基于分布式电源的直流配电网建模与仿真

杜翼，朱克平，尹瑞，江道灼，王玉芬

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027;2.浙江省电力公司经济技术研究院，杭州市310003)

0 引言

随着城市用电负荷的增长，用户电能质量要求的提高，以及新能源并网的需求，电动汽车产业的发展，原有交流配电网络难以适应新的发展需求。

近年来，电力电子器件和变流拓扑技术的长足发展，交、直流电压形式和电压等级的相互转换已成为现实并已逐步实现了在电力系统中的推广应用。大容量绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等电力电子器件在高压变频、有源滤波和无功补偿等应用场合获得了大量成功的商业应用，接近于配网电压等级的轻型直流输电的研究和工程实践为引入直流配电系统创造了有利条件［1-5］。

文献［6-7］总结了直流配电网的主要优缺点，研究了直流配电网的关键技术，探讨了直流配电网的可行性。本文通过对直流配电网适用于分布式电源接入的特性进行研究，提出一种适用于直流配电网的环状拓扑，接入光伏、燃料电池、小型风机等分布式电源，同时接入含有电压源换流器(voltage source converter，VSC)的电动汽车充放电站。利用PSCAD/EMTDC仿真软件对光伏、燃料电池、小型风机和电动汽车充放电站分别进行建模，同时对直流配电网整个拓扑进行建模仿真，以验证本文提出的环状直流配电网拓扑的可行性与有效性。

1 分布式电源接入直流配电网

随着可再生能源的大规模开发利用，如何将光伏、风机、太阳能等可再生分布式电源有效并网已成为学术界研究的重点。对于大规模接入的分布式可再生能源，由于其地域分散和能量不连续，有功出力具有随机性，如果不加控制往往会引起系统频率偏移。同时，间歇性电源的接入不但会影响稳态电压分布，还会引起系统电压波动，特别是大规模可再生能源并网后，可能导致系统电压越限。由于多数可再生能源实质上是提供直流电，各种储能装置大多也是直流电的形式，通过选择合理电压等级的直流母线，可实现光伏、风机、燃料电池等直流分布式电源的直接并入直流配电网，并可减小风电并网装置的复杂性，提高系统可靠性［8-9］。

1.1 光伏电池接入直流配电网

光伏电池发出的是电压随机波动的直流电，且光伏电池的出口电压相对较低，若想并入交流电网中首先需要经过DC/DC变压器，再经过DC/AC换流器，与此同时还需要增设滤波装置，才能够有效地并入电网，光伏电池并入交流配电网如图1所示。

若是将光伏电池直接并入直流配电网中，则不需要DC/AC换流器和滤波装置，能够有效地节省设备投入，具有较大的经济意义，光伏电池并入直流配电网如图2所示。

图1 光伏接入交流配电网Fig.1 AC grid-connected model of PV

图2 光伏接入直流配电网Fig.2 DC grid-connected model of PV

1.2 燃料电池接入直流配电网

燃料电池并网和光伏并网类似，由于燃料电池出口电压较低，接入交流网络同样需要通过DC/DC变压器、DC/AC换流器和滤波装置，燃料电池并入交流配电网如图3所示。

图3 燃料电池接入交流配电网Fig.3 AC grid-connected model of fuel cell

与光伏电池类似，燃料电池并入直流配电网中，只需要DC/DC变换器，同样节省了DC/AC换流器和滤波装置的投入，燃料电池并入直流配电网如图4所示。

图4 燃料电池接入直流配电网Fig.4 DC grid-connected model of fuel cell

1.3 小型风机接入直流配电网

由于小型风机输出的电压和频率都很不稳定，若并入交流电网则需要AC/DC换流器和DC/AC换流器，再经过滤波装置，小型风机并入交流配电网如图5所示。

图5 风机接入交流配电网Fig.5 AC grid-connected model of wind power unit

若接入直流配电网，首先不需要考虑系统频率问题，极大简化了小型风机的制造成本，简化了换流器架构。其次，只需要通过AC/DC换流器便可接入直流配电网，节省了并网成本和无功补偿设备的投资。最后，接入直流配电网也无须考虑风电场低电压穿越等问题，增加了风能的利用率，小型风机并入直流配电网如图6所示。

