直流配電網(wǎng)電壓控制技術(shù)綜述

吳在軍，謝興峰，楊景剛,，司鑫堯，楊媛平，曹驍勇

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著分布式可再生能源發(fā)電滲透率的提高和電動(dòng)汽車充電站的普及，以及包含風(fēng)、光、儲(chǔ)的微電網(wǎng)的快速發(fā)展，交流配電網(wǎng)的運(yùn)行和管理受到了挑戰(zhàn)。相比于交流配電網(wǎng)，直流配電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，具有多種供電方式，潮流靈活可控，更有利于整合和消納如風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等可再生能源[1—3]。在向數(shù)據(jù)中心、商業(yè)中心、工業(yè)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、高鐵等直流負(fù)荷供電時(shí)，直流配電可省去一級(jí)交流變直流的環(huán)節(jié)，提高供電效率[4—5]。新型的碳化硅等電力電子器件具有更低的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗，未來其在變流器中的應(yīng)用可使得直流換流站相比于同等容量的傳統(tǒng)交流變壓器具有更高的效率[6]。另外，直流微電網(wǎng)和高壓直流輸電系統(tǒng)的快速發(fā)展也促使研究人員思考如何將兩者互連，而直流配電系統(tǒng)是很好的解決方法[7—8]。

美國弗吉尼亞理工CPES中心最初提出了交直流混合配電系統(tǒng)的構(gòu)想[7]；美國北卡羅來納大學(xué)提出了多端口能量路由器，可用于構(gòu)建靈活的直流配電系統(tǒng)[9]。德國亞琛工業(yè)大學(xué)提出了“City of Tomorrow”城市供電方案，并在校園內(nèi)建成了10 kV直流配電實(shí)際工程[10]。國內(nèi)已經(jīng)建成或正在規(guī)劃建設(shè)中的示范工程主要有蘇州工業(yè)園區(qū)±10 kV中壓雙端直流配電示范工程[11]、浙江海寧尖山新區(qū)“基于柔性互聯(lián)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同主動(dòng)配電網(wǎng)試點(diǎn)工程”[12]，貴州中壓柔性直流配電示范工程[13]、杭州江東柔性直流配電網(wǎng)、上海南匯±30 kV兩端柔性直流配電示范工程、珠?？萍紙@三端直流配電系統(tǒng)以及張北交直流配網(wǎng)及柔性變電站示范工程等[14]。

直流配電網(wǎng)雖然具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于直流配電網(wǎng)慣性小、阻尼弱等特點(diǎn)，控制直流配電系統(tǒng)比控制交流系統(tǒng)更加困難[15]。直流電壓是衡量直流系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)，因此直流電壓的控制對直流配電網(wǎng)的運(yùn)行和穩(wěn)定性非常重要。文中針對直流配電網(wǎng)電壓的協(xié)調(diào)控制和電力電子設(shè)備自身控制，結(jié)合最新研究成果，對直流配電網(wǎng)直流電壓波動(dòng)抑制的控制策略進(jìn)行梳理和總結(jié)，旨在為未來直流配電網(wǎng)直流電壓控制的進(jìn)一步研究提供思路和借鑒。

1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電壓序列

1.1 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流配電網(wǎng)電壓控制策略的確定在很大程度上受到配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響。直流配電系統(tǒng)的拓?fù)淇梢苑譃閱味溯椛錉钔負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、雙端/多端狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]。

單端輻射狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和交流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，由單電源輻射供電，結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，但供電可靠性較低，適用于供電要求不高的用戶。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單端輻射狀拓?fù)銯ig.1 Radial-type topology

雙端/多端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多電源點(diǎn)供電，供電可靠性較高[17]，控制方式較靈活，適用于供電要求較高的工業(yè)負(fù)荷等。雙端“手拉手”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 “手拉手”狀拓?fù)銯ig.2 Hand-in-hand topology

傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)一般為閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行。但是環(huán)狀直流配電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，也可以像交流配電系統(tǒng)一樣開環(huán)運(yùn)行，因此配電方式更加靈活，具有更高的可靠性，但是閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其控制和保護(hù)都比較復(fù)雜，適用于供電可靠性要求很高或者集結(jié)大規(guī)?？稍偕茉吹膱龊蟍18]。環(huán)狀直流配電拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 環(huán)狀拓?fù)銯ig.3 Ring topology

