基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析.pdf

第４４卷第１６期２０１６年８月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｖ０１．４４Ｎｏ．１６Ａｕｇ．１６，２０１６ＤＯＩ：１０．７６６７／ＰＳＰＣ１５１４８５基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析贾祺，赵彪，严干贵，宋强（１．东北电力大学，吉林吉林１３２０１２；２．清华大学，北京１０００８４）摘要：为了克服柔性中压直流配电网工频方案中变压器体积大、重量大、噪音大、控制不够灵活等问题，提出一种基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统。该系统中直流配电母线不仅包括中压直流母线，还包括低压直流母线；中低压直流母线之问通过直流变压器进行连接；低压直流母线用于接入各类分布式电源。该系统中高频链直流变压器的使用不仅实现了不同电压等级直流母线间的电压变换、能量管理，还可以有效提高系统功率密度。介绍了中压柔性直流配电系统架构，给出了高频链直流变压器以及其它典型换流器的设计和分析，并对直流配电系统的工作模式和控制器进行了设计。最后，搭建了仿真平台，验证了系统的有效性。关键词：直流配电网；中压；ＤＡＢ；直流变压器；高频链ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈ－－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－－ｌｉｎｋＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＪＩＡＱｉ，ＺＨＡＯＢｉａｏ，ＹＡＮＧａｎｇｕｉ，ＳＯＮＧＱｉａｎｇ２（１．ＮｏｒｔｈｅａｓｔＤｉａｎｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ１３２０１２，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）’Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＳｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｈｕｇｅｖｏｌｕｍｅ，ｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔ，ｌａｒｇｅｎｏｉｓｅ，ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｓｎｏｔｆｌｅｘｉｂｌｅｅｎｏｕｇｈｉｎｔｈｅｐｏｗｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｆｌｅｘｉｂｌｅ—ｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌｉｎｋＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｕｓｅｓｉｎｃｌｕｄｅｎｏｔｏｎｌｙｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅＤＣｂｕｓ，ｂｕｔａｌｓｏｌｏｗｖｏｌｔａｇｅＤＣｂｕｓ；ｔｈｅｍｅｄｉｕｍａｎｄｌｏｗｖｏｌｔａｇｅＤＣｂｕｓｅｓａｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｖｉａａＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅＤＣｂｕｓｉｓｕｓｅｄｆｏｒａｃｃｅｓｓｔ０ａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅｕｓｅｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌｉｎｋＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｎｏｔｏｎｌｙｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｌｅｖｅｌｓ，ｂｕｔａｌｓｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ．ＴｈｅｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅｆｌｅｘｉｂｌｅＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌｉｎｋＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｔｙｐｉｃａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｏｆＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄａｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＰｒｏｊｅｃｔｓｏｆＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄＥｘｃｈａｎｇｅｓＮＳＦＣ（Ｎｏ．５１２１ｌｌＯ３８）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅ；ＤＡＢ；ＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｈｉｇｈ－－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－－ｌｉｎｋ０引言２０世纪７０年代末的能源危机爆发，环境污染和能源短缺等问题的出现，推动了分布式电源的发展，而大多数分布式电源产生的电能均为直流电。另外，从目前的负荷发展来看，与计算机相关的数据中心、计算中心、网络中心等直流负荷的广泛应基金项目：国家自然科学基金国际交流合作项目（５１２１１１０３８）用已经成为了这个时代的标志，文献［１］统计了美国楼宇用电情况，指出美国楼宇用电总量的３０％在供上述设备使用前需要经过换流设备转化成直流电，并且该比重在未来的５年内将达到８０％。若采用直流配电网来接入这些直流分布式电源和直流负荷，可以节省大量的换流环节，减小体积，降低成本和损耗【２０】。综上所述，分布式电源以及直流负荷的发展都推动了直流配电网的发展。另外，直流配电网本身具有线路成本低、输电损耗小、供电可靠性高、贾祺，等基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析．９１．环保等优势，相比于交流配电网，具有很大的发展前景。截止到目前，美国、欧洲、日本等各个国家和地区都开展了直流配电网的研究。但是大多数研究多集中在低压直流微电网方面，中压配电网主要以交流为主。并且，目前针对直流微电网接入更高电压等级的交流配电网也主要存在两种方案：工频方案和高频方案。对于工频方案，就是利用工频变压器实现电气隔离与电压匹配。低压母线需要经过ＤＣ／ＡＣ变换器将低压直流变成低压交流，然后经过工频隔离变压器与中压配电网连接。目前，这种方案是研究直流配电网中应用最广泛的一种方案。文献［４】利用储能的下垂特性研究微电网的协调控制。文献［５］分析光伏、风电、储能构成的直流微电网运行特性，总结系统运行模式，提出整体协调控制策略。文献［６］根据功率流动的方向来划分系统的工作模式。文献［７】以风电直流微网为基础，提出了电压分层协调控制策略。文献［８］以ＤＣ／ＡＣ变换器为研究对象，分析了系统处于并网、孤岛，切换运行三个模式下控制方法。这种方案虽然应用广泛，但是工频变压器占地大、质量笨重并且噪声很大。对于高频方案，就是通过采用交流电力电子变压器来实现直流微电网与高压交流配网的连接，如北卡大学提出的ＦＲＥＥＤＭ系统Ｌ９Ｊ。相比较工频方案，虽然高频方案应用的比较少，并且损耗相对较大，但是可以有效解决工频方案中存在的体积大、重量大、噪音大、谐波含量高、控制不够灵活等问题。随着分布式电源等的大规模应用，具有较大的应用潜力。根据上述发展趋势和研究现状，本文提出一种基于高频链直流变压器（ＤＣｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＤＣＳＳＴ）的柔性中压直流配电系统，其中压和低压母线均为直流，高频链直流变压器作为中低压直流母线之间的关键环节以实现电压和功率的灵活控制和管理。文中给出了该中压柔性直流配电系统架构设计，给出了高频链直流变压器以及其它典型换流器的设计和分析，并对直流配电系统的工作模式和控制器进行了设计。最后，搭建了仿真平台，验证了系统的有效性。１柔性中压直流配电系统架构本文提出的基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统架构如图１所示。中低压配电网和微电网均为直流，并且通过高频链直流变压器相连。光伏发电、电池储能１０－１１］、交直流负荷等系统均通过非隔离型ＤＣ／ＤＣ以及ＡＣ／ＤＣ变换器［１２－１３接入低压直流微电网［１４】。低压微电网母线中压配电网母线书挚哼一塑［■Ｉ广］■广］Ｉ．图１基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统Ｆｉｇ．１ＤＣｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＣＳＳＴ图１中高频链直流变压器主要通过高频隔离变压器来提供电压匹配和电气隔离，高频隔离变压器两侧均采用ＡＣ／ＤＣ变换来与中低压直流母线连接。相对交流电力电子变压器方案，直流变压器具有更少的变换环节，效率、功率密度以及可靠性均有效提高。中压直流配电系统正常运行时，中压直流母线可以通过直流变压器向交、直流负荷供电；直流微电网也可以通过直流变压器向配电网馈电。系统故障时，光伏、储能系统等可以通过低压直流微电网、也可以通过中压直流配电网运行在孤岛模式，分别给低压直流母线或中压直流母线系统上的负荷供电。另外，柔性中压直流配电相对于单纯的低压直流微电网来说，可以为大容量的光伏电站、储能电站以及交、直流微电网提供直流并网接口，节省大量的变流环节，节约成本，降低损耗。而相对于高压直流输电来说，可以通过直流变压器连接中压母线与直流输电网，为高压直流输电网提供配电接口。２高频链直流变压器特性分析２．１双主动全桥变换器本文中高频链直流变压器主要采用双主动全桥变换器（ＤｕａｌＡｃｔｉｖｅＢｒｉｄｇｅ，ＤＡＢ）［Ｄ，Ｊ级联形式，不仅能实现电压变换和电气隔离，同时能量具有双向性。典型的单相ＤＡＢ拓扑结构如图２所示，其主要由两个全桥变换器、两个直流电容、一个辅助电感和一个高频变压器构成组成。由于ＤＡＢ具有模块化对称结构、双向传输功率能力、动作响应快、软开关易实现等优点，近几年受到越来越多的关注。图３为ＤＡＢ的工作原理图，本文采用单移相控制。其中：Ｕｈ１和Ｕｈ２为ＤＡＢ两侧全桥变换器的．９２一电力系统保护与控制交流端电压；ｉＬ为全桥变换器交流端电感电流；死。为半个周期；Ｊ［）为移相比。电感电流ｉＬ可以表示为∽ｄＺｔ—Ｕｈｌ（ｆ）一Ｕｈ２（ｆ）ｄ稳态下，流过电感的平均电流在一个开关周期内为零，并且传输功率可以表示为—ｎＵ．．＇Ｕ．２Ｄ（１ＤＡＢ—Ｄ）（２）．．．一，＼，ＺＪｓＬ式中：ｎ为变压器变比；．为开关频率。通过式（２）可以看出调节移相比Ｄ就可以调节ＤＡＢ功率流动的大小和方向，进而也可以调节输出电压的大小。图２双主动全桥变换器拓扑结构Ｆｉｇ．２ＴｏｐｏｌｏｇｙｏｆＤＡＢⅣ！，！一ＵＩ１ｌＵｔｎＵ２ｎＵｌｌ一＋／＼＼＼／图３双主动全桥变压器控制原理Ｆｉｇ．３ＣｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＤＡＢ２．２高频链直流变压器以ＤＡＢ为基本单元的高频链直流变压器如图４所示。多个完全相同的ＤＡＢ在高压端串联接入中压直流配电网，在低压端并联接入低压直流微电网。图４中：ＵＭＶＤｃ和Ｄｃ分别为中压和低压母线电压；ＩＭＶ和／ＬＶ分别为各ＤＡＢ单元在中压端和低压端的平均电流；ＵＭｖ和ｖ为各ＤＡＢ单元在中压…端和低压端的平均电压，其中：ｉ＝１，２，，。从图４中可以看出，高频链直流变压器中，各ＤＡＢ单元在串联侧电流相等，并联侧电压相等，并且直流变压器传输功率为各个ＤＡＢ单元传输功率之和，即…ｃｓｓＴ＝Ｐ１＋＋＋（３）式中，ｃｓｓＴ为直流变压器传输功率。由于各ＤＡＢ参数和控制方法一致，可得—ＰＤｃｓｓＴｎＵＭ…ｖＤｃＵ，ＬｖＤＣＤ（１一Ｄ）（４）ＪｓＬ比较式（２）、式（４）可以看出，直流变压器与ＤＡＢ传输功率基本一致，主要区别在于直流变压器中压端电压是各个ＤＡＢ单元中压端串联电压之和。图４直流变压器拓扑结构Ｆｉｇ．４ＴｏｐｏｌｏｇｙｏｆＤＣＳＳＴ对于高频链直流变压器的控制，不仅要对各个ＤＡＢ单元进行控制，同时还有实现各个ＤＡＢ单元在中压端的电压平衡和低压端的电流平衡。ＤＡＢ的传输功率在输入端与输出端相等，即＝Ⅳ己，＾ＭＶｆ＝ｖｆＩＬｖｆ（５）根据前面分析可得‰……ＵＭＶ＝２＝＝铮＝＝（６）由式（６）可以得到，电压平衡与电流平衡等价。因此，直流变压器只需要对电压或者电流平衡进行控制。２．３其他典型接口变换器光伏、储能的非隔离型Ｄｅ／Ｄｅ变流器［１８－１９由Ｂｏｏｓｔ／Ｂｕｃｋ变流器组成，其拓扑结构如图５所示。其中：为储能电池电压或者光伏出口电压；为低压母线电压。当功率由电源流向母线时，变换器运行在Ｂｏｏｓｔ模式；当功率由母线流向电源时，变换器运行在Ｂｕｃｋ模式。贾祺，等基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析．９３．ｕ２图５Ｂｏｏｓｔ．Ｂｕｃｋ变换器拓扑结构—Ｆｉｇ．５ＴｏｐｏｌｏｇｙｏｆＢｏｏｓｔＢｕｃｋ：（７）一一一Ｉ，Ｊ１一ｄ一＝ｄ（８）式（７）为Ｂｏｏｓｔ模式下电压关系，式（８）为Ｂｕｃｋ模式下电压关系，其中，ｄ为占空比。对于低压母线接入交流负荷，通常采用ＤＣ／ＡＣ变换器，其拓扑结构如图６所示，ＵＤＣ为ＤＣ／ＡＣ直流侧电压，ＵＡＢ为交流侧电压，ｉ。为ＤＣ／ＡＣ输出电流。图６ＤＣ／ＡＣ变换器拓扑结构Ｆｉｇ．