交直流配電網及柔性變電站仿真研究

解　騰，亢夢婕，王譜宇，黃家豪

(1.陸軍工程大學，江蘇 南京 210007；2.南京理工大學，江蘇 南京 210094)

0　引言

隨著分布式電源、電力電子技術的進步，配電網用戶側直流負荷和變頻負荷占比的增加，傳統的交流配電網無論從經濟性或是便利性都已無法滿足市場的需求[1]。直流配電網因其具有功率雙向靈活可控、故障隔離、響應速度快等優勢，交直流混合供電將成為未來配電網的發展方向[2]。變電站作為配電網中重要的組成部分，將電力電子技術與變電站技術相結合，構建柔性變電站[3]，將簡化變電站設備的種類和數量。

1　系統方案

系統包括柔性變電站和光伏電站，上級交流電源來自于云計算110 kV變電站10 kV側，直流電源來自于光伏電站。負荷包括380 V低壓交流負荷和750 V直流負荷兩類，直流負荷與交流負荷約3:1配置，共有2.5 MW。柔性變電站主要實現10 kV電壓等級的供電，負責其中1.25 MW負荷的用電，其余1.25 MW由干變供電。系統拓撲結構圖如圖1所示，其中交流側功率以流入柔變為正，直流側功率以流出換流器為正。

圖1　系統拓撲結構示意圖

根據光伏出力不同，可以分為以下兩種工況：

(1) 光伏不出力。光伏不出力時由云計算10 kV交流為負載供電。

(2) 光伏出力為2.5 MW。光伏出力足夠滿足柔變所接負荷的需求，因此將滿足負荷需求剩余功率逆變至云計算10 kV交流側。

柔性變壓器在工作過程中需要同時兼顧交流、直流環節，因此采用交-直-交電力電子變換器拓撲結構，同時為了突出柔性變壓器的特性，將光伏發電模塊等效為20 kV的直流電壓源，變換后的系統拓撲圖如圖2所示。

圖2　系統拓撲結構示意圖

2　仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建柔變的仿真模型，由系統拓撲圖可知，光伏電站的輸出電壓為20 kV，通過變流器逆變至10 kV在D2點與云計算并網，另一支路變壓為380 V，通過N2整流器變換為750 V直流為直流負載供電，同時再次逆變為380 V交流與9#干變共同為交流負載供電。為了最終實現系統建模，將其分解為1號、2號、3號三個部分，如圖2所示，對三個部分分別進行仿真調試，最后進行系統測試。

柔性變壓器如圖2中3號框圖所示，它的拓撲結構包括輸入級DC-AC變換器、高頻變壓器以及輸出級AC-DC變換器。

2.1　輸入級DC-AC變換器

輸入級采用CSI型三相橋式拓撲，設置直流輸入20 kV，交流輸出10 kV；電容1 500 μF，負載功率1.25 MW，根據光伏輸出功率的設置，光伏電站需要并網運行，因此逆變器的控制器應保證輸出的正弦電壓與公網電壓同頻、同相，加入鎖相環[4]。采用PQ控制方式，基于d-q變換，將三相系統作為一個單元考慮而不是3個單相系統的疊加，將電壓電流分解為有功和無功分量，使其成為便于跟蹤的直流信號。圖3所示為系統結構圖，圖4為系統仿真示意圖。

圖3　逆變系統結構示意圖

圖4　逆變器仿真示意圖

圖5(a)為交流側三相電壓，圖5(b)為交流側電流。在上述系統中，交流側輸出線電壓有效值Vm=10 kV，由式(1)可知相電壓Va=8.165e3，與仿真數據基本一致，因此模型正確。

圖5　逆變器仿真結果圖

圖7　整流器仿真示意圖

(1)

2.2　高頻變壓器及輸出級AC-DC變換器

輸出級AC-DC采用三相VSR拓撲，結構示意圖如圖6所示。變壓器一次側為10 kV交流電源，二次側輸出電壓380 V，整流模塊采用電壓-電流雙環控制方式。其中線路電感20 μH，電容5 mF。電阻功率1.25 MW，三相電壓增益0.000 122 474，三相電流增益0.122 474 49。高頻變壓器與輸出級AC-DC的系統仿真示意圖如圖7所示。

圖6　整流系統結構示意圖

仿真2 s后，得到系統仿真結果如圖8所示。

圖8所示為直流側電壓、直流電流、Id_ref及Id、Iq_ref及Iq仿真結果。直流電壓仿真結果中電壓最大值為755 V，最小值720 V，上下波動35 V，符合要求。

將上述逆變部分與整流部分對接為柔性變壓器系統，20 kV理想電源逆變至10 kV，經過變壓環節變壓至380 V，再整流為750 V為負載供電，直流母線電壓仿真示意圖如圖9(a)所示，電流波形如圖9(b)所示。

由圖9可知，系統可以順利運行，實現預期要達到的效果，但電壓波動比較嚴重，整流產生的最大電壓達到800 V，最小電壓達到650 V，分析其原因可能是，逆變器采用P/Q控制方式追蹤電網相位，整流器采用電壓電流雙環控制穩定直流輸出，兩種控制方式還不能很好地配合，系統參數仍需進一步調試。

圖8　整流器仿真結果圖

圖9　系統仿真結果

3　結論

柔性變電站是電力電子技術與變電站技術的結合，以一次設備電力電子化為特征，簡化了變電站設備的種類及數量。柔性變電站在電網中作為能量傳輸的節點，可以提升電網安全穩定運行水平。本文以張北交直流配電網及柔性變電站項目為依托進行系統建模仿真，分別實現了柔性變壓器中的整流、逆變環節，仿真證明效果良好，系統運行仍需進一步調試。

[1] 曾嘉思, 徐習東, 趙宇明. 交直流配電網可靠性對比[J]. 電網技術, 2014, 38(9):2582-2589.

[2] 杜翼, 江道灼, 尹瑞, 等. 直流配電網拓撲結構及控制策略[J]. 電力自動化設備, 2015, 35(1): 139-145.

[3] 廖國虎, 袁旭峰, 邱國躍. 配電網電力電子變壓器仿真研究[J]. 電測與儀表, 2014, 51(17):35-41.

[4] 肖華根, 羅安, 王逸超,等. 微網中并聯逆變器的環流控制方法[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(19):3098-3104.