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柔性直流配電網(wǎng)（FDCDN）具有便于直流用電設(shè)備和新能源發(fā)電系統(tǒng)接入，高度的可控性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，已成為繼柔性直流輸電技術(shù)之后新的學(xué)術(shù)和工程研究熱點(diǎn)之一，且相比傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)具有強(qiáng)大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，因此發(fā)展前景巨大。

目前，一些國(guó)家已開(kāi)展對(duì)直流配電網(wǎng)的研究，國(guó)外主要有美國(guó)佛吉尼亞理工大學(xué)CPES（center for power elec- tronics systems）中心提出的四級(jí)分層交直流混合配電系統(tǒng)和德國(guó)亞琛大學(xué)于2014年開(kāi)始建設(shè)的10kV直流網(wǎng)絡(luò)等。國(guó)內(nèi)主要有2017年8月投運(yùn)的浙江上虞交直流混合微電網(wǎng)示范工程、2018年12月投運(yùn)的珠?！爸腔勰茉词痉豆こ獭焙蛷埍比嵝越恢绷髋潆娋W(wǎng)科技示范工程等。

直流配電網(wǎng)主要包含分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流變壓器以及換流器等核心單元，可為新能源提供并網(wǎng)接口，對(duì)直流負(fù)荷供電，但其電壓等級(jí)尚無(wú)明確規(guī)定。國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)（CIGRE）于2015年7月成立SC6.31《直流配電可行性研究》專(zhuān)題小組，研究和推廣中壓直流配電網(wǎng)技術(shù)，初步認(rèn)為配電的電壓等級(jí)范圍在1.5kV～100kV之間比較合理。

直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)覆蓋范圍較寬，并且支持現(xiàn)代直流微電網(wǎng)接入，組成廣域直流配電系統(tǒng)，但其控制技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行方式也更加靈活多樣，通常采用分層控制，頂層包括網(wǎng)絡(luò)中分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)，以及網(wǎng)絡(luò)損耗優(yōu)化等；底層控制主要為變流器控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)直流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功率和電壓幅值、頻率等電氣量指標(biāo)的跟蹤控制以及與交流系統(tǒng)間的離并網(wǎng)轉(zhuǎn)換等功能。底層控制與柔性直流輸電系統(tǒng)中的變流器級(jí)的控制功能類(lèi)似，但所實(shí)現(xiàn)的控制功能更加復(fù)雜。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

接入直流網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷中包含大量電力電子類(lèi)恒功率負(fù)荷，負(fù)荷特性與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)完全不同，傳統(tǒng)變流器控制技術(shù)難以同時(shí)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制模式靈活切換等需求。變流器自治控制（grid- forming control）近期由CIGRE委員會(huì)組織會(huì)議制定研究計(jì)劃，其核心思想覆蓋和改進(jìn)了現(xiàn)有變流器虛擬同步機(jī)（VSG）等先進(jìn)控制策略的概念，認(rèn)為現(xiàn)代電力系統(tǒng)不應(yīng)該僅僅是對(duì)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)特性的模擬，而應(yīng)以自主運(yùn)行為目標(biāo)設(shè)計(jì)變流器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)孤島和并網(wǎng)運(yùn)行的獨(dú)立控制、平滑切換等，減小對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的依賴(lài)。具體控制策略包括現(xiàn)有的虛擬同步機(jī)控制、下垂控制、虛擬阻抗控制等，以實(shí)現(xiàn)變流器的自治運(yùn)行。

自治控制思想尤其適用于直流配電網(wǎng)中變流器控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前大部分研究工作基于虛擬同步機(jī)及其改進(jìn)策略實(shí)現(xiàn)變流器的自主運(yùn)行，有學(xué)者模擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率間的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)變流器有功控制環(huán)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中不依賴(lài)于鎖相環(huán)（PLL），并提出幅值和相位預(yù)同步環(huán)節(jié)，用于變流器孤島和并網(wǎng)運(yùn)行控制的平滑切換。但其電流內(nèi)環(huán)基于兩電平變流器交流側(cè)LC輸出濾波器構(gòu)造，對(duì)于通常經(jīng)電抗器直接并網(wǎng)的模塊化多電平換流器（MMC），其電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)無(wú)法直接應(yīng)用。

圖2 變流器外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

目前，研究主要針對(duì)VSG外環(huán)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)電流內(nèi)環(huán)分析較少。對(duì)此，有學(xué)者由VSG控制環(huán)節(jié)直接輸出有功電流指令信號(hào)，由電流內(nèi)環(huán)產(chǎn)生同步相位，實(shí)現(xiàn)電流的直接控制，并應(yīng)用于直流配電網(wǎng)，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程，詳細(xì)分析和優(yōu)化了系統(tǒng)控制性能。

有學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了功角對(duì)有功和無(wú)功電流控制的耦合作用，在調(diào)制信號(hào)中疊加解耦控制量。有學(xué)者分別設(shè)計(jì)了有功功率-虛擬轉(zhuǎn)矩下垂控制和直流電壓-頻率下垂控制功能，并引入虛擬慣性環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，同時(shí)該環(huán)節(jié)輸出電網(wǎng)同步信號(hào)，參與傳統(tǒng)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙閉環(huán)（功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)）控制，省去PLL實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率控制。