６ＴｏｐｏｌｏｇｙｏｆＤＣ／ＡＣＤＣ／ＡＣ变换器交流输出端可以连接负荷，也可以连接电网，并且Ｕｇａ的幅值和相位是可控的，通过控制ＵＡａ的幅值和相位便可以控制电感两端的电压，进一步可以控制ｉｏ的幅值和相位，实现功率的双向传输。本文中ＤＣ／ＡＣ变换器主要用来驱动交流负荷，并选择ＤＣ／ＡＣ工作在功率因数为１处运行。３柔性中压直流配电网工作模式与控制器设计３．１柔性中压直流配电网工作模式设计直流变压器作为直流配电系统的核心部分，可以根据它的工作模式来确定系统的工作模式，因此设计为三种工作模式，并且各个模式之间可以相互切换。１）中压模式低压母线电压固定，当中压配电母线侧异常，分布式电源正常工作时，为了保证中压母线侧负荷供电，直流变压器控制中压母线，分布式电源通过直流变压器向中压母线侧负荷供电。２低压模式中压母线固定，低压母线由直流变压器控制。该模式下，中压母线可以通过直流变压器向低压侧负荷供电，低压侧分布式电源也可以通过直流变压器向中压母线侧馈电。３１功率模式在功率模式中，中低压母线均固定，直流变压器控制功率流动的大小和方向。通过上面的分析可知，在系统不同的工作模式下，各部分变流器的工作状态也不同。各个部分控制器是相互独立的，它们之间无信号的传递，通过控制中低压母线电压的稳定即可控制系统的功率平衡，维持系统的稳定运行。３．２双主动全桥变换器控制设计作为高频链直流变压器的重要组成部分，ＤＡＢ典型的控制策略见图７，通常对于ＤＡＢ的控制采用电压电流双闭环策略。母线电压的偏差经过ＰＩ控制器后作为电流内环的参考值ｆｒｅｆ，电流偏差经过控制器后得到移相角，输入到脉宽调制单元得到驱动脉冲。图７双主动全桥变换器控制设计Ｆｉｇ．７Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ０ｆＤＡＢ３．３高频链直流变压器控制设计如前文所述，对直流变压器的控制也就是对于每个ＤＡＢ采用相同的控制方法，最重要的是控制中压端各ＤＡＢ串联单元电压平衡，低压端各ＤＡＢ并联单元电流平衡。当系统工作在中压模式时，中压母线电压由直流变压器控制，在此模式下，直流变压器中每个ＤＡＢ单元的控制策略与典型的ＤＡＢ控制策略一致，其控制策略见图８（ａ）。各个ＤＡＢ控制各自的中压端电压，保证各自电压相等。外环中压母线电压误差经过ＰＩ后生成中压侧电流参考值，电流误差经过ＰＩ后生成移相角，输入ＰＷＭ脉宽调制单元产生驱动脉冲。当系统工作在低压模式时，直流变压器不仅要控制低压母线电压，还要控制中压端各个ＤＡＢ电压的电压平衡，其控制策略见图８（ｂ）。低压母线电．．９４．．电力系统保护与控制压误差经过ＰＩ后生成的值作为低压电流参考值，电压平衡控制器采集各ＤＡＢ单元中压端电压ＵＭｖ，按公式（９）计算出平均电压，与ＵＭＶ１之差作为ＤＡＢ电流参考值的修正量。即低压电压控制器的输出与电流修正量之和作为ＤＡＢ低压电流参考值。…Ｕｘ：二（９）…当系统工作在功率模式时，其控制策略见图８（ｃ）。该模式下，中低压母线电压均固定。根据指定传输功率求出的电流值与电压平衡控制器输出值之和作为ＤＡＢ中压端电流参考值。（ａ）中压模式下直流变压器控制设计（ｃ）功率模式下直流变压器控制设ｔ１图８高频链直流变压器控制设计Ｆｉｇ．８ＣｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＤＣＳＳＴｍｏｄｕｌｅ３．４其他典型接口变换器控制设计在图１所示的柔性中压直流配电网中，非隔离双向ＤＣ／ＤＣ主要用于光伏、储能的接入。光伏接口单元控制策略见图９（ａ）。其中，ｉｐｖ为光伏电流；ｖ为光伏电压，经过ＭＰＰＴ控制器后产生电压参考值，电压误差经过ＰＩ放大后，再与三角载波比较法生成开关管门极脉冲。在该系统中光伏始终处于最大功率追踪模式。当系统工作在低压模式时储能电池接口单元控制策略见图９（ｂ）。其中ｆｂｒ。ｆ为电流充／放电电流参考值，此模式下，储能电池根据指定的功率值进行充放电，可计算出ｆｂｒ。ｆ；ｆｂ为流过电感电流值，电流误差经过ＰＩ放大后，根据电流流向的不同确定工作开关管与占空比，再与三角载波比较法生成开关管门极脉冲。当系统工作在中压模式或者功率模式时，储能电池接口单元电压电流双闭环控制策略见图９ｆｃ）。其中＿ｖＤｃｆ为低压母线电压参考值：低压母线电压误差经过ＰＩ放大后生成内环电池电流参考值，内环电流误差经过ＰＩ放大后，根据电流流向的不同确定工作开关管与占空比，再与三角载波比较法生成开关管门极脉冲。嚣ｇｒｅｆ…！…『＼／＼－＋Ｌ…图９非隔离ＤＣ．ＤＣ变换器控制设计低压母线可以通过ＤＣ／ＡＣ驱动交流负荷，控制策略见图ｌ０。其中：ｆ为交流负荷输出电压参考值；／１ｏ为输出电压值，ＤＣ／ＡＣ主要控制输出电压，电压误差经过ＰＩ后，输入到正弦脉宽调制单元产生驱动脉冲。图１０ＤＣ／ＡＣ变换器控制设计Ｆｉｇ．１０ＣｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＤＣ／ＡＣｍｏｄｕｌｅ４仿真实验验证４．