直流配電實驗系統(tǒng)初探

葉李心，江道灼，尹瑞，張弛

(浙江大學電氣工程學院，杭州市310027)

0 引言

傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)面臨著供電走廊緊張，電能質(zhì)量問題突出，分布式能源接入以及電能供應(yīng)可靠性、經(jīng)濟性等方面的巨大挑戰(zhàn)。研究資料表明，基于直流的配電網(wǎng)具有提高供電容量，減小線路損耗，改善用戶側(cè)電能質(zhì)量，隔離交直流故障以及可再生能源靈活、便捷接入等一系列優(yōu)點［1］。瑞典、日本、法國和美國等國家的通信公司已于20世紀90年代開始了300～400 V數(shù)據(jù)中心直流配電的研究。另外，軍艦、航空和自動化系統(tǒng)的直流區(qū)域配電的技術(shù)也已然成熟［2］。如今，在住宅直流供電方面，歐盟、日本和美國紛紛開展了相關(guān)方面的研究和示范工程。我國在直流配電的研究方面還處于起步階段。隨著政府對新能源開發(fā)的日益重視以及越來越多的直流家電技術(shù)得到推廣和應(yīng)用，直流配電網(wǎng)將具有廣闊的發(fā)展空間。國內(nèi)對直流配電網(wǎng)的技術(shù)研究正在有序地進行中，主要集中在柔性直流的配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析、故障分析與保護、穩(wěn)定運行控制、電能質(zhì)量控制等方面。無論是仿真建模、保護與控制理論、關(guān)鍵設(shè)備研制以及工程應(yīng)用的研究都離不開實驗檢測與驗證階段，由于國內(nèi)尚無直流配電系統(tǒng)實驗系統(tǒng)，因此建立相關(guān)的直流配電系統(tǒng)實驗系統(tǒng)，從仿真模擬和動態(tài)模擬2個方面對直流配電的技術(shù)研究提供實驗條件顯得非常必要。本文主要介紹直流配電實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，仿真模擬平臺、動態(tài)模擬平臺設(shè)計以及控制等，提出直流配電實驗系統(tǒng)的初步建設(shè)方案。

1 直流配電實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

直流配電實驗系統(tǒng)由物理模擬(動態(tài)模擬)與數(shù)字模擬(仿真模擬)2個部分構(gòu)成，可開展直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制與保護等相關(guān)技術(shù)的建模仿真與實驗研究，以及變流器、直流斷路器等直流配網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的功能性試驗研究，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 直流配電實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DC power distribution experimental system

該實驗系統(tǒng)可開展如下工作:(1)直流配電系統(tǒng)的仿真分析。例如大規(guī)模柔性直流配電網(wǎng)實時仿真分析;一次設(shè)備、控制系統(tǒng)性能測試;繼電器保護和重合閘裝置閉環(huán)測試等。(2)直流配電系統(tǒng)方面的研究。例如直流配電系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定，沖擊負荷對系統(tǒng)的影響，現(xiàn)場故障再現(xiàn)等實驗;交直流混合系統(tǒng)在正常和故障時的運行狀態(tài);直流配電系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的影響等。(3)研發(fā)裝置的試驗。例如直流配電微機型繼電保護、新型的自動化裝置等，在動態(tài)模型中用各種運行方式來考驗它的性能，進行研發(fā)試驗、驗證試驗以及入網(wǎng)試驗等。

2 直流配電系統(tǒng)仿真模擬平臺

2.1 直流配電系統(tǒng)純數(shù)字仿真平臺

直流電磁暫態(tài)計算程序PSCAD/EMTDC具有大規(guī)模的計算容量、完整而準確的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計算內(nèi)核、友好的界面和良好的開放性等優(yōu)點，是進行直流系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具［3］。由于柔性直流配電系統(tǒng)屬于新研究領(lǐng)域，PSCAD提供的自定義元件模型對于建立直流配電元件模型非常方便，可對柔性直流配電系統(tǒng)中存在的各類型負荷、分布式能源、儲能系統(tǒng)以及各種換流器建立穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真模型，并對其控制和保護策略進行仿真研究。因此直流配電系統(tǒng)的純數(shù)字仿真軟件采用PSCAD軟件。