有學(xué)者通過(guò)構(gòu)造變流器直流輸出電流和直流電壓間的慣性控制環(huán)節(jié)模擬變流器的同步發(fā)電機(jī)特性，并引入輸出電流前饋控制通道，改善暫態(tài)直流電壓波形質(zhì)量。有學(xué)者在VSG控制外環(huán)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)虛擬阻抗控制環(huán)節(jié)，利用變流器輸出電壓和電網(wǎng)電壓直接計(jì)算流過(guò)虛擬阻抗的電流作為電流內(nèi)環(huán)指令信號(hào)，適用于經(jīng)電抗器直接并網(wǎng)的變流器。

有學(xué)者進(jìn)一步提出同步虛擬阻抗，系統(tǒng)狀態(tài)方程特征根僅由同步虛擬阻抗參數(shù)決定，避免系統(tǒng)交流側(cè)實(shí)際阻抗參數(shù)對(duì)控制性能的影響。有學(xué)者對(duì)比了變流器下垂控制和虛擬慣性控制策略在功率階躍、電網(wǎng)頻率變化等工況下的響應(yīng)特性，說(shuō)明利用虛擬慣性方法實(shí)現(xiàn)變流器自治控制，動(dòng)態(tài)過(guò)程中具有較小的超調(diào)量和較慢的頻率變化過(guò)程。

由于較大規(guī)模直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)通常較高（±10kV及以上等級(jí)），其變流器應(yīng)采用MMC結(jié)構(gòu)，且應(yīng)具有直流故障穿越能力，有學(xué)者針對(duì)混合拓?fù)涮岢鋈哂嗄K的配置方法。有學(xué)者針對(duì)混合拓?fù)湄?fù)電平輸出特性，提出一種子模塊電容值的計(jì)算方法。有學(xué)者提出一種增強(qiáng)型子模塊和半橋子模塊級(jí)聯(lián)的混合拓?fù)洌汕宄绷鞴收?。有學(xué)者針對(duì)全橋-半橋混合拓?fù)涮岢鲆环N直流故障穿越方法。

綜上所述，換流閥是直流配電網(wǎng)的核心設(shè)備之一，全橋-半橋混合拓?fù)鋼Q流閥具備直流故障處理能力，且換流閥損耗和成本均低于純?nèi)珮蛲負(fù)洌绕溥m用于中大規(guī)模直流配電網(wǎng)。且在混合MMC拓?fù)涞闹骰芈穮?shù)設(shè)計(jì)和故障穿越等方面已有相關(guān)研究成果可供借鑒，因此柔性直流配電網(wǎng)可采用全橋-半橋混合拓?fù)涞腗MC。

但在換流器級(jí)的控制策略方面，現(xiàn)有研究成果大都以?xún)呻娖阶兞髌鳛檠芯繉?duì)象，而兩電平變流器阻抗特性與MMC存在很大差別，對(duì)MMC的自治控制尤其是針對(duì)混合拓?fù)涞膽?yīng)用研究相對(duì)較少。

因此，針對(duì)適用于混合拓?fù)銶MC的慣性模擬方法，上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院的研究人員提出基于全橋-半橋混合MMC的柔性直流配電網(wǎng)變流器自治控制策略，以提高直流配電網(wǎng)的可靠性。

圖3 變流器電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

基于混合MMC的柔性直流配電網(wǎng)自治控制策略能夠模擬同步發(fā)電機(jī)慣性，但并不完全仿造發(fā)電機(jī)特性。所設(shè)計(jì)的橋臂電容電壓平均值外環(huán)，利用MMC自身模塊電容實(shí)現(xiàn)交直流暫態(tài)不平衡功率的緩沖，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似同步機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性功能；設(shè)計(jì)的電流內(nèi)環(huán)能夠有效改善常規(guī)VSG策略的電流控制能力，抑制暫態(tài)過(guò)程中電流波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)直流故障穿越；同時(shí)也可避免直流配電網(wǎng)中變流器間出現(xiàn)類(lèi)似傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的低頻振蕩現(xiàn)象等。

圖4 仿真模型主回路拓?fù)?/p>

自治控制通過(guò)子模塊電壓平均值外環(huán)調(diào)節(jié)換流閥輸出電壓角頻率，獲得相位信息，不依賴(lài)鎖相環(huán)進(jìn)行坐標(biāo)變換，基于提出的電流內(nèi)環(huán)構(gòu)造方法，MMC在孤島運(yùn)行過(guò)程中也為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)（電容電壓平均值/無(wú)功功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)），即孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行均可采用統(tǒng)一的內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)變流器控制模式的平滑切換。

通過(guò)孤島運(yùn)行模式下傳統(tǒng)控制策略和自治控制仿真結(jié)果的對(duì)比，表明所提出控制方法能有效抑制直流網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載突變時(shí)電流振蕩。對(duì)于直流短路故障，混合拓?fù)銶MC可利用直流電壓控制環(huán)節(jié)快速降低換流閥直流輸出電壓，抑制短路電流的上升。仿真中出現(xiàn)電容電壓上升情況，雖然電壓仍在設(shè)備可承受范圍內(nèi)，但在實(shí)際工程中仍需考慮適當(dāng)增加子模塊電容容量或進(jìn)一步優(yōu)化控制器響應(yīng)速度，這也是后續(xù)繼續(xù)優(yōu)化的方向之一。

綜上所述，自治控制技術(shù)應(yīng)用于混合拓?fù)銶MC，具備直流故障清除能力，滿足電力電子設(shè)備比例較高、新能源大量接入的直流配電網(wǎng)的需求，能為直流網(wǎng)絡(luò)提供一定的慣性，提高其運(yùn)行的可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

以上研究成果發(fā)表在2020年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“柔性直流配電網(wǎng)混合拓?fù)渥兞髌鞯淖灾慰刂啤?，作者為吳杰、李傳江、周鳴、茅紅偉。