高閏國(guó)，匡洪海，鐘浩，周宇健 ，郭茜

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412000；2.梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002）

直流配電網(wǎng)憑著輸送容量大、電能質(zhì)量好、供電可靠性高和分布式電源靈活接入等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在近幾年間得到一系列學(xué)者的關(guān)注，且相關(guān)研究取得迅速發(fā)展。隨著用電負(fù)荷的多元化，直流負(fù)荷所占比重不斷增加，相比于交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)在很多領(lǐng)域取得了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展前景[4-5]。同時(shí)，電力電子器件的發(fā)展對(duì)直流配電網(wǎng)產(chǎn)生巨大推進(jìn)作用，目前，分布式能源、負(fù)載和儲(chǔ)能等接口變換器的研究相對(duì)成熟，并早已應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[6]。隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的興起，直流配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的作用將愈發(fā)重要。直流電壓穩(wěn)定和有功功率平衡是衡量直流配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，只有控制電壓穩(wěn)定和功率協(xié)調(diào)，系統(tǒng)才能平穩(wěn)運(yùn)行，因此，控制技術(shù)是直流配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

直流配電網(wǎng)控制策略可參考柔性直流輸電和直流微電網(wǎng)等相關(guān)方面技術(shù)[7-8]。目前主要是通過(guò)電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）來(lái)控制電壓穩(wěn)定和協(xié)調(diào)功率平衡。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)下垂控制，該方法可通過(guò)檢測(cè)本地電壓來(lái)修正下垂系數(shù)，在發(fā)生小擾動(dòng)時(shí)可減小直流電壓偏差，而發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)能夠防止換流器過(guò)載運(yùn)行。文獻(xiàn)[10]提出一種混合控制策略，設(shè)計(jì)出4階混合控制器，來(lái)優(yōu)化直流電壓的控制效果。文獻(xiàn)[11]通過(guò)改進(jìn)最優(yōu)潮流算法來(lái)修正下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[12]提出一種協(xié)調(diào)控制策略，在考慮換流站運(yùn)行狀況、分布式電源和負(fù)荷變化的情況下，將系統(tǒng)分成3種運(yùn)行模式，并通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備充、放電實(shí)現(xiàn)各種模式的平滑切換。文獻(xiàn)[13]對(duì)直流配電網(wǎng)的運(yùn)行模式及換流站的模式切換進(jìn)行分析，在主從控制的基礎(chǔ)上，提出一種主站采用定電壓控制，從站采用P-U-I控制的方式，可有效解決復(fù)雜的模式切換問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]提出含有分布式儲(chǔ)能參與的控制策略，通過(guò)推導(dǎo)交、直流接口電壓頻率耦合關(guān)系和雙向直流接口級(jí)聯(lián)下垂特性，控制儲(chǔ)能補(bǔ)償電壓波動(dòng)和電網(wǎng)頻率波動(dòng)。文獻(xiàn)[15]提出一種考慮電壓偏差和功率裕度的自組織下垂控制，在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，考慮換流站的功率裕度并附加定電壓控制，設(shè)計(jì)基于元胞自動(dòng)機(jī)的自組織更新規(guī)則，有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。上述文獻(xiàn)從多角度改進(jìn)了直流系統(tǒng)電壓控制策略，主要集中于下垂控制和主從控制。

憑借良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，下垂控制成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，然而固定的下垂系數(shù)使得電壓變化在受到大功率波動(dòng)時(shí)影響較大[16]，難以使系統(tǒng)電壓維持在一定范圍內(nèi)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出改進(jìn)下垂電壓控制策略，在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)本地直流電壓，構(gòu)建下垂系數(shù)與直流電壓偏差函數(shù)，使下垂系數(shù)在大功率擾動(dòng)下能自我修正，增強(qiáng)電壓調(diào)控能力，并設(shè)定電壓上、下限值，使系統(tǒng)電壓限定在指定范圍內(nèi)。相比于傳統(tǒng)下垂控制，改進(jìn)下垂電壓控制能更有效地減小電壓偏差，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。并在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建了兩端供電直流配電網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試了其控制策略效果，證實(shí)了此策略的有效性。

