交直流混合配電系統(tǒng)形態(tài)、控制與穩(wěn)定性研究

孔 力， 裴 瑋， 葉 華， 張 學(xué)， 厲澤坤， 劉 垚， 金 吉

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

交直流混合配電系統(tǒng)形態(tài)、控制與穩(wěn)定性研究

孔 力1,2， 裴 瑋1,2， 葉 華1,2， 張 學(xué)1， 厲澤坤1,2， 劉 垚1,2， 金 吉1,2

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

交直流混合配電系統(tǒng)通過引入具有高度可控性和靈活性的柔性直流技術(shù)，從結(jié)構(gòu)上改變了目前配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)和供電方式，能夠較好地解決目前大型交流配電網(wǎng)存在的各種問題，是未來配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向和戰(zhàn)略選擇。本文從系統(tǒng)形態(tài)、運(yùn)行控制和穩(wěn)定性三個方面，總結(jié)了交直流混合配電系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及目前研究存在問題，最后本文展望了未來交直流配電網(wǎng)重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

交直流； 配電系統(tǒng)； 形態(tài)結(jié)構(gòu)； 運(yùn)行控制； 暫動態(tài)穩(wěn)定性

1 引言

配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，直接面向電力用戶，承擔(dān)著電能分配、供給電力消費(fèi)、服務(wù)客戶的重任。隨著新能源、新材料以及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，用戶對供電質(zhì)量、可靠性以及運(yùn)行效率等要求日益提高，現(xiàn)有交流配電網(wǎng)正面臨用電需求定制化和多樣化、分布式發(fā)電接入規(guī)模化、潮流協(xié)調(diào)控制復(fù)雜化等多方面的巨大挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在：

(1)配電網(wǎng)中用電設(shè)備的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生了顯著的變化，電動汽車、儲能設(shè)備、LED照明等直流用電設(shè)備廣泛使用，要求配電網(wǎng)能夠適應(yīng)更少轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的直流接入方式，以提高接入效率。

(2)分布式電源的波動性和間歇性、電動汽車快速充電的沖擊負(fù)荷等影響了配電網(wǎng)正常運(yùn)行，要求配電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)饋線互濟(jì)，并具有強(qiáng)的潮流調(diào)控功能，提高配電網(wǎng)運(yùn)行靈活性，減少分布式電源、電動汽車等對配電網(wǎng)影響。

(3)用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求日益提高，但是隨著分布式電源和電力電子裝置大量接入電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的諧波、諧振、電壓波動等問題越來越嚴(yán)重，這就要求配電網(wǎng)具備綜合治理能力；同時(shí)，為了進(jìn)一步提高供電可靠性，要求配電網(wǎng)具備靈活的轉(zhuǎn)供能力，甚至具備一定的不間斷轉(zhuǎn)供能力。

針對以上規(guī)模化分布式電源、電動汽車及直流負(fù)荷等對配電網(wǎng)帶來的新需求和新挑戰(zhàn)，目前研究的主要方案包括儲能、主動配電網(wǎng)[1]以及虛擬電廠[2]等，這些思路和方案仍是基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過采用先進(jìn)的儲能、信息和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行能力和經(jīng)濟(jì)性的提升。但是，受現(xiàn)有配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制，這些方案難以進(jìn)一步在可再生能源功率波動分擔(dān)、潮流靈活控制、供電可靠性提升等方面發(fā)揮更大的作用。

從結(jié)構(gòu)上改變目前配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)和供電方式是一種新的方案，通過引入具有高度可控性和靈活性的柔性直流技術(shù)，構(gòu)成交直流混合配電系統(tǒng)，能夠較好地解決交流配電網(wǎng)目前面臨的以上問題，是未來配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向和戰(zhàn)略選擇。因此，目前交直流混合配電系統(tǒng)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[3，4]。

本文重點(diǎn)從交直流混合配電系統(tǒng)形態(tài)、控制和穩(wěn)定性三個方面，對目前研究進(jìn)行了總結(jié)。在交直流混合配電系統(tǒng)形態(tài)方面，將其分為交流子網(wǎng)、直流子網(wǎng)相互獨(dú)立和多端互聯(lián)兩種，并給出了目前直流電壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況；在交直流混合配電系統(tǒng)運(yùn)行控制方面，總結(jié)了交直流互聯(lián)變換器控制、交流子網(wǎng)內(nèi)部協(xié)調(diào)控制，直流子網(wǎng)內(nèi)部協(xié)調(diào)控制以及交直流網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)調(diào)控制策略。在暫動態(tài)分析方面，分別總結(jié)了動態(tài)交互過程分析方法和暫態(tài)過程分析方法及穩(wěn)定性判定現(xiàn)狀。最后本文對未來交直流配電網(wǎng)發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望。

