北极星智能电网在线讯: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。