1 直流配電網(wǎng)電壓控制

1.1 控制原理

直流配電網(wǎng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有環(huán)狀、兩端供電和放射狀3種[17]。其中，放射狀網(wǎng)絡(luò)控制簡(jiǎn)單，但供電可靠性低，當(dāng)上級(jí)故障時(shí)容易導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行；環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)供電可靠性高，但控制相對(duì)困難；兩端供電相比放射狀網(wǎng)絡(luò)可靠性高，當(dāng)一端故障時(shí)可由另一端繼續(xù)供電，其控制相比環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單。本文以兩端供電結(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩端供電結(jié)構(gòu)直流配電網(wǎng)Fig.1 Dual-terminal structure of DC distribution network

直流配電網(wǎng)電壓與功率控制主要通過(guò)VSC，采用雙閉環(huán)控制。在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，假設(shè)交流系統(tǒng)三相對(duì)稱運(yùn)行，其中沒(méi)有零序分量，當(dāng)d軸與交流母線基波電壓同相位時(shí)，其q軸電壓分量為零，即usq=0，則并網(wǎng)的交流側(cè)有功功率和無(wú)功功率為

在換流器穩(wěn)定運(yùn)行情況下，d軸電壓分量usd保持不變，可以通過(guò)改變d軸電流分量id和q軸電流分量iq來(lái)改變有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制?？刂破魍猸h(huán)實(shí)現(xiàn)各種不同的控制方式，一般有主從控制、下垂控制和電壓裕度控制，而內(nèi)環(huán)控制器用來(lái)提高電能質(zhì)量[18]。內(nèi)環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 內(nèi)環(huán)控制器Fig.2 Inner loop controller

1.2 電壓下垂控制

電壓下垂控制方法是參考交流系統(tǒng)中的調(diào)頻器，通過(guò)多個(gè)換流站對(duì)自身電壓的測(cè)量，基于下垂特性來(lái)調(diào)整功率的指令值，進(jìn)行功率的分配，調(diào)整后的功率反作用于電壓以維持電壓的穩(wěn)定。其特性曲線如圖3所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中功率發(fā)生變化時(shí)，換流站按照其下垂特性調(diào)節(jié)電壓和功率，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移動(dòng)至B點(diǎn)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)平衡。

圖3 下垂控制特性曲線Fig.3 Characteristic curve of droop control

控制器輸出偏差為

式中：er為控制器輸出偏差；Uref為直流電壓指令值；Udc為直流電壓實(shí)際值；K為下垂系數(shù)；Pref為有功功率指令值；P為有功功率實(shí)際值。其控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 下垂控制外環(huán)控制器Fig.4 Outer loop controller of droop control

下垂控制能夠迅速地對(duì)直流網(wǎng)絡(luò)潮流變化作出響應(yīng)，調(diào)整直流功率。但是不能對(duì)系統(tǒng)直流電壓精確跟蹤，固定的下垂系數(shù)難以適應(yīng)多變的潮流狀況。

2 改進(jìn)下垂電壓控制

2.1 原理分析

在圖1所示的兩端供電直流配電網(wǎng)中，當(dāng)換流站1處于定電壓控制，換流站2處于傳統(tǒng)下垂控制時(shí)，若系統(tǒng)有功需求減少，換流站1通過(guò)減少有功輸入以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，直至功率越限切換至定功率控制后，由換流站2來(lái)調(diào)節(jié)有功功率和系統(tǒng)直流電壓。若此時(shí)有功輸入仍大于所需功率，系統(tǒng)電壓將持續(xù)上升，換流站難以穩(wěn)定系統(tǒng)直流電壓。傳統(tǒng)的下垂控制不能將系統(tǒng)電壓限制在一定范圍內(nèi)。為了解決此問(wèn)題，本文提出改進(jìn)下垂電壓控制，當(dāng)系統(tǒng)電壓偏差過(guò)大時(shí)，下垂系數(shù)將自動(dòng)減小，增強(qiáng)換流站電壓剛性，減小電壓偏差。

改進(jìn)下垂電壓控制外環(huán)控制器如圖5所示，圖5中，ΔK為下垂系數(shù)修正值，為電壓偏差ΔU的函數(shù)；K0為換流站穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)初始值，與傳統(tǒng)下垂控制系數(shù)設(shè)計(jì)方法相同，此時(shí)，換流站改進(jìn)下垂系數(shù)為

圖5 改進(jìn)下垂電壓控制外環(huán)控制器Fig.5 Outer loop controller of improved droop voltage control

