齐可延，邹晓松，胡 晟，成 峰，陈 磊，袁旭峰，熊 炜

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

含光伏的环状直流配电网仿真分析

齐可延，邹晓松*，胡 晟，成 峰，陈 磊，袁旭峰，熊 炜

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

构建合理的直流配电网络是发展直流配电的首要任务，并随着电力电子技术的日趋成熟，直流配电成为可能。本文基于电压源换流器技术，提出了一种含光伏的环状直流配电网，通过采用单极和双极供电的形式，分析了系统的稳态和暂态特性，并通过合理布置直流滤波装置，减小系统的谐波。仿真结果表明，提出的配电网模型及解决谐波的方法是可行的。

直流配电网；光伏；分布式电源；环状

环境问题和能源问题的日益凸显，也对清洁的电能提出了更高的要求，而配电网作为分配传输电能的主要通道，又是直接面向用户，和人们日常的生活紧密相关，尤其对于复杂的配电网，如何保证高的电能质量、提高系统安全可靠性及运行效率等问题，都应进行合理的研究分析。近年来，随着电力电子技术、分布式电源和直流(或可控)负荷的快速发展，传统的交流配电网所面临的问题变得日益突出，很难满足用户的需求。而直流配电网具有很好的经济及技术优势，如在节能损耗、传输容量、减少供电走廊和提高电能质量等方面都比传统的交流配电网具有优势，又适合分布式电源的接入，为未来新一代配电网的发展提供了方向[1-4]，引起了人们的广泛关注。

特别是柔性直流输电技术的成熟，使柔性直流配网的发展成为了可能。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[5]。常见的有辐射状、两端状和环状三种常见的直流配网结构，其中环状直流配电网可靠性高，但控制复杂。当采用环状结构时，如果线路发生短路故障，在缺乏实用的直流断路器的情况下，只能将全部线路停运，极大地降低了系统的可靠性[6]。

目前直流电已应用于通信[7，8]、舰船[9]、油井[10]、铁路[11]等领域。但没有环状、两端和辐射状这三种直流配电网的应用实例，国内多处于仿真实验研究阶段，如利用PSCAD/EMTDC搭建直流配网仿真模型[6]和利用RT-LAB搭建的四端柔性直流配电网[12]，均未明确指出是单极供电还是双极供电，也未考虑当采用双极供电所造成环流问题以及直流谐波对系统影响。而本文通过MATLAB/Simulink搭建多端的环状直流配网，采用单极和双极同时供电，通过直流滤波装置可以很好地解决直流谐波问题，并通过使用断路器将直流配电网的线路进行合理的分段运行，仿真结果表明了该方法可以很好地提高系统的可靠性，又增加了系统的灵活性，证明了所提出的直流配网是可行的。

1 多端环状直流配电网

本文以单个交流电源的环状直流配电网为研究对象，该配电网是具有多个电压等级，可以柔性接入交直流负荷和分布式电源的网络。直流配电网的构成如图1所示。

从图1可知，该配电网是含分布式电源的环状结构，包含DC 750 V和DC 375 V直接供电电压或经变换器降压为DC 220 V双极供电电压和DC 110 V单极供电电压，其中无源网络通过两电平的电压源换流器(voltage source convert，VSC)与直流线路并联，光伏电池(photovoltaic cell，PV)通过升压Boost电路并入配电网，DC和AC负荷可以通过变换器进行电能传输，而DC负荷还可以直接有直流线路进行电能分配。

图1 多端环状直流配电网

该配电网示意图中有8个断路器共分成了8个配电区域，如上图，只给出了2和4、3和5配电区域的负荷示意图，其他配电区域未给出。如果某个区域发生故障或需要检修，则可以通过断开断路器使该配电区域退出运行，不影响其他区域的正常用电，提高了配电网供电的灵活性。

2 两电平VSC基本结构及控制策略

VSC具有多种结构，常见的有两电平、三电平和多电平(如：MMC)。本文配电网采用两电平的VSC，调制方式为正弦脉宽调制SPWM。基本结构如图2：

图2 基于SPWM调制的两电平VSC结构示意图

其中，VSC交流母线电压基频分量Us与交流输出电压基频分量Uc共同作用于联结变压器和相电抗器的等效电抗Xc，并决定VSC与交流系统间交换的有功功率P和无功功率Q分别为式(1)和(2)：

(1)

(2)

由上式可知：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[13]。其中，本文的送端VSC采用外环定直流电压/定无功控制，与无源网络并联的受端VSC采用定交流电压控制[14]。