2 交直流混合配電系統(tǒng)形態(tài)

交直流配電系統(tǒng)的混合形態(tài)主要有兩種。一種是交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)基本相互獨(dú)立，只通過高壓側(cè)或低壓側(cè)交流母線耦合；另一種形態(tài)則是直流子網(wǎng)與交流子網(wǎng)多端互聯(lián)。具體的交直流混合電網(wǎng)一般均是這兩種形態(tài)之一或是組合。

圖1 交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)相互獨(dú)立的混合形態(tài)Fig.1 Independent DC subgrids and AC subgrids

對于第一種形態(tài)，具體可以分為三種類型：

(1)中壓交流電網(wǎng)通過電力電子變壓器不同端口連接低壓交流子網(wǎng)、低壓直流子網(wǎng)，在高壓側(cè)交流母線耦合[5，6]，典型形態(tài)如圖1(a)所示。

(2)中壓交流電網(wǎng)通過中壓柔直換流器連接中壓直流子網(wǎng)，通過普通變壓器連接低壓交流子網(wǎng)[7]，典型形態(tài)如圖1(b)所示。

(3)中壓交流電網(wǎng)首先通過交流變壓器降壓，再通過雙向變流器連接低壓直流子網(wǎng)，并與低壓交流子網(wǎng)在低壓側(cè)耦合[8]，典型形態(tài)如圖1(c)所示。

對于第二種多端互聯(lián)的混合形態(tài)，交直流系統(tǒng)之間通過互聯(lián)變流站進(jìn)行連接，整體的運(yùn)行控制有賴于各種電力電子變換器，包含承擔(dān)交直流系統(tǒng)之間潮流控制的互聯(lián)變流站，以及完成不同直流電壓等級轉(zhuǎn)換的DC/DC變換器。該類型交直流混聯(lián)配電結(jié)構(gòu)不僅可以提供可靠的直流供電以保障多類型直流負(fù)載、發(fā)電設(shè)備的接入，提高使用效率，而且也可以利用互聯(lián)變流站控制交直流之間以及不同交流線路之間的潮流，從而優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，相互支撐電壓，提升整體的供電能力、供電效率以及分布式發(fā)電接入能力[9]。其典型形態(tài)如圖2所示，該形態(tài)直流子網(wǎng)和交流子網(wǎng)均在同一電壓級別，可以同為中壓，也可以同為低壓。部分簡化結(jié)構(gòu)中，直流子網(wǎng)可以簡化為多端背靠背換流器，內(nèi)部共直流母線。

圖2 交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)多端互聯(lián)的混合形態(tài)Fig.2 Multi-terminal interconnected DC subgrids and AC subgrids

3 直流配電電壓標(biāo)準(zhǔn)

針對第2節(jié)所述交直流混合形態(tài)中直流子網(wǎng)的電壓等級問題，目前尚缺乏成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。因此當(dāng)設(shè)計(jì)中低壓直流電力系統(tǒng)時(shí)，難以按照系統(tǒng)需求尤其是關(guān)于電壓等級的要求，找到合適的設(shè)備，包括電力電子變換器、保護(hù)裝置、連接裝置、充電設(shè)備等以及直流兼容的電氣設(shè)備。

但目前很多國際組織正在制定應(yīng)用于住宅或建筑的直流系統(tǒng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，如Emerge聯(lián)盟、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會、國際電工委員會、IEEE。根據(jù)IEC 60038標(biāo)準(zhǔn)，低壓直流系統(tǒng)被定義為低于1500V及以下的系統(tǒng)。應(yīng)用范圍涵蓋了計(jì)算機(jī)電子、汽車、船舶和航天電力系統(tǒng)。在IEEE Standard 1709-2010中，標(biāo)準(zhǔn)推薦了用于船舶的額定電壓優(yōu)選值及備選值，范圍為1～35kV，并分別給出了不同電壓等級在不同情況下對應(yīng)的額定耐壓值。目前不同標(biāo)準(zhǔn)電壓在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況如圖3所示。

圖3 不同直流標(biāo)準(zhǔn)電壓在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況Fig.3 Application of different DC voltage classes in different areas

