直流配电实验系统初探

叶李心，江道灼，尹瑞，张弛

(浙江大学电气工程学院，杭州市310027)

0 引言

传统的交流配电网面临着供电走廊紧张，电能质量问题突出，分布式能源接入以及电能供应可靠性、经济性等方面的巨大挑战。研究资料表明，基于直流的配电网具有提高供电容量，减小线路损耗，改善用户侧电能质量，隔离交直流故障以及可再生能源灵活、便捷接入等一系列优点［1］。瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于20世纪90年代开始了300～400 V数据中心直流配电的研究。另外，军舰、航空和自动化系统的直流区域配电的技术也已然成熟［2］。如今，在住宅直流供电方面，欧盟、日本和美国纷纷开展了相关方面的研究和示范工程。我国在直流配电的研究方面还处于起步阶段。随着政府对新能源开发的日益重视以及越来越多的直流家电技术得到推广和应用，直流配电网将具有广阔的发展空间。国内对直流配电网的技术研究正在有序地进行中，主要集中在柔性直流的配电网稳态分析、故障分析与保护、稳定运行控制、电能质量控制等方面。无论是仿真建模、保护与控制理论、关键设备研制以及工程应用的研究都离不开实验检测与验证阶段，由于国内尚无直流配电系统实验系统，因此建立相关的直流配电系统实验系统，从仿真模拟和动态模拟2个方面对直流配电的技术研究提供实验条件显得非常必要。本文主要介绍直流配电实验系统的结构和功能，仿真模拟平台、动态模拟平台设计以及控制等，提出直流配电实验系统的初步建设方案。

1 直流配电实验系统的结构和功能

直流配电实验系统由物理模拟(动态模拟)与数字模拟(仿真模拟)2个部分构成，可开展直流配电网拓扑结构、系统控制与保护等相关技术的建模仿真与实验研究，以及变流器、直流断路器等直流配网关键设备的功能性试验研究，其结构框图如图1所示。

图1 直流配电实验系统的结构Fig.1 Structure of DC power distribution experimental system

该实验系统可开展如下工作:(1)直流配电系统的仿真分析。例如大规模柔性直流配电网实时仿真分析;一次设备、控制系统性能测试;继电器保护和重合闸装置闭环测试等。(2)直流配电系统方面的研究。例如直流配电系统静态、动态稳定，冲击负荷对系统的影响，现场故障再现等实验;交直流混合系统在正常和故障时的运行状态;直流配电系统对交流系统的影响等。(3)研发装置的试验。例如直流配电微机型继电保护、新型的自动化装置等，在动态模型中用各种运行方式来考验它的性能，进行研发试验、验证试验以及入网试验等。

2 直流配电系统仿真模拟平台

2.1 直流配电系统纯数字仿真平台

直流电磁暂态计算程序PSCAD/EMTDC具有大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等优点，是进行直流系统分析和工程研究的有力工具［3］。由于柔性直流配电系统属于新研究领域，PSCAD提供的自定义元件模型对于建立直流配电元件模型非常方便，可对柔性直流配电系统中存在的各类型负荷、分布式能源、储能系统以及各种换流器建立稳态和暂态仿真模型，并对其控制和保护策略进行仿真研究。因此直流配电系统的纯数字仿真软件采用PSCAD软件。

2.2 直流配电系统实时仿真平台

在现代电力系统的研究中，模拟仿真可以加速研究进程。而实时数字仿真不仅仅能够在软件仿真中验证工作原理的正确性以及准确性，还可以进行与物理模型对接仿真，使整个开发过程从本质上更接近于实际，具有更高的置信度，并且大大缩短了开发周期，具有较高的经济价值。国内外常见的电力实时仿真系统包括加拿大的RTDS、RT-LAB，法国电力公司的ARENE以及中国电力科学研究院的ADPSS等［4］。

从硬件结构、扩展费用、产品价格等方面对比分析，RT-LAB采用集群计算机，并行分布式计算，投资风险小。和基于DSP的RTDS相比，RT-LAB可扩展性强、结构灵活、软件可继承、模型较全、通用性好。相比较而言，RT-LAB比较适合作为直流配电实验系统的实时仿真平台。

RT-LAB可基于MATLAB/Simulink等图形化建模工具建立相应的数学模型，在实时仿真平台上运行，并可通过Windows窗口对目标机的整个运行过程进行实时监控，提供在线修改参数的功能［5］，从而方便地实现复杂仿真、快速控制原型仿真，以及硬件在回路仿真的工作。半实物仿真能够解决真实环境和全数字仿真平台技术引入的难以解决的问题，为直流配电系统各种控制器和保护装置的研发提供了相对真实和易控的测试环境。