1.2 直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)序列

中壓直流電壓的標(biāo)準(zhǔn)化對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備研發(fā)、以及工程化應(yīng)用至關(guān)重要。對于不同的直流電壓等級(jí)采取的電壓控制策略也不同。目前對于電壓序列的研究國內(nèi)外尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，電壓等級(jí)的研究還需要根據(jù)工程應(yīng)用示范和分析逐步完善。國際上由國際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)、國際電工委員會(huì)(IEC)以及電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)等機(jī)構(gòu)初步明確了以1.5 kV(±0.75 kV)為界來劃分中壓直流和低壓直流，但并未給出具體電壓等級(jí)優(yōu)選參考值。而國內(nèi)目前國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》和中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CEC 107—2016《直流配電電壓》已經(jīng)發(fā)布。其中，國家標(biāo)準(zhǔn)明確了中、低壓直流的電壓等級(jí)范圍、電壓等級(jí)序列、優(yōu)選值和備選值，并劃定3 kV(±1.5 kV)～±50 kV為中壓范圍，推薦±35 kV/±10 kV/±3 kV(±1.5 kV)為中壓直流配電的優(yōu)選序列，1 500 V(±750 V)/750 V(±375 V)/220 V(±110 V)為低壓直流配電的優(yōu)選電壓序列。

目前，國內(nèi)對于直流配電網(wǎng)的研究在國際上處于領(lǐng)先地位，表1列出了國內(nèi)具有代表性的部分直流配電網(wǎng)示范工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電壓等級(jí)。

表1 直流配電網(wǎng)示范工程電壓等級(jí)及拓?fù)銽able 1 Voltage levels and topology of DC distribution network demonstration projects

2 直流配電網(wǎng)電壓控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

直流配電網(wǎng)直流電壓的控制一般劃分為3個(gè)層級(jí)[19]。上層為能量優(yōu)化層，主要實(shí)現(xiàn)能量管理功能；中間層為協(xié)調(diào)控制層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)控制功能；最底層是電力電子設(shè)備層，主要包括裝置自身的控制和設(shè)備級(jí)的協(xié)調(diào)控制。其中電力電子變換器和協(xié)調(diào)控制技術(shù)是抑制直流電壓波動(dòng)和保證系統(tǒng)功率平衡的關(guān)鍵。

2.1 電力電子變換器的基本控制

電力電子設(shè)備層作為電壓控制3個(gè)層級(jí)中的最底層，對其的良好控制是能快速跟蹤上層電壓、功率等指令的基礎(chǔ)。在直流配電網(wǎng)中，電力電子變換器有很多種類。各變換器需根據(jù)不同的分布式電源和不同的配電網(wǎng)工作模式來控制自身的功率或電壓。目前，關(guān)于低壓配電母線的接口電路的研究已經(jīng)相對成熟[20]，而高壓到中壓和中壓到低壓的接口電路因功率大，且結(jié)構(gòu)和控制相對復(fù)雜的特點(diǎn)，成為了目前的研究熱點(diǎn)。

2.1.1 換流站的控制

直流配電網(wǎng)連接交流配電網(wǎng)需要通過換流站，換流站連接電壓等級(jí)一般在10 kV及以上，其拓?fù)渲饕捎媚K化多電平變換器(modular multi-level converter，MMC)。換流站的控制器一般包括外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制，具體如圖4所示。圖中鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)可獲取電網(wǎng)角頻率ωL和相角θ，用于對交流電網(wǎng)電壓和電流進(jìn)行坐標(biāo)系(abc-dq)變換。

圖4 MMC換流站控制框圖Fig.4 The control diagram of MMC converter station

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制Fig.5 Current inner loop control

圖6 外環(huán)控制Fig.6 Outer loop control

2.1.2 直流變壓器的控制

直流變壓器是連接中壓直流母線到低壓直流母線的關(guān)鍵設(shè)備，主要采用高頻隔離型 DC/DC 變換器。研究的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：(1) 雙向半橋；(2) 串聯(lián)諧振變換器；(3) 雙主動(dòng)全橋(dual active bridge，DAB)，其中應(yīng)用最廣泛的是DAB。對于DAB的控制，單移相調(diào)制方法是通過調(diào)節(jié)2個(gè) H 全橋交流方波電壓之間的移相比來控制DAB功率的大小和方向，其實(shí)現(xiàn)簡單，也是目前工程應(yīng)用中的主流調(diào)制方法。為了降低損耗、提高系統(tǒng)變換效率，一些改進(jìn)的移相調(diào)制方法也相繼被提出，主要包括擴(kuò)展移相、雙重移相和三重移相。