國內(nèi)已有的直流系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)包括：2010年，GBT 1402-2010《軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓》標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)闡述了牽引供電系統(tǒng)電壓的主要特性，包括標(biāo)稱電壓及其容許的極限值。2011年，YD5210-2011《數(shù)據(jù)機(jī)房高壓直流供電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》針對240V直流電源系統(tǒng)做出技術(shù)要求。2016年制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》的征求意見稿，規(guī)范了中低壓直流配電和用電應(yīng)遵循的電壓等級，以及各電壓等級對應(yīng)的供電范圍、電壓偏差等，適用于±50kV及以下直流配電，其推薦電壓見圖4。

圖4 國內(nèi)中低壓直流配電電壓導(dǎo)則電壓等級情況Fig.4 Guidelines for medium and low DC voltage class distribution voltage in China

4 交直流混合配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

交直流混合配電系統(tǒng)中通常存在多個柔性互聯(lián)裝置、分布式發(fā)電單元、儲能單元、電動汽車以及負(fù)載單元，如何實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是保證其安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)[10]。目前，交直流混合配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法主要包括：交直流互聯(lián)變換器控制、交流子網(wǎng)內(nèi)部單元協(xié)調(diào)控制、直流子網(wǎng)內(nèi)部單元協(xié)調(diào)控制以及交直流網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)調(diào)控制策略。下面分別進(jìn)行分析。

4.1交直流互聯(lián)變換器控制策略

交直流混合配電系統(tǒng)中的互聯(lián)變換器是連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，對互聯(lián)變換器進(jìn)行有效的控制策略至關(guān)重要?；ヂ?lián)變換器的控制對象通常為直流母線電壓或者交流母線電壓和頻率，為了保證直流母線電壓穩(wěn)定，文獻(xiàn)[11]提出了互聯(lián)變換器的直流電壓控制采用二自由度的控制結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合前饋跟蹤和抗擾動控制器消除直流電壓擾動。文獻(xiàn)[12]針對互聯(lián)變換器采用基于非線性擾動觀測器的直流母線電壓控制策略，能夠消除直流母線電壓暫態(tài)擾動的影響，提升電能質(zhì)量。上述方法主要針對交流母線或者直流母線一側(cè)為研究對象，無法兼顧兩側(cè)的控制，針對這一問題，Poh Chiang Loh教授在交流子網(wǎng)下垂控制和直流子網(wǎng)下垂控制的基礎(chǔ)上分析了有功-頻率下垂控制和有功-直流電壓下垂控制間的關(guān)系，并且提出一種能夠兼顧兩種下垂控制特性的控制策略，將直流電壓和交流側(cè)頻率進(jìn)行標(biāo)幺化，實(shí)現(xiàn)對直流電壓和交流頻率標(biāo)幺值的有效控制，該方法能夠擴(kuò)展到多個互聯(lián)變換器，保證多個并聯(lián)變換器均分交直流子網(wǎng)間的交換功率[13]。Poh Chiang Loh教授還將標(biāo)幺化新型下垂控制擴(kuò)展到儲能系統(tǒng)控制，并給出了儲能系統(tǒng)和互聯(lián)變換器間的協(xié)調(diào)控制框圖[14]。文獻(xiàn)[15]在標(biāo)幺化新型下垂控制基礎(chǔ)上以交直流子網(wǎng)間交換功率最小為目標(biāo)提出了互聯(lián)變換器的控制策略。文獻(xiàn)[16]在分析直流電容能量波動與交直流量測電壓的關(guān)系基礎(chǔ)上通過提取實(shí)時(shí)交換有功功率信息實(shí)現(xiàn)交直流兩側(cè)功率的平衡控制。此外，針對電網(wǎng)電壓不平衡情況，文獻(xiàn)[17]提出了并聯(lián)型互聯(lián)變換器的新型控制策略，能夠消除有功功率波動，提升傳輸能力。