3 直流配电实验系统动态模拟平台

3.1 动模平台的结构及参数设计

动态模拟平台的框架结构设计考虑到以下方面。(1)动态模拟平台应该包括电压源型换流器、各种分布式能源发电模拟装置、储能装置、直流配电线路模拟装置、各类负荷模拟装置、直流变压器等直流配电系统典型元件的动态模拟。(2)拓扑结构应灵活可变。通过断路器以及开关的开断可以组成环状、放射状、两端配电3种拓扑结构，研究直流配电系统不同拓扑结构的特性。(3)考虑到供电的可靠性问题，动态模拟平台需要保留至少2个与交流系统的连接点，实现交直流系统互联功能。其中一个用以模拟动态模拟平台连接至无穷大系统的情况，另一个可以连接于交流380 V配电网，以方便研究交直流系统之间的相互影响。(4)动态模拟平台可包含与实时数字仿真平台的接口设备。

在确定动态模拟平台的电压、容量时，考虑到以下几个方面。

(1)动态模拟平台的电压等级不宜过高太多，但需模拟柔性直流配电多电压等级以及其中的直流变压器的情况，因此电压等级为2级较适宜。

(2)与380 V交流系统连接时，如果直流电压选择合适，则隔离变压器不需要再对交流电压进行变换，对电压源型变流器，交流电压与直流电压存在如下关系:。式中:u为交流侧相电压峰值;abcUdc为直流电压，M为调制比。如果调制比的范围为0.6～0.8，则可知直流电压的范围应为776～1 034 V，因此动模系统高压直流电压可定为±500 V。

(3)选择恰当的动态模拟平台的直流配电网电压等级，使尽可能多的电力负载直接接入直流配网以减少电压变换环节。直流配网系统以及现存的直流微网系统中为了满足不同负荷对电压等级的要求，同时也为了满足各种变换器对输入电压的要求，往往采用三线制的直流配电结构，常见的为±200 V三线制系统［6］。空调、冰箱等大型家电内部使用的最高直流电压为360 V，可以选择±200 V作为低压直流配电系统的电压，即线电压为400 V，通过Buck斩波器供电;LCD屏和LED灯等小型家电所需直流电压为24～48 V，可由单级200 V电压经Cuk电路取得。

(4)确定系统容量时可参考国内外现有动模实验室的情况。

综上所述，动态模拟实验平台的电压等级定为±500 V和±200 V，系统容量定为30 kW。其结构框图如图2所示。

图2 直流配电实验系统动态模拟平台结构图Fig.2 Structure of dynamic simulation platform for DC power distribution experimental system

由于动态模拟系统是根据实际电力系统按一定比例缩小了的系统，直流配电网实验系统的动态模拟也需按照实际直流配电系统按一定比例关系缩小［7］。但是现在尚无实际的直流配电网工程，因此按照拟建设的电压等级为±7.5 kV，容量为15 MW的工程为原系统，动态模拟系统选用电压等级±500 V，容量30 kW，则功率模拟比、电压模拟比和电流模拟比分别为:mp=500，mv=15，mi=33.333，模拟系统的最大电流为30 A。

理论上，动态模拟平台是柔性直流配电网示范工程的等比例微缩模型，动态模拟平台内的设备的额定容量、额定电压等均可以参照示范工程的情况，按照模拟比算出。然而，示范工程的实际情况目前尚未全部确定，所以目前只能按照各设备所占的比例，结合将来研究的方向，初步确定相关设备的容量。

风力发电、光伏发电是目前国内外发展迅速、技术成熟、前景广阔的分布式发电方式，也是研究柔性直流配电网在适合分布式能源接入方面不可或缺的部分，因此有必要在动态模拟平台中接入一定容量的“风光储”模拟装置。储能装置的容量应该尽可能大，但是接入系统的容量应当灵活可调，用以研究不同的储能装置容量对柔性直流配电网系统的影响。因此各设备的初步定容如表1所示。

表1 动模平台分布式能源容量Tab.1 Capacity of distributed energy source in dynamic platform

3.2 模型建立

3.2.1 光伏发电模拟

光伏发电系统的模型结构如图3所示。由于光伏发电输出具有波动性和随机性，因此需对光伏发电实施最大功率点追踪控制(maximum power point tracking，MPPT)［8］。光伏阵列模拟器是利用实际电源来模拟实际光伏阵列输出特性，按实现方式的不同，主要分为模拟式与数字式2种［9］。该动模平台采用单片机或DSP控制的开关电源来模拟光伏阵列输出特性，如图4所示。整流后输入功率电路(BUCK降压变压器或半桥变换器)，控制电路通过采集回来的Vs，根据光伏电池工程用数学模型实时计算出参考电流Iref，与实测的电流Is做差后经过PI调节产生脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)波，控制驱动信号，从而实现对光伏输出特性的跟踪模拟［10］。该动模实验平台所需的光伏模拟设备的参数要求为:直流电压为±500 V，功率为0～5 kW。由于桥式电路输出功率等级较大，因此选择半桥变换器作为主电路;另一方面，由于升压型BOOST电路效率高，方便实现最大功率点追踪控制。因此双向DC/DC变流器采用BOOST电路。

