一种交直流混合配电装置的建模与仿真研究

徐 帅，叶 鹏，杨玉鹏

一种交直流混合配电装置的建模与仿真研究

徐 帅1，叶 鹏2，杨玉鹏3

（1.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870；2.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136；3.国网辽阳供电公司运营监控中心，辽宁 辽阳 111000）

提出一种基于柔性直流背靠背模式的交直流混合配电装置，用于实现配电网中直流负荷的承接与风、光、储等新能源的接入。设计了交直流混合配电装置的功率电压控制模式，建立了包括风、光、储等分布式电源、负荷及基于柔性直流背靠背的交直流混合配电装置的仿真模型，并对上述装置的运行特性进行动态仿真分析。结果表明：仿真过程中，整个系统运行平稳，直流母线电压稳定，系统通过直流母线实现了灵活的能量变换。

交直流混合系统；电压源换流器；配电；控制

利用新能源发电的分布式电源由于污染少、安装地点灵活等优点近年来得到快速发展［1-3］。伴随着低压配网中分布式电源的迅速增加，分布式电源应用形式和种类越来越复杂，各类分布式电源分散接入和应用已经超出了传统的配电网的接纳能力，在中低压配网中急需能够实现多源多荷“即插即用”的交直流混合配电装置，用来大量接纳分布式电源的同时向交直流负荷供电。

本文建立的交直流混合配电装置，其技术基础是背靠背的多端柔性直流输电，通过控制策略的设计实现换流控制，实现低压配网中多源多荷的“即插即用”。本文探讨了电压源换流器（VSC）的原理和控制策略，研究了直驱永磁风机、光伏发电、储能蓄电池等典型分布式电源的数学模型；建立了一个交直流混合配电装置，设计了交直流混合配电装置的功率电压控制策略，并在PSCAD软件中验证控制策略的有效性。

1 系统结构

本文研究的系统结构如图1所示，虚线框内为交直流混合配电装置。本系统将柔性直流输电与直流微电网有机结合。系统主要包含2个电压源换流器VSC1、VSC2和1个直流微电网。VSC1、VSC2的直流侧通过直流母线相连，交流侧分别与配电网1、2相连，风、光、储分布式电源和负荷构成的直流微电网接在直流母线上。对本系统的控制关键就是对2个电压源换流器的控制。

2 微电源模型

2.1 光伏电池

图1 交直流混合配电系统结构图

图2 光伏电池等效电路图

太阳能电池可等效为图2所示电路，其由电流源与并联电阻Rsh，串联电阻Rsr组成［4-5］。图中I为太阳能电池输出电流；V为太阳能电池输出电压；Isc为光电流；Id为二极管电流；Ish为分流电阻电流。

2.2 直驱永磁风力发电机

在dq旋转坐标系中，在三相对称的情况下，直驱永磁风力发电机按照电动机模型惯例，以定子磁场旋转坐标系作为参考［6-7］，在忽略定子电磁暂态的情况下，永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的等效电路如图3所示。

图3 直驱永磁同步风机等效电路图

图3 中，Ud和Uq为发电机输出端的电压分别在d轴和q轴的分量；ωe为电角速度；ψf为永久通量；Rs为定子电阻；Lmd和Lmq为定子感抗在d轴和q轴的分量；Lis为漏抗。

2.3 蓄电池

如图4所示，本文采用了一种由受控电压源和常值内阻串联组成的蓄电池通用等效电路模型［8］，该模型电路结构简单，考虑了蓄电池内部的非线性特性，在短期动态仿真过程中具有较高的拟合度。

图4 蓄电池通用等效模型

3 电压源换流器及其控制

3.1 电压源换流器运行原理

电压源换流器（VSC）基本电路拓扑是两电平结构［9-10］，本文采用三相两电平电压源换流器结构，如图5所示。

图5 电压源换流器电路拓扑

图5 中L为换流电抗器的等效电感；R为VSC功率损耗的等效电阻；X＝ωL。

设电网电压为Us，换流器交流电压为Uc，假设换流电抗器是无损耗的，以电网A相电压为相位参考，δ为VSC交流侧电压相位超前电网电压相位的角度，即有：＝Us∠0，＝Uc∠δ，忽略谐波分量，则换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为

