直流配電網電壓控制技術綜述

吳在軍，謝興峰，楊景剛,，司鑫堯，楊媛平，曹驍勇

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

0 引言

隨著分布式可再生能源發電滲透率的提高和電動汽車充電站的普及，以及包含風、光、儲的微電網的快速發展，交流配電網的運行和管理受到了挑戰。相比于交流配電網，直流配電系統可以實現閉環運行，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力發電和太陽能發電等可再生能源[1—3]。在向數據中心、商業中心、工業系統、電動汽車、高鐵等直流負荷供電時，直流配電可省去一級交流變直流的環節，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損耗和通態損耗，未來其在變流器中的應用可使得直流換流站相比于同等容量的傳統交流變壓器具有更高的效率[6]。另外，直流微電網和高壓直流輸電系統的快速發展也促使研究人員思考如何將兩者互連，而直流配電系統是很好的解決方法[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的構想[7]；美國北卡羅來納大學提出了多端口能量路由器，可用于構建靈活的直流配電系統[9]。德國亞琛工業大學提出了“City of Tomorrow”城市供電方案，并在校園內建成了10 kV直流配電實際工程[10]。國內已經建成或正在規劃建設中的示范工程主要有蘇州工業園區±10 kV中壓雙端直流配電示范工程[11]、浙江海寧尖山新區“基于柔性互聯的源網荷儲協同主動配電網試點工程”[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、上海南匯±30 kV兩端柔性直流配電示范工程、珠海科技園三端直流配電系統以及張北交直流配網及柔性變電站示范工程等[14]。

直流配電網雖然具有廣闊的應用前景，但由于直流配電網慣性小、阻尼弱等特點，控制直流配電系統比控制交流系統更加困難[15]。直流電壓是衡量直流系統功率平衡的唯一指標，因此直流電壓的控制對直流配電網的運行和穩定性非常重要。文中針對直流配電網電壓的協調控制和電力電子設備自身控制，結合最新研究成果，對直流配電網直流電壓波動抑制的控制策略進行梳理和總結，旨在為未來直流配電網直流電壓控制的進一步研究提供思路和借鑒。

1 直流配電網系統拓撲結構及電壓序列

1.1 直流配電網拓撲結構

直流配電網電壓控制策略的確定在很大程度上受到配電網的拓撲結構影響。直流配電系統的拓撲可以分為單端輻射狀拓撲結構、雙端/多端狀拓撲結構和環狀拓撲結構[16]。

單端輻射狀直流配電網結構和交流配電網結構類似，由單電源輻射供電，結構簡單、易于控制，但供電可靠性較低，適用于供電要求不高的用戶。其結構如圖1所示。

圖1 單端輻射狀拓撲Fig.1 Radial-type topology

雙端/多端拓撲結構有多電源點供電，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負荷等。雙端“手拉手”拓撲結構見圖2。

圖2 “手拉手”狀拓撲Fig.2 Hand-in-hand topology

傳統交流配電系統一般為閉環設計，開環運行。但是環狀直流配電系統可以實現閉環運行，也可以像交流配電系統一樣開環運行，因此配電方式更加靈活，具有更高的可靠性，但是閉環運行時其控制和保護都比較復雜，適用于供電可靠性要求很高或者集結大規模可再生能源的場合[18]。環狀直流配電拓撲如圖3所示。

圖3 環狀拓撲Fig.3 Ring topology

1.2 直流配電系統電壓等級序列

中壓直流電壓的標準化對系統設計、設備研發、以及工程化應用至關重要。對于不同的直流電壓等級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外尚無統一標準，電壓等級的研究還需要根據工程應用示范和分析逐步完善。國際上由國際大電網會議(CIGRE)、國際電工委員會(IEC)以及電氣和電子工程師協會(IEEE)等機構初步明確了以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優選參考值。而國內目前國家標準GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導則》和中國電力企業聯合會標準T/CEC 107—2016《直流配電電壓》已經發布。其中，國家標準明確了中、低壓直流的電壓等級范圍、電壓等級序列、優選值和備選值，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選電壓序列。

目前，國內對于直流配電網的研究在國際上處于領先地位，表1列出了國內具有代表性的部分直流配電網示范工程的拓撲結構以及電壓等級。

表1 直流配電網示范工程電壓等級及拓撲Table 1 Voltage levels and topology of DC distribution network demonstration projects