2.2 直流配電系統(tǒng)實時仿真平臺

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的研究中，模擬仿真可以加速研究進程。而實時數(shù)字仿真不僅僅能夠在軟件仿真中驗證工作原理的正確性以及準確性，還可以進行與物理模型對接仿真，使整個開發(fā)過程從本質(zhì)上更接近于實際，具有更高的置信度，并且大大縮短了開發(fā)周期，具有較高的經(jīng)濟價值。國內(nèi)外常見的電力實時仿真系統(tǒng)包括加拿大的RTDS、RT-LAB，法國電力公司的ARENE以及中國電力科學研究院的ADPSS等［4］。

從硬件結(jié)構(gòu)、擴展費用、產(chǎn)品價格等方面對比分析，RT-LAB采用集群計算機，并行分布式計算，投資風險小。和基于DSP的RTDS相比，RT-LAB可擴展性強、結(jié)構(gòu)靈活、軟件可繼承、模型較全、通用性好。相比較而言，RT-LAB比較適合作為直流配電實驗系統(tǒng)的實時仿真平臺。

RT-LAB可基于MATLAB/Simulink等圖形化建模工具建立相應(yīng)的數(shù)學模型，在實時仿真平臺上運行，并可通過Windows窗口對目標機的整個運行過程進行實時監(jiān)控，提供在線修改參數(shù)的功能［5］，從而方便地實現(xiàn)復雜仿真、快速控制原型仿真，以及硬件在回路仿真的工作。半實物仿真能夠解決真實環(huán)境和全數(shù)字仿真平臺技術(shù)引入的難以解決的問題，為直流配電系統(tǒng)各種控制器和保護裝置的研發(fā)提供了相對真實和易控的測試環(huán)境。

3 直流配電實驗系統(tǒng)動態(tài)模擬平臺

3.1 動模平臺的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

動態(tài)模擬平臺的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到以下方面。(1)動態(tài)模擬平臺應(yīng)該包括電壓源型換流器、各種分布式能源發(fā)電模擬裝置、儲能裝置、直流配電線路模擬裝置、各類負荷模擬裝置、直流變壓器等直流配電系統(tǒng)典型元件的動態(tài)模擬。(2)拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)靈活可變。通過斷路器以及開關(guān)的開斷可以組成環(huán)狀、放射狀、兩端配電3種拓撲結(jié)構(gòu)，研究直流配電系統(tǒng)不同拓撲結(jié)構(gòu)的特性。(3)考慮到供電的可靠性問題，動態(tài)模擬平臺需要保留至少2個與交流系統(tǒng)的連接點，實現(xiàn)交直流系統(tǒng)互聯(lián)功能。其中一個用以模擬動態(tài)模擬平臺連接至無窮大系統(tǒng)的情況，另一個可以連接于交流380 V配電網(wǎng)，以方便研究交直流系統(tǒng)之間的相互影響。(4)動態(tài)模擬平臺可包含與實時數(shù)字仿真平臺的接口設(shè)備。

在確定動態(tài)模擬平臺的電壓、容量時，考慮到以下幾個方面。

(1)動態(tài)模擬平臺的電壓等級不宜過高太多，但需模擬柔性直流配電多電壓等級以及其中的直流變壓器的情況，因此電壓等級為2級較適宜。

(2)與380 V交流系統(tǒng)連接時，如果直流電壓選擇合適，則隔離變壓器不需要再對交流電壓進行變換，對電壓源型變流器，交流電壓與直流電壓存在如下關(guān)系:。式中:u為交流側(cè)相電壓峰值;abcUdc為直流電壓，M為調(diào)制比。如果調(diào)制比的范圍為0.6～0.8，則可知直流電壓的范圍應(yīng)為776～1 034 V，因此動模系統(tǒng)高壓直流電壓可定為±500 V。

(3)選擇恰當?shù)膭討B(tài)模擬平臺的直流配電網(wǎng)電壓等級，使盡可能多的電力負載直接接入直流配網(wǎng)以減少電壓變換環(huán)節(jié)。直流配網(wǎng)系統(tǒng)以及現(xiàn)存的直流微網(wǎng)系統(tǒng)中為了滿足不同負荷對電壓等級的要求，同時也為了滿足各種變換器對輸入電壓的要求，往往采用三線制的直流配電結(jié)構(gòu)，常見的為±200 V三線制系統(tǒng)［6］?？照{(diào)、冰箱等大型家電內(nèi)部使用的最高直流電壓為360 V，可以選擇±200 V作為低壓直流配電系統(tǒng)的電壓，即線電壓為400 V，通過Buck斬波器供電;LCD屏和LED燈等小型家電所需直流電壓為24～48 V，可由單級200 V電壓經(jīng)Cuk電路取得。