3 光伏电池模型及负荷模型

3.1 光伏电池模型

PV具有清洁环保、高效等优点，还可直接把太阳能变为直流电，通过直流变换装置可直接并入直流配电网，大大提高了光伏发电的利用效率，由文献[15]可知光伏电池模型(图3)：

图3 光伏电池等效电路

(3)

式中：Iph是单晶硅的光电流强度；Ios是电池反向饱和电流；q是电子电荷，q=1.602×10-19C;U是单个PV的输出电压；I是单个PV的输出电流；Rs是电池的等效串联电阻；Rsh是电池的等效并联电阻；α是为P-N结理想因子，常取值1～1.5；k是波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T是电池温度。

3.2 负荷模型

直流配电网的负荷节点较多，为了方便验证所提出的配电网的可行性，本文的直流负荷被简化为4个8 Ω电阻和3个1 kW、1个10 kW、1个20 kW定功率表示，通过DC/DC变换器或直接通过直流线路进行电能分配。无源网络等效为交流负荷模型，用10 kW定功率表示，通过VSC进行电能的分配，并在0.29 s后系统处于稳态情况下，在0.8 s通过断路器投切20 kW交流负荷，观察对系统的影响。

4 仿真算例的分析

为验证含PV的环状直流配电网的可行性，本文通过MATLAB/Simulink搭建多端的环状直流配网仿真模型，其中交流电压源为380 V/30 MVA，送端VSC(整流)交流侧稳定输出有功功率44.58 kW，其直流母线BD1和BD2电压大小为750 V，BD4、BD6、BD7和BD9电压大小为375 V，BD3为220 V，BD5和BD8为110 V，整流侧交流母线BA1和逆变侧交流母线BA2的电压大小为311 V。为保证仿真的准确性，仿真步长为5 μs，仿真总时长为1.25 s。

如图4所示，系统正常运行时，联络开关S1和S2是断开的，其中K3和S1、K14和S2不能同时闭合。

仿真分析：系统初始运行时，联络开关S1和S2、断路器K13均断开。无源网络在0.12 s时投切，在0.29 s后系统达到稳态，并在0.8 s突然闭合K13，观察对系统的影响，并分析直流母线和交流母线电压和电流的谐波和波动情况。

BD1、BD2和BD3双极供电分析如图5所示。

在0.29 s后，系统处于稳定状态，BD1和BD2、BD3直流母线电压分别接近750 V、220 V，由于线路的压降，使得母线BD2的电压略低。在0.8 s投切K13，对母线电压电流几乎没有影响。图中分析了在0.29～1.25 s时的电压电流谐波畸变率，其谐波分量几乎为零。投切K13，对母线电压电流几乎没有影响。

BD4和BD5正极供电分析见图6。

图4 环状直流配电网算例系统电路图

图5 BD1、BD2、BD3电压波形及BD3电流波形

图6 BD4、BD5电压波形及BD5电流波形

如图6，分析了BD4、BD5在0.29～1.25 s时的电压电流谐波畸变率。BD4、BD5直流母线电压分别接近375 V、110 V，其中BD5因离电源点远，又经直流换流器接入，谐波有所增加，但其电压电流畸变率仍小于1%。可见，随着负荷离电源越远，电流电压发生畸变的情况可能会加大，所以应合理接入滤波装置。

BD7和BD8负极供电分析如图7所示。

如图7，分析了BD7、BD8在0.29～1.25 s时的电压电流谐波畸变率。由于负极供电和正极供电的负荷类同，其电压大小及畸变率几乎相等，但要注意，每极的负荷应该均衡，避免有一极过负荷运行。

BA1和BA2供电分析见图8。

如图8，交流母线BA1电压为311V，一直处于稳定状态，在0.29 s系统达到稳定后，BA1的电流为51.14 A，在0.8 s突然闭合开关K13，接入20 kW的负荷后，其电流升至为95.72 A，电流畸变率小于3%；在0.12 s受端VSC接入10 kW的无源网络，0.15 s后，BA2电压一直处于稳态值311 V，其电流在0.8 s闭合开关K13前后，由21.45 A变为64.82 A，畸变率小于2%。说明系统发生暂态后，并未对交流电压的稳定产生影响。