4.2交流子網(wǎng)內(nèi)部單元間協(xié)調(diào)控制策略

為了保證交流子網(wǎng)內(nèi)部分布式發(fā)電單元、儲能單元以及負(fù)載單元間能夠良好運(yùn)行，目前控制分為集中控制、基于頻率信號的下垂控制以及分層控制。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于模型預(yù)測控制技術(shù)的集中能量管理方法。文獻(xiàn)[19]提出了一種集中分層控制方法，將微電網(wǎng)劃分為并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行以及電壓跌落三種工作模式，給出了不同運(yùn)行模式下的無縫切換方法，并采用逆建模技術(shù)控制逆變器來補(bǔ)償暫態(tài)變化。文獻(xiàn)[20]提出了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下協(xié)調(diào)控制方法，具備功率平衡控制以及負(fù)載管理算法，能夠?qū)崿F(xiàn)多個分布式儲能系統(tǒng)SOC均衡控制。文獻(xiàn)[21]提出了光柴儲交流微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略，光儲和柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)均參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，且光儲逆變器采用虛擬同步發(fā)電機(jī)策略，并以根據(jù)光伏出力和SOC實(shí)時(shí)調(diào)整下垂特性。由于集中控制需要變換器之間以及變換器與上層的通信，若通信失敗將會對系統(tǒng)可靠性造成一定影響。在交流微電網(wǎng)中頻率可以作為有功功率平衡的標(biāo)準(zhǔn)，基于這一點(diǎn)文獻(xiàn)[22]提出了基于頻率信號的交流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，基于交流母線頻率信號作為切換點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式平滑切換。該方法考慮了SOC安全運(yùn)行區(qū)間，避免了過度充放電狀況。文獻(xiàn)[23]提出了交流微電網(wǎng)分層控制策略，首層采用下垂控制，二層控制實(shí)現(xiàn)頻率恢復(fù)，給出了基于模型預(yù)測控制和smith預(yù)測控制器的兩種頻率恢復(fù)策略，并且考慮了通信延遲問題。文獻(xiàn)[24]提出了基于有限時(shí)間控制理論的分布式電壓和頻率恢復(fù)控制策略，該方法能夠在固定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)功率均分。

4.3直流子網(wǎng)內(nèi)部單元間協(xié)調(diào)控制策略

針對直流子網(wǎng)內(nèi)部分布式發(fā)電單元、儲能單元以及負(fù)載單元的協(xié)調(diào)控制，主要分為主從控制、基于直流母線電壓信號的下垂控制以及分層控制。文獻(xiàn)[25]提出了基于直流母線電壓、蓄電池荷電狀態(tài)以及互聯(lián)變換器電流等本地信息量的主從控制策略，該方法在不同運(yùn)行狀態(tài)下始終保持一個主控單元控制直流母線電壓保持恒定。文獻(xiàn)[26]提出了一種基于直流母線電壓信號(DC Bus Voltage Signal，DBS)協(xié)調(diào)控制策略，以直流母線電壓信號作為多個運(yùn)行模式的切換點(diǎn)，考慮了蓄電池安全運(yùn)行范圍，提高了蓄電池壽命。文獻(xiàn)[27]同樣提出了基于有功功率平衡和DBS的風(fēng)/儲直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法，考慮了并網(wǎng)運(yùn)行、變流器限流運(yùn)行以及孤島運(yùn)行模式，提出了負(fù)載管理算法。文獻(xiàn)[28]在直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中考慮了實(shí)時(shí)電價(jià)，充分地利用了儲能系統(tǒng)的可控容量，將其與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交互能夠提升經(jīng)濟(jì)利益。文獻(xiàn)[29]提出了直流微電網(wǎng)的分層協(xié)調(diào)控制，在首層中考慮子網(wǎng)內(nèi)部的功率均分控制，在二層控制中以消除直流母線電壓偏差為目標(biāo)，在三層控制中考慮蓄電池SOC恢復(fù)控制。文獻(xiàn)[30]提出了采用最優(yōu)潮流算法，以傳輸功率損耗最小為目標(biāo)的分層控制策略。