(4)確定系統(tǒng)容量時可參考國內(nèi)外現(xiàn)有動模實驗室的情況。

綜上所述，動態(tài)模擬實驗平臺的電壓等級定為±500 V和±200 V，系統(tǒng)容量定為30 kW。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 直流配電實驗系統(tǒng)動態(tài)模擬平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of dynamic simulation platform for DC power distribution experimental system

由于動態(tài)模擬系統(tǒng)是根據(jù)實際電力系統(tǒng)按一定比例縮小了的系統(tǒng)，直流配電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的動態(tài)模擬也需按照實際直流配電系統(tǒng)按一定比例關(guān)系縮小［7］。但是現(xiàn)在尚無實際的直流配電網(wǎng)工程，因此按照擬建設(shè)的電壓等級為±7.5 kV，容量為15 MW的工程為原系統(tǒng)，動態(tài)模擬系統(tǒng)選用電壓等級±500 V，容量30 kW，則功率模擬比、電壓模擬比和電流模擬比分別為:mp=500，mv=15，mi=33.333，模擬系統(tǒng)的最大電流為30 A。

理論上，動態(tài)模擬平臺是柔性直流配電網(wǎng)示范工程的等比例微縮模型，動態(tài)模擬平臺內(nèi)的設(shè)備的額定容量、額定電壓等均可以參照示范工程的情況，按照模擬比算出。然而，示范工程的實際情況目前尚未全部確定，所以目前只能按照各設(shè)備所占的比例，結(jié)合將來研究的方向，初步確定相關(guān)設(shè)備的容量。

風力發(fā)電、光伏發(fā)電是目前國內(nèi)外發(fā)展迅速、技術(shù)成熟、前景廣闊的分布式發(fā)電方式，也是研究柔性直流配電網(wǎng)在適合分布式能源接入方面不可或缺的部分，因此有必要在動態(tài)模擬平臺中接入一定容量的“風光儲”模擬裝置。儲能裝置的容量應(yīng)該盡可能大，但是接入系統(tǒng)的容量應(yīng)當靈活可調(diào)，用以研究不同的儲能裝置容量對柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。因此各設(shè)備的初步定容如表1所示。

表1 動模平臺分布式能源容量Tab.1 Capacity of distributed energy source in dynamic platform

3.2 模型建立

3.2.1 光伏發(fā)電模擬

光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于光伏發(fā)電輸出具有波動性和隨機性，因此需對光伏發(fā)電實施最大功率點追蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)［8］。光伏陣列模擬器是利用實際電源來模擬實際光伏陣列輸出特性，按實現(xiàn)方式的不同，主要分為模擬式與數(shù)字式2種［9］。該動模平臺采用單片機或DSP控制的開關(guān)電源來模擬光伏陣列輸出特性，如圖4所示。整流后輸入功率電路(BUCK降壓變壓器或半橋變換器)，控制電路通過采集回來的Vs，根據(jù)光伏電池工程用數(shù)學模型實時計算出參考電流Iref，與實測的電流Is做差后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)波，控制驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)對光伏輸出特性的跟蹤模擬［10］。該動模實驗平臺所需的光伏模擬設(shè)備的參數(shù)要求為:直流電壓為±500 V，功率為0～5 kW。由于橋式電路輸出功率等級較大，因此選擇半橋變換器作為主電路;另一方面，由于升壓型BOOST電路效率高，方便實現(xiàn)最大功率點追蹤控制。因此雙向DC/DC變流器采用BOOST電路。

圖3 光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of photovoltaic power generation

圖4 數(shù)字式光伏陣列模擬器原理圖Fig.4 Schematic diagram of digital solar array simulator

3.2.2 風力發(fā)電模擬

風力發(fā)電實驗室模擬系統(tǒng)包括風速模擬、風力機模擬和發(fā)電機模擬。實驗室風力發(fā)電模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。風速數(shù)字模擬通過編程實現(xiàn)風速模型的建立，輸出符合風機特性的電動機轉(zhuǎn)矩指令，主要采用Matlab、PSCAD及LABView軟件平臺來實現(xiàn)。風力機模擬多采用電動機，通過控制電動機的轉(zhuǎn)矩特性去模擬實際風機的運行特性，主要有直流電動機、異步電動機與永磁同步電動機。發(fā)電機多采用異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機［11］。該動模平臺采用直流電動機模擬風力機，發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機，容量要求為10 kW。

圖5 風力發(fā)電模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of wind power simulation system