图3 光伏发电结构示意图Fig.3 Structure of photovoltaic power generation

图4 数字式光伏阵列模拟器原理图Fig.4 Schematic diagram of digital solar array simulator

3.2.2 风力发电模拟

风力发电实验室模拟系统包括风速模拟、风力机模拟和发电机模拟。实验室风力发电模拟系统结构如图5所示。风速数字模拟通过编程实现风速模型的建立，输出符合风机特性的电动机转矩指令，主要采用Matlab、PSCAD及LABView软件平台来实现。风力机模拟多采用电动机，通过控制电动机的转矩特性去模拟实际风机的运行特性，主要有直流电动机、异步电动机与永磁同步电动机。发电机多采用异步发电机、双馈异步发电机、无刷双馈发电机、永磁同步发电机［11］。该动模平台采用直流电动机模拟风力机，发电机采用永磁同步发电机，容量要求为10 kW。

图5 风力发电模拟系统结构图Fig.5 Structure of wind power simulation system

3.2.3 储能装置

现有常见的储能技术主要包括蓄电池储能、超级电容器储能和超导磁储能技术等。其中，蓄电池和超级电容器储能容量大，投资小［12］，适宜于实验系统储能装置的模拟，储能系统原理框图如图6所示。超级电容和蓄电池的混合储能可以充分利用超级电容和蓄电池的互补特性［13］，可作为实验系统储能装置的研究方向。

图6 储能系统原理框图Fig.6 Schematic diagram of energy storage system

3.2.4 模拟负载

该动态模拟实验平台采用几种具有代表性的负载类型作为配电网的负荷，如图2所示，主要包括线性负载、非线性负载以及旋转电机等。传统的模拟负载模型一般有异步电动机、灯箱串并联电容器模型等［14］。但传统模拟负载体积大、成本高、能量消耗大，无法精确模拟时变的系统负荷，该动模系统采用基于电力电子技术的可控负载作为模拟负载。它采用一系列全控电力电子器件和少量储能元件(电容)组成的硬件电路来实现，电路结构为三相整流与三相逆变串联后接入无穷大系统，如图7所示。它通过实时算法来控制开关器件的开闭规律，在大范围内控制放电电流，模拟各种阻值的电阻负载，甚至是阻感负载和阻容负载［15］。

图7 可控负载电路结构图Fig.7 Structure of controllable load circuit

3.2.5 直流变压器

直流变压器通过高频斩波－变压器隔离－高频整流来实现一种直流电压到与之成正比的另一种或多种直流电压的变换。直流变压器的基本结构如图8所示，高频逆变/整流电路可以是推挽、半桥、全桥、推挽正激、双管正激、有源钳位正激、不对称半桥等电路拓扑［16］。

3.2.6 直流配电线路

图8 直流变压器基本结构Fig.8 General structure of DCT(direct current transformer)

用等值∏型链型元件以分段集中参数来模拟实际线路，根据直流电缆的参数和阻抗模拟比(mz=0.45)可以计算出配电等效∏型电路中的串联阻抗和对地导纳。

3.3 测量控制

监控系统可使用霍尔传感器在各交、直流节点获取交直流电压，交直流电流等量测数据;在各交直流断路器、隔离开关处设置遥信、遥控;在各故障点接入录波器，获取其波形，最终通过光纤将上述信号传输至上层管理系统，进行数据采集、存储、监测等管理。其结构示意图如图9所示。

主站监控系统通过网络式远方终端设备主要完成对配电线路、变压器、负荷、分布式能源等电力设备的监控控制、事故报警和记录等功能。利用以上功能在监控台上可以实现投切线路、投切负荷、监视或调整实验系统的运行参数等功能，适应动模实验及科研的需要。

图9 动模平台数字监控系统结构示意图Fig.9 Structure of dynamic simulation digital monitoring system

3.4 装置试验

在该动态模拟平台上可以开展直流配网相关智能设备(如直流断路器、直流变压器等)的控制特性、抗干扰等功能性试验研究和测试检验，为柔性直流配电网内关键设备的研发提供试验检测基础。在装置研发前期，也可以用仿真模拟平台模拟装置的电气特性和动作特性等，接入动态模拟实验平台中留有的接口对其控制特性及动作特性等电气参数进行观察试验，并据此对装置设计进行相应的调整和完善。

4 结语

该直流配电实验系统由仿真模拟平台和动态模拟平台组成。仿真模拟平台通过纯数字仿真和实时仿真对直流配电系统进行建模仿真研究;动态模拟平台包括了直流配电系统典型元件的模拟和控制。这个系统可对柔性直流配电系统的电压稳定控制和故障保护进行理论及试验研究，并可对柔性直流配电系统的关键设备进行功能性试验研究，从而推动直流配电网的技术进步。

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