4.4交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)間的協(xié)調(diào)控制策略

為了保證交直流子網(wǎng)間的內(nèi)部單元協(xié)調(diào)運(yùn)行，文獻(xiàn)[31]給出了交直流混合配電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行控制策略，在并網(wǎng)模式中以互聯(lián)變換器為主控單元控制直流母線電壓，在孤島模式切換互聯(lián)變換器控制交流母線電壓，同時(shí)給出了不同模式下的光-儲變換器的控制策略，考慮了SOC上下限值，能夠避免蓄電池運(yùn)行在深度充電和深度放電狀態(tài)。文獻(xiàn)[32]提出一種基于背靠背變換器結(jié)構(gòu)交直流微電網(wǎng)的能量管理和協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)的功率傳輸模式給出了不同子網(wǎng)內(nèi)部的變換器的控制策略。文獻(xiàn)[33]提出一種兩層控制策略，其中系統(tǒng)層控制主要以全天最小運(yùn)行成本為目標(biāo)調(diào)節(jié)發(fā)電單元和負(fù)載之間的功率平衡，設(shè)備層主要控制直流和交流母線電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[34]提出了另一種二層控制，首層采用直流下垂控制實(shí)現(xiàn)直流負(fù)載的功率均分，第二層控制補(bǔ)償下垂控制引起的直流電壓跌落，實(shí)現(xiàn)直流電壓恢復(fù)。文獻(xiàn)[35]提出了基于電力電子變壓器的交直流混合配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法。文獻(xiàn)[36]針對交直流混合配電網(wǎng)孤島運(yùn)行的15種運(yùn)行模式提出了協(xié)調(diào)控制，在不同運(yùn)行模式下對交直流子網(wǎng)內(nèi)部的儲能單元采用模糊控制策略進(jìn)行能量管理。文獻(xiàn)[37]提出了功率—電壓協(xié)調(diào)控制，通過兩個VSC分別控制電壓和功率，以正常狀態(tài)降低網(wǎng)損、風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓為目標(biāo)，通過改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[38]通過AC/DC和DC/DC變換器互聯(lián)了直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)，在本地層自身交流網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率均分，互聯(lián)變換器采用全局功率均分算法實(shí)現(xiàn)交流和直流網(wǎng)絡(luò)的功率交換。

目前提出的交直流配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法都存在各自的優(yōu)勢與不足，高性能的協(xié)調(diào)控制策略仍然受制于通信技術(shù)，如：通信延遲和通信成本等，未來需要考慮通信技術(shù)和協(xié)調(diào)控制的時(shí)間配合，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式的平滑安全切換。當(dāng)前交直流配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法通常以放射性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，而缺少對環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制研究。此外，未來的交直流配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略還應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行效率、設(shè)備壽命等眾多因素。

5 暫動態(tài)特性及其分析方法

相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，電力電子化進(jìn)程中的交直流配電系統(tǒng)運(yùn)行，存在源-網(wǎng)-荷相互交互以及不同設(shè)備間的相互作用，表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的暫動態(tài)特性。具體表現(xiàn)為以下特征：①頻率動態(tài)變化范圍較大，從低頻振蕩到上千赫茲高頻電磁暫態(tài)穩(wěn)定；②用于改善電能質(zhì)量的電力電子裝備如各類濾波器被廣泛應(yīng)用，易造成交直流系統(tǒng)諧振等問題；③由于功率變換、控制策略和動態(tài)特性的變化，電參量如電壓的穩(wěn)定過渡過程縮短；④由于電力電子裝置相對于同步發(fā)電機(jī)缺乏自然慣性，因此當(dāng)一部分分布式發(fā)電單元、儲能和負(fù)荷形成微網(wǎng)或局域離網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性問題會尤為突出。另外，針對面向分布式可再生能源接入的交直流配電系統(tǒng)，可再生能源出力的強(qiáng)間歇性、隨機(jī)性和弱支撐性等特點(diǎn)也給配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大影響。

5.1動態(tài)交互過程與分析方法

隨著分布式可再生能源大量接入，交直流系統(tǒng)因其含有大量電力電子裝置具有靈活的運(yùn)行方式，同時(shí)存在許多新的技術(shù)問題。多變的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式使得交直流系統(tǒng)的動態(tài)交互影響特性更加復(fù)雜，其交互作用的機(jī)理目前尚不明晰，這將會影響交直流協(xié)調(diào)運(yùn)行分析與控制器設(shè)計(jì)。近年來許多國家和地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)的新能源發(fā)電并網(wǎng)振蕩等穩(wěn)定問題，如漢堡海上風(fēng)電場柔直匯集系統(tǒng)振蕩問題，新疆哈密地區(qū)220kV哈山線持續(xù)存在的次同步諧振等。目前的研究工作對該問題的一般性和普遍性認(rèn)識不足，同時(shí)也暴露了現(xiàn)有穩(wěn)定分析方法的不足。在含多電力電子裝置的交直流配電網(wǎng)中，次同步振蕩問題將不再簡單地表現(xiàn)為單一機(jī)組、單一模態(tài)的發(fā)散型次同步振蕩問題，而有可能出現(xiàn)多源、多模態(tài)的區(qū)域性弱阻尼的次同步振蕩問題，目前國內(nèi)外對這一問題的研究較少。