１系统主要参数为了验证本文提出的基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统的有效性，在ＥＭＴＤＣ／ＰＳＣＡＤ中搭建仿真模型。光伏阵列参数、直流变压器参数以及系统其他参数如表１、表２、表３所示。表１光伏参数Ｔｌａｂｌｅ１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＶ参数数值短路电流ｃ，Ａ开路电压【，ｎｃ／Ｖ最大功率点电压，ｖ最大功率点电流，ｍ，Ａ２５．５４００２３８２２．５贾祺，等基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析．９５．表２直流变压器参数’１ａｂｌｅ２ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＤＣＳＳＴ参数中压母线电压ＵＭｖＤｃ～低压母线电压ＵＬＶＤＣ［Ｖ开关频率ｆｓ／ｋｎｚ”变压器变比辅助串联电感Ｌ／ｍＨＤＡＢ单元直流电容Ｃ／ｇＦＤＡＢ单元个数表３系统其他参数Ｔａｂｌｅ３Ｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ参数数值直流负荷舰交流负荷２胞电池电压Ｖ５Ｏｌ８１９２４．２仿真分析系统处于低压工作模式下，稳态运行时系统工作波形如图１１。图１１（ａ）低压母线电压由直流变压器控制，基本稳定在４００Ｖ。图１ｌ（ｂ）中光伏以最大功率追踪模式运行，储能电池以恒定的功率充电，此时光伏发出功率不足时，中压母线侧通过直流变压器向低压侧传输功率，本文储能电池以充电为正方向。图１１（ｃ）为直流变压器中单个ＤＡＢ工作情况，高低压两侧全桥交流输出电压和Ｕｈｌ２均为方波，彼此间移开角度，并且Ｕｈ－。超前Ｕｈ１２，功率由中压侧流向低压侧。原边电感电流ｉＬ，为近似于梯形波的高频交流。当光伏发出功率剩余并且储能以恒定的功率放电时，低压母线侧则通过直流变压器向中压侧馈电，如图１ｌ（ｄ）、（ｅ）示，ＤＡＢ单元中Ｕｈｌ１的相位滞后１２。４５０３００言；１５００ｌ／，『ｔ／ｓ（ａ】低压母线电压＼夺滚ｆ荷光ｆ）一直流负荷．＿一．＼：＼ｉ流变压器传输功率储能电池００．２０．４０．６０．８１．０１２ｓ（ｂ）系统功率分配１—“ｈ＿】Ｖ几！一ｌＩ坼厂１１１ｌ．Ｉ１１ｌ。ｌｌＩＬｔ／ｂｔｓ（ｃ）ＤＡＢ滞后作波形…’／＾：／丘ｉｍ１。且传输Ｉ１堵百苣咀．旭：．＾＾＾；＾＾＾＾一＾＾＾＾＾－＾：；＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾～～００．２０．４０．６０．８１．０１２ｌ４１．６１．８２．０ｔ／ｓｆｄ）系统功率分配ｌ１．０ｕＪ，．Ｊ‘：。：．［ｌ１：Ｉ：ｉｌ：ｔ／ｐ．ｓｒｅ１ＤＡＢ超前工作波形图１１低压模式下系统稳定运行曲线Ｆｉｇ．１１ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆＬＶＤＣｍｏｄｅｌ系统处于中压工作模式下，稳态运行时系统工作波形如图１２。图１２ｆａ）中低压母线电压由储能装置控制，基本稳定在４００Ｖ，中压母线电压由直流变压器控制，从图１２（ａ）中可以看出单个ＤＡＢ中压端电压基本稳定在５００Ｖ。图１２（ｂ）、（ｃ）可以看出，光伏和储能电池向系统发出功率，低压母线侧通过直流变压器向中压侧供电。６００５０Ｏ４００言３００２００１０００６４２喜。一２—４—６＿ＤＡＢ￣ｔ压端电压低压母线电¨ｉ／｝Ｏ０．５１．Ｏ１．５２．Ｏ２５３．Ｏ３．５４Ｏｔ／ｓ（ａ）中低压母线电压直流９ｌ荷＼光伏／：直流变点器传输Ｚ帏受流负荷＼ｉ能电ｔ／ｓ（ｂ）系统功率分配。。一，一５一９６．电力系统保护与控制Ｔ——ｒ¨Ｉ瑚，ｌ．１▲［１：ｌｒｌｌ：’Ｉｔ／ｐ．ｓ‘（ｃ）ＤＡＢ超ＮＵＡ－作波形图１２中压模式下系统稳定运行曲线Ｆｉｇ．１２ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆＭＶＤＣｍｏｄｅｌ系统处于功率工作模式下，稳态运行时系统工作波形如图１３。图１３（ａ）ｑｈ根据要传输的功率计算出中压侧电流的参考值，并由直流变压器控制中压侧电流。此时ＤＡＢ单元中工作情况如图１３（ｃ）所示，１１超前１２，功率由中压侧流向低压侧，图１３（ｂ）为此时系统功率分配图。ＯＯ５１．０１．５２．０２．５３．０３５４０ｔ／ｓｆａ）中压电流＼ｑ）ｋ储能电池一。Ｊ一，／直流变压器传输功率交流负荷。ｔ｜Ｓ（ｂ）系统功率分配＇ｉＬｌｉ＇ｌＶ－１１ｆＴ！ｌｆ－０１００２００３００４００５００６００ｔ／ｋｔｓｆｃ）ＤＡＢ滞后工作波形图１３功率模式下系统稳定运行曲线Ｆｉｇ．１３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｐｏｗｅｒｍｏｄｅｌ图１４为系统工作模式切换图。