一種交直流混合配電裝置的建模與仿真研究

徐 帥，葉 鵬，楊玉鵬

一種交直流混合配電裝置的建模與仿真研究

徐 帥1，葉 鵬2，楊玉鵬3

（1.沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；3.國網(wǎng)遼陽供電公司運營監(jiān)控中心，遼寧 遼陽 111000）

提出一種基于柔性直流背靠背模式的交直流混合配電裝置，用于實現(xiàn)配電網(wǎng)中直流負荷的承接與風、光、儲等新能源的接入。設(shè)計了交直流混合配電裝置的功率電壓控制模式，建立了包括風、光、儲等分布式電源、負荷及基于柔性直流背靠背的交直流混合配電裝置的仿真模型，并對上述裝置的運行特性進行動態(tài)仿真分析。結(jié)果表明：仿真過程中，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，直流母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)通過直流母線實現(xiàn)了靈活的能量變換。

交直流混合系統(tǒng)；電壓源換流器；配電；控制

利用新能源發(fā)電的分布式電源由于污染少、安裝地點靈活等優(yōu)點近年來得到快速發(fā)展［1-3］。伴隨著低壓配網(wǎng)中分布式電源的迅速增加，分布式電源應用形式和種類越來越復雜，各類分布式電源分散接入和應用已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的配電網(wǎng)的接納能力，在中低壓配網(wǎng)中急需能夠?qū)崿F(xiàn)多源多荷“即插即用”的交直流混合配電裝置，用來大量接納分布式電源的同時向交直流負荷供電。

本文建立的交直流混合配電裝置，其技術(shù)基礎(chǔ)是背靠背的多端柔性直流輸電，通過控制策略的設(shè)計實現(xiàn)換流控制，實現(xiàn)低壓配網(wǎng)中多源多荷的“即插即用”。本文探討了電壓源換流器（VSC）的原理和控制策略，研究了直驅(qū)永磁風機、光伏發(fā)電、儲能蓄電池等典型分布式電源的數(shù)學模型；建立了一個交直流混合配電裝置，設(shè)計了交直流混合配電裝置的功率電壓控制策略，并在PSCAD軟件中驗證控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線框內(nèi)為交直流混合配電裝置。本系統(tǒng)將柔性直流輸電與直流微電網(wǎng)有機結(jié)合。系統(tǒng)主要包含2個電壓源換流器VSC1、VSC2和1個直流微電網(wǎng)。VSC1、VSC2的直流側(cè)通過直流母線相連，交流側(cè)分別與配電網(wǎng)1、2相連，風、光、儲分布式電源和負荷構(gòu)成的直流微電網(wǎng)接在直流母線上。對本系統(tǒng)的控制關(guān)鍵就是對2個電壓源換流器的控制。

2 微電源模型

2.1 光伏電池

圖1 交直流混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏電池等效電路圖

太陽能電池可等效為圖2所示電路，其由電流源與并聯(lián)電阻Rsh，串聯(lián)電阻Rsr組成［4-5］。圖中I為太陽能電池輸出電流；V為太陽能電池輸出電壓；Isc為光電流；Id為二極管電流；Ish為分流電阻電流。

2.2 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機

在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中，在三相對稱的情況下，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機按照電動機模型慣例，以定子磁場旋轉(zhuǎn)坐標系作為參考［6-7］，在忽略定子電磁暫態(tài)的情況下，永磁同步發(fā)電機在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效電路如圖3所示。

圖3 直驅(qū)永磁同步風機等效電路圖

圖3 中，Ud和Uq為發(fā)電機輸出端的電壓分別在d軸和q軸的分量；ωe為電角速度；ψf為永久通量；Rs為定子電阻；Lmd和Lmq為定子感抗在d軸和q軸的分量；Lis為漏抗。

2.3 蓄電池

如圖4所示，本文采用了一種由受控電壓源和常值內(nèi)阻串聯(lián)組成的蓄電池通用等效電路模型［8］，該模型電路結(jié)構(gòu)簡單，考慮了蓄電池內(nèi)部的非線性特性，在短期動態(tài)仿真過程中具有較高的擬合度。

圖4 蓄電池通用等效模型

3 電壓源換流器及其控制

3.1 電壓源換流器運行原理

電壓源換流器（VSC）基本電路拓撲是兩電平結(jié)構(gòu)［9-10］，本文采用三相兩電平電壓源換流器結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 電壓源換流器電路拓撲

圖5 中L為換流電抗器的等效電感；R為VSC功率損耗的等效電阻；X＝ωL。

設(shè)電網(wǎng)電壓為Us，換流器交流電壓為Uc，假設(shè)換流電抗器是無損耗的，以電網(wǎng)A相電壓為相位參考，δ為VSC交流側(cè)電壓相位超前電網(wǎng)電壓相位的角度，即有：＝Us∠0，＝Uc∠δ，忽略諧波分量，則換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q分別為