利用小擾動穩(wěn)定性分析方法對交直流系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行定量分析，研究各種元件的特性及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步得到系統(tǒng)的失穩(wěn)方式。這將有助于進(jìn)一步研究交直流系統(tǒng)的交互機(jī)理、提出預(yù)防失穩(wěn)的相應(yīng)措施，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[39]。目前主要的研究方法有基于狀態(tài)空間模型的特征值分析法、基于阻抗模型的阻抗分析法、時(shí)域仿真法等確定性分析方法；根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行分析的概率性分析方法；以及目的在于獲取系統(tǒng)穩(wěn)定裕量的其他分析方法如能量函數(shù)法、分岔理論等。上述各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見表1。

表1 小擾動穩(wěn)定分析方法Tab.1 Small disturbance stability analysis methods

特征值分析法作為一種基于小信號狀態(tài)空間模型的分析方法，被廣泛應(yīng)用于研究控制器參數(shù)、負(fù)荷阻抗和線路阻抗等參數(shù)對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并得到了一定的研究結(jié)果：采用傳統(tǒng)P-f和Q-V下垂控制的多逆變器微電網(wǎng)系統(tǒng)中下垂系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；各分布式電源間線路阻抗過小會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)[40，41]。采用定交流電壓控制的向無源網(wǎng)絡(luò)供電的雙端柔性直流輸電系統(tǒng)中，控制器的直流電壓和電流內(nèi)環(huán)的比例控制參數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，而積分系數(shù)影響則較小[42]。特征值結(jié)合靈敏度分析可以分析系統(tǒng)各個參數(shù)對穩(wěn)定性的影響大小，如在大功率的直流網(wǎng)絡(luò)，尤其是VSC-HVDC系統(tǒng)中，靜態(tài)工作運(yùn)行點(diǎn)的選取以及直流電壓控制環(huán)(Direct Voltage Controller，DVC)的增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性有極大的影響[43，44]。

阻抗分析法所使用的阻抗模型一方面不需要建立復(fù)雜的狀態(tài)空間模型，另一方面也能夠較好地反映出系統(tǒng)中各個電氣元件及控制環(huán)節(jié)的耦合關(guān)系，定性地對系統(tǒng)進(jìn)行分析。因此被廣泛應(yīng)用于研究交直流系統(tǒng)的交互機(jī)理以及控制運(yùn)行方式對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響中。通過建立阻抗模型進(jìn)行研究，研究人員發(fā)現(xiàn)不但VSC的控制功率阻抗[45,46]、線路阻抗和換流站功率分配[47]以及不同控制策略對電網(wǎng)穩(wěn)定性都有較大影響[48,49]。但是阻抗分析法無法建立影響系統(tǒng)動態(tài)特性關(guān)鍵物理量彼此間的聯(lián)系，對于認(rèn)識系統(tǒng)振蕩和交互機(jī)理有一定局限性，同時(shí)也難以應(yīng)用到多尺度動態(tài)問題的分析研究中。

時(shí)域仿真法可以模擬系統(tǒng)在遭受小擾動后各狀態(tài)量隨時(shí)間的變化，形象地顯示出各機(jī)組功角以及線路傳輸功率等隨時(shí)間擺動的情況。所以被廣泛地應(yīng)用在針對交直流系統(tǒng)交互影響的定性研究中。但是，時(shí)域仿真法很難得到有關(guān)不同振蕩模式的性質(zhì)或系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定的原因，以及設(shè)計(jì)有效控制器所需的關(guān)鍵信息；其計(jì)算時(shí)間長、計(jì)算量大也是這種方法的缺點(diǎn)。

分布式可再生能源具有間歇性、隨機(jī)性等特征，而上述的確定性分析方法并難以完全反映高度不確定性條件下系統(tǒng)各種小擾動的本質(zhì)以及受到干擾后的系統(tǒng)動態(tài)行為與整體水平。因此研究人員提出了基于概率分析的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，從統(tǒng)計(jì)角度來確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的概率特性。目前電力系統(tǒng)常采用解析法和蒙特卡洛模擬法兩種概率性分析方法。解析法通過構(gòu)建函數(shù)來反應(yīng)系統(tǒng)特征值與隨機(jī)變量之間的關(guān)系，具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，但是往往建立的函數(shù)過于復(fù)雜且難以考慮到電力系統(tǒng)中全部的隨機(jī)因素。蒙特卡洛模擬法則通過大量抽取系統(tǒng)樣本進(jìn)行特征分析來獲得結(jié)果，往往計(jì)算量比較大。文獻(xiàn)[50]采用點(diǎn)估計(jì)法和風(fēng)險(xiǎn)評估理論分析了小擾動下互聯(lián)大電網(wǎng)低頻振蕩的概率穩(wěn)定性，并提供了相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。通過拉丁超立方采樣針對風(fēng)電接入的小擾動穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer，PSS)能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[51]。