图ｌ４（ａ）中０～２Ｓ时，系统工作在低压模式，直流变压器控制低压母线电压基本稳定在４００Ｖ，中压母线电压固定，２Ｓ后系统切换到中压模式，此时低压母线由储能电池维持，中压母线电压由直流变压器控制，经过短暂的暂态过程后，低压母线电压基本稳定在４００Ｖ，ＤＡＢ中压端电压基本稳定在５００Ｖ。图１４（ｂ）￣ＪＪ为低压工作模式与功率工作模式之间切换，从图中可以看出，经过短暂的暂态过程后，低压母线电压基本稳定在４００Ｖ。６００５００４００３００２００１００Ｏ５００４５０４００３５Ｏ３００２５０２００１５０１００５０低压模式压模式、ｅ．ＤＡＢ｛ｔ压端电胍低母线电压ｆｆ００５１．０１５２．０２５３．０３．５４．０ｓｆａ）中低压母线电压低ｊ嚣模式枣模式＞＿－＞扣ｉ｛＿低压母线通过ＤＣ／ＡＣ驱动交流负载，在系统工作的３个模式中，通常控制ＤＣ／ＡＣ工作在功率因数为１的状态，如图１５所示。８００７００６００５００４００３００２００１０００厂、／、厂、．＼１／１１１ｏ＿ｉ：ｓ图１５交流负荷稳定运行曲线Ｆｉｇ．１５ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆＡＣｌｏａｄｓ５结论本文提出了一种基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统，其中压和低压母线均为直流。从理论上分析了高频链直流变压器以及其他典型变流器的工作特性，并设计了系统的工作模式，各部分控制器。基于ＥＭＴＤＣ／ＰＳＣＡＤ的仿真结果验证了控制器的正确性、系统的有效运行。该系统相比于交流配电网，不需要对电压的相位和频率进行追踪，可靠性与可控性高；相比于传统直流微电网采用了高频变压器代替工频变压器，不仅实现电压匹咖㈣伽瑚。枷伽贾祺，等基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析－９７－配与电气隔离，同时带来了体积小、重量轻、成本低、降低噪声等优点。该系统灵活，易扩展，易于实现模块化，实际中可按要求进一步扩展。参考文献［１］ＡＬＬＥＥ￣ＴＳＣＨＵＤＩＷ．Ｅｄｉｓｏｎｒｅｄｕｘ：３８０ＤＣｂｒｉｎｇｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｔｏｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄａｔａｃｅｎｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＭａｇａｚｉｎｅ，２０１２，１Ｏ（６）：５０－５９．［２］宋强，赵彪，刘文华，等．智能直流配电网研究综述［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１３，３３（２５）：９－１９．ＳＯＮＧＱｉａｎｇ，ＺＨＡＯＢｉａｏ，ＬＩＵＷｅｎｈｕａ，ｅｔａ１．ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｍａｒｔＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｏｗｅｒｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１３，３３（２５）：９．１９．［３］江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望［Ｊ］．电力—系统自动化，２０１２，３６（８）：９８１０４．ＪＩＡＮＧＤａｏｚｈｕｏ，ＺＨＥＮＧＨｕａｎ．ＲｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２０１２，３６（８）：９８．１０４．［４］刘家赢，韩肖清，王磊，等．直流微电网运行策略【Ｊ］．电网技术，２０１４，３８（９）：２３５６－２３６１．ＬＩＵＪｉａｙｉｎｇ，ＨＡＮＸｉａｏｑｉｎｇ，ＷＡＮＧＬｅｉ，ｅｔａ１．ＯｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＤＣｍｉｃｒｏｇｒｉｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３８（９）：２３５６２３６１．［５］张杰，高腾，赵威，等．直流微网系统能量管理控制技术研究【Ｊ】．电力系统自动化，２０１４，３６（４）：５０－５３．ＺＨＡＮＧＪｉｅ，ＧＡＯＴｅｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｉ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｎｅｒｇ—ｙｍａｎａｇｅｍｅｍｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＤＣｍｉｃｒｏｇｒｉｄ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２０１４，—３６（４）：５０５３．