图7 BD7、BD8电压波形及BD8电流波形

图8 BA1、BA2电压及电流波形

PV并网电压分析(图9)：

图9 PV电压波形

PV经Boost升压电路接入直流配网，在0.58 s后，电压谐波含量小于1%，其输出电压稳定在365 V左右，和直流母线BD4(电压为375 V)的电压差百分比为2.67%，小于电压波动±5%要求。由图9知，在0.8 s投切20 kW负荷前后，PV输出电压稳定。

5 结论

配网由于结构复杂，并随着直流及敏感性负荷越来越多的接入，对电能质量提出了更高的要求，如何避免电压暂降，减少系统的谐波，都需要进行充分的考虑。本文基于MATLAB/Simulink仿真平台，有针对性地搭建了含PV的多端环状直流配电网，重点分析了单、双极供电情况下的稳态及暂态特性，通过接入交、直流滤波装置，减少谐波对系统的影响，并用断路器将直流配电网分成多个配电网区域，从而提高系统配电的灵活性。仿真结果表明，所提出的直流配电网模型和方法是可行的。本文基于这次得到的性能数据，将进一步进行优化，为今后多端直流配网的研究提供参考。

[1] A. M. Abbas，P. W. Lehn. A unified power delivery solution for integrating DER into distribution networks through VSC based DC system [C]. Alberta，Canada：IEEE Power & Energy Society General Meeting， 2009: 1-6.

[2] Tomislav Dragicevic， Juan C. Vasquez， Josep M. Guerrero，et al. Advanced LVDC Electrical Power Architectures and Microgrids: A step toward a new generation of power distribution networks [J]. IEEE Electrification Magazine， 2014， 2(1):54-65.

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

[5] 宋强，赵彪，刘文华，等. 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.

[6] 杜翼，江道灼，尹瑞，等. 直流配电网拓扑结构及控制策略[J]. 电力自动化设备，2015， 35(1):139-145.

[7] 侯福平，孙文波，刘宝贵，等. 通信用240V直流供电系统[M]. 北京：人民邮电出版社，2014.

[8] P. Nuutinen，A. Pinomaa，J. P. Stro-m，T. Kaipia，P. Silventoinen. On Common-Mode and RF EMI in a Low-Voltage DC Distribution Network [J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2014， 5(5):2583-2592.

[9] Sandeep Yeleti， Yong Fu. Load flow and security assessment of VSC based MVDC shipboard power systems [C]. Boston：North American Power Symposium (NAPS)， 2011:1-7.

[10] 胡启智. 油井直流配电系统项目研究[D]. 东营：中国石油大学(华东)，2010.

[11] F. S. Sutil， J. C. Hernández， P. G. Vidal. Smart DC node to recharge electric vehicles from PV power， electric railway systems and secondary distribution network: Assessment of fault currents [C]. Copenhagen:Developments in Power System Protection (DPSP 2014)， 12th IET International Conference， 2014:1-6.

[12] 季一润，袁志昌，孙谦浩，等. 柔性直流配电网典型运行方式及切换方法[J]. 南方电网技术，2016， 10(4):8-15.

[13] 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.

[14] 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.

[15] 钱军，李欣然，王玲，等. 面向负荷的光伏电池和燃料电池建模及其等效描述[J]. 电网技术，2011， 35(4):135-142.

(责任编辑：曾 晶)

Simulation Analysis of Ring DC Power Distribution Network with PV

QI Keyan， ZOU Xiaosong*， HU Sheng，CHENG Feng， CHEN Lei， YUAN Xufeng， XIONG Wei

(College of Electrical Engineering，Guizhou University， Guiyang 550025， China)

Constructing a reasonable DC distribution network is primary task of the development of DC power distribution system. With the development of power electronics technology， DC power distribution becomes possible. Based on the voltage source converter (VSC) technology， ring structure for DC power distribution network containing photovoltaic cell (PV) was proposed. The steady-state and transient characteristics of the system was analyzed by using unipolar and bipolar power supply，then by means of reasonable arrangement of the DC filter， the harmonic of the system was reduced. The simulation results show that the proposed model of the distribution network and method of harmonic solution are feasible.

DC distribution network; photovoltaic cell; distributed power source; ring structure

1000-5269(2016)06-0033-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.09

2016-07-14

国家自然科学基金项目(51667007)；2016年贵州大学校立研究生创新基金项目(研理工2016061)

齐可延( 1989-) ，男，在读硕士，研究方向：电力系统运行与控制，Email：kyan26@163.com.

*通讯作者： 邹晓松，Email：zouxs@mail.xjtu.edu.cn.

TM727

A