基于柔性直流互联的交直流混合配电网建模与仿真

摘要

交直流混合配电网的详细建模和多运行工况的仿真分析,将有效支撑主动配电网工程投运和可靠稳定运行。然而目前大规模的基于柔直的交直流混合配电网系统级仿真的时效性和实用性不足。因此,基于实时数字仿真平台RT-LAB建立交直流混合主动配电网模型,包含±20kV柔性直流互联系统、分布式光伏、分布式风电、储能系统、电动汽车、直流微网及其相应变流器控制的详细建模。针对电力盈亏优先考虑储能系统平衡的局限性问题,将柔性直流互联应用于主动配电网工程,可以在换流站一端出现功率缺口时由直流母线及时提供功率供给。利用该模型对储能系统充放电消纳工况、高峰电力缺口时由柔性直流互联从外部电网受电工况进行仿真分析,验证该系统在配电网应用的有效性。RT-LAB实时仿真平台在大规模系统级仿真中显示其时效性的优势,为交直流配电网工程建设提供前期参考。

引言

随着分布式能源(distributed generator,DG)技术以及柔性直流输电技术越来越成熟,其在电网中拥有越来越高的渗透率,为保证将大规模DG接入到配电网时,电网能够可靠稳定运行,工程投运前对整个交直流混合配电网的详细建模和运行工况的仿真分析十分重要[1-2]。

传统的交直流混合配电网中,未考虑柔性直流输电系统对不同地区的交流母线之间进行互联,当某一交流站区需要额外的功率支撑时,相同的费用下,直流输电线路所能传输的功率是传统交流输电的1.5倍[3];且传统输配电系统某一交流站出现故障时,与之相连的站区都会受到影响,不利于故障区域的隔离。目前,国内外关于主动配电网的研究均集中在分布式能源并网及换流器本身控制技术[4-6],或者基于IEEE标准母线测试系统数据来验证优化的主动配电网潮流算法、状态估计[7-9],对于大规模且基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网的系统级仿真较少。

由于柔性直流输电系统以及大量的DG接入,系统建模需要模拟大量的开关器件,运用电磁暂态数字仿真技术效率较低,且无法预期硬件实现中可能存在的问题[10]。数字物理系统混合实时仿真技术作为替代真实环境或设备的一种典型方法,既提高了仿真的逼真性,又解决了以前存在于真实系统测试中的环境制约以及复杂建模难题,在电力电子及直流输电仿真领域已经显现优势[11]。

本文基于实时数字仿真平台RT-LAB建立交直流混合主动配电网模型,该拓扑包含±20 kV柔性直流互联系统、分布式光伏、分布式风电、微型燃气轮机、柴油机、蓄电池、电动汽车充换电负荷以及直流微网等可控单元及相应变流器控制的详细建模。利用该模型对储能系统充放电消纳工况、高峰电力缺口时由柔性直流互联从外部电网受电工况进行仿真分析,验证该系统在配电网应用的有效性。该系统规模较大,包含微电源及负荷种类多,RT-LAB实时仿真平台在大规模系统级仿真中显示其时效性和实用性的优势,为基于柔性直流互联主动配电网工程建设提供前期设计参考。

1 交直流混合配电网总体架构

本文依托江苏省基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网技术应用示范工程,其电气主接线和接线方案如下简述。

电气主接线：为避免母线故障造成大范围失电,提高供电可靠性,20 kV交流母线采用单母线分段接线,分为20 kV交流母线1、20 kV交流母线2,每段20 kV交流母线按8回出线、1回进线考虑,每段母线分别通过1回线路接入电网,每段母线均接有分布式电源、储能和负荷。

接入系统方案：通过2回线路接入电网,其中1回为20 kV交流线路,接入姚慕变20 kV母线;另外1回为±20 kV柔性直流线路,接入纳米变20 kV母线。一次接入系统方案如图1所示。

分布式光伏：装机总容量5 MWp,经汇集分为4个单元,其中2个单元升压至20 kV,通过2回20 kV线路分别接入2段20 kV交流母线;1个单元通过1回380 V线路接入380 V交流母线;1个单元通过1回400 V直流线路接入直流微电网400 V直流母线。