—［６］ＳＨＥＸ，ＬＵＫＩＣＳＭ，ＨＵＡＮＧＡＱ．ＤＣｚｏｎａｌｍｉｃｒｏｇｒｉｄ—ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ】／／ＩＥＣＯＮ２０１０３６ｔｈＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｏｃｉｅｔｙ，２０１０：２９８８．２９９３．［７］王毅，张丽荣，李和明，等．风电直流微网的电压分层—协调控制［Ｊ】．中国电机工程学报，２０１３，３３（４４）：１６２４．ＷＡＮＧＹｉ，ＺＨＡＮＧＬｉｒｏｎｇ，ＬＩＨｅｍｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ－ｂａｓｅｄＤＣｍｉｃｒｏｇｆｉｄ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１３，３３（４４）：１６－２４．［８］丁明，田龙刚，潘浩，等．交直流混合微电网运行控制策略研究［Ｊ］＿电力系统保护与控制，２０１５，４３（９）：１－８．ＤＩＮＧＭｉｎｇ，ＴＩＡＮＬｏｎｇｇａｎｇ，ＰＡＮＨａｏ，ｅｔａ１．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｈｙｂｒｉｄＡＣ／ＤＣｍｉｃｒｏｇｒｉｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１５，４３（９）：１－８．［９］ＳＨＥＸ，ＨＵＡＮＧＡＱ，ＷＡＮＧＧＹ３－Ｉ３ｓｐａｃｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｖｏｌｔａｇｅｂａｌａｎｃｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｆｏｒａｃａｓｃａｄｅｄｓｅｖｅｎ－ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎａｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，２６（１２）：３７７８－３７８９．［１Ｏ］严干贵，谢国强，李军徽，等．储能系统在电力系统中的应用综述【Ｊ】．东北电力大学学报，２０１１，３１（３）：７－１２．ＹＡＮＧａｎｇｕｉ，ＸＩＥＧｕｏｑｉａｎｇ，ＬＩＪｕｎｈｕｉ，ｅｔａ１．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＤｉａｎｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１，３１（３）：７－１２．［１１］任桂周，常思勤．一种基于超级电容器组串并联切换的储能系统【Ｊ］电工技术学报，２０１４，２９（１）：１８７－１９５．ＲＥＮＧｕｉｚｈｏｕ，ＣＨＡＮＧＳｉｑｉｎ．Ａｎｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｅｒｉｅｓ－ｐａｒａｌｌｅｌｓｗｉｔｃｈｏｖｅｒｏｆｕｌｔｒａ－ｃａｐａｃｉｔｏｒｂａｎｋｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，—２０１４，２９（１）：１８７１９５．［１２］周林，任伟，廖波，等．并网型光伏电站无功电压控制—［Ｊ］＿电工技术学报，２０１５，３０（２０）：１６８１７５．ＺＨＯＵＬｉｎ，ＲＥＮＷｅｉ，ＬＩＡＯＢｏ，ｅｔａ１．Ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒａｎｄｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１５，３０（２０）：１６８－１７５．［１３］倪福银，李正明，潘天红．光伏微逆变器中Ｂｏｏｓｔ变换器的混沌现象分析与控制研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１５，４３（１７）：１４９－１５４．ＮＩＦｕｙｉｎ，ＬＩＺｈｅｎｇｍｉｎｇ，ＰＡＮＴｉａｎｈｏｎｇ．ＡｎａｌｙｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｈａｏｔｉｃｐｈｅｎｏｍｅｎａｆｏｒＢｏｏｓｔ—ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｍｉｃｒｏｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１５，４３（１７）：１４９－１５４．