含光伏的輻射狀直流配電網(wǎng)仿真分析

齊可延

【摘 要】本文基于MATLAB/Simulink工具和VSC技術(shù)搭建了含PV的輻射狀直流配網(wǎng)，并通過(guò)不同電壓等級(jí)的直流母線進(jìn)行單雙極供電，分析了系統(tǒng)各母線節(jié)點(diǎn)電壓電流的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性和諧波含量。仿真結(jié)果表明，所提出的直流配電網(wǎng)是可行的。

【關(guān)鍵詞】直流配電網(wǎng)；環(huán)狀；光伏；分布式電源

【Abstract】In this paper，the MATLAB/Simulink tool and the voltage source converter technology（VSC）are used to build a radial DC power distribution network containing photovoltaic cell（PV）.And through the different voltage levels of the DC bus for unipolar and bipolar power supply.The steady-state and transient characteristics of the voltage and current of the system are analyzed.The simulation results show that the proposed model of the distribution network is feasible

【Key words】DC distribution network；Radial structure；Photovoltaic cell；Distributed power source

0 引言

隨著新能源的發(fā)展，電力電子技術(shù)和直流負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，以及用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的不斷提高，都推動(dòng)著直流配電的發(fā)展。如果家用住宅中普及直流家用電器，僅電能能耗就可以減少2%～9%[1]。同時(shí)直流配電網(wǎng)在接納分布式電源的接入、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、供電可靠性和傳輸容量等方面都好于傳統(tǒng)的三相四線制交流配電網(wǎng)，但目前對(duì)直流配電網(wǎng)的研究主要集中在直流微電網(wǎng)的研究層面，對(duì)于配網(wǎng)層面的研究較少[2-3]。

常見(jiàn)的有環(huán)狀、兩端和輻射狀這三種結(jié)構(gòu)，本文基于電壓源換流器技術(shù)，通過(guò)MATLAB/Simulink搭建單、雙極供電的輻射狀直流配網(wǎng)，詳細(xì)分析了含PV情況下的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性以及電壓電流的諧波畸變率，仿真驗(yàn)證了所提出的直流配網(wǎng)的可行性。

1 輻射狀直流配電網(wǎng)

本文以單個(gè)交流電源的輻射狀直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，如圖1所示：

從圖1可知，直流配電網(wǎng)包含交流電網(wǎng)相連的定直流電壓及定無(wú)功控制VSC、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)相連的定交流電壓控制VSC、變換器相連的交直流負(fù)荷、直接連接在PCC的直流負(fù)荷和直流變換器相連的光伏發(fā)電五個(gè)主要部分。其中PCC處的電壓為DC±375V，換流器為兩電平VSC，調(diào)制方式采用正弦脈寬調(diào)制SPWM，VSC的控制采用文獻(xiàn)[4]中的外環(huán)定直流電壓/定無(wú)功控制和定交流電壓控制。

2 VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及等效原理圖

式中，US：VSC交流母線電壓基頻分量；UC：交流輸出電壓基頻分量；XC：變壓器和相電抗器的等效電抗XC。只需調(diào)節(jié)移相角度δ，就可以控制有功功率的大小和方向，只需控制UC，就可以控制VSC吸收或發(fā)出無(wú)功功率。

3 光伏并網(wǎng)及建模

太陽(yáng)能是一種能量巨大的可再生能源，通過(guò)PV可直接把太陽(yáng)能變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)Boost直流升壓接入直流配網(wǎng)，可提高電池的利用效率，光伏并網(wǎng)示意圖如下：

4 算例分析

為驗(yàn)證含PV的輻射狀直流配電網(wǎng)的可行性，本文通過(guò)MATLAB/Simulink搭建輻射狀直流配網(wǎng)仿真模型，其中交流電壓源為380V/30MVA，系統(tǒng)穩(wěn)定后，送端VSC（整流）交流側(cè)穩(wěn)定輸出有功功率45.01kW，PCC節(jié)點(diǎn)電壓為DC±375V。直流母線BD2和BD9電壓大小為750V，BD1和BD3電壓大小為375V，BD8電壓大小為220V，BD4和BD5電壓大小為110V，BD6和BD7電壓大小為30V。整流側(cè)交流母線電壓BA1和BA2電壓大小為311V。其中無(wú)源網(wǎng)絡(luò)用10kW和20kW的定功率表示，其他交直流負(fù)荷均用40Ω電阻和1kW定功率表示。為保證仿真的準(zhǔn)確性，仿真步長(zhǎng)為5μs，仿真總時(shí)長(zhǎng)為1.25s。

如圖6，輻射狀直流配電網(wǎng)在初始運(yùn)行時(shí)，只有開(kāi)關(guān)K2是斷開(kāi)的，并在0.12s投切10kW的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)系統(tǒng)在0.29s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后在0.8s時(shí)，K2閉合，投切20kW的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用單級(jí)和雙極供電，由于負(fù)極和正極供電電壓大小相等，故本文只分析正極供電和雙極供電各個(gè)母線節(jié)點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)情況下的運(yùn)行分析。如直流母線BD1、BD2、BD4、BD6、BD9和交流母線BA1、BA2的電壓電流的問(wèn)題分析。仿真分析：

如表1，諧波分析基準(zhǔn)頻率為50Hz，系統(tǒng)電壓電流諧波含量均小于5%。系統(tǒng)在0.8s投切20kW負(fù)荷時(shí)，BA1的電流從0.29s時(shí)的50.55A，變?yōu)?.8s 時(shí)的96.71A，整個(gè)暫態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)所有的電壓及其諧波畸變率幾乎未發(fā)生改變，說(shuō)明暫態(tài)并未對(duì)交直流電壓造成波動(dòng)的影響，系統(tǒng)運(yùn)行良好。但是交流側(cè)的電流突然增加，應(yīng)防止VSC內(nèi)部和輸電線路環(huán)流的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建含PV的典型輻射狀直流配網(wǎng)，該配網(wǎng)是多電壓等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)仿真驗(yàn)證，所提出的直流配網(wǎng)是可行的，并得到了寶貴的性能數(shù)據(jù)，為今后直流配電網(wǎng)的研究提供了參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]M.H.Ryu，H.S.Kim，J.W.Baek，H.G.Kim，J.H.Jung.Effective Test Bed of 380-V DC Distribution System Using Isolated Power Converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（7）：4525-4536.

[2]宋強(qiáng)，趙彪，劉文華，曾嶸.智能直流配電網(wǎng)研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（25）：9-19.

[3]劉連光，蔣智化，劉自發(fā).公共直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)研究[J].供用電，2014，12（7）：20-23.

[4]宋強(qiáng)，饒宏.柔性直流輸電換流器的分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[5]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[6]艾芊，鄭志宇.分布式發(fā)電與智能電網(wǎng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：湯靜]