交直流配電網(wǎng)及柔性變電站仿真研究

解　騰，亢夢(mèng)婕，王譜宇，黃家豪

(1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

0　引言

隨著分布式電源、電力電子技術(shù)的進(jìn)步，配電網(wǎng)用戶側(cè)直流負(fù)荷和變頻負(fù)荷占比的增加，傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)無論從經(jīng)濟(jì)性或是便利性都已無法滿足市場(chǎng)的需求[1]。直流配電網(wǎng)因其具有功率雙向靈活可控、故障隔離、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，交直流混合供電將成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向[2]。變電站作為配電網(wǎng)中重要的組成部分，將電力電子技術(shù)與變電站技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建柔性變電站[3]，將簡(jiǎn)化變電站設(shè)備的種類和數(shù)量。

1　系統(tǒng)方案

系統(tǒng)包括柔性變電站和光伏電站，上級(jí)交流電源來自于云計(jì)算110 kV變電站10 kV側(cè)，直流電源來自于光伏電站。負(fù)荷包括380 V低壓交流負(fù)荷和750 V直流負(fù)荷兩類，直流負(fù)荷與交流負(fù)荷約3:1配置，共有2.5 MW。柔性變電站主要實(shí)現(xiàn)10 kV電壓等級(jí)的供電，負(fù)責(zé)其中1.25 MW負(fù)荷的用電，其余1.25 MW由干變供電。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中交流側(cè)功率以流入柔變?yōu)檎绷鱾?cè)功率以流出換流器為正。

圖1　系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)光伏出力不同，可以分為以下兩種工況：

(1) 光伏不出力。光伏不出力時(shí)由云計(jì)算10 kV交流為負(fù)載供電。

(2) 光伏出力為2.5 MW。光伏出力足夠滿足柔變所接負(fù)荷的需求，因此將滿足負(fù)荷需求剩余功率逆變至云計(jì)算10 kV交流側(cè)。

柔性變壓器在工作過程中需要同時(shí)兼顧交流、直流環(huán)節(jié)，因此采用交-直-交電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)為了突出柔性變壓器的特性，將光伏發(fā)電模塊等效為20 kV的直流電壓源，變換后的系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2　仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建柔變的仿真模型，由系統(tǒng)拓?fù)鋱D可知，光伏電站的輸出電壓為20 kV，通過變流器逆變至10 kV在D2點(diǎn)與云計(jì)算并網(wǎng)，另一支路變壓為380 V，通過N2整流器變換為750 V直流為直流負(fù)載供電，同時(shí)再次逆變?yōu)?80 V交流與9#干變共同為交流負(fù)載供電。為了最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模，將其分解為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)三個(gè)部分，如圖2所示，對(duì)三個(gè)部分分別進(jìn)行仿真調(diào)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

柔性變壓器如圖2中3號(hào)框圖所示，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入級(jí)DC-AC變換器、高頻變壓器以及輸出級(jí)AC-DC變換器。

2.1　輸入級(jí)DC-AC變換器

輸入級(jí)采用CSI型三相橋式拓?fù)洌O(shè)置直流輸入20 kV，交流輸出10 kV；電容1 500 μF，負(fù)載功率1.25 MW，根據(jù)光伏輸出功率的設(shè)置，光伏電站需要并網(wǎng)運(yùn)行，因此逆變器的控制器應(yīng)保證輸出的正弦電壓與公網(wǎng)電壓同頻、同相，加入鎖相環(huán)[4]。采用PQ控制方式，基于d-q變換，將三相系統(tǒng)作為一個(gè)單元考慮而不是3個(gè)單相系統(tǒng)的疊加，將電壓電流分解為有功和無功分量，使其成為便于跟蹤的直流信號(hào)。圖3所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖4為系統(tǒng)仿真示意圖。

圖3　逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　逆變器仿真示意圖

圖5(a)為交流側(cè)三相電壓，圖5(b)為交流側(cè)電流。在上述系統(tǒng)中，交流側(cè)輸出線電壓有效值Vm=10 kV，由式(1)可知相電壓Va=8.165e3，與仿真數(shù)據(jù)基本一致，因此模型正確。

圖5　逆變器仿真結(jié)果圖

圖7　整流器仿真示意圖

(1)

2.2　高頻變壓器及輸出級(jí)AC-DC變換器

輸出級(jí)AC-DC采用三相VSR拓?fù)洌Y(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。變壓器一次側(cè)為10 kV交流電源，二次側(cè)輸出電壓380 V，整流模塊采用電壓-電流雙環(huán)控制方式。其中線路電感20 μH，電容5 mF。電阻功率1.25 MW，三相電壓增益0.000 122 474，三相電流增益0.122 474 49。高頻變壓器與輸出級(jí)AC-DC的系統(tǒng)仿真示意圖如圖7所示。

圖6　整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

仿真2 s后，得到系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8所示為直流側(cè)電壓、直流電流、Id_ref及Id、Iq_ref及Iq仿真結(jié)果。直流電壓仿真結(jié)果中電壓最大值為755 V，最小值720 V，上下波動(dòng)35 V，符合要求。

將上述逆變部分與整流部分對(duì)接為柔性變壓器系統(tǒng)，20 kV理想電源逆變至10 kV，經(jīng)過變壓環(huán)節(jié)變壓至380 V，再整流為750 V為負(fù)載供電，直流母線電壓仿真示意圖如圖9(a)所示，電流波形如圖9(b)所示。

由圖9可知，系統(tǒng)可以順利運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期要達(dá)到的效果，但電壓波動(dòng)比較嚴(yán)重，整流產(chǎn)生的最大電壓達(dá)到800 V，最小電壓達(dá)到650 V，分析其原因可能是，逆變器采用P/Q控制方式追蹤電網(wǎng)相位，整流器采用電壓電流雙環(huán)控制穩(wěn)定直流輸出，兩種控制方式還不能很好地配合，系統(tǒng)參數(shù)仍需進(jìn)一步調(diào)試。

圖8　整流器仿真結(jié)果圖

圖9　系統(tǒng)仿真結(jié)果

3　結(jié)論

柔性變電站是電力電子技術(shù)與變電站技術(shù)的結(jié)合，以一次設(shè)備電力電子化為特征，簡(jiǎn)化了變電站設(shè)備的種類及數(shù)量。柔性變電站在電網(wǎng)中作為能量傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，可以提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。本文以張北交直流配電網(wǎng)及柔性變電站項(xiàng)目為依托進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真，分別實(shí)現(xiàn)了柔性變壓器中的整流、逆變環(huán)節(jié)，仿真證明效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行仍需進(jìn)一步調(diào)試。

[1] 曾嘉思, 徐習(xí)東, 趙宇明. 交直流配電網(wǎng)可靠性對(duì)比[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(9):2582-2589.

[2] 杜翼, 江道灼, 尹瑞, 等. 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2015, 35(1): 139-145.

[3] 廖國虎, 袁旭峰, 邱國躍. 配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2014, 51(17):35-41.

[4] 肖華根, 羅安, 王逸超,等. 微網(wǎng)中并聯(lián)逆變器的環(huán)流控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(19):3098-3104.