南京长江都市设计股份有限公司 刘 珈

学校建筑人员密集，其中低压直流配电系统在应用时，通常情况下选择的供电方式为分段供电，因此其则面临运行模态转换问题，除此之外，其用量需求较大，并存在诸多需要长期供电的设备，也导致电负荷较大。因此，学校建筑配电网安全运行是主要原则。中低压直流配电系统是由多个供电单元完成供电，导致供电系统的冗余较多。该系统可实现两种电压直流母线之间的连通，分别为中压和低压，极大程度增加了系统内电压控制的灵活性，同时也导致控制的复杂程度提升[1]。学校建筑为多层建筑，并且学校自身特殊性质导致学校的用电设备较多，用电量较大，电力系统相对较为复杂，中低压直流配电系统自身作为分布式电源、并网逆变器以及多种负荷的集成系统，为保证其稳定运行，需关注和保障运行时每一个供电部分的有效协调控制[2]。并且，电力系统通常采用多等级、多母线等，分别对应电压和直流。直流变压器作为系统实现互联的重要依据，电压等级的变化等，均对系统安全运行造成一定程度风险，尤其在运行状态发生变化情况下，系统的控制难度则明显提升[3]。

本文以中低压直流配电系统运行特点为依据展开研究，为保证该系统在运行状态实行切换过程中，有效、稳定以及可靠控制，研究学校建筑电气中低压直流配电系统运行的关键技术，提升对系统的可控程度，降低控制难度，保证配电系统的稳定运行。

1 学校建筑电气中低压直流配电系统关键技术

1.1 中低压直流配电系统分散式统一控制策略

直流变压器是该配电系统中实现中低压直流母线的互联的依据，并且该系统运行状态的切换即为中低压电流的切换[4]，因此，有效控制直流变压器，则可保证中低压直流切换时的稳定，实现配电系统的有效控制。

1.1.1 控制策略原理

该策略的实现，需和下垂控制单元同时设计；差异化电压等级是母线的典型特点，且属于中低压直流[5]，采取标幺化对其实行处理，则得出：

式中：标幺值用VM，dc，nom、VL，dc，nom、表示，取值范围为[-1，1]，均属于母线电压偏差，前者对应中压直流、后者对应低压直流；VM，dc、VL，dc表示直流电压，前者对应中压、后者对应低压，其各自的上限分别为VM，max和VL，max、下限分别为VM，min和VL，min；两者的额定电压为和、。

电压存在数个运行区间，属于直流母线，其下垂控制需分阶段完成，随机选取该母线上的某一个区间，中低电压的上、下限分别用VM，up和VL，up、VM，down和VL，down，则得出：

为获取下垂系数，属于标幺化且为每一个电源模块，以公式（1）为依据，对公式（2）实行处理后得出；直流母线的标幺化下垂系数，即为上述结果的求和：

式中：电源模块数量分别用NM和NL表示，两者均为相同电压区间内，属于下垂控制，对应中、低压直流母线。

WT表示传输功率，属于变压器，且为直流；依据正方向的传输标准，完成直流母线传输，且由低压传送至中压[6]，则得出：

式中：总负荷功率为WM，load、WL，load，分别对应中、低压直流母线；总输出功率用WM，cpc、WL，cpc表示，均属于电源模块，且在恒功率控制下，分别对应中、低压直流母线，其可用于描述功率，且为非正负荷[7]。则对变量实行相关定义，为：

依据上述公式即可得出电压偏差的差，母线标幺化公式为：

实行变量定义：

将公式（7）实行简化后得出：

式中：差异程度用ΔS、ΔD表示，分别对应直流母线之间的供、需，且各自对应中、低压。

分析公式（8）可知，ΔS、ΔD与直流变压器传输功率存在直接关联，配电系统的整体功率均衡时，需ΔS=0。

1.1.2 控制器设计

对下垂曲线实行扩张，是保障功率双向传输的手段，且属于直流变压器，其扩展公式为：

式中：下垂系数、最大输出功率分别用kT、表示，均属于直流变压器。

依据公式（8）对控制环节实行改进，形成移位控制，其公式为：

式中：传递函数用GPI表示，其属于PI控制器。

传输功率的调控，通过移动电压下垂曲线完成，其属于直流变压器[8]；保证配电系统均衡程度，其属于整体功率，需使ΔS=0。基于此，可通过公式（11）描述统一控制策略：

在移位过程中，通过增加限幅环节来避免过渡现象的发生，其取值范围用[-（VM，max-VM，min），VM，max-VM，min]表示，脉宽调制为PWM，统一控制策略框架如图1所示。

