基于分布式電源的直流配電網建模與仿真

杜翼，朱克平，尹瑞，江道灼，王玉芬

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027;2.浙江省電力公司經濟技術研究院，杭州市310003)

0 引言

隨著城市用電負荷的增長，用戶電能質量要求的提高，以及新能源并網的需求，電動汽車產業的發展，原有交流配電網絡難以適應新的發展需求。

近年來，電力電子器件和變流拓撲技術的長足發展，交、直流電壓形式和電壓等級的相互轉換已成為現實并已逐步實現了在電力系統中的推廣應用。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等應用場合獲得了大量成功的商業應用，接近于配網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創造了有利條件［1-5］。

文獻［6-7］總結了直流配電網的主要優缺點，研究了直流配電網的關鍵技術，探討了直流配電網的可行性。本文通過對直流配電網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的環狀拓撲，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，同時對直流配電網整個拓撲進行建模仿真，以驗證本文提出的環狀直流配電網拓撲的可行性與有效性。

1 分布式電源接入直流配電網

隨著可再生能源的大規模開發利用，如何將光伏、風機、太陽能等可再生分布式電源有效并網已成為學術界研究的重點。對于大規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，有功出力具有隨機性，如果不加控制往往會引起系統頻率偏移。同時，間歇性電源的接入不但會影響穩態電壓分布，還會引起系統電壓波動，特別是大規模可再生能源并網后，可能導致系統電壓越限。由于多數可再生能源實質上是提供直流電，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，并可減小風電并網裝置的復雜性，提高系統可靠性［8-9］。

1.1 光伏電池接入直流配電網

光伏電池發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，若想并入交流電網中首先需要經過DC/DC變壓器，再經過DC/AC換流器，與此同時還需要增設濾波裝置，才能夠有效地并入電網，光伏電池并入交流配電網如圖1所示。

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

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

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

1.2 燃料電池接入直流配電網

燃料電池并網和光伏并網類似，由于燃料電池出口電壓較低，接入交流網絡同樣需要通過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如圖3所示。

圖3 燃料電池接入交流配電網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中，只需要DC/DC變換器，同樣節省了DC/AC換流器和濾波裝置的投入，燃料電池并入直流配電網如圖4所示。

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

1.3 小型風機接入直流配電網

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

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

若接入直流配電網，首先不需要考慮系統頻率問題，極大簡化了小型風機的制造成本，簡化了換流器架構。其次，只需要通過AC/DC換流器便可接入直流配電網，節省了并網成本和無功補償設備的投資。最后，接入直流配電網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如圖6所示。

圖6 風機接入直流配電網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

隨著電動汽車技術的迅速發展，未來將會有大規模的電動汽車并入電網［10-14］。像許多分布式電源一樣，電動汽車并入電網同樣需要DC/DC變壓器，再經過DC/AC換流器，研究表明:經電動汽車轉化后的電能含有大量的諧波，因此同樣需要增設濾波裝置，電動汽車充放電站并入交流配電網如圖7所示。

圖7 電動汽車接入交流配電網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備，進一步節省了投資，電動汽車充放電站并入直流配電網如圖8所示。

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

2 直流配電網拓撲結構

2.1 常見的直流配電網拓撲

目前國內外有關直流配電網及其工程化應用的研究均處于起步階段，尚未形成系統的直流配電網結構。文獻［15］、文獻［16］提出了2種基于VSC換流器的直流配電網結構。類似于交流配電網，直流配電網常見的拓撲結構為:兩端直流配電系統和環狀直流配電系統，分別如圖9、圖10所示。

圖9 兩端直流配電網結構Fig.9 Two-terminal structure of DC distribution network

圖10 環狀直流配電網結構Fig.10 Ring structure of DC distribution network

與交流配電網類似，兩端直流配電系統結構相對簡單，成本較低，所以其供電可靠性相對環狀系統較低，但發生故障時，其識別及保護控制配合等相對容易;環狀網絡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中，可以根據當地的實際情況包括可靠性等要求，選取不同的拓撲結構。