2.2 直流電壓協(xié)調(diào)控制

直流配電網(wǎng)電壓控制策略的選取與其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。對于輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)，由于僅有一端電源供電，為了保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，其換流站通常采用定電壓控制的方式；對于“手拉手”型或環(huán)狀拓?fù)涞榷喽酥绷髋潆娤到y(tǒng)，須同時(shí)考慮到直流電壓的穩(wěn)定和多端電源協(xié)調(diào)控制。

直流配電網(wǎng)電壓控制的主要目標(biāo)是維持直流電壓穩(wěn)定和有功功率的合理分配。該目標(biāo)不僅希望穩(wěn)態(tài)時(shí)直流配電網(wǎng)電壓維持在額定值且盡可能實(shí)現(xiàn)有功功率在各單元接口間的準(zhǔn)確分配，也須考慮到當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大擾動(dòng)等暫態(tài)工況時(shí)，遇到的電壓偏差過大或電壓振蕩的問題[6]。因直流配電網(wǎng)發(fā)展相對較晚，其控制技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)在大多協(xié)調(diào)控制技術(shù)都是借鑒多端柔性直流輸電和低壓直流微電網(wǎng)中的一些控制方法。其中適用于直流配電網(wǎng)的電壓協(xié)調(diào)控制方法主要包括3類：主從控制，電壓裕度控制和下垂控制。但直流配電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)頻繁，含大量分布式能源，潮流靈活，傳統(tǒng)控制方式并不能完全適用于直流配電網(wǎng)的電壓控制[21]，往往難以兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。因此，針對傳統(tǒng)控制策略中難以兼顧直流配電網(wǎng)電壓動(dòng)態(tài)特性和保證有功功率的合理分配的問題，許多文獻(xiàn)以傳統(tǒng)控制方式為基礎(chǔ)提出了一些改進(jìn)控制方法。

2.2.1 傳統(tǒng)控制方法及其改進(jìn)策略

(1) 主從控制。主從控制是直流電網(wǎng)控制中較成熟的控制策略，只有1個(gè)換流站作為主控站并設(shè)定為恒壓控制模式作為松弛節(jié)點(diǎn)來平衡系統(tǒng)功率。其他換流站均作為從站并設(shè)定為恒定功率或恒定電流模式。圖7為一個(gè)三端直流電網(wǎng)的主從控制方案。其主要優(yōu)點(diǎn)是：控制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡單，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)易于實(shí)現(xiàn)功率的最佳分配，各組件之間發(fā)生不良交互的風(fēng)險(xiǎn)小。

圖7 主從控制示意Fig.7 Schematic diagram of master-slave control

雖然主從控制能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)有功功率的精確分配，但其電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能差。由于是集中式直流電壓控制方法，只有1個(gè)換流站參與電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)主站中斷或系統(tǒng)發(fā)生較大的干擾時(shí)，其他換流站電壓響應(yīng)速度很慢，會(huì)導(dǎo)致過電壓或欠壓，甚至系統(tǒng)奔潰。且主從控制需要準(zhǔn)確和高速的通信來協(xié)調(diào)電壓控制，因此該策略在N-1故障時(shí)的直流電壓調(diào)節(jié)能力較差。

為了改進(jìn)主從控制的電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，文獻(xiàn)[24]改進(jìn)了主從控制并設(shè)計(jì)了一種P-U-I控制器，該控制器在功率控制器之后增加了電壓PI控制器，如圖8所示。當(dāng)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，跟蹤功率給定值Pref，當(dāng)系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后，功率控制器輸出達(dá)到限幅值，則將限幅值作為恒壓控制器的給定，自動(dòng)轉(zhuǎn)為電壓控制模式。該控制方法可以在恒功率控制和電壓控制模式自動(dòng)切換，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)壓性能，解決了主從控制策略在受到大擾動(dòng)時(shí)換流站模式切換依賴快速通信的問題。但該方法增加了PI控制環(huán)節(jié)，控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。且當(dāng)擾動(dòng)使得換流站輸出都達(dá)到限幅值的時(shí)候，無法自由分配各換流站的有功功率。文獻(xiàn)[25]針對主從控制提出了一種考慮分布式儲(chǔ)能參與調(diào)壓的控制方法。該方法中，分布式儲(chǔ)能采用虛擬慣性控制，可以在系統(tǒng)功率發(fā)生大幅變化時(shí)，依靠儲(chǔ)能快速提供功率支撐，實(shí)現(xiàn)功率動(dòng)態(tài)平衡，改善直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。