由式（1）可知，δ的大小決定有功功率的傳輸，當δ＜0時，VSC吸收有功功率，換流器作為整流器運行；當δ＞0時，VSC發(fā)出有功功率，換流器作為逆變器運行。無功功率的傳輸取決于Us-Uccosδ；Us-Uccosδ＜0時；VSC發(fā)出無功功率；Us-Uccosδ＞0時，VSC吸收無功功率，VSC吸收或發(fā)出無功功率及其數(shù)值的大小主要由Uc決定。VSC若采用PWM技術(shù)，δ可以通過PWM調(diào)制波的相角進行調(diào)節(jié)，而Uc的值正比于直流線路電壓Ud和PWM調(diào)制比λ的乘積。因此，換流器中的δ和λ可實現(xiàn)對有功功率P和無功功率Q的控制調(diào)節(jié)。

3.2 電壓源換流器控制模型

在圖5中，設(shè)大電網(wǎng)是三相對稱的理想電壓源，開關(guān)器件為理想開關(guān)，定義Sk（k＝a，b，c）為開關(guān)函數(shù)，Sk＝1時，上橋臂導通，下橋臂關(guān)斷；Sk＝0時，上橋臂關(guān)斷，下橋臂導通。由基爾霍夫電壓定律，得到VSC的A、B、C三相回路方程：

式中：Usa、Usb、Usc為大電網(wǎng)三相電動勢；ia、ib、ic為交流側(cè)輸入電流；L為交流側(cè)濾波電感；R為線路等效電阻；C為直流側(cè)電容；Udc為直流側(cè)電容電壓。

則式（2）、式（3）為三相靜止坐標系下的VSC數(shù)學模型，該模型物理意義清晰直觀，但其中控制變量均為交流量，不利于系統(tǒng)控制。對式（2）、式（3）進行Park變換得到三相VSC在dq坐標系下的模型：

式中：Usd、Usq為大電網(wǎng)三相電動勢的d軸和q軸分量；Ucd、Ucq為交流側(cè)電壓d軸和q軸分量；id、iq為交流側(cè)電流的d軸和q軸分量。

4 系統(tǒng)控制策略

4.1 控制目標

本文的交直流混合配電裝置，其功能是在中低壓配網(wǎng)中承接交直流能源和對交直流負荷供電，是實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)控的智能配電樞紐。兩個VSC之間的直流母線上接有由風、光、儲等微源和負荷組成的的直流微電網(wǎng)，這是與傳統(tǒng)的背靠背VSC-HVDC最大的不同之處。設(shè)計控制策略要考慮以下原則：

a.控制直流母線電壓穩(wěn)定；

b.復雜的源荷接入條件下，通過VSC的控制實現(xiàn)母線間靈活的能量變換。

4.2 控制策略

對于本文的交直流混合配電系統(tǒng)，系統(tǒng)運行時，主要由大電網(wǎng)作為直流微電網(wǎng)的能量和電壓支撐。控制VSC實現(xiàn)直流母線間的能量變換、各種分布式電源和負荷的接入。

系統(tǒng)控制策略：VSC1控制直流母線電壓和交流側(cè)的無功；VSC2控制有功功率和無功功率；光伏和風力發(fā)電輸出端口設(shè)置Buck穩(wěn)壓電路環(huán)節(jié)。

VSC1主要是控制直流母線電壓穩(wěn)定，VSC2按照設(shè)定的功率值吸收或發(fā)出功率，直流微電網(wǎng)的功率平衡由VSC1和VSC2共同維持。電壓源換流器采用矢量控制方式，矢量控制采用電流內(nèi)環(huán)和目標外環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)坐標系與三相電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)，且d軸與電網(wǎng)A相電壓矢量重合，此時d軸分量即為有功電流分量，而電流的q軸分量則為無功電流分量。

在dq坐標系下，VSC的數(shù)學模型為式（4）所示，顯然，電流的d軸分量、q軸分量都與電壓的d和q分量相關(guān)，存在嚴重的耦合關(guān)系。因此在電流內(nèi)環(huán)控制中引入解耦算法，設(shè)計內(nèi)環(huán)電流解耦控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 內(nèi)環(huán)電流解耦控制器結(jié)構(gòu)圖

解耦控制器的輸出可以表示為

對于電壓源換流器，VSC1采用定直流電壓和交流側(cè)無功功率的控制方式，控制框圖如圖7所示。VSC2采用定有功功率和無功功率的控制方式，控制框圖如圖8所示。鎖相環(huán)用于dq坐標系與三相系統(tǒng)保持同步。

圖7 定直流電壓和無功功率控制框圖

圖8 定有功功率和無功功率控制框圖

在光伏發(fā)電和風力發(fā)電接入直流母線之前，設(shè)置Buck降壓斬波電路，使微源在輸出功率之時也能承擔維持母線電壓穩(wěn)定的任務。在系統(tǒng)運行時，當直流母線電壓高于額定電壓時，Buck電路起到控制直流母線電壓的作用。Buck穩(wěn)壓電路控制框圖如圖9所示。

圖9 穩(wěn)壓Buck電路控制框圖

5 系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在PSCAD軟件中搭建系統(tǒng)模型進行仿真。在整個仿真過程中，設(shè)置復雜的源荷接入條件，通過切除、接入負荷以改變負荷側(cè)需求；通過分布式電源突然接入直流微電網(wǎng)以改變微源的功率，觀察直流母線電壓波形在擾動下的穩(wěn)定性和系統(tǒng)各部分之間功率的流動轉(zhuǎn)換，進而驗證系統(tǒng)控制策略的有效性。