分布式风电：装机总容量150 kW,经汇集升压为1个20 kV单元,通过1回20 kV线路接入20 kV交流母线。

柴油机：装机总容量500 kW,通过1回20 kV线路接入20 kV交流母线。

蓄电池储能系统：总容量为2.5 MW×2 h,分为2个1 MW×2 h单元和1个0.5 MW×2 h单元,其中2个1 MW×2 h单元通过2个双向PCS分别接入2段20 kV交流母线,1个0.5 MW×2 h单元通过1回400 V直流线路接入直流微电网400 V直流母线。

电动汽车充换电负荷：分为交流充电桩、直流充换电站和直流充电桩,其中交流充电桩功率为21 kW,接入380 V交流母线,直流充电桩和直流充换电站额定功率为30 kW,接入直流微电网400 V直流母线。

直流微电网：含有光伏500 kWp、蓄电池0.5 MW×2 h、直流充换电站和直流充电桩,均接入直流微电网400 V直流母线,直流微电网通过1个双向PCS接入380 V交流母线。

本示范工程建设方案如图2所示。

该建设方案包含柔性直流互联系统、分布式光伏、分布式风电、微型燃气轮机、柴油机、蓄电池、

电动汽车充换电负荷以及直流微网等,对其的建模研究涉及一次系统与二次控制系统的详细建模,在模型的搭建与实时仿真资源分配上有一定难度。

2 交直流混合配电网建模

2.1 RT-LAB仿真测试平台

RT-LAB是加拿大OPAL-RT公司开发的实时仿真测试平台,尤其在电力电子实时仿真领域属于全球的领导者[12]。测试平台采用RT-LAB 11版本,拥有12节点开发授权,支持多核和多处理器、多速率和XHP模式、高级API接口、波形在线显示及数据处理[13]。平台使用的硬件设备为OP5600仿真目标机,外观及结构图如图3所示。平台基于Intel CPU(Intel i7 3.3 GHz CPU,20—50 μs步长),主要适用于开关量较少的实时仿真系统。在主动配电网实时仿真系统中,主要在其中完成交流电网、各分布式电源及负荷、直流场和直流线路等建模工作。

2.2 关键技术研究

2.2.1 柔性直流互联

柔性直流输电系统的单线原理图如图4所示,它由换流站、变压器、电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成,两端的换流站均采用VSC结构[14-15]。换流站级控制方式为直接电流控制,换流阀控制方式为载波移相,载波频率500 Hz,一端控制方式为定有功、定无功控制,另一端定直流电压、定无功控制,直流电压外环kp、ki值为2、0.5,电流内环kp、ki值为0.5、3.3。仿真参数如表1所示。

MMC换流阀含有大量的电力电子开关,仿真解算时每一种开关状态的组合会对应一个系统矩阵,当电力电子开关状态频繁改变时,仿真所需的运算量是巨大的,这将严重影响仿真时效。RT-LAB通过把开关器件等效为二元电阻,将子模块电容RC

等效为电流源并联电阻的形式,如图5所示,uSMi为子模块块电压,iarm为桥臂电流,iCi 为模块电流 uCi为电容电压,ihCi是历史状态电流,R1i是上管等效电阻,R2i是下管等效电阻。基于Artemis五阶解算器和Backward-Euler算法求解全局网络,不仅能够对所有的开关状态进行预计算,并且消除了不连续引起的数值振荡,提高了仿真效率。

