前國內(nèi)外有關(guān)直流配電網(wǎng)及其工程化應(yīng)用的研究均處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。文獻［15］、文獻［16］提出了2種基于VSC換流器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。類似于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)常見的拓撲結(jié)構(gòu)為:兩端直流配電系統(tǒng)和環(huán)狀直流配電系統(tǒng)，分別如圖9、圖10所示。

圖9 兩端直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Two-terminal structure of DC distribution network

圖10 環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Ring structure of DC distribution network

與交流配電網(wǎng)類似，兩端直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，所以其供電可靠性相對環(huán)狀系統(tǒng)較低，但發(fā)生故障時，其識別及保護控制配合等相對容易;環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)由于有直流母線在其中，所以其供電可靠性相對較高，但故障識別及保護控制配合等也相對困難。在實際的直流配電網(wǎng)中，可以根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況包括可靠性等要求，選取不同的拓撲結(jié)構(gòu)。

2.2 基于分布式發(fā)電的環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由于直流配電網(wǎng)目前仍處于研究階段，直流配電網(wǎng)初期會涉及的用戶主要為對電能質(zhì)量要求相對較高的用戶:如芯片制造廠商等。因此，本文的直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是在環(huán)狀直流配電網(wǎng)拓撲的基礎(chǔ)上構(gòu)建而成。

文獻［6］和文獻［7］給出直流配電網(wǎng)電壓選取的一些方法，綜合考慮光伏發(fā)電、燃料電池、小型風機的發(fā)電能力和電動汽車充放電站的功率及其占地面積等原因，本文選取2個電壓等級:1kV和10kV。

本文構(gòu)建的直流配電網(wǎng)拓撲與3個交流系統(tǒng)端口相連接，交流系統(tǒng)通過含有VSC換流器的電動汽車充放電站與直流配電網(wǎng)相連接，可以通過控制電動汽車充放電站的充放電來控制交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)之間的功率流動;家用負荷、光伏電池的功率流動較小，一般為幾百W，因此并入1kV網(wǎng)絡(luò);小型風電場、電動汽車充放電站和工業(yè)負荷由于功率流動較大，因此可以并入10kV網(wǎng)絡(luò)。綜上所述，本文提出的雙層環(huán)狀直流配電網(wǎng)的拓撲如圖11所示。

圖11 雙層環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.11 Double-ring structure of DC distribution network

3 建模仿真

3.1 仿真模型建立

分別對分布式電源中的光伏電池、燃料電池和小型風機進行建模［17-19］，根據(jù)2.2節(jié)提出的直流配電網(wǎng)的拓撲，整個雙層環(huán)狀直流配電網(wǎng)仿真拓撲如圖12所示。

1kV的直流配電網(wǎng)通過直流變壓器與10kV的直流配電網(wǎng)相連接;交流配電網(wǎng)電壓等級均為10kV，3個10kV的交流配電系統(tǒng)通過3個含有VSC換流器的電動汽車充放電站與10kV的直流配電網(wǎng)相連接;交流配電網(wǎng)1與交流配電網(wǎng)2通過雙回路的架空線連接。

圖12 仿真模型Fig.12 Simulation model

其中電動汽車充放電站3作為整個直流配電網(wǎng)的穩(wěn)壓節(jié)點，采用定電壓控制策略，用于控制整個直流配電網(wǎng)的電壓，類似交流網(wǎng)絡(luò)中的Vθ節(jié)點。直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的有功功率通過電動汽車充放電站1和電動汽車充放電站2進行交換。仿真模型中各個模塊的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation model

在1kV的直流配電網(wǎng)中，將分散在城區(qū)各處的光伏發(fā)電等效為一個光伏發(fā)電并網(wǎng)模型，一共20組光伏電池，最大功率為200 kW;設(shè)家用直流負荷最大容量為150 kW，仿真模型中也用一個家用直流負荷等效。

在10kV的直流配電網(wǎng)中，設(shè)有15臺功率在400 kW的小型電場，在模型中用一個小型風電場等效;有燃料電池35組，每組功率為100 kW，在模型中也等效為一個接入點;工業(yè)直流負荷650 kW，采用一個并網(wǎng)的工業(yè)直流負荷等效。

3.2 正常工況仿真分析

整個系統(tǒng)的仿真模型如圖12所示，系統(tǒng)各模型參數(shù)如表1所示，利用PSCAD/EMTDC對系統(tǒng)進行仿真，仿真時間為15 s，選取系統(tǒng)穩(wěn)定后3～15 s作為研究對象，仿真步長為100 μs，設(shè)置仿真期間光照強度、環(huán)境溫度和風速的變化如圖13所示。

圖13 環(huán)境因素的變化Fig.13 Changes of environmental factors

直流配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電輸出功率、燃料電池輸出功率和小型風機輸出功率如圖14所示。

