交直流混合配电网的仿真

葛娟

东枫源电力有限公司 

摘要

近几年，我国电力市场的迅速发展，以及我国的现代化城市的迅速发展，使得电力系统在电力系统中的容量和类型日益增多。同时，由于直流配网具备提高供电容量、改善供电质量、便于分布式电源和 DC负载的联接等诸多优点而备受国内外专家和学者的重视，而在传统的电力系统中，发展出许多优点的直流配电己经成为了今后的电力系统的发展方向。本文提出了一种混合电力系统相结合的电力系统。采用 Matlab/Simulink模拟平台建立了一个简单的交直流混合电力网络模拟模型，并根据其设定的各种工况，对该模型进行了模拟和操作，并对该网络的网络架构及控制方案进行了验证。模拟实验证明， VSC连接于 AC线，能够有效地提高电网的电压分配，提高电网的电源品质；。

关键词：交直流混合；配电网；Matlab仿真

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着我国城市的快速发展，电力系统的运行范围越来越广，电力系统的运行成本也越来越高，电力系统的运行成本也越来越高，电压的变化也越来越明显。与此同时，电力系统的容量越来越大，对电力系统容量的需求也越来越大。在已有比较完善的应用技术的情况下，太阳能电池和太阳能电池的输出均为DC/DC/AC型逆变器，而风电机组所产生的电力必须通过AC/DC/AC转换来实现。而目前的超导体磁蓄能设备，如超导体磁蓄能（SMES)，大部分都是DC/AC转换后的直流电源。由于现有的输电线路中，有许多的换向环节，采用这种方式不仅会导致电力系统的耗电、设备的投入，而且还会带来较多的谐波污染，从而对电力系统的供电品质带来一定的不利影响，由于国内电力市场主要采用的是交变辐射式的电力分配网络，其基础设施和电力设备的设计与建造均采用了AC电力，所以要将原有的电力网络转换成DC电力网络，将会经历一个相当长的时间。交、直流混配网是一种既有AC又有DC两种分配方式的新型电力系统，可以实现从AC到DC的平稳过渡。因此，对交变配电网络进行深入的探讨和分析，是非常有实用价值的。

1.2 国内外研究现状

在电网初期，直流输电是主要的分配手段，但由于技术条件的制约，直流输电线路电压等级低，传输容量小，因此交流输电已逐步替代了直流输电线路。20年代末期，随着功率电子器件的迅速发展，在技术上和经济效益上日益突出的DC电源技术再度引起了世界各国的广泛关注。国内外对其进行了大量的研究，并对其体系的组成及发展趋势进行了展望。

通过对直流输电系统的分析，发现直流输电系统可以提高供电容量，降低线路损耗，降低线路成本，改善供电质量，提高供电可靠性，隔离直流故障，便于分布式电源和直流供电，变频负荷接入，降低输电线路的环保效应。

在AC配电网络中，空调、洗衣机、一些工业用旋转电动机等的变频器都要通过AC-DC-AC转换来进行变频控制，而在DC配电网络中，它可以直接跳过AC-DC转换，仅通过一阶DC-AC的转换即可进行变频器的转换，从而减少换流损失，减少装置的投入。在AC配电网络中，充电桩、计算机、LED照明等负载要经过AC-DC转换，在DC配电网络中，只要选择适当的电源，就可以直接或用一个简易的断路器对其进行电源控制。此外，由于某些负载比较敏感，为了改善电力供应的品质，采用AC—DC-AC转换技术，在DC配电网络中仅采用DC-AC转换。

从实际的运用和实际出发，美国率先开始了对DC配网的研究，美国北卡罗来纳大学在2003年度就其案例进行了有关DC分配技术的机会和问题的探讨。美国弗吉尼亚科技大学CPES中心于2007年度推出“Sustainable BuildingInitiative(SBI)”项目，该项目以DC48V、DC380V为各种负荷供电，为今后的建筑、居住小区的电力供应开辟了一条新的途径。此后，北卡罗纳大学于2011年度推出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery andManagement(FREEDM)”的体系架构，该体系中既有直流配电网络，也有直流配电网络，以及分布式电力供应单元。中国，日本，欧洲，韩国等，除了美国以外，对其进行了大量的交流和探讨。从上述的分析可以看出，当前世界上对中HVDC的相关技术还很薄弱，其研究的焦点多在DC、DC、DC等方面，尚无较大规模的示范项目。总之，世界范围内关于DC配电网络的相关技术还处在摸索和实验的过程中。

