马惠晟
（国网青海电力公司检修公司柴达木换流站 青海省 810000）
摘要：电力系统能源结构、网架结构和负荷类型方面发生了显著变革。新能源发电和储能系统在配电系统并网的社会需求及其“即插即用”的技术需求与日俱增；分布式电源并网使传统单向集中式供电的网架结构向多源多向、分布式结构转变；恒功率负荷和直流负荷占比增大，负荷侧对电能质量、供电可靠性以及供电多样化要求越来越高。在此背景下，直流配电网以其线路走廊窄、运行灵活度高、网络损耗小等优点得到行业内的高度关注。
关键词：直流配电网；运行控制；策略
1直流配电网拓扑结构
为了更好地在负荷侧消纳分布式能源，日本大阪大学、美国弗吉尼亚理工大学CPES中心、北卡罗来纳大学、罗马尼亚的布加勒斯特理工大学、德国亚琛大学等先后提出了一系列针对低压直流系统的配电网和微电网结构。从各国提出的配电网结构可以看出，网络分层、多电压等级、两端供电、交替电源供电等先进结构与技术均可以推广到直流配电网中。
其中，直流配电网在架构层次上与常规交流配电网相似，分为高压交/直流配电系统、中压直流配电系统、低压直流配电系统，各级网络面向不同电压等级用户，功能不尽相同。
拓扑结构上，中高压直流配电网结构主要有辐射状结构、两端供电型结构、环状网结构等。高压配电系统为交流时，中压直流配电网与高压直流配电网之间采用变流器连接，通过工频变压器进行电压变换；高压配电系统为直流时，可采用带有高频隔离的直流变压器连接。低压直流配网与中压直流配网之间通常采用直流变压器连接。为了降低投资和损耗，低压直流配电网一般采用辐射型结构。对于某些对可靠性要求苛刻的低压直流配电场景，可采用必要的冗余结构配置。
2直流配电网运行控制方法
2.1直流配电网功率同步控制
针对接入弱电网时，PLL容易受交流侧谐波振荡影响，为了提高VSC对弱电网的适应性，将同步电机的功率同步原理应用到直流变流器的控制中，提出了功率同步控制。根据功率同步控制的控制原理，功率同步控制的被控量是变流器的有功功率。被控量实际测量和计算过程中均存在一定的延迟和滤波环节，加上积分环节对高频量的过滤作用，导致功率同步控制削弱了弱交流系统的谐波和高频震荡的影响，从而增强了变流器对弱交流系统的适应性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆利用功率同步控制实现了2个极弱交流系统的互联；对功率同步控制的阻抗、阻尼特征进行了分析和验证，结果表明功率同步控制相对于传统的矢量控制具有较好的阻尼特性，此外，功率同步控制还可以为弱交流系统提供一定的惯性支撑；将同步电机的惯性特性引入功率同步控制中，为弱交流系统提供一定的惯性支撑；针对功率同步控制仍然不能实现快速相位自同步，缺乏即插即用功能等缺陷，将非线性功率阻尼控制与功率同步控制结合，增强了变流器对接入交流微电网频率波动的适应性。除了直流变流器并网，功率同步控制还可以应用于光伏系统接入弱交流系统、风力系统接入海岛直流系统等特殊场景。
在某些特殊应用场景，功率同步环无法实现锁相环功能。如直流变流器在故障时发生闭锁，变流器输出功率无法控制；交流侧系统发生故障时，采用功率同步锁相无法实现准确锁相。针对交流侧发生故障或较大畸变，系统中还有大量负序和零序（零序含量与直流配电网接线方式有关）分量，基于瞬时对称分量分解技术提出了一种采用解耦双同步坐标系的锁相环技术。
随着交流系统的增强，采用功率同步控制的系统稳定裕度逐渐减小，而连于强交流系统时会出现阻尼不足的现象。因此，功率同步控制适用于运行相对稳定的弱交流系统，对应用于不平衡系统以及强交流系统的适应性还有待研究与改进。相对于电压矢量控制，功率同步控制的控制带宽有限。而在动态交互方面，功率同步控制与电网的动态交互更为明显，将电压矢量控制与功率同步控制进行了结合，应对不同条件下的控制需求。此外，采用功率同步控制时，变流器输出功率随着交流侧频率波动，这为直流配电网功率调节带来一定的困难。