2 直流配電網電壓控制技術發展現狀

直流配電網直流電壓的控制一般劃分為3個層級[19]。上層為能量優化層，主要實現能量管理功能；中間層為協調控制層，實現系統級協調控制功能；最底層是電力電子設備層，主要包括裝置自身的控制和設備級的協調控制。其中電力電子變換器和協調控制技術是抑制直流電壓波動和保證系統功率平衡的關鍵。

2.1 電力電子變換器的基本控制

電力電子設備層作為電壓控制3個層級中的最底層，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。在直流配電網中，電力電子變換器有很多種類。各變換器需根據不同的分布式電源和不同的配電網工作模式來控制自身的功率或電壓。目前，關于低壓配電母線的接口電路的研究已經相對成熟[20]，而高壓到中壓和中壓到低壓的接口電路因功率大，且結構和控制相對復雜的特點，成為了目前的研究熱點。

2.1.1 換流站的控制

直流配電網連接交流配電網需要通過換流站，換流站連接電壓等級一般在10 kV及以上，其拓撲主要采用模塊化多電平變換器(modular multi-level converter，MMC)。換流站的控制器一般包括外環控制和電流內環控制，具體如圖4所示。圖中鎖相環(phase locked loop,PLL)可獲取電網角頻率ωL和相角θ，用于對交流電網電壓和電流進行坐標系(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 電流內環控制Fig.5 Current inner loop control

圖6 外環控制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鍵設備，主要采用高頻隔離型 DC/DC 變換器。研究的拓撲結構主要有3種：(1) 雙向半橋；(2) 串聯諧振變換器；(3) 雙主動全橋(dual active bridge，DAB)，其中應用最廣泛的是DAB。對于DAB的控制，單移相調制方法是通過調節2個 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，其實現簡單，也是目前工程應用中的主流調制方法。為了降低損耗、提高系統變換效率，一些改進的移相調制方法也相繼被提出，主要包括擴展移相、雙重移相和三重移相。

2.2 直流電壓協調控制

直流配電網電壓控制策略的選取與其網絡拓撲結構有關。對于輻射狀拓撲結構的直流配電網，由于僅有一端電源供電，為了保持系統電壓穩定，其換流站通常采用定電壓控制的方式；對于“手拉手”型或環狀拓撲等多端直流配電系統，須同時考慮到直流電壓的穩定和多端電源協調控制。

直流配電網電壓控制的主要目標是維持直流電壓穩定和有功功率的合理分配。該目標不僅希望穩態時直流配電網電壓維持在額定值且盡可能實現有功功率在各單元接口間的準確分配，也須考慮到當系統發生較大擾動等暫態工況時，遇到的電壓偏差過大或電壓振蕩的問題[6]。因直流配電網發展相對較晚，其控制技術還不夠成熟，現在大多協調控制技術都是借鑒多端柔性直流輸電和低壓直流微電網中的一些控制方法。其中適用于直流配電網的電壓協調控制方法主要包括3類：主從控制，電壓裕度控制和下垂控制。但直流配電網負荷波動頻繁，含大量分布式能源，潮流靈活，傳統控制方式并不能完全適用于直流配電網的電壓控制[21]，往往難以兼顧系統的穩態和動態特性。因此，針對傳統控制策略中難以兼顧直流配電網電壓動態特性和保證有功功率的合理分配的問題，許多文獻以傳統控制方式為基礎提出了一些改進控制方法。

2.2.1 傳統控制方法及其改進策略

(1) 主從控制。主從控制是直流電網控制中較成熟的控制策略，只有1個換流站作為主控站并設定為恒壓控制模式作為松弛節點來平衡系統功率。其他換流站均作為從站并設定為恒定功率或恒定電流模式。圖7為一個三端直流電網的主從控制方案。其主要優點是：控制設計和實現簡單，在系統穩態運行時易于實現功率的最佳分配，各組件之間發生不良交互的風險小。

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

雖然主從控制能實現穩態時有功功率的精確分配，但其電壓動態調節性能差。由于是集中式直流電壓控制方法，只有1個換流站參與電壓調節，當主站中斷或系統發生較大的干擾時，其他換流站電壓響應速度很慢，會導致過電壓或欠壓，甚至系統奔潰。且主從控制需要準確和高速的通信來協調電壓控制，因此該策略在N-1故障時的直流電壓調節能力較差。