目前對交直流配電系統(tǒng)動態(tài)交互影響機(jī)理與穩(wěn)定性的定量分析以及控制器設(shè)計(jì)還缺乏比較系統(tǒng)而深入的研究。交直流系統(tǒng)數(shù)值模型通?？梢蕴峁╇娏ο到y(tǒng)非線性狀態(tài)等詳細(xì)信息，隨著大規(guī)模電力電子等非線性裝置的接入，基于暫態(tài)數(shù)值模型在時(shí)域仿真進(jìn)程中研究系統(tǒng)的特征值、能量函數(shù)等，可定量分析小擾動、大擾動引起的暫動態(tài)特性變化。

5.2暫態(tài)過程分析與穩(wěn)定性判定

目前，針對交直流混合系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，學(xué)者們關(guān)注的是系統(tǒng)可以承受何種程度的擾動以及系統(tǒng)參數(shù)對于暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[52]。由于電力電子裝置運(yùn)行的非線性，當(dāng)遭受大擾動時(shí)，系統(tǒng)已偏離穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，基于線性化理論的小信號分析法不再適用，需要采用適用于非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法。在傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)中，這方面的研究已有較為成熟的理論與應(yīng)用，如能量函數(shù)法、PEBS法以及BCU法等方法。但在交直流混合配電系統(tǒng)中，類似的研究還比較少，也沒有公認(rèn)的成熟研究體系。目前，在交直流混合配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面，國內(nèi)外學(xué)者采用的方法主要分為兩種：李雅普諾夫直接法和混合勢函數(shù)法。

李雅普諾夫直接法是研究非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的基礎(chǔ)理論，通過構(gòu)造類似于反映系統(tǒng)能量的標(biāo)量函數(shù)，研究其隨時(shí)間變化的趨勢，進(jìn)而判斷該非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可由此估算系統(tǒng)的穩(wěn)定域。目前，已有少量研究工作將其應(yīng)用于電力電子裝置與系統(tǒng)。文獻(xiàn)[53-55]將下垂控制的單端逆變器系統(tǒng)等效為同步發(fā)電機(jī)，并建立系統(tǒng)的暫態(tài)能量函數(shù)，應(yīng)用李雅普諾夫直接法，分析了單端逆變器系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[56]將整流器運(yùn)行的單端VSC視為非線性奇異攝動系統(tǒng)，交流側(cè)的電感值為攝動參數(shù)，直流側(cè)輸出電壓值為慢變量，瞬時(shí)有功功率和無功功率視為快變量，建立系統(tǒng)的李雅普諾夫函數(shù)。文獻(xiàn)[57-59]應(yīng)用李雅普諾夫直接法，估算了含DC-DC換流器的直流供電的系統(tǒng)的吸引域，分析了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[60]建立了多端直流配電網(wǎng)的暫態(tài)誤差能量函數(shù)，用于分析系統(tǒng)負(fù)荷突增時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[61]應(yīng)用暫態(tài)能量函數(shù)法分析了具有直流故障限流器的多端直流配電網(wǎng)整流站交流側(cè)短路故障的臨界清除時(shí)間。

對于具有強(qiáng)非線性的交直流混合配電系統(tǒng)，采用李雅普諾夫直接法分析交直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的難點(diǎn)在于目前暫無統(tǒng)一的方法建立統(tǒng)一的李雅普諾夫函數(shù)。此外，不合適的李雅普諾夫函數(shù)會造成計(jì)算結(jié)果的保守性，這樣可能導(dǎo)致實(shí)際穩(wěn)定的系統(tǒng)并不滿足穩(wěn)定性判據(jù)。