2.2直流配电网虚拟同步机控制
从功率同步控制和虚拟同步机控制的原理可以看出，二者在控制系统的构造上具有相同之处，均利用了同步机中有功功率与功角之间的关系。但是二者的应用场景不同，控制目标和功能不同。功率同步控制将变流器模拟为电动机，主要针对于分布式电源或直流配电网变流器与弱交流系统的连接，通过功率同步控制在实现有功功率传输的同时进行锁相，虽然可以为交流系统提供一定的惯性支撑，但是主动调频能力较差。
虚拟同步电机控制则将变流器等效为同步发电机，其控制系统依旧依赖PLL的锁相功能。通过虚拟同步机控制，不仅可以增加配电网的惯性，稳定功率波动带来的频率偏移，提高电能质量，同时由于采用虚拟同步机控制的惯性时间常数、阻尼系数、下垂系数等都可以随着系统运行状态而调整，虚拟同步机的性能随着控制目标、功率计算方法、解耦方法、内环控制方法等的不同而适应于多种场景。因此，虚拟同步机控制可以用于系统稳定性增强、系统谐振抑制、低电压穿越、分布式电源接入、无源网络供电等不同场景。用于交直流配电网柔性互联，当交流侧电网本地同步发电机退出运行时，配电网突变为无源网络，虚拟同步机控制不需要做任何切换即可以实现有源网络与无源网络的切换，提升了柔性直流配电系统适应复杂网络变化的能力。
虚拟同步机技术对现有并网技术有一定的提升，有利于交直流配电网柔性互联，增强了直流配电网对无源交流配电网的供电能力。但是采用虚拟同步机控制在利用同步机优点的同时引入了同步机的一些弊端，继承了同步机的振荡特性因此，系统多机并联参数协同优化以及系统的阻尼控制均有待于进一步研究。
2.3直流配电网虚拟阻抗控制
根据虚拟阻抗控制的不同作用，其应用场景可分为以下几个方面：（1）稳定控制。有源稳定控制主要通过改变逆变器的阻抗，对变流器交直流侧的振荡、谐振进行阻尼。通过逆变器输出阻抗与系统鲁棒性和抗干扰性的关系，采用虚拟阻抗法对逆变器输出阻抗进行调节，提升了系统对弱电网的适应能力；将虚拟阻抗控制用于解决多LCL变流器并联谐振问题。（2）有源阻尼控制。有源阻尼是改变恒功率负荷阻抗特征、提高系统稳定性的重要方法，根据阻尼位置不同可以分为馈线侧阻尼和负荷侧阻尼。采用负荷侧阻尼，通过对恒功率负荷出口DC/DC变流器进行阻尼控制，改变了负荷的负阻尼特性；采用负荷侧阻尼控制时引入的电流会影响负载性能，通过对源侧变流器进行虚拟阻抗控制实现系统的稳定。（3）潮流控制。通过虚拟阻抗控制可以有效减小变流器有功无功之间的耦合、改善下垂控制和并联变流器功率分配精度。通过合理构造反馈函数，虚拟阻抗控制可以有效提高变流器的功率响应速度。通过虚拟阻抗控制实时调节变流器的阻抗特征，实现了多电源的功率共享控制；通过对超级电容进行虚拟阻抗控制，实时改变其输出特性，实现系统功率波动时储能系统的有效调节功能。
结论
直流配电网络特征明显，各端口均采取相应的控制策略，以实现分散自律并集中为负荷供电。因此，基于控制策略的网络分析能够更好的反映直流配电网的实际运行情况，为后续直流配电网相关研究提供了精确的潮流网络模型。本文还提出了适宜于直流配电网的运行优化模型，通过求解优化模型可以得到直流配电网的运行最优控制参数，满足系统运行所需条件，直流配电网的网损达到最小，新能源能够得到最高效的利用，为各端口控制策略提供了参数设计优化方案。
参考文献：
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[2]钱科军，袁越.分布式发电对配电网可靠性的影响研究[J].电网技术，2017，32（11）：74-78.
论文作者:马惠晟
论文发表刊物:《河南电力》2018年16期
论文发表时间:2019/1/23
标签：变流器论文; 功率论文; 系统论文; 阻尼论文; 配电网论文; 阻抗论文; 结构论文; 《河南电力》2018年16期论文;