含光伏的輻射狀直流配電網仿真分析

齊可延

【摘 要】本文基于MATLAB/Simulink工具和VSC技術搭建了含PV的輻射狀直流配網，并通過不同電壓等級的直流母線進行單雙極供電，分析了系統各母線節點電壓電流的穩態及暫態特性和諧波含量。仿真結果表明，所提出的直流配電網是可行的。

【關鍵詞】直流配電網；環狀；光伏；分布式電源

【Abstract】In this paper，the MATLAB/Simulink tool and the voltage source converter technology（VSC）are used to build a radial DC power distribution network containing photovoltaic cell（PV）.And through the different voltage levels of the DC bus for unipolar and bipolar power supply.The steady-state and transient characteristics of the voltage and current of the system are analyzed.The simulation results show that the proposed model of the distribution network is feasible

【Key words】DC distribution network；Radial structure；Photovoltaic cell；Distributed power source

0 引言

隨著新能源的發展，電力電子技術和直流負荷的廣泛應用，以及用戶對電能質量和供電可靠性的不斷提高，都推動著直流配電的發展。如果家用住宅中普及直流家用電器，僅電能能耗就可以減少2%～9%[1]。同時直流配電網在接納分布式電源的接入、環保、經濟、供電可靠性和傳輸容量等方面都好于傳統的三相四線制交流配電網，但目前對直流配電網的研究主要集中在直流微電網的研究層面，對于配網層面的研究較少[2-3]。

常見的有環狀、兩端和輻射狀這三種結構，本文基于電壓源換流器技術，通過MATLAB/Simulink搭建單、雙極供電的輻射狀直流配網，詳細分析了含PV情況下的穩態和暫態特性以及電壓電流的諧波畸變率，仿真驗證了所提出的直流配網的可行性。

1 輻射狀直流配電網

本文以單個交流電源的輻射狀直流配電網為研究對象，如圖1所示：

從圖1可知，直流配電網包含交流電網相連的定直流電壓及定無功控制VSC、無源網絡相連的定交流電壓控制VSC、變換器相連的交直流負荷、直接連接在PCC的直流負荷和直流變換器相連的光伏發電五個主要部分。其中PCC處的電壓為DC±375V，換流器為兩電平VSC，調制方式采用正弦脈寬調制SPWM，VSC的控制采用文獻[4]中的外環定直流電壓/定無功控制和定交流電壓控制。

2 VSC的拓撲結構及等效原理圖

式中，US：VSC交流母線電壓基頻分量；UC：交流輸出電壓基頻分量；XC：變壓器和相電抗器的等效電抗XC。只需調節移相角度δ，就可以控制有功功率的大小和方向，只需控制UC，就可以控制VSC吸收或發出無功功率。

3 光伏并網及建模

太陽能是一種能量巨大的可再生能源，通過PV可直接把太陽能變為直流電，再經Boost直流升壓接入直流配網，可提高電池的利用效率，光伏并網示意圖如下：

4 算例分析

為驗證含PV的輻射狀直流配電網的可行性，本文通過MATLAB/Simulink搭建輻射狀直流配網仿真模型，其中交流電壓源為380V/30MVA，系統穩定后，送端VSC（整流）交流側穩定輸出有功功率45.01kW，PCC節點電壓為DC±375V。直流母線BD2和BD9電壓大小為750V，BD1和BD3電壓大小為375V，BD8電壓大小為220V，BD4和BD5電壓大小為110V，BD6和BD7電壓大小為30V。整流側交流母線電壓BA1和BA2電壓大小為311V。其中無源網絡用10kW和20kW的定功率表示，其他交直流負荷均用40Ω電阻和1kW定功率表示。為保證仿真的準確性，仿真步長為5μs，仿真總時長為1.25s。

如圖6，輻射狀直流配電網在初始運行時，只有開關K2是斷開的，并在0.12s投切10kW的無源網絡，此時系統在0.29s時達到穩定狀態，然后在0.8s時，K2閉合，投切20kW的無源網絡。系統采用單級和雙極供電，由于負極和正極供電電壓大小相等，故本文只分析正極供電和雙極供電各個母線節點在穩態情況下的運行分析。如直流母線BD1、BD2、BD4、BD6、BD9和交流母線BA1、BA2的電壓電流的問題分析。仿真分析：

如表1，諧波分析基準頻率為50Hz，系統電壓電流諧波含量均小于5%。系統在0.8s投切20kW負荷時，BA1的電流從0.29s時的50.55A，變為0.8s 時的96.71A，整個暫態過程中，系統所有的電壓及其諧波畸變率幾乎未發生改變，說明暫態并未對交直流電壓造成波動的影響，系統運行良好。但是交流側的電流突然增加，應防止VSC內部和輸電線路環流的發生。

5 結語

本文基于MATLAB/Simulink平臺搭建含PV的典型輻射狀直流配網，該配網是多電壓等級的網絡。通過仿真驗證，所提出的直流配網是可行的，并得到了寶貴的性能數據，為今后直流配電網的研究提供了參考。

【參考文獻】

[1]M.H.Ryu，H.S.Kim，J.W.Baek，H.G.Kim，J.H.Jung.Effective Test Bed of 380-V DC Distribution System Using Isolated Power Converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（7）：4525-4536.

[2]宋強，趙彪，劉文華，曾嶸.智能直流配電網研究綜述[J].中國電機工程學報，2013，33（25）：9-19.

[3]劉連光，蔣智化，劉自發.公共直流配電網的電壓等級研究[J].供用電，2014，12（7）：20-23.

[4]宋強，饒宏.柔性直流輸電換流器的分析與設計[M].北京：清華大學出版社，2015.

[5]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M].北京：中國電力出版社，2014.

[6]艾芊，鄭志宇.分布式發電與智能電網[M].上海：上海交通大學出版社，2013.

[責任編輯：湯靜]