圖14 分布式發(fā)電的輸出功率Fig.14 Output power of distributed generation

設(shè)置家用直流負荷需求150 kW，工業(yè)直流負荷需求625 kW，電動汽車充放電站1的起始功率為2 500 kW，并根據(jù)直流配電網(wǎng)中的分布式發(fā)電情況改變，電動汽車充放電站2和電動汽車充放電站3的功率分別為3 250 kW和1 000 kW。整個直流配電網(wǎng)電氣量的變化如圖15所示。

圖15 直流配電網(wǎng)中電氣量的變化Fig.15 Changes of electrical volume in DC distribution network

由仿真圖形可知:隨著環(huán)境因素的改變，光伏和風機的發(fā)電量都有較大的變化。但是在此過程中，整個直流配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在10kV和1kV，電壓波動小于2%。民用負荷、工業(yè)負荷和3個電動汽車充放電站所用功率設(shè)定值都相同(電動汽車充放電站1功率在8.5 s上升的原因在3.4節(jié)做出了說明)，波動小于2%，不受環(huán)境變化的影響。

3.3 交流配電網(wǎng)運行仿真分析

隨著外界環(huán)境變化，各種分布式電源發(fā)電的改變，直流配電網(wǎng)系統(tǒng)通過電動汽車充放電站與交流配電網(wǎng)進行能量交換。為了驗證直流配電網(wǎng)能對交流系統(tǒng)進行無功補償，設(shè)置在9 s和11 s，交流配電網(wǎng)1和交流配電網(wǎng)3需要無功500 kvar和300 kvar。電動汽車充放電站輸出的無功功率如圖16所示。

圖16 電動汽車充放電站的無功變化Fig.16 Reactive changes of electric vehicle charging and discharging station

根據(jù)圖16可得:在9 s時，直流配電網(wǎng)通過電動汽車充放電站1向交流配電網(wǎng)1提供無功功率500 kvar;在11 s時，直流配電網(wǎng)通過電動汽車充放電站3向交流配電網(wǎng)3提供無功功率300 kvar。

3.4 直流配電網(wǎng)運行狀態(tài)仿真分析

隨著外界環(huán)境的不斷變化，分布式電源發(fā)電總量在不斷變化。分布式電源的發(fā)電總量和直流配電網(wǎng)直流負荷需求總量如圖17所示。

圖17 直流配電網(wǎng)的供需情況Fig.17 Supply and demand of DC distribution network

本文構(gòu)建的直流配電網(wǎng)仿真模型在3～5 s時，分布式電源的發(fā)電量和直流負荷的需求量相等，此時直流配電網(wǎng)和交流系統(tǒng)沒有能量交換，相當于直流配電網(wǎng)獨立運行。在5～7.5 s時，分布式電源的發(fā)電量不足，直流負荷需求大于分布式電源的發(fā)電量，電動汽車充放電站1和電動汽車充放電站2中的VSC工作在整流狀態(tài)，直流配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，由交流配電網(wǎng)向直流配電網(wǎng)提供不足的能量。在7.5～15 s時，隨著分布式電源的發(fā)電量逐步增加，分布式電源的發(fā)電量已經(jīng)能夠滿足直流負荷的需求。在8.5 s時電動汽車充放電站1和電動汽車充放電站2投入新的蓄電池，分布式電源發(fā)電所產(chǎn)生多余的電量給電動汽車充放電站中新投入的蓄電池充放電，等同于增加直流負荷。當電動汽車充放電站1和電動汽車充放電站2達到最大的充放電功率時，直流配電網(wǎng)通過電動汽車充放電站1和電動汽車充放電站2中的VSC向交流配電網(wǎng)反饋多余的電能，VSC工作在逆變狀態(tài)。直流配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，由直流配電網(wǎng)向交流配電網(wǎng)提供富余的電能。具體運行情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)運行狀態(tài)Tab.2 Running state of system

4 結(jié)論

(1)本文論述了相對于接入交流電網(wǎng)，光伏電池、燃料電池、小型風電場等分布式電源和電動汽車充放電站并入了直流配電網(wǎng)具有很大的經(jīng)濟意義，同時能夠提高電能質(zhì)量。

(2)本文通過比較不同直流配電網(wǎng)拓撲的特點，提出了一種基于分布式電源和接入電動汽車充放電站的直流配電網(wǎng)的拓撲，能夠最大化利用分布式電源發(fā)電，同時節(jié)約儲能設(shè)備的投資。

(3)利用PSCAD/EMTDC對模型進行仿真，論述了在正常工況下直流配電網(wǎng)各級電壓和各個直流負荷都在設(shè)定的功率下運行，不會隨著分布式發(fā)電量的不同而有很大的波動。

(4)含有電動汽車充放電站的直流配電網(wǎng)能夠調(diào)節(jié)交流系統(tǒng)的潮流，并且根據(jù)分布式電源發(fā)電與負荷需求的情況與交流系統(tǒng)進行能量的傳遞。

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