換流站輸出偏差為

隨著ΔU的不斷增大，ΔK同時(shí)也不斷增大，K不斷減小，下垂系數(shù)減小，換流站電壓調(diào)控能力變強(qiáng)。當(dāng)ΔU達(dá)到限定值時(shí)，ΔK=K0，下垂系數(shù)減小至0，換流站相當(dāng)于處于定電壓控制模式，能將系統(tǒng)直流電壓維持在限定范圍內(nèi)。

換流站電壓指令值Udcref與實(shí)際電壓值Udc關(guān)系為

式中：UrefH，UrefL為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定電壓上、下限值；Uref為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行額定值。

2.2 參數(shù)選取

下垂系數(shù)修正值是改進(jìn)下垂電壓控制的關(guān)鍵，不同的函數(shù)ΔK=f（ΔU）決定了不同的控制策略性能。函數(shù)的選擇應(yīng)滿足：1）換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，控制器不受小電壓波動(dòng)的影響；2）電壓偏差值較大時(shí)，能迅速平穩(wěn)地進(jìn)行電壓修正，減小電壓偏差，并且在偏差大到一定程度時(shí)控制器處于定電壓模式。

本文改進(jìn)下垂電壓控制策略采用拋物線函數(shù)計(jì)算ΔK值，其式為

式中：α為大于0的常數(shù)，影響ΔK的變化速率。

為保證直流電壓偏差達(dá)到最大值時(shí)能將系統(tǒng)電壓限定在設(shè)定值內(nèi)，下垂系數(shù)應(yīng)滿足K=0，換流站處于定電壓控制，因此

式中：ΔUmax為預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)電壓裕度值。

因此，在確定初始下垂系數(shù)后，α由電壓裕度值決定。同時(shí)為避免ΔU過(guò)大導(dǎo)致下垂系數(shù)K為負(fù)數(shù)，ΔU應(yīng)滿足

改進(jìn)下垂控制特性曲線如圖6所示，由圖6可知，當(dāng)電壓偏差較小時(shí)，改進(jìn)下垂與傳統(tǒng)下垂一致，靠初始固定下垂系數(shù)調(diào)節(jié)不平衡功率與電壓，系統(tǒng)運(yùn)行于點(diǎn)A。當(dāng)電壓偏差過(guò)大時(shí)，下垂系數(shù)將進(jìn)行自我修正，增強(qiáng)換流站電壓調(diào)控能力，若下垂系數(shù)減小至0，此時(shí)換流站處于定電壓控制狀態(tài)，可將直流電壓限定在設(shè)定值內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行于點(diǎn)B或點(diǎn)C。為保證系統(tǒng)在下垂系數(shù)修正過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行，換流站應(yīng)迅速切換至定電壓控制模式，其修正過(guò)渡過(guò)程要快速平穩(wěn)。

圖6 改進(jìn)下垂電壓控制特性曲線Fig.6 Characteristic curve of improved droop voltage control

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出電壓下垂裕度控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)建立兩端供電式直流配電網(wǎng)模型，其主回路拓?fù)湟?jiàn)圖1所示。其中換流站1采用定功率控制，換流站2分別采用改進(jìn)下垂控制和傳統(tǒng)下垂控制，電壓偏差裕度值取±0.5 kV，系統(tǒng)及控制器參數(shù)為：直流系統(tǒng)額定電壓Udc=10 kV，換流站1額定功率Pref1=3 MW，換流站2額定功率Pref2=2 MW，電壓上限指令值UrefH=10.5 kV，電壓下限指令值UrefL=9.5 kV，下垂系數(shù)初始值K0=0.8。本文在此控制方式下選取兩種擾動(dòng)方式來(lái)分析其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征：1）小功率波動(dòng)仿真分析，換流站1功率指令值由3 MW下降至2.5 MW；2）大功率波動(dòng)仿真分析，換流站1功率指令值由3 MW下降至1.7 MW。

3.1 小功率波動(dòng)仿真

換流站1在t=3.5 s時(shí)受到小功率擾動(dòng)，其輸出功率指令值由3 MW降低至2.5 MW，系統(tǒng)功率及電壓仿真波形如圖7和圖8所示。