图6 风机接入直流配电网Fig.6 DC grid-connected model of wind power unit

1.4 电动汽车充放电站接入直流配电网

随着电动汽车技术的迅速发展，未来将会有大规模的电动汽车并入电网［10-14］。像许多分布式电源一样，电动汽车并入电网同样需要DC/DC变压器，再经过DC/AC换流器，研究表明:经电动汽车转化后的电能含有大量的谐波，因此同样需要增设滤波装置，电动汽车充放电站并入交流配电网如图7所示。

图7 电动汽车接入交流配电网Fig.7 AC grid-connected model of vehicle charging and discharging station

由于电动汽车中的能量以直流的形式输入与输出，电动汽车接入直流配电网中，不但能够减少DC/AC换流器和滤波装置，同时能够作为储能设备，进一步节省了投资，电动汽车充放电站并入直流配电网如图8所示。

图8 电动汽车接入直流配电网Fig.8 DC grid-connected model of vehicle charging and discharging station

2 直流配电网拓扑结构

2.1 常见的直流配电网拓扑

目前国内外有关直流配电网及其工程化应用的研究均处于起步阶段，尚未形成系统的直流配电网结构。文献［15］、文献［16］提出了2种基于VSC换流器的直流配电网结构。类似于交流配电网，直流配电网常见的拓扑结构为:两端直流配电系统和环状直流配电系统，分别如图9、图10所示。

图9 两端直流配电网结构Fig.9 Two-terminal structure of DC distribution network

图10 环状直流配电网结构Fig.10 Ring structure of DC distribution network

与交流配电网类似，两端直流配电系统结构相对简单，成本较低，所以其供电可靠性相对环状系统较低，但发生故障时，其识别及保护控制配合等相对容易;环状网络由于有直流母线在其中，所以其供电可靠性相对较高，但故障识别及保护控制配合等也相对困难。在实际的直流配电网中，可以根据当地的实际情况包括可靠性等要求，选取不同的拓扑结构。

2.2 基于分布式发电的环状直流配电网结构

由于直流配电网目前仍处于研究阶段，直流配电网初期会涉及的用户主要为对电能质量要求相对较高的用户:如芯片制造厂商等。因此，本文的直流配电网拓扑结构是在环状直流配电网拓扑的基础上构建而成。

文献［6］和文献［7］给出直流配电网电压选取的一些方法，综合考虑光伏发电、燃料电池、小型风机的发电能力和电动汽车充放电站的功率及其占地面积等原因，本文选取2个电压等级:1kV和10kV。

本文构建的直流配电网拓扑与3个交流系统端口相连接，交流系统通过含有VSC换流器的电动汽车充放电站与直流配电网相连接，可以通过控制电动汽车充放电站的充放电来控制交流系统与直流系统之间的功率流动;家用负荷、光伏电池的功率流动较小，一般为几百W，因此并入1kV网络;小型风电场、电动汽车充放电站和工业负荷由于功率流动较大，因此可以并入10kV网络。综上所述，本文提出的双层环状直流配电网的拓扑如图11所示。

图11 双层环状直流配电网结构Fig.11 Double-ring structure of DC distribution network

3 建模仿真

3.1 仿真模型建立

分别对分布式电源中的光伏电池、燃料电池和小型风机进行建模［17-19］，根据2.2节提出的直流配电网的拓扑，整个双层环状直流配电网仿真拓扑如图12所示。

1kV的直流配电网通过直流变压器与10kV的直流配电网相连接;交流配电网电压等级均为10kV，3个10kV的交流配电系统通过3个含有VSC换流器的电动汽车充放电站与10kV的直流配电网相连接;交流配电网1与交流配电网2通过双回路的架空线连接。

图12 仿真模型Fig.12 Simulation model

其中电动汽车充放电站3作为整个直流配电网的稳压节点，采用定电压控制策略，用于控制整个直流配电网的电压，类似交流网络中的Vθ节点。直流配电网与交流配电网的有功功率通过电动汽车充放电站1和电动汽车充放电站2进行交换。仿真模型中各个模块的具体参数，如表1所示。

表1 仿真模型参数Tab.1 Parameters of simulation model

在1kV的直流配电网中，将分散在城区各处的光伏发电等效为一个光伏发电并网模型，一共20组光伏电池，最大功率为200 kW;设家用直流负荷最大容量为150 kW，仿真模型中也用一个家用直流负荷等效。

在10kV的直流配电网中，设有15台功率在400 kW的小型电场，在模型中用一个小型风电场等效;有燃料电池35组，每组功率为100 kW，在模型中也等效为一个接入点;工业直流负荷650 kW，采用一个并网的工业直流负荷等效。