图1 策略框架

该控制策略的最终目的为实现多种控制模式的整合，形成单一的控制回路。系统整体功率均衡的实现，是通过将电压下垂曲线实行移动ΔVM，dc完成，且为电压控制单元不存在异常运行状态，直流变压器运行在功率控制模式下，均处于中低压直流母线上[9]。当其中电压控制单元发生故障，为保证故障母线电压稳定，且为电压控制单元，VL，dc，nom和VM，dc，nom实行相互跟踪，对传输功率的大小实行调节，保证当下运行的控制模态为直流母线电压控制[10]。

综上所述，可实现文中配电系统的控制，可在简单的控制结构下，保证配网系统的一体化控制的有效性。

1.2 中低压直流配电系统的有源阻尼补偿器

采用统一控制策略控制中低压直流配电系统时，为避免谐振的发生对系统造成影响，甚至导致电压崩溃，为保证控制策略在控制时电压的正常，进而保证控制的可靠性，设计有源阻尼补偿器，对控制过程中产生的谐振实行有效抑制和消除，保证统一控制的效果[11]。

有源阻尼信号通过直流电压表示，将其引入控制环内，其属于线路调节变流器（line regulating converter，LRC）。有源阻尼补偿器可实现LRCs在输出时抗阻的减小，同时，可使频率响应ZSo（s）的相位增加，改变LRCs端口特性，使其转变成感性特性，并且保证CPLs（constant power load，恒功率负载）特性不发生变化，其属于端口，以此实现谐振回路的消除，使配电系统谐振稳定性提升[12]。

阻抗的输入和输出为：

式中：φ1和φ2相位，属于抗阻，分贝对应输出和输入；RSo、Rin分别表示阻性部分，其属于阻抗，前者对应输入，后者对应输出；Yin（s）表示电流源；Lin表示感性部分，属于输出抗阻。

通过公式（13）表示系统特征方程，为：

此时，配电系统的分母降为一阶系统，因此，不会发生谐振现象。

2 测试分析

为验证本文研究的中低压直流配电系统关键技术的优势和应用性，以某高校建筑的中低压直流配电系统作为实例对象，采用MATLAB/Simulink仿真软件模拟其中低压直流配电系统模型用于完成相关测试分析。

在配网系统并网运行、低压储能故障、中压负荷功率波动以及运行模态转换四种情况下，随机加入负荷功率，测试采用本文技术实行控制后，低中压母线电压变化结果，以此衡量本文技术的优劣，结果如图2～图5所示。

图2 并网运行情况下测试结果

图3 低压直流母线功率波动时测试结果

图4 中压直流母线功率波动时测试结果

图5 模态转换运行测试结果

根据图2～图5的测试结果可知：在并网运行情况下，当运行时间为1.0s时，向中压直流母线中分别加入负荷功率后，电压发生骤降，低于9.5kV，本文技术对其实行控制后，其在1.1s时即完成控制后，中压直流母线电压恢复平稳；在1.0s和1.5s时也向低压直流母线中加入不同程度负荷功率，电压也随之发生变化，文本技术在电压发生变化后对其实行控制后，电压恢复平稳。除此之外，分别在低压和中压直流母线功率波动运行情况下，采用相同方式在不同的运行时间内，加入不同的负荷功率后，本文技术依旧可完成电压控制，使其恢复平稳；即使在模态转换运行时，加入负荷功率，本文技术依旧可完成电压恢复，并可保证模态转换后的正常运行。该结果均表明文本技术有效实现中低压直流配电系统的整体功率均衡，实现中低压直流配电系统分散式统一控制。

为测试本文技术在实现中低压直流配电系统分散式统一控制过程中对电压谐振的抑制效果，在运行时间为4.5s时，将负载扰动加入配电系统中，由于篇幅原因，仅以低压直流为例，产生谐振。测试有源阻尼补偿和没有补偿情况下，母线电压波动变化情况，测试结果如图6所示。

根据图6测试结果可知：负载扰动发生后产生的激励谐振，没有采取有源阻尼补偿则无法更好地抑制谐振的对电压造成的波动影响；采用有源阻尼补偿可0.7s内完成谐振的衰减和抑制，保证母线电压波动平稳，使系统的阻尼显著提升，直观体现文本技术的有效性。

图6 有源阻尼补偿前后的结果

3 结论

本文研究学校建筑电气中低压直流配电系统关键技术，有效控制系统的运行状态。经测试，本文所研究的技术，可在学校建筑电气中低压直流配电系统不同的运行情况下，完成电压有效控制，保障该配电系统的整体功率均衡水平，并可快速完成谐振的衰减和抑制。

由于时间和篇幅关系，针对本文技术在应用测试方面存在一定不全面性，下一步的工作将对本文技术应用的全面性展开相关测试，例如配电网通信性能、保护性能等，完善技术全方面应用测试结果。