陳鵬偉 阮新波 陳 新 陳 杰 吳紅飛

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 211106)

自 1957 年美國(guó)通用電氣公司研制出世界上首個(gè)可控硅整流器以來(lái),功率半導(dǎo)體及電力電子相關(guān)技術(shù)的興起和發(fā)展使得直流配電系統(tǒng)在艦船、航空、數(shù)據(jù)中心、電力機(jī)車與牽引網(wǎng)等特殊應(yīng)用場(chǎng)合逐漸得到應(yīng)用[1]。在相關(guān)技術(shù)日趨成熟的同時(shí),分布式電源的發(fā)展、直流負(fù)荷比重的增加及直流配電自身高效性、可靠性等優(yōu)勢(shì)又進(jìn)一步推動(dòng)了直流配電技術(shù)內(nèi)涵的拓展,從最初傳統(tǒng)意義上向負(fù)載供電的功能拓展為高效能高質(zhì)量可靠供電、負(fù)荷靈活管理與用電側(cè)消納新能源,并已成為未來(lái)智能電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向之一。

在此趨勢(shì)下,國(guó)內(nèi)外多家科研單位和企業(yè)相繼開(kāi)展了直流配電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和工程示范,如德國(guó)亞琛大學(xué)10 kV直流配電系統(tǒng)(2011)、深圳寶龍工業(yè)城雙端直流配電系統(tǒng)(2017)、貴州大學(xué)中壓五端柔性直流配電示范工程(2018)、蘇州工業(yè)園區(qū)環(huán)金雞湖核心區(qū)±10 kV 四端直流示范工程(2018)、廣東珠海唐家灣多端交直流混合柔性配網(wǎng)互聯(lián)工程(2018)等[2]?？梢哉f(shuō),無(wú)論是軌道交通、航空航天等專用領(lǐng)域,還是城市電網(wǎng)、智慧住宅等民用領(lǐng)域,直流配電系統(tǒng)尤其是低壓直流配電系統(tǒng)(電壓等級(jí) 1500 V 或±750 V及以下),已得到普遍認(rèn)可和快速發(fā)展。然而,直流配電系統(tǒng)源-荷兩端均高度電力電子化,具有低慣性弱阻尼、系統(tǒng)耦合性強(qiáng)、非線性負(fù)載占比高等特點(diǎn),在新能源間歇性波動(dòng)、負(fù)荷隨機(jī)性擾動(dòng)和設(shè)備參數(shù)遷移情況下,直流配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行成為一大挑戰(zhàn)。

與直流配電系統(tǒng)領(lǐng)域方興未艾不同,目前國(guó)內(nèi)各高校幾乎都未開(kāi)設(shè)以直流配電為主題的研究生課程,相關(guān)教材更是缺乏。為滿足行業(yè)需求和推動(dòng)學(xué)科發(fā)展,依托南京航空航天大學(xué)電氣工程系,課程組申請(qǐng)開(kāi)設(shè)了32學(xué)時(shí)的“直流配電系統(tǒng)分析與控制”課程(7D032027),并結(jié)合《柔性直流輸電系統(tǒng)》《柔性直流系統(tǒng)故障分析與保護(hù)》《直流配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》等行業(yè)著作,設(shè)計(jì)了課程主要內(nèi)容,同時(shí)于2022年秋季學(xué)期完成了該研究生課程的首次授課,為直流配電相關(guān)課程的建設(shè)和實(shí)踐提供了一些有益探索。

1 課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

南京航空航天大學(xué)是我國(guó)自己創(chuàng)辦的第一批航空高等院校之一,較早開(kāi)設(shè)了電氣工程專業(yè),并以航空航天民航鮮明行業(yè)特色為辦學(xué)導(dǎo)向。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,電氣專業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,電力電子與電力傳動(dòng)、電機(jī)與電器等二級(jí)學(xué)科已走在全國(guó)前列,但電力系統(tǒng)學(xué)科發(fā)展卻較為滯后。為完備電力系統(tǒng)方向課程,“直流配電系統(tǒng)分析與控制”課程被定位為應(yīng)用型課程,并成為聯(lián)系其他二級(jí)學(xué)科課程的紐帶,如“功率電子學(xué)”“電網(wǎng)絡(luò)分析”等。