3.2 正常工况仿真分析

整个系统的仿真模型如图12所示，系统各模型参数如表1所示，利用PSCAD/EMTDC对系统进行仿真，仿真时间为15 s，选取系统稳定后3～15 s作为研究对象，仿真步长为100 μs，设置仿真期间光照强度、环境温度和风速的变化如图13所示。

图13 环境因素的变化Fig.13 Changes of environmental factors

直流配电网中的光伏发电输出功率、燃料电池输出功率和小型风机输出功率如图14所示。

图14 分布式发电的输出功率Fig.14 Output power of distributed generation

设置家用直流负荷需求150 kW，工业直流负荷需求625 kW，电动汽车充放电站1的起始功率为2 500 kW，并根据直流配电网中的分布式发电情况改变，电动汽车充放电站2和电动汽车充放电站3的功率分别为3 250 kW和1 000 kW。整个直流配电网电气量的变化如图15所示。

图15 直流配电网中电气量的变化Fig.15 Changes of electrical volume in DC distribution network

由仿真图形可知:随着环境因素的改变，光伏和风机的发电量都有较大的变化。但是在此过程中，整个直流配电网电压稳定在10kV和1kV，电压波动小于2%。民用负荷、工业负荷和3个电动汽车充放电站所用功率设定值都相同(电动汽车充放电站1功率在8.5 s上升的原因在3.4节做出了说明)，波动小于2%，不受环境变化的影响。

3.3 交流配电网运行仿真分析

随着外界环境变化，各种分布式电源发电的改变，直流配电网系统通过电动汽车充放电站与交流配电网进行能量交换。为了验证直流配电网能对交流系统进行无功补偿，设置在9 s和11 s，交流配电网1和交流配电网3需要无功500 kvar和300 kvar。电动汽车充放电站输出的无功功率如图16所示。

图16 电动汽车充放电站的无功变化Fig.16 Reactive changes of electric vehicle charging and discharging station

根据图16可得:在9 s时，直流配电网通过电动汽车充放电站1向交流配电网1提供无功功率500 kvar;在11 s时，直流配电网通过电动汽车充放电站3向交流配电网3提供无功功率300 kvar。

3.4 直流配电网运行状态仿真分析

随着外界环境的不断变化，分布式电源发电总量在不断变化。分布式电源的发电总量和直流配电网直流负荷需求总量如图17所示。

图17 直流配电网的供需情况Fig.17 Supply and demand of DC distribution network

本文构建的直流配电网仿真模型在3～5 s时，分布式电源的发电量和直流负荷的需求量相等，此时直流配电网和交流系统没有能量交换，相当于直流配电网独立运行。在5～7.5 s时，分布式电源的发电量不足，直流负荷需求大于分布式电源的发电量，电动汽车充放电站1和电动汽车充放电站2中的VSC工作在整流状态，直流配电网并网运行，由交流配电网向直流配电网提供不足的能量。在7.5～15 s时，随着分布式电源的发电量逐步增加，分布式电源的发电量已经能够满足直流负荷的需求。在8.5 s时电动汽车充放电站1和电动汽车充放电站2投入新的蓄电池，分布式电源发电所产生多余的电量给电动汽车充放电站中新投入的蓄电池充放电，等同于增加直流负荷。当电动汽车充放电站1和电动汽车充放电站2达到最大的充放电功率时，直流配电网通过电动汽车充放电站1和电动汽车充放电站2中的VSC向交流配电网反馈多余的电能，VSC工作在逆变状态。直流配电网并网运行，由直流配电网向交流配电网提供富余的电能。具体运行情况如表2所示。

表2 系统运行状态Tab.2 Running state of system

4 结论

(1)本文论述了相对于接入交流电网，光伏电池、燃料电池、小型风电场等分布式电源和电动汽车充放电站并入了直流配电网具有很大的经济意义，同时能够提高电能质量。

(2)本文通过比较不同直流配电网拓扑的特点，提出了一种基于分布式电源和接入电动汽车充放电站的直流配电网的拓扑，能够最大化利用分布式电源发电，同时节约储能设备的投资。

(3)利用PSCAD/EMTDC对模型进行仿真，论述了在正常工况下直流配电网各级电压和各个直流负荷都在设定的功率下运行，不会随着分布式发电量的不同而有很大的波动。

(4)含有电动汽车充放电站的直流配电网能够调节交流系统的潮流，并且根据分布式电源发电与负荷需求的情况与交流系统进行能量的传递。

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