交直流配电网及柔性变电站仿真研究

解　腾，亢梦婕，王谱宇，黄家豪

(1.陆军工程大学，江苏 南京 210007；2.南京理工大学，江苏 南京 210094)

0　引言

随着分布式电源、电力电子技术的进步，配电网用户侧直流负荷和变频负荷占比的增加，传统的交流配电网无论从经济性或是便利性都已无法满足市场的需求[1]。直流配电网因其具有功率双向灵活可控、故障隔离、响应速度快等优势，交直流混合供电将成为未来配电网的发展方向[2]。变电站作为配电网中重要的组成部分，将电力电子技术与变电站技术相结合，构建柔性变电站[3]，将简化变电站设备的种类和数量。

1　系统方案

系统包括柔性变电站和光伏电站，上级交流电源来自于云计算110 kV变电站10 kV侧，直流电源来自于光伏电站。负荷包括380 V低压交流负荷和750 V直流负荷两类，直流负荷与交流负荷约3:1配置，共有2.5 MW。柔性变电站主要实现10 kV电压等级的供电，负责其中1.25 MW负荷的用电，其余1.25 MW由干变供电。系统拓扑结构图如图1所示，其中交流侧功率以流入柔变为正，直流侧功率以流出换流器为正。

图1　系统拓扑结构示意图

根据光伏出力不同，可以分为以下两种工况：

(1) 光伏不出力。光伏不出力时由云计算10 kV交流为负载供电。

(2) 光伏出力为2.5 MW。光伏出力足够满足柔变所接负荷的需求，因此将满足负荷需求剩余功率逆变至云计算10 kV交流侧。

柔性变压器在工作过程中需要同时兼顾交流、直流环节，因此采用交-直-交电力电子变换器拓扑结构，同时为了突出柔性变压器的特性，将光伏发电模块等效为20 kV的直流电压源，变换后的系统拓扑图如图2所示。

图2　系统拓扑结构示意图

2　仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建柔变的仿真模型，由系统拓扑图可知，光伏电站的输出电压为20 kV，通过变流器逆变至10 kV在D2点与云计算并网，另一支路变压为380 V，通过N2整流器变换为750 V直流为直流负载供电，同时再次逆变为380 V交流与9#干变共同为交流负载供电。为了最终实现系统建模，将其分解为1号、2号、3号三个部分，如图2所示，对三个部分分别进行仿真调试，最后进行系统测试。

柔性变压器如图2中3号框图所示，它的拓扑结构包括输入级DC-AC变换器、高频变压器以及输出级AC-DC变换器。

2.1　输入级DC-AC变换器

输入级采用CSI型三相桥式拓扑，设置直流输入20 kV，交流输出10 kV；电容1 500 μF，负载功率1.25 MW，根据光伏输出功率的设置，光伏电站需要并网运行，因此逆变器的控制器应保证输出的正弦电压与公网电压同频、同相，加入锁相环[4]。采用PQ控制方式，基于d-q变换，将三相系统作为一个单元考虑而不是3个单相系统的叠加，将电压电流分解为有功和无功分量，使其成为便于跟踪的直流信号。图3所示为系统结构图，图4为系统仿真示意图。

图3　逆变系统结构示意图

图4　逆变器仿真示意图

图5(a)为交流侧三相电压，图5(b)为交流侧电流。在上述系统中，交流侧输出线电压有效值Vm=10 kV，由式(1)可知相电压Va=8.165e3，与仿真数据基本一致，因此模型正确。

图5　逆变器仿真结果图

图7　整流器仿真示意图

(1)

2.2　高频变压器及输出级AC-DC变换器

输出级AC-DC采用三相VSR拓扑，结构示意图如图6所示。变压器一次侧为10 kV交流电源，二次侧输出电压380 V，整流模块采用电压-电流双环控制方式。其中线路电感20 μH，电容5 mF。电阻功率1.25 MW，三相电压增益0.000 122 474，三相电流增益0.122 474 49。高频变压器与输出级AC-DC的系统仿真示意图如图7所示。

图6　整流系统结构示意图

仿真2 s后，得到系统仿真结果如图8所示。

图8所示为直流侧电压、直流电流、Id_ref及Id、Iq_ref及Iq仿真结果。直流电压仿真结果中电压最大值为755 V，最小值720 V，上下波动35 V，符合要求。

将上述逆变部分与整流部分对接为柔性变压器系统，20 kV理想电源逆变至10 kV，经过变压环节变压至380 V，再整流为750 V为负载供电，直流母线电压仿真示意图如图9(a)所示，电流波形如图9(b)所示。

由图9可知，系统可以顺利运行，实现预期要达到的效果，但电压波动比较严重，整流产生的最大电压达到800 V，最小电压达到650 V，分析其原因可能是，逆变器采用P/Q控制方式追踪电网相位，整流器采用电压电流双环控制稳定直流输出，两种控制方式还不能很好地配合，系统参数仍需进一步调试。

图8　整流器仿真结果图

图9　系统仿真结果

3　结论

柔性变电站是电力电子技术与变电站技术的结合，以一次设备电力电子化为特征，简化了变电站设备的种类及数量。柔性变电站在电网中作为能量传输的节点，可以提升电网安全稳定运行水平。本文以张北交直流配电网及柔性变电站项目为依托进行系统建模仿真，分别实现了柔性变压器中的整流、逆变环节，仿真证明效果良好，系统运行仍需进一步调试。

[1] 曾嘉思, 徐习东, 赵宇明. 交直流配电网可靠性对比[J]. 电网技术, 2014, 38(9):2582-2589.

[2] 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.

[3] 廖国虎, 袁旭峰, 邱国跃. 配电网电力电子变压器仿真研究[J]. 电测与仪表, 2014, 51(17):35-41.

[4] 肖华根, 罗安, 王逸超,等. 微网中并联逆变器的环流控制方法[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(19):3098-3104.