為了改進主從控制的電壓動態調節性能，文獻[24]改進了主從控制并設計了一種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。當換流站穩態運行時，跟蹤功率給定值Pref，當系統受到大擾動后，功率控制器輸出達到限幅值，則將限幅值作為恒壓控制器的給定，自動轉為電壓控制模式。該控制方法可以在恒功率控制和電壓控制模式自動切換，提高了系統的動態調壓性能，解決了主從控制策略在受到大擾動時換流站模式切換依賴快速通信的問題。但該方法增加了PI控制環節，控制器參數的設計較復雜。且當擾動使得換流站輸出都達到限幅值的時候，無法自由分配各換流站的有功功率。文獻[25]針對主從控制提出了一種考慮分布式儲能參與調壓的控制方法。該方法中，分布式儲能采用虛擬慣性控制，可以在系統功率發生大幅變化時，依靠儲能快速提供功率支撐，實現功率動態平衡，改善直流電壓動態調節性能。

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展，該控制策略中每個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電壓的差值，當恒功率換流站的電壓達到電壓裕度值時，將自動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行，保證任意時刻只有1個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，但由于直流配電網結構復雜，且負載變化、電壓波動均較大，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引起系統振蕩。同時，運行模式過渡時，所有換流站處于定功率控制，直流電壓將無法穩定。

本文從北京市副中心交通管理系統建設現狀、需求及面臨的挑戰出發，根據系統的發展目標明確系統規劃思路和規劃方向，在系統總體規劃方向的前提下提出系統的總體架構、邏輯架構、物理結構和網絡架構，能夠有效地建立符合國際一流標準、應對需求變化、符合城市定位的城市副中心智慧交通管理系統.

(3) 下垂控制。直流電壓下垂控制是多個換流站根據有功功率和直流電壓之間的特定關系來共同承擔直流電壓控制，類似于交流系統中的頻率控制[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態性能。相對主從控制而言，能更加靈活地適應多種運行方式，有更高的可靠性；相對電壓裕度控制而言，不易導致電壓振蕩[23]。但傳統的定下垂系數控制中，其下垂系數選取較為困難；同時，當系統穩定時，下垂控制會導致直流電壓存在偏差。

傳統的定下垂系數控制中，若下垂系數選取過小，換流站出力易達到上限；若下垂系數選取過大，則系統功率波動會導致電壓較大幅度的波動，削弱系統的動態性能。因此，許多文獻針對下垂系數選取進行了各種研究。文獻[26]提出了一種自適應功率分配策略，該策略可通過自適應k-sharing函數來確保穩態運行時燃料電池和超級電容器之間的動態性能和有功功率的合理分配。文獻[27]提出了一種考慮直流線路電阻影響的變下垂系數設計方法，以確保所有換流站都能按照任意的功率分配比分配功率。為了克服傳統定下垂系數控制無法靈活適應各種工況或甚至于出現單個換流站功率裕量不足的問題[28]，提高動態調節能力，文獻[29]提出了一種隨功率裕量的變化而變化的下降系數設計方法，提高了參與電壓調節的每個換流站的動態性能。文獻[30]提出了一種直流電壓下垂控制策略，其下垂系數根據不同的工作條件不斷更新，可以使得控制更加優化，但計算量較大。在文獻[31]中，為了確保每個換流站的直流電壓和輸出功率在暫態時不會達到限定的極限值，引入了直流電壓偏差因子和功率分配因子來自適應地確定換流站的下垂系數，其控制框圖如圖11所示。

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

在文獻[32]中，通過提出的軌跡靈敏度算法來計算下垂系數，以提高突發情況下系統的穩定裕度。文獻[33]提出一種基于電壓偏差調整的權值系數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過程。文獻[34]設計了一個可以根據換流站運行工況和功率裕度自適應變化的下垂系數，使采用下垂控制的換流站可以根據自身的功率裕度來分擔不平衡功率。文獻[35]設計了一種根據本地直流電壓偏差來不斷修正下垂系數的方法，并設計了帶滯環的死區，其改進部分結構如圖12所示。該方法在系統發生小故障時可以減小直流電壓偏差，發生大故障時，防止換流器功率越限。

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

文獻[36]提出了一種基于直流電壓偏差的斜率控制方法，加快了電壓調節的動態響應，同時能確保換流站有功功率的無差跟蹤。文獻[37]提出一種利用模糊控制改變下垂系數的控制策略，把難以整定參數的固定下垂系數變為可以根據運行工況變化的下垂系數，提高了系統穩定性，并在故障時能加快故障恢復。文獻[38]針對風電接入的柔直電網提出一種協調控制策略，該策略根據直流電壓大小、方向的變化以及換流站功率裕度自適應地改變下垂系數，實現了各換流站之間功率的優化分配，降低了系統損耗，并可以防止部分換流站功率過載。除了換流站級的控制，也可以將分布式電源引入電壓控制范疇，如文獻[39]利用虛擬慣性控制技術，將電壓變化率引入下垂系數，從而使蓄電池在功率波動瞬間快速出力或吸收功率，抑制直流電壓的波動。