系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定：VSC2逆變功率為1 000 kW，無功為0，溫度恒定為25℃。直流母線電壓設(shè)為800 V，主負荷為700 kW，可關(guān)斷負荷為300 kW。初始狀態(tài)：風速為8 m／s；光照為0，光伏電池沒有功率輸出不接入系統(tǒng)，負荷為1 000 kW。設(shè)置仿真中的擾動：10 s時切掉300 kW的可關(guān)斷負荷；20 s時300 kW的可關(guān)斷負荷重新接入直流微電網(wǎng)；30 s時光照突變?yōu)?00 W／m2，同時光伏電池接入直流微電網(wǎng)；40 s仿真結(jié)束。

在PSCAD中搭建系統(tǒng)模型進行仿真，圖10～圖13為系統(tǒng)的仿真波形圖，其中VSC1功率波形圖以整流功率為正，VSC2功率波形以逆變功率為正，直流微電網(wǎng)功率以從直流母線吸收功率為正。

圖10 VSC1功率波形

圖11 VSC2功率波形

圖12 直流微電網(wǎng)功率波形

圖13 直流母線電壓波形

對以上情況的波形圖，具體分析如下。

0～10 s時間段，直流微電網(wǎng)內(nèi)微源功率小于負荷功率，直流微電網(wǎng)從直流母線上吸收功率，VSC1整流運行，功率由VSC1流向VSC2和直流微電網(wǎng)。

10～20 s，10 s時切掉了300 kW的負荷，直流微電網(wǎng)吸收功率減少，VSC1整流功率相應減少。

20～30 s，20 s時300 kW負荷重新接入微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)吸收功率和VSC1整流功率相應增大。

30～40 s，30 s時光照變?yōu)?00W／m2，光伏發(fā)電并網(wǎng)，微電網(wǎng)內(nèi)微源功率大于負荷功率，多余功率反饋給直流母線，VSC1減少功率輸出，功率由VSC1和直流微電網(wǎng)流向VSC2。

由上述的仿真結(jié)果可知：

a.系統(tǒng)運行時，主要由大電網(wǎng)作為直流微電網(wǎng)的能量和電壓支撐。直流微電網(wǎng)與直流母線交換的功率等于直流微電網(wǎng)內(nèi)負荷與微源功率的差值；

b.任一時刻，VSC1、VSC2和直流微電網(wǎng)三者通過直流母線交換的功率是相互平衡的，從直流母線上吸收的總功率與向直流母線注入的總功率是相等的，通過直流母線實現(xiàn)了靈活的能量變換；

c.系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定追蹤設(shè)定的標準直流母線電壓值800 V，仿真過程中，雖然在10 s、20s、30 s分別發(fā)生負荷突然減小、負荷突然增加和光伏發(fā)電并網(wǎng)等復雜的源荷接入狀況，但直流母線電壓一直穩(wěn)定在標準值附近。

6 結(jié)論

本文提出一種基于柔性直流背靠背模式的交直流混合配電裝置，用于實現(xiàn)配電網(wǎng)中負荷的承接與風、光、儲等新能源的接入。主要成果如下。

a.分析了微電網(wǎng)中光伏發(fā)電、直驅(qū)永磁風機、蓄電池、電壓源換流器等各重要組成結(jié)構(gòu)的基本原理、等效模型和控制模型。

b.設(shè)計了一個基于保持直流母線電壓穩(wěn)定和功率平衡的控制策略，控制VSC實現(xiàn)直流母線間的能量變換、各種分布式電源和負荷的接入。

c.在PSCAD平臺上搭建系統(tǒng)模型，將控制策略應用在模型中進行動態(tài)仿真運行。仿真中分別加入負荷側(cè)需求變化，分布式電源出力突變等擾動，通過觀察仿真波形可知在仿真過程中整個系統(tǒng)電壓是穩(wěn)定的，實現(xiàn)了母線間靈活的能量變換。

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Research on Modeling and Simulation of a AC／DC Power Distribution Device

XU Shuai1，YE Peng2，YANG Yu?peng3
（1.Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China；2.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Li?aoning 110136，China；3.State Grid Liaoning Power Supply Company Operation Center，Liaoyang，Liaoning 111000，China）

The paper proposes a AC／DC power distribution device based on back?to?back type of flexible HVDC，its function is to un?dertake DC loads and take on new energy sources including wind power generation，photovoltaic（PV）and energy storage battery in distribution grid.Power and voltage controlmode of the AC／DC power distribution device are designed，a simulationmodel of the sys?tem is established，the dynamic simulation of the operation characteristics is analyzed.The results show that the system runs steadily and the DC bus voltage is stable in the whole process of simulation，flexible energy conversion through DC bus in the system is a?chieved.

AC／DC system；Voltage source converter；Distribution；Control

TM743；TM46

A

1004-7913（2015）07-0019-05

徐 帥（1987—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。

2015-05-04）