将柔性直流互联应用到交直流混合主动配电网中,在某一端因负载的接入出现功率缺口时,及时得到另一端的能量供给。

2.2.2 并网同步控制

当微电网从孤岛切换至并网运行时,合闸开关闭合瞬间,会出现电压电流过冲或暂态过程持续时间过长。本文采用改进的V/F下垂控制策略,在并网合闸前很短一段时间内加入电压相位和幅值补偿信号,成功完成重连之后,同步补偿信号切除,具体实现如图6所示。图6中：Qref是无功参考值;Qm是无功实测值;Ugrid是电网侧电压;Umic是微网侧电压;ΔEm是电压幅值补偿信号;Em是电压幅值;Pref是无功参考值;Pm是无功实测值;Ph-grid是电网侧电压;Ph-mic是微网侧电压;ΔPh是相位补偿信号;f是频率。假设孤岛转并网前t时刻投入电压相位和幅值补偿实现并网时刻的同步,补偿时间处理如图7所示,延时模块设置的延时参数即为补偿时间t,当t1=1s且t2=0s时,即在并网开关合闸前t时刻,图6所示的ΔEm和ΔPh并网同步补偿信号投入到下垂控制中,补偿信号来自开关两侧的电压幅值差(Ugrid-Umic)和相位差(Ph-grid-Ph-mic)经PI环节后得到;否则ΔEm=0,ΔPh=0,即切除补偿信号ΔEm和ΔPh。

2.3 交直流混合配电网RT-LAB建模

根据一次系统接线方案,建立主动配电网模型,为了合理分配仿真资源,对模型进行子系统划分,不同子系统分别在不同CPU内核上并行运算,提高了实时仿真效率。主动配电网模型见附录所示,一共分为9个实时子系统和1个非实时子系统,仿真步长50 μs。左侧为纳米变电站侧的建模情况,包括MMC的2个换流站、MMC控制以及脉冲生成子系统、PCS加储能蓄电池、微电网(光伏+风机+燃机)、交流负载;右侧为姚慕变电站侧交直流混合配电网建模情况,包括微网(光伏+柴油机+储能蓄电池+交流负载)、光伏、交流充电桩、PCS加直流配网(光伏+直流充电桩+直流充电站)。

模型最上层ARTEMIS Guide模块是ARTEMIS 工具箱的首要控制模块,通过该模块,可以选择ARTEMIS提供的各种算法。ARTEMIS Guide 模块对SPS模块搭建的模型起离散化的作用,执行精确的定步长计算,提供Tustin及其他离散方法,极大提高了仿真的稳定性和精确性。与SPS (SimPowerSystem)仿真的不同之处在于,ARTEMIS Guide模块对电路的状态空间矩阵实施了预计算。此外,State-Space Nodal(SSN)算法融合了状态空间法和节点法的优点,即状态空间法可以实现对电路的准确离散化,节点法便于开关器件的计算。

3 系统仿真验证

为验证所建立主动配电网RT-LAB模型及其控制的有效性,对系统的运行特性进行仿真分析,考察其在负荷低谷方式下由储能系统充电消纳、负荷低谷方式下存在电力缺口时由储能系统放电供给、高峰电力缺口较大时通过柔性直流互联从外部电网受电3种工况下指令控制、功率传输、并网模式切换时电网电压电流以及频率暂态过程。其中前

2种工况统称为配网自动消纳工况。

3.1 光伏出力变化下配网运行情况

首先光伏投切仿真分析,试验初始状态为光伏并网运行,光伏输出有功功率大约为2 MW,无功功率大约为0,于0.7 s左右将光伏从电网中切除,光伏开始离网运行,0.77 s时重新将光伏接入电网。图8、9分别为进行2 MW光伏的投切试验时的光伏逆变侧电压、电流、有功、无功波形,以及纳米变交流电网电压、电流、有功、无功波形。

由图9可以看出,在光伏投切过程中,纳米变电压、电流、功率始终保持稳定。

然后研究直流侧光伏出力波动对交流电网、直流母线的影响,其中模拟直流侧光伏光照强度变化如图10所示,光照变化引起光伏出力变化,变化期间直流母线电压波形如图11所示,光照强度由0

图8 投切光伏时光伏逆变侧电压、电流、有功、无功

图9 投切光伏时纳米变电压、电流、有功、无功

变大时,直流母线电压缓慢升高,并未越限。图12为光照强度变化期间交流电网电压、电流波形,由波形可知,直流侧光伏出力变化时,对交流电网无明显影响。

图10 光照强度变化曲线

图11 直流母线电压曲线

图12 交流电网电压、电流曲线

3.2 微网自动消纳工况

微网自动消纳工况包括：微网并网时负荷低谷方式下由储能系统平衡,微网孤岛运行时由储能系统作为主控电压源,以及孤岛转并网等过程。以纳米变侧为例,设置过程为：初始状态并网(0 s)—孤岛(10 s)—转并网(18 s),孤岛、并网时刻可控,设置孤岛转并网前0.5 s进行同步补偿。具体参数如