［１４］王成山，武震，李鹏．微电网关键技术研究［Ｊ］＿电工技术学报，２０１４，２９（２）：１－１２．ＷＡＮＧＣｈｅｎｇｓｈａｎ，ＷＵＺｈｅｎ，ＬＩＰｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｇｒｉｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１４，２９（２）：１－１２．［１５］ＺＨＡＯＢｉａｏ，ＳＯＮＧＱｉａｎｇ，ＬＩＵＷｅｎｈｕａ．ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｓｏｌａｔｅｄｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ．．ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌ－－ｐｈａｓｅ－－ｓｈｉｆｔｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ．９８．电力系统保护与控制ＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，２８（４）：１７１１－１７２７．１１６］ＺＨＡＯＢｉａｏ，ＳＯＮＧＱｉａｎｇ，ＬＩＵＷｅｎｈｕａ．Ｄｅａｄ－ｔｉｍｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈ・－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｏｌａｔｅｄｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅＤＣ－ＤＣｃｏｎｖｅｎｅｒ：ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎ—ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１４，２９（４）：１６６７１６８０．［１７］ＺＨＡＯＢｉａｏ，ＳＯＮＧＱｉａｎｇ，ＬＩＵＷｅｎｈｕａ．Ａｐｒａｃｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｌｉｎｋｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｂａｓｅｄＯ１３－ａｄｖａｎｃｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｈｙｂｒｉｄｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１５，６２（７）：４５８７－４５９７．［１８］杨永恒，周克亮．光伏电池建模及ＭＰＰＴ控制策略［Ｊ】．—电工技术学报，２０１１，２６（１）：２２９２３４．ＹＡＮＧＹｏｎｇｈｅｎｇ，ＺＨＯＵＫｅｌｉａｎｇ．ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（１）：２２９・２３４．［１９］曹生允，宋春宁，林小峰，等．用于电池储能系统并网的ＰＣＳ控制策略研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１４，４２（２４）：９３－９８．ＣＡＯＳｈｅｎｇｙｕｎ，ＳＯＮＧＣｈｕｎｎｉｎｇ，ＬＩＮＸｉａｏｆｅｎｇ，ｅｔａ１．ＳｔｕｄｙｏｆＰＣＳｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｂａｔｔｅｒｙｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ—Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１４，４２（２４）：９３９８．收稿日期：２０１５－０８－２１；—修回日期：２０１６－０１２８作者简介：贾祺（１９９１一），男，通信作者，硕士研究生，主要研究方向为柔性直流配电技术；Ｅ．ｍａｉｌ：１５９４８６９２９６０＠１６３．ｃｏｍ赵彪（１９８７一），男，博士，主要研究方向为柔性直流输配电技术和智能功率变换技术：Ｅ．ｍａｉｌ：ｚｈａｏｂｉａｏ１１２９０４８２９＠１２６．ｃｏｒｎ严干责（１９７１一），男，博士，教授，主要研究方向为新能源发电联网运行分析与控制技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｇ＠ｍａｉｌ．ｎｅｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（编辑张爱琴）