學校建筑電氣中低壓直流配電系統關鍵技術研究

南京長江都市設計股份有限公司 劉 珈

學校建筑人員密集，其中低壓直流配電系統在應用時，通常情況下選擇的供電方式為分段供電，因此其則面臨運行模態轉換問題，除此之外，其用量需求較大，并存在諸多需要長期供電的設備，也導致電負荷較大。因此，學校建筑配電網安全運行是主要原則。中低壓直流配電系統是由多個供電單元完成供電，導致供電系統的冗余較多。該系統可實現兩種電壓直流母線之間的連通，分別為中壓和低壓，極大程度增加了系統內電壓控制的靈活性，同時也導致控制的復雜程度提升[1]。學校建筑為多層建筑，并且學校自身特殊性質導致學校的用電設備較多，用電量較大，電力系統相對較為復雜，中低壓直流配電系統自身作為分布式電源、并網逆變器以及多種負荷的集成系統，為保證其穩定運行，需關注和保障運行時每一個供電部分的有效協調控制[2]。并且，電力系統通常采用多等級、多母線等，分別對應電壓和直流。直流變壓器作為系統實現互聯的重要依據，電壓等級的變化等，均對系統安全運行造成一定程度風險，尤其在運行狀態發生變化情況下，系統的控制難度則明顯提升[3]。

本文以中低壓直流配電系統運行特點為依據展開研究，為保證該系統在運行狀態實行切換過程中，有效、穩定以及可靠控制，研究學校建筑電氣中低壓直流配電系統運行的關鍵技術，提升對系統的可控程度，降低控制難度，保證配電系統的穩定運行。

1 學校建筑電氣中低壓直流配電系統關鍵技術

1.1 中低壓直流配電系統分散式統一控制策略

直流變壓器是該配電系統中實現中低壓直流母線的互聯的依據，并且該系統運行狀態的切換即為中低壓電流的切換[4]，因此，有效控制直流變壓器，則可保證中低壓直流切換時的穩定，實現配電系統的有效控制。

1.1.1 控制策略原理

該策略的實現，需和下垂控制單元同時設計；差異化電壓等級是母線的典型特點，且屬于中低壓直流[5]，采取標幺化對其實行處理，則得出：

式中：標幺值用VM，dc，nom、VL，dc，nom、表示，取值范圍為[-1，1]，均屬于母線電壓偏差，前者對應中壓直流、后者對應低壓直流；VM，dc、VL，dc表示直流電壓，前者對應中壓、后者對應低壓，其各自的上限分別為VM，max和VL，max、下限分別為VM，min和VL，min；兩者的額定電壓為和、。

電壓存在數個運行區間，屬于直流母線，其下垂控制需分階段完成，隨機選取該母線上的某一個區間，中低電壓的上、下限分別用VM，up和VL，up、VM，down和VL，down，則得出：

為獲取下垂系數，屬于標幺化且為每一個電源模塊，以公式（1）為依據，對公式（2）實行處理后得出；直流母線的標幺化下垂系數，即為上述結果的求和：

式中：電源模塊數量分別用NM和NL表示，兩者均為相同電壓區間內，屬于下垂控制，對應中、低壓直流母線。

WT表示傳輸功率，屬于變壓器，且為直流；依據正方向的傳輸標準，完成直流母線傳輸，且由低壓傳送至中壓[6]，則得出：

式中：總負荷功率為WM，load、WL，load，分別對應中、低壓直流母線；總輸出功率用WM，cpc、WL，cpc表示，均屬于電源模塊，且在恒功率控制下，分別對應中、低壓直流母線，其可用于描述功率，且為非正負荷[7]。則對變量實行相關定義，為：

依據上述公式即可得出電壓偏差的差，母線標幺化公式為：

實行變量定義：

將公式（7）實行簡化后得出：

式中：差異程度用ΔS、ΔD表示，分別對應直流母線之間的供、需，且各自對應中、低壓。

分析公式（8）可知，ΔS、ΔD與直流變壓器傳輸功率存在直接關聯，配電系統的整體功率均衡時，需ΔS=0。

1.1.2 控制器設計

對下垂曲線實行擴張，是保障功率雙向傳輸的手段，且屬于直流變壓器，其擴展公式為：

式中：下垂系數、最大輸出功率分別用kT、表示，均屬于直流變壓器。

依據公式（8）對控制環節實行改進，形成移位控制，其公式為：

式中：傳遞函數用GPI表示，其屬于PI控制器。

傳輸功率的調控，通過移動電壓下垂曲線完成，其屬于直流變壓器[8]；保證配電系統均衡程度，其屬于整體功率，需使ΔS=0?；诖?，可通過公式（11）描述統一控制策略：

在移位過程中，通過增加限幅環節來避免過渡現象的發生，其取值范圍用[-（VM，max-VM，min），VM，max-VM，min]表示，脈寬調制為PWM，統一控制策略框架如圖1所示。