 

2 交直流混合配电网的网络结构

2.1 典型直流配电网网络结构

针对具体情况，提出了基于不同实际情况的配网网络结构，一般采用链式、两端式和环形式三种结构。

图2-1显示了一个典型的DC分配网络的链接。在电力系统中，各负载仅可由一条线路获取电力。该配电网络具有结构简便、对保护系统的需求小、运行和维护方便等特点。而在连锁配电系统中，当一个中压母线、交流/直流变流器发生故障时，将会对整个配电网络的负载造成严重的冲击，从而导致电力系统的大规模断电。这样，链条结构的电源可靠性就会降低。

图2-1 辐射型直流配电网结构示意图

在图2-2中，我们可以看到一个经典的DC配电网的两个末端。在双侧DC电力系统中，如果发生电源侧电源、换流器或中压母线发生故障，则根据侧电源的电源容量，采用反向开关方式，将电源侧的电源切换到不发生事故侧的负载，降低了系统的断路。另外，采用双头型配电网络进行故障的位置检测，缩短了故障诊断的周期，减少了事故的发生。因而，采用双头结构，电源可靠度高。

图2-2 两端式直流配电网结构示意图

在下面的图2-3中显示了一个经典的DC配电网络的环形。环状电力网一般是环状设计，开环工作模式。而在交流电中，不存在频率、相角、无功等的概念，所以不需要进行相角变化和无功变换。因此，如果选择适当的保护结构，可以使环形DC配电网络达到闭环的工作状态。在环形线路中的任何一个部位发生故障时，由保护器快速定位和隔离故障，其它部件仍然能工作。因而，环形DC配电网络的供电可靠度高，但对其防护的设置也有所提高。

图2-3 环状直流配电网结构示意图

总之，这种链条结构仅适合于不需要较高可靠度的直流输电线路；两端型的结构稳定性好，容易向多端结构延伸，提高了电源的可靠度；环形式电力系统在配备适当的防护装置时，其可靠度较高，但由于现有的直流开关技术还没有发展起来，所以其发展仍然受限。

2.2 交直流混合配电网网络结构

将FDC技术引入到AC配网中，从而提高电力系统的供电容量和供电质量，并对直流输电系统的性能和质量进行了分析，并对直流输电系统进行了改进，提高了供电质量，提高了供电可靠性，方便了分布式电源和直流变频负荷接入，并根据“手拉手”接线的方式，给出了一种基于多端FDC技术的直流输电系统的网络架构，并给出了具体的网络架构。

图2-4 交直流混合配电网网络结构示意图

在常规操作中，VSC#3（VSC#4）采用恒定DC电压调节模式，其功能是确保DC稳压，保持DC电路的电源均衡；VSC#1、VSC#2、VSC#4（VSC#3）采用有功和无功两种控制模式，其功能是通过对AC和DC的电流进行自由调整，并对AC电源进行适当的无功补偿，以改善交流线的电压分配，提高电源品质。以下是“交流单元”的电力均衡公式：

式中，Pt1和Pt2分别为与两条交流线路相连的中压变压器的注入到“交流单元”的功率，Pload,ac为交直流混合配电改造后“交流单元”所连负荷的总功率，Pv1和Pv2分别为VSC#1和VSC#2注入到直流环节的功率，Ploss,ac为“交流单元”线路损耗、变压器损耗和换流损耗之和。

直流环节功率平衡方程如下所示：

式中，Pv3和Pv4分别为VSC#3和VSC#4注入到直流环节的功率，PDG为直流环节所连分布式电源的总发电功率，Pload,dc为直流环节所连直流负荷和ACwC负荷功率之和，Psc和Psdis分别为储能设备的充电功率和放电功率，且

如果“交流单元”的任何一条线路出现了问题，在DC链路的电源容量允许的情况下，DC链路可以通过相应的VSC为中非失效区段的负载提供电力，也就是说，“交流单元”的电源可靠度与以前“手拉手”布线时是一样的，并且VSC还可以将DC/DC的失效进行绝缘，因此不会对其他普通AC和DC链的正常操作造成损害。在DC线路失效的情况下，对两端型DC配电网络的失效进行了研究，也就是在存在着单侧电源、换流器或中压母线失效的情况下，DC母线中间的节流器被切断，另外一侧的电源仍能为未故障侧的负载提供电力，减少了停电的区域，同时VSC还能将交、直流失效的绝缘功能，使“交流单元”与更高的电力网络不会受干扰。这样，在图2-4中所显示的电力系统的电力供应可靠度高。