圖7 小功率波動(dòng)仿真功率波形Fig.7 Simulated power waveforms under low power fluctuation

圖8 小功率波動(dòng)仿真電壓波形Fig.8 Simulated voltage waveforms under low power fluctuation

在t=3.5 s時(shí)換流站1輸出功率減少，為維持系統(tǒng)電壓，在下垂特性調(diào)控下，換流站2有功輸出增大，由2 MW增加至2.25 MW，功率偏差0.25 MW，初始下垂系數(shù)為0.8，可算得理論電壓偏差值為0.2 kV，由電壓仿真波形可知，在傳統(tǒng)下垂控制和改進(jìn)下垂控制下，系統(tǒng)電壓都由10 kV降至9.8 kV，與理論計(jì)算結(jié)果吻合。根據(jù)仿真可知，在小功率波動(dòng)下，改進(jìn)下垂控制能保持傳統(tǒng)下垂控制的優(yōu)越性，控制性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力一致，能快速有效地調(diào)節(jié)不平衡功率，維持系統(tǒng)電壓。

3.2 大功率波動(dòng)仿真

在換流站1在t=3.5 s時(shí)受到大功率擾動(dòng)，其輸出功率指令值由3 MW降低至1.7 MW，系統(tǒng)功率及電壓仿真波形如圖9和圖10所示，下垂系數(shù)波形如圖11所示。

圖9 大功率波動(dòng)仿真功率波形Fig.9 Simulated power waveforms under high power fluctuation

圖10 大功率波動(dòng)仿真電壓波形Fig.10 Simulated voltage waveforms under high power fluctuation

圖11 下垂系數(shù)波形Fig.11 Droop coefficient waveform

換流站1有功輸出減少后，換流站2有功輸出由之前的2 MW增加至2.85 MW，以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。在傳統(tǒng)下垂控制下，功率偏差為0.85 MW，初始下垂系數(shù)為0.8，可算得理論電壓偏差值為0.68 kV，由電壓仿真波形可知電壓由之前的10 kV降至9.3 kV，符合計(jì)算結(jié)果。在改進(jìn)下垂控制下，系統(tǒng)檢測(cè)到電壓偏差超出其預(yù)先設(shè)定值0.5 kV，為加強(qiáng)電壓控制能力，減小系統(tǒng)電壓偏差，下垂系數(shù)將進(jìn)行自我修正，由式（3）、式（6）和式（7）可知，此時(shí)α=3.2，下垂系數(shù)迅速減小至0，換流站表現(xiàn)為定電壓控制，如電壓仿真波形所示，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在9.5 kV。與傳統(tǒng)下垂控制相比，系統(tǒng)直流電壓偏差減小0.2 kV。從圖11可知，在受到擾動(dòng)前，系統(tǒng)下垂系數(shù)能保持在初始值0.8附近，微小的電壓波動(dòng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，只有在受到大擾動(dòng)時(shí)，下垂系數(shù)會(huì)快速自我調(diào)整，修正過(guò)渡時(shí)間為0.06 s。

本文提出的改進(jìn)下垂控制策略與其他改進(jìn)下垂控制相比，電壓偏差達(dá)到設(shè)定限值后，下垂系數(shù)會(huì)減小至0，如同在下垂控制中引入電壓裕度控制功能，能有效穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。同時(shí)，通過(guò)拋物線函數(shù)設(shè)計(jì)下垂系數(shù)，使算法相對(duì)簡(jiǎn)單，過(guò)渡更為平緩。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析傳統(tǒng)下垂控制策略，說(shuō)明了該方法的不足之處，提出改進(jìn)下垂電壓控制策略，詳細(xì)分析了其工作原理，設(shè)計(jì)了改進(jìn)下垂電壓控制器，并對(duì)參數(shù)的選取做出說(shuō)明，該策略保留了傳統(tǒng)下垂控制優(yōu)越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)彌補(bǔ)了該控制方式的不足，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析可知：

1）系統(tǒng)受到小功率擾動(dòng)后，改進(jìn)下垂控制能保留傳統(tǒng)下垂控制良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同樣可以快速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；

2）系統(tǒng)受到大功率擾動(dòng)后，在改進(jìn)下垂控制下，下垂系數(shù)將行進(jìn)自我修正，增強(qiáng)換流站電壓調(diào)控能力，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，減小系統(tǒng)電壓偏差。