圖1 策略框架

該控制策略的最終目的為實現多種控制模式的整合，形成單一的控制回路。系統整體功率均衡的實現，是通過將電壓下垂曲線實行移動ΔVM，dc完成，且為電壓控制單元不存在異常運行狀態，直流變壓器運行在功率控制模式下，均處于中低壓直流母線上[9]。當其中電壓控制單元發生故障，為保證故障母線電壓穩定，且為電壓控制單元，VL，dc，nom和VM，dc，nom實行相互跟蹤，對傳輸功率的大小實行調節，保證當下運行的控制模態為直流母線電壓控制[10]。

綜上所述，可實現文中配電系統的控制，可在簡單的控制結構下，保證配網系統的一體化控制的有效性。

1.2 中低壓直流配電系統的有源阻尼補償器

采用統一控制策略控制中低壓直流配電系統時，為避免諧振的發生對系統造成影響，甚至導致電壓崩潰，為保證控制策略在控制時電壓的正常，進而保證控制的可靠性，設計有源阻尼補償器，對控制過程中產生的諧振實行有效抑制和消除，保證統一控制的效果[11]。

有源阻尼信號通過直流電壓表示，將其引入控制環內，其屬于線路調節變流器（line regulating converter，LRC）。有源阻尼補償器可實現LRCs在輸出時抗阻的減小，同時，可使頻率響應ZSo（s）的相位增加，改變LRCs端口特性，使其轉變成感性特性，并且保證CPLs（constant power load，恒功率負載）特性不發生變化，其屬于端口，以此實現諧振回路的消除，使配電系統諧振穩定性提升[12]。

阻抗的輸入和輸出為：

式中：φ1和φ2相位，屬于抗阻，分貝對應輸出和輸入；RSo、Rin分別表示阻性部分，其屬于阻抗，前者對應輸入，后者對應輸出；Yin（s）表示電流源；Lin表示感性部分，屬于輸出抗阻。

通過公式（13）表示系統特征方程，為：

此時，配電系統的分母降為一階系統，因此，不會發生諧振現象。

2 測試分析

為驗證本文研究的中低壓直流配電系統關鍵技術的優勢和應用性，以某高校建筑的中低壓直流配電系統作為實例對象，采用MATLAB/Simulink仿真軟件模擬其中低壓直流配電系統模型用于完成相關測試分析。

在配網系統并網運行、低壓儲能故障、中壓負荷功率波動以及運行模態轉換四種情況下，隨機加入負荷功率，測試采用本文技術實行控制后，低中壓母線電壓變化結果，以此衡量本文技術的優劣，結果如圖2～圖5所示。

圖2 并網運行情況下測試結果

圖3 低壓直流母線功率波動時測試結果

圖4 中壓直流母線功率波動時測試結果

圖5 模態轉換運行測試結果

根據圖2～圖5的測試結果可知：在并網運行情況下，當運行時間為1.0s時，向中壓直流母線中分別加入負荷功率后，電壓發生驟降，低于9.5kV，本文技術對其實行控制后，其在1.1s時即完成控制后，中壓直流母線電壓恢復平穩；在1.0s和1.5s時也向低壓直流母線中加入不同程度負荷功率，電壓也隨之發生變化，文本技術在電壓發生變化后對其實行控制后，電壓恢復平穩。除此之外，分別在低壓和中壓直流母線功率波動運行情況下，采用相同方式在不同的運行時間內，加入不同的負荷功率后，本文技術依舊可完成電壓控制，使其恢復平穩；即使在模態轉換運行時，加入負荷功率，本文技術依舊可完成電壓恢復，并可保證模態轉換后的正常運行。該結果均表明文本技術有效實現中低壓直流配電系統的整體功率均衡，實現中低壓直流配電系統分散式統一控制。

為測試本文技術在實現中低壓直流配電系統分散式統一控制過程中對電壓諧振的抑制效果，在運行時間為4.5s時，將負載擾動加入配電系統中，由于篇幅原因，僅以低壓直流為例，產生諧振。測試有源阻尼補償和沒有補償情況下，母線電壓波動變化情況，測試結果如圖6所示。

根據圖6測試結果可知：負載擾動發生后產生的激勵諧振，沒有采取有源阻尼補償則無法更好地抑制諧振的對電壓造成的波動影響；采用有源阻尼補償可0.7s內完成諧振的衰減和抑制，保證母線電壓波動平穩，使系統的阻尼顯著提升，直觀體現文本技術的有效性。

圖6 有源阻尼補償前后的結果

3 結論

本文研究學校建筑電氣中低壓直流配電系統關鍵技術，有效控制系統的運行狀態。經測試，本文所研究的技術，可在學校建筑電氣中低壓直流配電系統不同的運行情況下，完成電壓有效控制，保障該配電系統的整體功率均衡水平，并可快速完成諧振的衰減和抑制。

由于時間和篇幅關系，針對本文技術在應用測試方面存在一定不全面性，下一步的工作將對本文技術應用的全面性展開相關測試，例如配電網通信性能、保護性能等，完善技術全方面應用測試結果。