总之，该系统的网络架构有如下优点：

(1)能够有效地改善原输电系统的电压分配及负载容量，改善电力系统的电源品质，缓解配电系统扩容后的电力通道容量不足；

(2)降低负荷、分布式电源和能量存储装置在电网运行时所需要的换向流程，以增加系统能量利用效率，减少换流装置的投入；

(3)基于交变、DC和DC的混联配电系统，电力系统的可靠度更高。

 

3 交直流混合配电网控制设计

3.1 系统级控制

该系统级的控制是指配电网络能源管理（EMS）或计划中心，将系统各个部件的实时运行参数与风、光、负荷预测信息结合起来，并结合配电网络的实际需要，选取合适的最佳目标进行最优的潮流，进而得出各个环节的最优指令。很明显，在配电网络中，最高级的是系统层次的控制。

与常规AC配电网络的体系级控制相比，其最大差别是基于潮流算法。由于变频器的特性和不同的体系的不同，使得交、直流电力系统的最佳功率分配问题与常规的电力系统有很大的不同，因此，常规的电力调度方法不能直接用于电力市场的电力市场。所以，如何寻找一种适合于交直流混联网络的优良的电力潮流算法成为了研究交直流混联配电网络的一个重要环节。

在交、直流交叉迭代法中，在迭代时仅需对交、直流两个系统进行换算，并在此基础上进行了迭代运算，从而克服了交、直流交互式迭代过程中存在的数字波动和DC参数不正常现象，从而使交、直流电力系统的潮流分析得到了较好的收敛性。另外，该方法还能很好地适应多个直流输电线路。因而，在交、直流混联配电网络的系统层次上，可以应用交直流电力解决灾害型潮流问题。

虽然目前的交直流系统的等级和常规的交变配电网络系统的不同之处在于，在具体的应用中，还存在着算法计算速度、系统数据采集、目标优化等问题。

3.2 源荷单元控制

在此节中，本文重点探讨了在交变配电网络中，风力发电机、光伏板等分布式电力、交流、交流负载、存储装置的性能与策略。

1、分布式电源管理

在给定的风速和光照情况下，总会有一个使设备最大的输出电压，从而实现最大的输出，从而达到最大的输出功率。在风机及光电板的最大功率下，利用MPPT技术对其进行消纳。由于交流-DC混合式配电网络能够将多余的电力经由变流器传输到上级电力系统，所以在交流-DC混合式配电网络中，所有的风机和太阳能电池都采用MPPT方式。目前，国内外已有许多学者针对MPPT的研究，包括干扰观测法、导纳增量法、恒压法等。另外，本文也将上述两种方法有机地组合在一起，如神经网络法等。

2、储能设备的管理

蓄电池、超级电容和混合型存储是目前普遍用于DC的存储装置，也就是将其与DC相结合的DC连接起来。在常规操作中，存储装置可以从系统层面上获得来自于各个时间段的控制命令。其下挂式充放电控制方框图与电流限制式充放电的控制方框图，分别表示在3-2、3-3中。

图3-2储能下垂充放电控制框图

图3-3储能限流充放电控制框图

图中，Idc为储能设备输出的电流的采样值；Iref为储能设备限时设定电流的参考值；k和Uref分别为下垂系数和下垂控制的电压参考值，Udc为储能设备输出的电压的采样值。

3、交直流负荷控制

在交、直流混和配电系统中，交负载均以 AC为主，而 DC/DC变换器联接 DC/DC总线，或直接插入到 DC总线上。交流和交流负载的操作方式仅为正常和切负载两种。在一般条件下，交流和交流负载都在常规工况下，如果由于故障或其它因素不能完全达到要求，则要根据负载的主要等级依次进行切割。

 