課程的主要教學(xué)目標(biāo)是讓研究生了解我國(guó)電氣工程領(lǐng)域直流配電的現(xiàn)狀及相應(yīng)的技術(shù)政策,對(duì)直流配電的技術(shù)內(nèi)涵產(chǎn)生一定認(rèn)識(shí),并掌握直流配電系統(tǒng)的基本模型、分析方法和控制技術(shù)。在學(xué)完該課程之后,學(xué)生應(yīng)做到:

(1)了解直流配電系統(tǒng)架構(gòu)與供電能力,熟悉國(guó)內(nèi)外工程動(dòng)態(tài);掌握關(guān)鍵電能變換單元的工作原理、建模方法與控制策略。

(2)掌握系統(tǒng)運(yùn)行方式與穩(wěn)定性特征,熟悉直流配電系統(tǒng)典型故障特性、保護(hù)設(shè)備、故障檢測(cè)與隔離恢復(fù)策略。

(3)熟悉直流配電系統(tǒng)典型應(yīng)用架構(gòu),尤其是航空電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)載高壓直流供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)潮流與穩(wěn)定性分析。

2 課程內(nèi)容規(guī)劃

根據(jù)上述教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì),課程組對(duì)“直流配電系統(tǒng)分析與控制”課程教學(xué)內(nèi)容作了如下考慮和規(guī)劃:

(1)直流配電系統(tǒng)概述。介紹直流配電系統(tǒng)的構(gòu)成、電壓等級(jí)、接線方式、典型拓?fù)涞然靖拍?闡述其供電能力、可靠性、電能質(zhì)量特性,并以案例為組織形式展示國(guó)內(nèi)外較為成功和特色的示范工程,如圖1所示的珠海唐家灣示范工程與如圖2所示的貴州大學(xué)校園示范工程。

圖1 珠海唐家灣直流示范工程

圖2 貴州大學(xué)校園直流示范工程

(2)關(guān)鍵變換單元工作原理。關(guān)鍵變換單元工作原理的學(xué)習(xí)是掌握直流配電系統(tǒng)運(yùn)行特性的基礎(chǔ)。該部分內(nèi)容將分別以AC-DC與DC-DC電能變換為切入點(diǎn),前者主要介紹兩電平與三電平、模塊化多電平電壓源型換流器、變壓整流器、自耦變壓整流器的基本工作原理與諧波特性,后者則主要圍繞直流配電系統(tǒng)中常用的移相全橋變換器、雙有源全橋變換器以及輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)DC-DC變換器展開(kāi)。

(3)直流配電系統(tǒng)控制策略。該部分內(nèi)容將主要考慮換流站、儲(chǔ)能、新能源等單元的接口變換器,依次遞進(jìn)地介紹變換器本地控制、協(xié)調(diào)控制與系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度三方面內(nèi)容,其中協(xié)調(diào)控制以介紹主從控制與對(duì)等控制為主,而系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度將圍繞最優(yōu)潮流與多尺度優(yōu)化調(diào)度展開(kāi)。

(4)直流配電系統(tǒng)保護(hù)策略。直流配電系統(tǒng)直流故障主要分為兩極短路故障、單極接地故障和斷線故障,其中單極短路故障最為常見(jiàn),而兩極短路故障對(duì)系統(tǒng)的危害最為嚴(yán)重[3]。在直流配電系統(tǒng)保護(hù)策略方面,將主要以單極與雙極故障下?lián)Q流器電壓電流特性推導(dǎo)為切入點(diǎn),進(jìn)而在分類展示典型保護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)上,按換流站與直流線路分別進(jìn)行保護(hù)策略、故障隔離及恢復(fù)策略的論述。

(5)直流配電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與優(yōu)化。作為高度電力電子化的電力系統(tǒng),直流配電系統(tǒng)功率控制涉及多個(gè)時(shí)間尺度。在復(fù)雜的控制交互作用下,其振蕩與失穩(wěn)將不再局限于傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)以機(jī)電暫態(tài)為主導(dǎo)的低頻振蕩模式,寬頻帶特征顯著[4]。因此,本章以直流配電系統(tǒng)各調(diào)控單元小信號(hào)建模為基礎(chǔ),介紹狀態(tài)空間法與阻抗法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本理論與方法,并輔之以振蕩機(jī)理分析、附加有源阻尼控制設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。