由式（1）可知，δ的大小决定有功功率的传输，当δ＜0时，VSC吸收有功功率，换流器作为整流器运行；当δ＞0时，VSC发出有功功率，换流器作为逆变器运行。无功功率的传输取决于Us-Uccosδ；Us-Uccosδ＜0时；VSC发出无功功率；Us-Uccosδ＞0时，VSC吸收无功功率，VSC吸收或发出无功功率及其数值的大小主要由Uc决定。VSC若采用PWM技术，δ可以通过PWM调制波的相角进行调节，而Uc的值正比于直流线路电压Ud和PWM调制比λ的乘积。因此，换流器中的δ和λ可实现对有功功率P和无功功率Q的控制调节。

3.2 电压源换流器控制模型

在图5中，设大电网是三相对称的理想电压源，开关器件为理想开关，定义Sk（k＝a，b，c）为开关函数，Sk＝1时，上桥臂导通，下桥臂关断；Sk＝0时，上桥臂关断，下桥臂导通。由基尔霍夫电压定律，得到VSC的A、B、C三相回路方程：

式中：Usa、Usb、Usc为大电网三相电动势；ia、ib、ic为交流侧输入电流；L为交流侧滤波电感；R为线路等效电阻；C为直流侧电容；Udc为直流侧电容电压。

则式（2）、式（3）为三相静止坐标系下的VSC数学模型，该模型物理意义清晰直观，但其中控制变量均为交流量，不利于系统控制。对式（2）、式（3）进行Park变换得到三相VSC在dq坐标系下的模型：

式中：Usd、Usq为大电网三相电动势的d轴和q轴分量；Ucd、Ucq为交流侧电压d轴和q轴分量；id、iq为交流侧电流的d轴和q轴分量。

4 系统控制策略

4.1 控制目标

本文的交直流混合配电装置，其功能是在中低压配网中承接交直流能源和对交直流负荷供电，是实现负荷转控的智能配电枢纽。两个VSC之间的直流母线上接有由风、光、储等微源和负荷组成的的直流微电网，这是与传统的背靠背VSC-HVDC最大的不同之处。设计控制策略要考虑以下原则：

a.控制直流母线电压稳定；

b.复杂的源荷接入条件下，通过VSC的控制实现母线间灵活的能量变换。

4.2 控制策略

对于本文的交直流混合配电系统，系统运行时，主要由大电网作为直流微电网的能量和电压支撑。控制VSC实现直流母线间的能量变换、各种分布式电源和负荷的接入。

系统控制策略：VSC1控制直流母线电压和交流侧的无功；VSC2控制有功功率和无功功率；光伏和风力发电输出端口设置Buck稳压电路环节。

VSC1主要是控制直流母线电压稳定，VSC2按照设定的功率值吸收或发出功率，直流微电网的功率平衡由VSC1和VSC2共同维持。电压源换流器采用矢量控制方式，矢量控制采用电流内环和目标外环的双闭环结构。旋转坐标系与三相电网电压同步旋转，且d轴与电网A相电压矢量重合，此时d轴分量即为有功电流分量，而电流的q轴分量则为无功电流分量。

在dq坐标系下，VSC的数学模型为式（4）所示，显然，电流的d轴分量、q轴分量都与电压的d和q分量相关，存在严重的耦合关系。因此在电流内环控制中引入解耦算法，设计内环电流解耦控制器结构如图6所示。

图6 内环电流解耦控制器结构图

解耦控制器的输出可以表示为

对于电压源换流器，VSC1采用定直流电压和交流侧无功功率的控制方式，控制框图如图7所示。VSC2采用定有功功率和无功功率的控制方式，控制框图如图8所示。锁相环用于dq坐标系与三相系统保持同步。

图7 定直流电压和无功功率控制框图

图8 定有功功率和无功功率控制框图

在光伏发电和风力发电接入直流母线之前，设置Buck降压斩波电路，使微源在输出功率之时也能承担维持母线电压稳定的任务。在系统运行时，当直流母线电压高于额定电压时，Buck电路起到控制直流母线电压的作用。Buck稳压电路控制框图如图9所示。

图9 稳压Buck电路控制框图

5 系统仿真和结果分析

根据图1所示的系统结构，在PSCAD软件中搭建系统模型进行仿真。在整个仿真过程中，设置复杂的源荷接入条件，通过切除、接入负荷以改变负荷侧需求；通过分布式电源突然接入直流微电网以改变微源的功率，观察直流母线电压波形在扰动下的稳定性和系统各部分之间功率的流动转换，进而验证系统控制策略的有效性。