為了解決穩態時下垂控制難以實現功率的精確分配和直流電壓的準確調節、存在直流電壓偏差等問題，可以將二級優化控制引入直流配電網領域，與下垂控制相結合，通過平移下垂控制曲線，實現有功分配或電壓的精確調節。其中，集中式的二級優化控制依賴通信[40—41]，令主控制器收集各個單元的信息并將指令下發，降低了系統可靠性和可擴展性；分散式方法中，文獻[42]針對系統通信故障的情況提出一種通過隨機負荷潮流和優化比例系數計算的隨機因子下垂控制，并且利用二次控制實現有功量目標值的補償，但未考慮電壓調節的優化。

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K的不同取值，實現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，加快了控制器的調節速度和響應速度，使得控制模式更平滑。文獻[46]提出了一種通過兩次調壓的方式實現直流電壓無偏差控制的策略。其中，一次調壓采用含死區的下垂控制，二次調壓以電壓基準節點電壓恒定為目標去調節各換流站功率給定值。該方法實際上相當于將主從控制和下垂控制相結合，系統根據不同狀態在主從控制和下垂控制之間自動切換。

3 直流配電網電壓控制關鍵技術展望

雖然已有大量文獻針對直流配電網直流電壓控制展開研究，但與高壓直流電網和直流微電網相比，直流配電網的運行工況更加復雜，具有多電壓等級的直流母線，電壓控制難度更大，在今后的研究和實踐中，直流配電網電壓控制仍有如下問題需要重點關注和解決：

(1) 目前研究主要集中在換流站協調控制，針對將儲能、負荷和換流站結合起來共同調節母線直流電壓的研究較少。為了能充分利用分布式能源、儲能和負荷的調節特性，應該綜合考慮不同電壓等級之間的相互影響以及“源-網-荷-儲”的動態特性匹配。可以將直流配電網的實際控制需求分為功率平衡時的正常工況和供需緊張時的緊急工況兩類。正常工況下，“源-網-荷-儲”的調控主要以經濟最優為目標參與調節；緊急工況下，以直流電壓的穩定為控制目標，通過使儲能切換為功率快速支撐模式以及負荷采用分布式控制快速參與需求響應的方式來輔助換流站調節電壓確保直流電壓不越限。其中，如何實現配電網2種運行工況時源荷儲不同運行模式的快速無縫自適應切換技術是需要解決的關鍵問題。

(2) 當交流系統故障、直流配電網發生N-1故障(例如直流配電線路斷開，換流站故障退出運行等)或遭遇大功率擾動時，系統的運行方式可能發生改變，現有的依靠可控設備模式切換的控制策略難以滿足直流電壓穩定的需求。研究者應跳出主從控制、電壓裕度控制和下垂控制的框架，研究一種適應多場景、支持配用電設備靈活投退的多運行方式自適應控制策略或統一管理策略，從根本上解決無法同時保證穩態功率控制精度和動態電壓調節特性以及實現直流配電網復雜運行模式無縫切換的問題。

(3) 大多數研究者都是將直流配電網的控制和保護作為2個技術獨立進行研究。而直流配電網與交流配電網不同的是其換流站本身具有可控性，當系統發生大擾動或故障時具有抗擾性和一定的故障阻斷能力。因此，在研究直流配電網的控制策略時，應該考慮將控制和保護結合起來研究，充分利用直流配電網的控制靈活性，分擔保護的部分任務，實現控制保護一體化，提高系統的經濟性和可靠性。

4 結語

隨著可再生能源在配電網中滲透率的不斷提高，直流配電網在新能源消納方面將比交流配電網具有更大的優勢，但在經濟性和控制保護可靠性方面還需改進。目前國內已經建設了很多直流配電網示范工程，但總體正處于起步階段。直流配電網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的控制方法以及對其方法的改進，并不能有效適應直流配電網復雜的模式切換等，且在同時保證較好的穩態性能和動態性能方面還有待提升。文中在國內外研究的基礎上，對直流配電網的結構和電壓控制技術做了總結和思考，期望可為未來直流配電網電壓控制技術的進一步研究提供思路和借鑒。

本文得到國網江蘇省電力有限公司科技項目(J2019111，SGJSDK00ZPJS1900271)資助，謹此致謝！