另一方面，混合勢函數(shù)法主要用于非線性電路，尤其是具有負(fù)阻抗特性的電路的暫態(tài)穩(wěn)定性研究[62]。文獻(xiàn)[63]建立了具有并聯(lián)恒功率負(fù)載的直流電路的混合勢函數(shù)，并估算系統(tǒng)的穩(wěn)定域。文獻(xiàn)[64-66]利用混合勢函數(shù)法分析了具有多級LC濾波器的帶有恒功率負(fù)載的直流供電系統(tǒng)的大擾動穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[67]建立了級聯(lián)DC-DC變流器的大信號穩(wěn)定性，使用混合勢函數(shù)法分析了級聯(lián)系統(tǒng)的大擾動穩(wěn)定性。混合勢函數(shù)法從能量的角度系統(tǒng)地提出了建立非線性電路勢函數(shù)的方法，簡單易行，且物理意義清晰，是比較適用于電力電子領(lǐng)域的一種穩(wěn)定性分析方法。通過混合勢函數(shù)法，可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定域的解析解，便于系統(tǒng)參數(shù)和控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)，但其計(jì)算結(jié)果偏于保守，仍需進(jìn)一步深入研究。

綜上所述，兩種方法可以較好地解決交直流混合系統(tǒng)中電力電子裝置的暫態(tài)穩(wěn)定問題。對于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)均為如何建立交直流混合系統(tǒng)合適的李雅普諾夫函數(shù)和得到更為準(zhǔn)確的吸引域。而混合勢函數(shù)法，需要將電力電子裝置等效為受控電流源或電壓源，其難點(diǎn)在于推導(dǎo)受控電流源及電壓源的函數(shù)，并盡可能保留各種控制策略和非線性特性。

6 結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中引入柔性直流技術(shù)，構(gòu)建交直流混合系統(tǒng)，可改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高可再生能源接入靈活性；增強(qiáng)電網(wǎng)應(yīng)對不確定性的快速調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)多類型可再生能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)消納；減少變換環(huán)節(jié)，提高能源利用效率。

(2)本文總結(jié)并提出了交直流配電系統(tǒng)的兩種形態(tài)，但是具體到交直流配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)則更加復(fù)雜，主要原因在于設(shè)備形態(tài)的多樣性和連接拓?fù)涞撵`活性，比如其可以通過多個電力電子變壓器的多個不同電壓端口相互構(gòu)成多個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；可以通過DC Hub連接不同電壓等級的直流網(wǎng)絡(luò)等。

(3)交直流配電系統(tǒng)運(yùn)行控制與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜控制難度越高，對于未來復(fù)雜結(jié)構(gòu)的交直流配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行控制有待進(jìn)一步研究探索。

(4)交直混合配電系統(tǒng)穩(wěn)定性與傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)有較大的區(qū)別，電力電子帶來的一系列穩(wěn)定問題和影響需要新的分析方法和仿真手段。

(5)構(gòu)建未來交直流混合配電系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題還包括系統(tǒng)仿真、快速故障檢測與保護(hù)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化以及電力電子變壓器、DC Hub等一系列關(guān)鍵設(shè)備。

(6)未來的10～20年將是交直流混合配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備及示范建設(shè)的重要階段，交直流混合配電將會未來配電網(wǎng)發(fā)展的重要方向和形態(tài)。

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Reviewofpattern,controlandstabilityforhybridAC/DCdistributionpowersystems

KONG Li1,2, PEI Wei1,2, YE Hua1,2, ZHANG Xue1, LI Ze-kun1,2, LIU Yao1,2, JIN Ji1,2

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Through an integration of VSC-based DC technologies with high-level controllability and flexibility in hybrid AC/DC distribution power systems, interconnection and power supply of existing distribution networks are improved in terms of network structure, and also a variety of problems from a viewpoint of large-scale AC distribution network would be well resolved. Therefore, developing hybrid AC/DC power systems is a future research direction and strategic choice. With regard to three aspects of system pattern, operation and control as well as stability, this paper summarized the current domestic and international research status of AC/DC systems, discussed the existing problems of present research, and forecasted future key technologies that would be developed in priority for the hybrid AC/DC distribution power systems.

AC/DC; distribution power systems; pattern and structure; operation and control; transient and dynamic stability

2017-07-02

國家科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2017YFB0903300)；中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDB-SSW-JSC024)

孔 力 (1958-), 男, 湖北籍, 研究員, 博士, 研究方向?yàn)楹植际侥茉吹碾娏ο到y(tǒng)分析、微網(wǎng)和交直流配網(wǎng)； 裴 瑋(1982-)，男，江西籍，研究員，博士，研究方向?yàn)楹植际侥茉吹碾娏ο到y(tǒng)分析、微電網(wǎng)和交直流配網(wǎng)。

10.12067/ATEEE1707064

： 1003-3076(2017)09-0001-10

： TM71