圖8 P-U-I控制器示意Fig.8 Schematic diagram of P-U-I controller

(2) 電壓裕度控制。電壓裕度控制是主從控制的擴(kuò)展，該控制策略中每個(gè)換流站都具有定功率控制和定直流電壓控制2種控制方式。電壓裕度是各換流站直流電壓和直流基準(zhǔn)電壓的差值，當(dāng)恒功率換流站的電壓達(dá)到電壓裕度值時(shí)，將自動(dòng)切換到恒定直流電壓控制模式，并以新的直流電壓參考值運(yùn)行，保證任意時(shí)刻只有1個(gè)換流站工作在恒壓控制模式[22]。圖9為電壓裕度控制原理。

圖9 電壓裕度控制示意Fig.9 Schematic diagram of margin control

該方法不需要依賴站間通信，但由于直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且負(fù)載變化、電壓波動(dòng)均較大，因此對于電壓裕度的選擇較為困難，且控制模式的頻繁切換可能會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。同時(shí)，運(yùn)行模式過渡時(shí)，所有換流站處于定功率控制，直流電壓將無法穩(wěn)定。

本文從北京市副中心交通管理系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀、需求及面臨的挑戰(zhàn)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)明確系統(tǒng)規(guī)劃思路和規(guī)劃方向，在系統(tǒng)總體規(guī)劃方向的前提下提出系統(tǒng)的總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠有效地建立符合國際一流標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)對需求變化、符合城市定位的城市副中心智慧交通管理系統(tǒng).

(3) 下垂控制。直流電壓下垂控制是多個(gè)換流站根據(jù)有功功率和直流電壓之間的特定關(guān)系來共同承擔(dān)直流電壓控制，類似于交流系統(tǒng)中的頻率控制[22]。圖10為下垂控制原理。

圖10 下垂控制示意Fig.10 Schematic diagram of droop control

下垂控制是對等控制的一種，該模式不需要通信且具有良好的動(dòng)態(tài)性能。相對主從控制而言，能更加靈活地適應(yīng)多種運(yùn)行方式，有更高的可靠性；相對電壓裕度控制而言，不易導(dǎo)致電壓振蕩[23]。但傳統(tǒng)的定下垂系數(shù)控制中，其下垂系數(shù)選取較為困難；同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，下垂控制會(huì)導(dǎo)致直流電壓存在偏差。

傳統(tǒng)的定下垂系數(shù)控制中，若下垂系數(shù)選取過小，換流站出力易達(dá)到上限；若下垂系數(shù)選取過大，則系統(tǒng)功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓較大幅度的波動(dòng)，削弱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，許多文獻(xiàn)針對下垂系數(shù)選取進(jìn)行了各種研究。文獻(xiàn)[26]提出了一種自適應(yīng)功率分配策略，該策略可通過自適應(yīng)k-sharing函數(shù)來確保穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)燃料電池和超級(jí)電容器之間的動(dòng)態(tài)性能和有功功率的合理分配。文獻(xiàn)[27]提出了一種考慮直流線路電阻影響的變下垂系數(shù)設(shè)計(jì)方法，以確保所有換流站都能按照任意的功率分配比分配功率。為了克服傳統(tǒng)定下垂系數(shù)控制無法靈活適應(yīng)各種工況或甚至于出現(xiàn)單個(gè)換流站功率裕量不足的問題[28]，提高動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，文獻(xiàn)[29]提出了一種隨功率裕量的變化而變化的下降系數(shù)設(shè)計(jì)方法，提高了參與電壓調(diào)節(jié)的每個(gè)換流站的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[30]提出了一種直流電壓下垂控制策略，其下垂系數(shù)根據(jù)不同的工作條件不斷更新，可以使得控制更加優(yōu)化，但計(jì)算量較大。在文獻(xiàn)[31]中，為了確保每個(gè)換流站的直流電壓和輸出功率在暫態(tài)時(shí)不會(huì)達(dá)到限定的極限值，引入了直流電壓偏差因子和功率分配因子來自適應(yīng)地確定換流站的下垂系數(shù)，其控制框圖如圖11所示。