(6)直流配電系統(tǒng)暫態(tài)仿真。電力系統(tǒng)數(shù)字動(dòng)態(tài)仿真是分析和驗(yàn)證系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和電能質(zhì)量特性的重要手段,按時(shí)間尺度可劃分為基于基波相量、潮流和響應(yīng)特性建模的機(jī)電暫態(tài)仿真與元件詳細(xì)動(dòng)態(tài)特性建模的電磁暫態(tài)仿真。該部分將介紹電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真與混合仿真的基本原理和方法,指出在直流配電系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的特殊處理技巧。同時(shí),以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向,指導(dǎo)學(xué)生在Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC等仿真平臺(tái)中搭建直流配電系統(tǒng)仿真模型。

(7)航空高壓直流供電系統(tǒng)。機(jī)載高壓直流供電系統(tǒng)作為極為特殊的直流配電系統(tǒng),如圖3所示,是南京航空航天大學(xué)電氣學(xué)科主要研究方向之一,研究生就業(yè)院所也多有涉及,如中航工業(yè)607所、611所等,因此課程特意設(shè)置了相關(guān)內(nèi)容。受限于體積與重量要求,其電源容量一般和負(fù)載容量相當(dāng),供電裕度小,而飛機(jī)卻含有電作動(dòng)器、電動(dòng)液壓泵、航空電子設(shè)備、雷達(dá)等大量非線性負(fù)載,系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題突出。該部分以南京航空航天大學(xué)航空特色需求為導(dǎo)向,介紹機(jī)載高壓直流供電系統(tǒng)的基本構(gòu)成,并以典型機(jī)載系統(tǒng)為例,開(kāi)展前7章所述內(nèi)容的具體應(yīng)用,包括潮流分析、小信號(hào)建模、穩(wěn)定性分析與有源阻尼控制等。

圖3 航空高壓直流供電系統(tǒng)示例

3 課程特色與評(píng)價(jià)

“直流配電系統(tǒng)分析與控制”課程的建設(shè)與實(shí)踐,源于直流配電系統(tǒng)與電力電子技術(shù)的快速發(fā)展。課程的七部分內(nèi)容依次遞進(jìn)且層次鮮明,具有以下特點(diǎn):

(1)以概述開(kāi)篇,可引導(dǎo)學(xué)生快速建立直流配電系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)體系的整體結(jié)構(gòu);

(2)內(nèi)容以建模分析為主,涵蓋直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、調(diào)度與保護(hù)等多個(gè)層面,有助于學(xué)生掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和基本特性;

(3)以機(jī)載高壓直流系統(tǒng)為實(shí)例,突出了航空航天應(yīng)用特色,可促進(jìn)學(xué)科交叉、認(rèn)知與應(yīng)用;

(4)配備數(shù)量合理且難度恰當(dāng)?shù)恼n后作業(yè)和開(kāi)放型課程設(shè)計(jì),促進(jìn)學(xué)生深入理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

課程于2022年秋季學(xué)期首次開(kāi)課,24名碩士研究生(含直博生)選修了該門(mén)課程。課程評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀,學(xué)生與督導(dǎo)評(píng)價(jià)打分位于南京航空航天大學(xué)2022年秋季學(xué)期全校前1%,自動(dòng)化學(xué)院前2%,授課內(nèi)容與方式得到了研究生的一致認(rèn)可。

4 結(jié)語(yǔ)

圍繞南京航空航天大學(xué)研究生新開(kāi)設(shè)的課程“直流配電系統(tǒng)分析與控制”,針對(duì)性地分析了課程的定位與教學(xué)目標(biāo),并以航空航天應(yīng)用為特色,規(guī)劃了課程所涉及的具體內(nèi)容。通過(guò)該研究生課程的實(shí)踐,為航空航天類院校電氣工程專業(yè)完善電力電子、新型電力系統(tǒng)相關(guān)課程提供一種建設(shè)思路,進(jìn)而助力培養(yǎng)符合電力工程和航空航天電氣系統(tǒng)快速發(fā)展需求的高素質(zhì)電氣人才。