表2所示。

仿真波形如图13—18所示。

记录并网及孤岛时各微电源输出功率以及负

表2 参数设置

图13 电池SOC

图14 电网频率

图15 逆变器输出电压

图16 逆变器输出电流

图17 有功功率

荷如表3所示,+表示输出,-表示消耗。结合仿真波形可以得出,微电网并网运行(0—10s)时,各微

图18 无功功率

表3 功率分布(1)

电源输出总有功功率Pout=2.6MW,无功功率Qout=

900kvar,本地负荷Pload=1.13MW,Qload=795kvar,其中变压器损耗未计及,微网的多余能量通过蓄电池储能充电平衡,储能的SOC值增大;微电网孤岛运行(10—18s)时,由PQ控制切换为V/F控制,储能根据微网负载提供有功供给,储能SOC值减小,有功值发生反转,无功有微小的波动;18 s后,微网再次并网运行。通过观测微网并网(0 s)—孤岛(10 s)—并网(18 s)的过程中,微电源并网点电压、电流均快速响应且平滑过渡,且电网频率波动较小,基本维持在50 Hz。

3.3 电力高峰外部电网受电工况

当微电源提供的功率一定,而负载超荷运行时,除了由储能系统放电,还可以通过柔性直流传输线从外部电网得到功率供给。具体功率分布如表4 功率分布(2)

由表4可知,有功功率有2.53 MW的功率缺口,相对于柔直容量的0.158 pu,如果考虑线路损耗及变压器损耗,按0.2 pu进行补偿。以下通过仿真分析基于柔性直流互联从外部电网受电时功率传输情况。两站分别为SM_MMC1、SS_MMC2,均为27电平。两站的控制均在SS_Control,其中MMC1采用定有功、定无功控制,MMC2采用定直流电压、定无功控制。MMC1站接外部电网,为功率发出端;MMC2接配网,为接收端。各个站的有功及无功参考信号均来自监控界面SC_Console,经SS_Control计算得到3个站的调制波,最后分别由SS_PWM_ gen1通过载波移相的方式产生2个站的PWM信号。

运行条件：两站交直流并联运行,MMC1有功出力为0.2 pu,且两站均不送出无功,运行结果如图19、20所示。

图19 MMC1、MMC2相关波形

图20 储能系统相关波形

图19分别为MMC1、MMC2交流侧电压、电流以及有功功率。解锁后,MMC1发出有功(P1= 0.2 pu),MMC2接收有功(P2=-0.2 pu)。MMC2交流侧与配电网相连,在系统电源发出功率不变的情况下,该0.2 pu有功功率为配电网本地负荷提供电力缺口。图20为蓄电池并网点电压、电流、频率以及电池SOC波形,所有微电源出力时,电网电压、电流以及频率波形稳定,蓄电池处于满发,由外部系统提供功率支撑稳定运行。

4 结论

本文基于实时数字仿真平台RT-LAB建立交直流混合主动配电网模型,该拓扑包含±20 kV柔性直流互联系统、分布式光伏、分布式风电、储能系统、电动汽车充换电负荷以及直流微网等可控单元及相应变流器控制的详细建模。该模型在RT-LAB实时仿真平台实时运行,模型分为9个核进行并行计算,仿真步长50 μs,核资源占用最多为88.96%,平均占用资源为41.5%,显著体现了系统仿真的高效性和时效性。

针对电力盈亏优先考虑储能系统平衡的局限性问题,将柔性直流互联应用于主动配电网功率协调控制,可以在换流站一端出现功率缺口时由直流母线及时提供功率供给,并对储能系统充放电消纳工况、高峰电力缺口时由柔性直流互联从外部电网受电工况进行仿真分析,验证该系统在配电网应用的有效性。该模型为交直流混合主动配电系统理论及工程应用的研究提供前期参考和理论指导。

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