2.2 基于分布式發電的環狀直流配電網結構

由于直流配電網目前仍處于研究階段，直流配電網初期會涉及的用戶主要為對電能質量要求相對較高的用戶:如芯片制造廠商等。因此，本文的直流配電網拓撲結構是在環狀直流配電網拓撲的基礎上構建而成。

文獻［6］和文獻［7］給出直流配電網電壓選取的一些方法，綜合考慮光伏發電、燃料電池、小型風機的發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。

本文構建的直流配電網拓撲與3個交流系統端口相連接，交流系統通過含有VSC換流器的電動汽車充放電站與直流配電網相連接，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與直流系統之間的功率流動;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網絡;小型風電場、電動汽車充放電站和工業負荷由于功率流動較大，因此可以并入10kV網絡。綜上所述，本文提出的雙層環狀直流配電網的拓撲如圖11所示。

圖11 雙層環狀直流配電網結構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2.2節提出的直流配電網的拓撲，整個雙層環狀直流配電網仿真拓撲如圖12所示。

1kV的直流配電網通過直流變壓器與10kV的直流配電網相連接;交流配電網電壓等級均為10kV，3個10kV的交流配電系統通過3個含有VSC換流器的電動汽車充放電站與10kV的直流配電網相連接;交流配電網1與交流配電網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的穩壓節點，采用定電壓控制策略，用于控制整個直流配電網的電壓，類似交流網絡中的Vθ節點。直流配電網與交流配電網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，如表1所示。

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

在1kV的直流配電網中，將分散在城區各處的光伏發電等效為一個光伏發電并網模型，一共20組光伏電池，最大功率為200 kW;設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的直流配電網中，設有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;工業直流負荷650 kW，采用一個并網的工業直流負荷等效。

3.2 正常工況仿真分析

整個系統的仿真模型如圖12所示，系統各模型參數如表1所示，利用PSCAD/EMTDC對系統進行仿真，仿真時間為15 s，選取系統穩定后3～15 s作為研究對象，仿真步長為100 μs，設置仿真期間光照強度、環境溫度和風速的變化如圖13所示。

圖13 環境因素的變化Fig.13 Changes of environmental factors

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

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

設置家用直流負荷需求150 kW，工業直流負荷需求625 kW，電動汽車充放電站1的起始功率為2 500 kW，并根據直流配電網中的分布式發電情況改變，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。整個直流配電網電氣量的變化如圖15所示。

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

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

3.3 交流配電網運行仿真分析

隨著外界環境變化，各種分布式電源發電的改變，直流配電網系統通過電動汽車充放電站與交流配電網進行能量交換。為了驗證直流配電網能對交流系統進行無功補償，設置在9 s和11 s，交流配電網1和交流配電網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

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

3.4 直流配電網運行狀態仿真分析

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

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

本文構建的直流配電網仿真模型在3～5 s時，分布式電源的發電量和直流負荷的需求量相等，此時直流配電網和交流系統沒有能量交換，相當于直流配電網獨立運行。在5～7.5 s時，分布式電源的發電量不足，直流負荷需求大于分布式電源的發電量，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，直流配電網并網運行，由交流配電網向直流配電網提供不足的能量。在7.5～15 s時，隨著分布式電源的發電量逐步增加，分布式電源的發電量已經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，分布式電源發電所產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向交流配電網反饋多余的電能，VSC工作在逆變狀態。直流配電網并網運行，由直流配電網向交流配電網提供富余的電能。具體運行情況如表2所示。

表2 系統運行狀態Tab.2 Running state of system

4 結論

(1)本文論述了相對于接入交流電網，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具有很大的經濟意義，同時能夠提高電能質量。

(2)本文通過比較不同直流配電網拓撲的特點，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的拓撲，能夠最大化利用分布式電源發電，同時節約儲能設備的投資。

(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各級電壓和各個直流負荷都在設定的功率下運行，不會隨著分布式發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能夠調節交流系統的潮流，并且根據分布式電源發電與負荷需求的情況與交流系統進行能量的傳遞。

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