3.2.3 儲能裝置

現(xiàn)有常見的儲能技術(shù)主要包括蓄電池儲能、超級電容器儲能和超導磁儲能技術(shù)等。其中，蓄電池和超級電容器儲能容量大，投資小［12］，適宜于實驗系統(tǒng)儲能裝置的模擬，儲能系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。超級電容和蓄電池的混合儲能可以充分利用超級電容和蓄電池的互補特性［13］，可作為實驗系統(tǒng)儲能裝置的研究方向。

圖6 儲能系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Schematic diagram of energy storage system

3.2.4 模擬負載

該動態(tài)模擬實驗平臺采用幾種具有代表性的負載類型作為配電網(wǎng)的負荷，如圖2所示，主要包括線性負載、非線性負載以及旋轉(zhuǎn)電機等。傳統(tǒng)的模擬負載模型一般有異步電動機、燈箱串并聯(lián)電容器模型等［14］。但傳統(tǒng)模擬負載體積大、成本高、能量消耗大，無法精確模擬時變的系統(tǒng)負荷，該動模系統(tǒng)采用基于電力電子技術(shù)的可控負載作為模擬負載。它采用一系列全控電力電子器件和少量儲能元件(電容)組成的硬件電路來實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)為三相整流與三相逆變串聯(lián)后接入無窮大系統(tǒng)，如圖7所示。它通過實時算法來控制開關(guān)器件的開閉規(guī)律，在大范圍內(nèi)控制放電電流，模擬各種阻值的電阻負載，甚至是阻感負載和阻容負載［15］。

圖7 可控負載電路結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of controllable load circuit

3.2.5 直流變壓器

直流變壓器通過高頻斬波－變壓器隔離－高頻整流來實現(xiàn)一種直流電壓到與之成正比的另一種或多種直流電壓的變換。直流變壓器的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，高頻逆變/整流電路可以是推挽、半橋、全橋、推挽正激、雙管正激、有源鉗位正激、不對稱半橋等電路拓撲［16］。

3.2.6 直流配電線路

圖8 直流變壓器基本結(jié)構(gòu)Fig.8 General structure of DCT(direct current transformer)

用等值∏型鏈型元件以分段集中參數(shù)來模擬實際線路，根據(jù)直流電纜的參數(shù)和阻抗模擬比(mz=0.45)可以計算出配電等效∏型電路中的串聯(lián)阻抗和對地導納。

3.3 測量控制

監(jiān)控系統(tǒng)可使用霍爾傳感器在各交、直流節(jié)點獲取交直流電壓，交直流電流等量測數(shù)據(jù);在各交直流斷路器、隔離開關(guān)處設(shè)置遙信、遙控;在各故障點接入錄波器，獲取其波形，最終通過光纖將上述信號傳輸至上層管理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、存儲、監(jiān)測等管理。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

主站監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)式遠方終端設(shè)備主要完成對配電線路、變壓器、負荷、分布式能源等電力設(shè)備的監(jiān)控控制、事故報警和記錄等功能。利用以上功能在監(jiān)控臺上可以實現(xiàn)投切線路、投切負荷、監(jiān)視或調(diào)整實驗系統(tǒng)的運行參數(shù)等功能，適應(yīng)動模實驗及科研的需要。

圖9 動模平臺數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure of dynamic simulation digital monitoring system

3.4 裝置試驗

在該動態(tài)模擬平臺上可以開展直流配網(wǎng)相關(guān)智能設(shè)備(如直流斷路器、直流變壓器等)的控制特性、抗干擾等功能性試驗研究和測試檢驗，為柔性直流配電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)提供試驗檢測基礎(chǔ)。在裝置研發(fā)前期，也可以用仿真模擬平臺模擬裝置的電氣特性和動作特性等，接入動態(tài)模擬實驗平臺中留有的接口對其控制特性及動作特性等電氣參數(shù)進行觀察試驗，并據(jù)此對裝置設(shè)計進行相應(yīng)的調(diào)整和完善。

4 結(jié)語

該直流配電實驗系統(tǒng)由仿真模擬平臺和動態(tài)模擬平臺組成。仿真模擬平臺通過純數(shù)字仿真和實時仿真對直流配電系統(tǒng)進行建模仿真研究;動態(tài)模擬平臺包括了直流配電系統(tǒng)典型元件的模擬和控制。這個系統(tǒng)可對柔性直流配電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定控制和故障保護進行理論及試驗研究，并可對柔性直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進行功能性試驗研究，從而推動直流配電網(wǎng)的技術(shù)進步。

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