圖11 自適應(yīng)下垂控制框圖Fig.11 The block diagram of adaptive droop control

在文獻(xiàn)[32]中，通過提出的軌跡靈敏度算法來計(jì)算下垂系數(shù)，以提高突發(fā)情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)[33]提出一種基于電壓偏差調(diào)整的權(quán)值系數(shù)來修正電壓與功率下垂特性曲線，減少了換流站模式切換的暫態(tài)過程。文獻(xiàn)[34]設(shè)計(jì)了一個(gè)可以根據(jù)換流站運(yùn)行工況和功率裕度自適應(yīng)變化的下垂系數(shù)，使采用下垂控制的換流站可以根據(jù)自身的功率裕度來分擔(dān)不平衡功率。文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)了一種根據(jù)本地直流電壓偏差來不斷修正下垂系數(shù)的方法，并設(shè)計(jì)了帶滯環(huán)的死區(qū)，其改進(jìn)部分結(jié)構(gòu)如圖12所示。該方法在系統(tǒng)發(fā)生小故障時(shí)可以減小直流電壓偏差，發(fā)生大故障時(shí)，防止換流器功率越限。

圖12 改進(jìn)下垂控制框圖Fig.12 The block diagram of improved droop control

文獻(xiàn)[36]提出了一種基于直流電壓偏差的斜率控制方法，加快了電壓調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)能確保換流站有功功率的無差跟蹤。文獻(xiàn)[37]提出一種利用模糊控制改變下垂系數(shù)的控制策略，把難以整定參數(shù)的固定下垂系數(shù)變?yōu)榭梢愿鶕?jù)運(yùn)行工況變化的下垂系數(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并在故障時(shí)能加快故障恢復(fù)。文獻(xiàn)[38]針對風(fēng)電接入的柔直電網(wǎng)提出一種協(xié)調(diào)控制策略，該策略根據(jù)直流電壓大小、方向的變化以及換流站功率裕度自適應(yīng)地改變下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了各換流站之間功率的優(yōu)化分配，降低了系統(tǒng)損耗，并可以防止部分換流站功率過載。除了換流站級(jí)的控制，也可以將分布式電源引入電壓控制范疇，如文獻(xiàn)[39]利用虛擬慣性控制技術(shù)，將電壓變化率引入下垂系數(shù)，從而使蓄電池在功率波動(dòng)瞬間快速出力或吸收功率，抑制直流電壓的波動(dòng)。

為了解決穩(wěn)態(tài)時(shí)下垂控制難以實(shí)現(xiàn)功率的精確分配和直流電壓的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)、存在直流電壓偏差等問題，可以將二級(jí)優(yōu)化控制引入直流配電網(wǎng)領(lǐng)域，與下垂控制相結(jié)合，通過平移下垂控制曲線，實(shí)現(xiàn)有功分配或電壓的精確調(diào)節(jié)。其中，集中式的二級(jí)優(yōu)化控制依賴通信[40—41]，令主控制器收集各個(gè)單元的信息并將指令下發(fā)，降低了系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展性；分散式方法中，文獻(xiàn)[42]針對系統(tǒng)通信故障的情況提出一種通過隨機(jī)負(fù)荷潮流和優(yōu)化比例系數(shù)計(jì)算的隨機(jī)因子下垂控制，并且利用二次控制實(shí)現(xiàn)有功量目標(biāo)值的補(bǔ)償，但未考慮電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)化。

2.2.2 組合控制

圖13 快速電壓裕度控制框圖Fig.13 Fast voltage margin controller

該方案根據(jù)K的不同取值，實(shí)現(xiàn)了控制器工作模式在定電壓控制、定功率控制和下垂控制間的切換，加快了控制器的調(diào)節(jié)速度和響應(yīng)速度，使得控制模式更平滑。文獻(xiàn)[46]提出了一種通過兩次調(diào)壓的方式實(shí)現(xiàn)直流電壓無偏差控制的策略。其中，一次調(diào)壓采用含死區(qū)的下垂控制，二次調(diào)壓以電壓基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)電壓恒定為目標(biāo)去調(diào)節(jié)各換流站功率給定值。該方法實(shí)際上相當(dāng)于將主從控制和下垂控制相結(jié)合，系統(tǒng)根據(jù)不同狀態(tài)在主從控制和下垂控制之間自動(dòng)切換。

