含光伏的辐射状直流配电网仿真分析

齐可延

【摘 要】本文基于MATLAB/Simulink工具和VSC技术搭建了含PV的辐射状直流配网，并通过不同电压等级的直流母线进行单双极供电，分析了系统各母线节点电压电流的稳态及暂态特性和谐波含量。仿真结果表明，所提出的直流配电网是可行的。

【关键词】直流配电网；环状；光伏；分布式电源

【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

随着新能源的发展，电力电子技术和直流负荷的广泛应用，以及用户对电能质量和供电可靠性的不断提高，都推动着直流配电的发展。如果家用住宅中普及直流家用电器，仅电能能耗就可以减少2%～9%[1]。同时直流配电网在接纳分布式电源的接入、环保、经济、供电可靠性和传输容量等方面都好于传统的三相四线制交流配电网，但目前对直流配电网的研究主要集中在直流微电网的研究层面，对于配网层面的研究较少[2-3]。

常见的有环状、两端和辐射状这三种结构，本文基于电压源换流器技术，通过MATLAB/Simulink搭建单、双极供电的辐射状直流配网，详细分析了含PV情况下的稳态和暂态特性以及电压电流的谐波畸变率，仿真验证了所提出的直流配网的可行性。

1 辐射状直流配电网

本文以单个交流电源的辐射状直流配电网为研究对象，如图1所示：

从图1可知，直流配电网包含交流电网相连的定直流电压及定无功控制VSC、无源网络相连的定交流电压控制VSC、变换器相连的交直流负荷、直接连接在PCC的直流负荷和直流变换器相连的光伏发电五个主要部分。其中PCC处的电压为DC±375V，换流器为两电平VSC，调制方式采用正弦脉宽调制SPWM，VSC的控制采用文献[4]中的外环定直流电压/定无功控制和定交流电压控制。

2 VSC的拓扑结构及等效原理图

式中，US：VSC交流母线电压基频分量；UC：交流输出电压基频分量；XC：变压器和相电抗器的等效电抗XC。只需调节移相角度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吸收或发出无功功率。

3 光伏并网及建模

太阳能是一种能量巨大的可再生能源，通过PV可直接把太阳能变为直流电，再经Boost直流升压接入直流配网，可提高电池的利用效率，光伏并网示意图如下：

4 算例分析

为验证含PV的辐射状直流配电网的可行性，本文通过MATLAB/Simulink搭建辐射状直流配网仿真模型，其中交流电压源为380V/30MVA，系统稳定后，送端VSC（整流）交流侧稳定输出有功功率45.01kW，PCC节点电压为DC±375V。直流母线BD2和BD9电压大小为750V，BD1和BD3电压大小为375V，BD8电压大小为220V，BD4和BD5电压大小为110V，BD6和BD7电压大小为30V。整流侧交流母线电压BA1和BA2电压大小为311V。其中无源网络用10kW和20kW的定功率表示，其他交直流负荷均用40Ω电阻和1kW定功率表示。为保证仿真的准确性，仿真步长为5μs，仿真总时长为1.25s。

如图6，辐射状直流配电网在初始运行时，只有开关K2是断开的，并在0.12s投切10kW的无源网络，此时系统在0.29s时达到稳定状态，然后在0.8s时，K2闭合，投切20kW的无源网络。系统采用单级和双极供电，由于负极和正极供电电压大小相等，故本文只分析正极供电和双极供电各个母线节点在稳态情况下的运行分析。如直流母线BD1、BD2、BD4、BD6、BD9和交流母线BA1、BA2的电压电流的问题分析。仿真分析：

如表1，谐波分析基准频率为50Hz，系统电压电流谐波含量均小于5%。系统在0.8s投切20kW负荷时，BA1的电流从0.29s时的50.55A，变为0.8s 时的96.71A，整个暂态过程中，系统所有的电压及其谐波畸变率几乎未发生改变，说明暂态并未对交直流电压造成波动的影响，系统运行良好。但是交流侧的电流突然增加，应防止VSC内部和输电线路环流的发生。

5 结语

本文基于MATLAB/Simulink平台搭建含PV的典型辐射状直流配网，该配网是多电压等级的网络。通过仿真验证，所提出的直流配网是可行的，并得到了宝贵的性能数据，为今后直流配电网的研究提供了参考。

【参考文献】

[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]宋强，赵彪，刘文华，曾嵘.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：9-19.

[3]刘连光，蒋智化，刘自发.公共直流配电网的电压等级研究[J].供用电，2014，12（7）：20-23.

[4]宋强，饶宏.柔性直流输电换流器的分析与设计[M].北京：清华大学出版社，2015.

[5]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版社，2014.

[6]艾芊，郑志宇.分布式发电与智能电网[M].上海：上海交通大学出版社，2013.

[责任编辑：汤静]