4 交直流混合配电网仿真分析

4.1 正常运行情况

4.1.1 原交流线路运行分析

在进行交、直流混和配电系统的改装前，对原有的 AC线进行了模拟和分析，其中包含了各个分支和各个结点的电压。模拟的结果显示在4-1和4-3中。

图4-1 原交流线路各节点电压

图4-2 原交流线路各支路电流

从图4-1可以看出，当不进行无功补偿时，仅有节点1,2,6的电压符合标称误差5%，其余的均不能正常工作，10个结点的电压偏离超过15%。

4.1.2 交直流混合配网改造后正常运行分析

VSC#3总是在恒定DC电压的调节方式下，保持DC汇流端的电压稳定性。在每个VSC中，显示了电源电流和DC汇流的电压。

图4-3 各VSC有功流动及直流母线电压

从 VSC流向 DC的电流， VSC的有功是正向的。从该表可知，该方法在实际工作中，除工作条件出现明显的变动外，其余均保持在±10 kV范围内，表明本文所述的电压调节方案是切实可行的。

VSC#1、 VSC#2、 VSC#4的有功命令数值在0-1秒时被设定为0，而 DC链中的分布功率和负载要求是互相均衡的，所以 VSC#3的有功流量也是0。通过对 AC/DC混合式配电网络的改装，将新的 AC负载引入到原有的 AC线路中，在 VSC#2、 VSc#3进行无功补偿前，将原有 AC的各个结点的电压及分支的电流分别表示在下面的4~4、4~5中。

图4-4 无功补偿前交流线路各节点电压

图4-5 无功补偿前后各支路电流

通过比较，可以看出，在增加 AC负载的接入后， AC线结点的电压下降变得更大，只有节点1中的其他结点没有达到标称的电压偏离低于5%的运行需求。通过比较，我们可以看到，在附加 AC负载时，每个 AC分支的电压都会提高，但并为两倍。原来的 AC线因为“手拉手”而要求预留50%的容限，所以可以流经的电力也是通常工作时的两次。由此可以看出，新增加的交变负载并不在线路负载能力范围之内。

在0— ls, VSC#1、 VSC#2将相应的无功功率进行了相应的无功补偿，在实际操作中，由配电网络能源管理系统根据目前的运行状况，根据目前的运行状况，动态地给出最佳的功率分配算法，其中最优化的功率计算不涉及最优化的功率，所以在本论文中，将无功功率的控制值用静止的潮流进行了计算， VSC#1和 VSC#2的无功功率指示是15 MW和16.9 MW，经过无功补偿后， AC线的各个结点的电压在图4-6中表示。

图4-6 无功补偿后交流线路各节点电压

从图4-6可见，在此模拟模式下， VSC#1及 VSC#2经过合理的无功调整，使 AC线各个结点的输出电压均满足了允许的±5%的工作需求。在电网负荷大、线路长的条件下，单靠线路终端的无功补偿不一定能够将各线路的电压全部调整到标准，这时就必须在低压的地方采用相应的无功补偿。研究结果显示，在进行交、直流混合配电系统的改装后， VSC对 AC进行了一定的无功补偿，可以减少对电力系统的投资，从而改善输电系统的运行品质。

4.2 故障情况分析

在图4-1中所示的模拟模式图表中， VSC#4被设置成“辅助 Vsc”，以完成上述设置的操作，在2-3秒期间， VSC#4的标准操作点处的电压是20 kV的标称，并且具有3.5 MW的输出。假设 VSC#4最大的输出是15 MW，△ Umax是1 kV，当 VSC#3停止操作时， VSC#4的预计输出功率为7 MW，△ Ubet为0.4 kV。假定 VSC#3在3 s由于失效而停止操作，则 VSC#4的有功和 DC汇流的电压在下面的图4-7中显示。

图4-7  VSC#3故障后VSC#4有功及直流母线电压

如从图4-7可见，在第三 sVSC#3停止操作之后， DC汇流条的电压迅速降低，并且改善的合并控制也在启动， VSC#4的输出功率逐渐平稳地升高，直到达到一个新的均衡操作点为止。与此同时， DC汇流端的电压也逐步升高，并且在 VSC#4所设置的恒定 DC电压控制区内保持恒定。模拟实验证明，采用该改进的复合控制方法可以快速响应，使 VSC在“辅助 VSC”的调节下达到新的均衡操作状态，同时保证了 DC汇流端的电压的稳定性。。

 

结论

本文对交变直流混合式电力系统的控制方法进行了分析和研究，着重介绍了 VSC的优化控制方案，并通过详细的分析，给出了 VSC的P-U控制曲线和控制器结构。

建立了基于 Matlab/Simulink的电力网络的简单建模方法，并在各种情况下对所设计的交直流混合式配电网络进行了模拟和操作，并对其进行了模拟和操作。

 

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