3 直流配電網(wǎng)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)展望

雖然已有大量文獻(xiàn)針對直流配電網(wǎng)直流電壓控制展開研究，但與高壓直流電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)的運(yùn)行工況更加復(fù)雜，具有多電壓等級(jí)的直流母線，電壓控制難度更大，在今后的研究和實(shí)踐中，直流配電網(wǎng)電壓控制仍有如下問題需要重點(diǎn)關(guān)注和解決：

(1) 目前研究主要集中在換流站協(xié)調(diào)控制，針對將儲(chǔ)能、負(fù)荷和換流站結(jié)合起來共同調(diào)節(jié)母線直流電壓的研究較少。為了能充分利用分布式能源、儲(chǔ)能和負(fù)荷的調(diào)節(jié)特性，應(yīng)該綜合考慮不同電壓等級(jí)之間的相互影響以及“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的動(dòng)態(tài)特性匹配?？梢詫⒅绷髋潆娋W(wǎng)的實(shí)際控制需求分為功率平衡時(shí)的正常工況和供需緊張時(shí)的緊急工況兩類。正常工況下，“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的調(diào)控主要以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)參與調(diào)節(jié)；緊急工況下，以直流電壓的穩(wěn)定為控制目標(biāo)，通過使儲(chǔ)能切換為功率快速支撐模式以及負(fù)荷采用分布式控制快速參與需求響應(yīng)的方式來輔助換流站調(diào)節(jié)電壓確保直流電壓不越限。其中，如何實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)2種運(yùn)行工況時(shí)源荷儲(chǔ)不同運(yùn)行模式的快速無縫自適應(yīng)切換技術(shù)是需要解決的關(guān)鍵問題。

(2) 當(dāng)交流系統(tǒng)故障、直流配電網(wǎng)發(fā)生N-1故障(例如直流配電線路斷開，換流站故障退出運(yùn)行等)或遭遇大功率擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式可能發(fā)生改變，現(xiàn)有的依靠可控設(shè)備模式切換的控制策略難以滿足直流電壓穩(wěn)定的需求。研究者應(yīng)跳出主從控制、電壓裕度控制和下垂控制的框架，研究一種適應(yīng)多場景、支持配用電設(shè)備靈活投退的多運(yùn)行方式自適應(yīng)控制策略或統(tǒng)一管理策略，從根本上解決無法同時(shí)保證穩(wěn)態(tài)功率控制精度和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)特性以及實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行模式無縫切換的問題。

(3) 大多數(shù)研究者都是將直流配電網(wǎng)的控制和保護(hù)作為2個(gè)技術(shù)獨(dú)立進(jìn)行研究。而直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)不同的是其換流站本身具有可控性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)或故障時(shí)具有抗擾性和一定的故障阻斷能力。因此，在研究直流配電網(wǎng)的控制策略時(shí)，應(yīng)該考慮將控制和保護(hù)結(jié)合起來研究，充分利用直流配電網(wǎng)的控制靈活性，分擔(dān)保護(hù)的部分任務(wù)，實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)一體化，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

4 結(jié)語

隨著可再生能源在配電網(wǎng)中滲透率的不斷提高，直流配電網(wǎng)在新能源消納方面將比交流配電網(wǎng)具有更大的優(yōu)勢，但在經(jīng)濟(jì)性和控制保護(hù)可靠性方面還需改進(jìn)。目前國內(nèi)已經(jīng)建設(shè)了很多直流配電網(wǎng)示范工程，但總體正處于起步階段。直流配電網(wǎng)直流電壓的控制方法大多還是借鑒高壓直流輸電和直流微電網(wǎng)的控制方法以及對其方法的改進(jìn)，并不能有效適應(yīng)直流配電網(wǎng)復(fù)雜的模式切換等，且在同時(shí)保證較好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能方面還有待提升。文中在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，對直流配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和電壓控制技術(shù)做了總結(jié)和思考，期望可為未來直流配電網(wǎng)電壓控制技術(shù)的進(jìn)一步研究提供思路和借鑒。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目(J2019111，SGJSDK00ZPJS1900271)資助，謹(jǐn)此致謝！