系统仿真参数设定：VSC2逆变功率为1 000 kW，无功为0，温度恒定为25℃。直流母线电压设为800 V，主负荷为700 kW，可关断负荷为300 kW。初始状态：风速为8 m／s；光照为0，光伏电池没有功率输出不接入系统，负荷为1 000 kW。设置仿真中的扰动：10 s时切掉300 kW的可关断负荷；20 s时300 kW的可关断负荷重新接入直流微电网；30 s时光照突变为900 W／m2，同时光伏电池接入直流微电网；40 s仿真结束。

在PSCAD中搭建系统模型进行仿真，图10～图13为系统的仿真波形图，其中VSC1功率波形图以整流功率为正，VSC2功率波形以逆变功率为正，直流微电网功率以从直流母线吸收功率为正。

图10 VSC1功率波形

图11 VSC2功率波形

图12 直流微电网功率波形

图13 直流母线电压波形

对以上情况的波形图，具体分析如下。

0～10 s时间段，直流微电网内微源功率小于负荷功率，直流微电网从直流母线上吸收功率，VSC1整流运行，功率由VSC1流向VSC2和直流微电网。

10～20 s，10 s时切掉了300 kW的负荷，直流微电网吸收功率减少，VSC1整流功率相应减少。

20～30 s，20 s时300 kW负荷重新接入微电网，直流微电网吸收功率和VSC1整流功率相应增大。

30～40 s，30 s时光照变为900W／m2，光伏发电并网，微电网内微源功率大于负荷功率，多余功率反馈给直流母线，VSC1减少功率输出，功率由VSC1和直流微电网流向VSC2。

由上述的仿真结果可知：

a.系统运行时，主要由大电网作为直流微电网的能量和电压支撑。直流微电网与直流母线交换的功率等于直流微电网内负荷与微源功率的差值；

b.任一时刻，VSC1、VSC2和直流微电网三者通过直流母线交换的功率是相互平衡的，从直流母线上吸收的总功率与向直流母线注入的总功率是相等的，通过直流母线实现了灵活的能量变换；

c.系统能迅速稳定追踪设定的标准直流母线电压值800 V，仿真过程中，虽然在10 s、20s、30 s分别发生负荷突然减小、负荷突然增加和光伏发电并网等复杂的源荷接入状况，但直流母线电压一直稳定在标准值附近。

6 结论

本文提出一种基于柔性直流背靠背模式的交直流混合配电装置，用于实现配电网中负荷的承接与风、光、储等新能源的接入。主要成果如下。

a.分析了微电网中光伏发电、直驱永磁风机、蓄电池、电压源换流器等各重要组成结构的基本原理、等效模型和控制模型。

b.设计了一个基于保持直流母线电压稳定和功率平衡的控制策略，控制VSC实现直流母线间的能量变换、各种分布式电源和负荷的接入。

c.在PSCAD平台上搭建系统模型，将控制策略应用在模型中进行动态仿真运行。仿真中分别加入负荷侧需求变化，分布式电源出力突变等扰动，通过观察仿真波形可知在仿真过程中整个系统电压是稳定的，实现了母线间灵活的能量变换。

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Research on Modeling and Simulation of a AC／DC Power Distribution Device

XU Shuai1，YE Peng2，YANG Yu⁃peng3
（1.Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China；2.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Li⁃aoning 110136，China；3.State Grid Liaoning Power Supply Company Operation Center，Liaoyang，Liaoning 111000，China）

The paper proposes a AC／DC power distribution device based on back⁃to⁃back type of flexible HVDC，its function is to un⁃dertake DC loads and take on new energy sources including wind power generation，photovoltaic（PV）and energy storage battery in distribution grid.Power and voltage controlmode of the AC／DC power distribution device are designed，a simulationmodel of the sys⁃tem is established，the dynamic simulation of the operation characteristics is analyzed.The results show that the system runs steadily and the DC bus voltage is stable in the whole process of simulation，flexible energy conversion through DC bus in the system is a⁃chieved.

AC／DC system；Voltage source converter；Distribution；Control

TM743；TM46

A

1004-7913（2015）07-0019-05

徐 帅（1987—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与控制。

2015-05-04）