基于控制模式平滑切換的離網直流變壓器無擾并網策略

張偉明，許加柱，陳 慶，童國慶，伍 敏

（1. 湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082；2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

直流微電網的電壓等級較低［1］，一般通過直流變壓器（DCT）連接中壓直流配電網［2］。直流微電網既可以并網運行，也可以孤島運行［3］，兩者切換的實質是DCT 的并、離網操作。由于中壓直流配電網和低壓直流微電網之間存在的電壓等級差及功率不平衡問題，并網瞬間必然會產生擾動，如產生電壓跌落、電壓波動和沖擊電流等［4-6］，嚴重的并網擾動會降低直流配電系統的電能質量并且影響系統正常運行。尤其是在配電網故障檢修完成后進行并網恢復時，并網擾動還可能誘發系統二次故障、繼電保護誤動作等問題。在分布式電源擴建或故障恢復時，同樣存在無擾并網的技術難題。

AC／DC 換流器無擾并網策略主要分為單模式并網型［7-9］和多模式切換并網型［10-12］。單模式并網型策略指換流器通過交直流系統混合充電，并網后功率控制解鎖換流器，換流站只工作在一種控制模式下，擾動抑制方法主要在于充電策略的改進；多模式切換并網型策略與單模式并網型策略的區別在于換流站工作在多種控制模式下，并網擾動還包括模式切換所產生的擾動。上述研究主要基于多端柔性直流輸電工程開展，且并網對象均為AC／DC換流器。

國內外關于DCT 無擾并網策略的研究相對較少，主 要 針 對DCT 的 軟 啟 動［13-14］和 運 行 模 式 切換［15-16］進行研究。DCT 軟啟動策略主要采用單移相［13-14］、雙移相［17-18］以及三移相軟啟動［19］，單移相軟啟動策略是指同一時間只存在橋內移相角或橋間移相角，啟動過程分階段完成；雙移相軟啟動策略是指單個H 橋的內移相角在[0，π]范圍內遞增，外移相角同速率遞增的方法；三移相軟啟動策略是在雙移相的基礎上再增加另一個H橋的內移相角。軟啟動只研究如何抑制DCT 的啟動電流，尚未考慮并網后DCT 與系統的協調運行。DCT 控制模式平滑切換的目的為抑制功率突變或移相角跳變［15-16］，但關于DCT中壓控制和低壓控制策略之間的切換并未給出具體方法，且以DCT 為主換流站作為研究出發點。而在直流配電網中DCT 一般為從站，DCT 并網不僅需要考慮自身的模式切換，還需要與主網、微電網和分布式電源的控制策略相協調。

針對中／低壓直流配電網中離網直流微電網經DCT并網產生擾動的問題，以蘇州中／低壓直流配電網拓撲為研究對象，建立低壓直流微電網并網仿真模型。提出基于控制模式平滑切換的離網DCT 無擾并網策略，考慮低壓直流微電網和獨立的光儲系統經DCT 并網的2 種情形，并分別考慮并網點設置在中壓側和低壓側的2 種工況。提出DCT 控制模式平滑切換策略和光儲系統控制模式平滑切換策略，分析從DCT軟啟動到控制模式切換的并網全過程。

1 中／低壓直流配電網拓撲及控制

1.1 中／低壓直流配電網正常運行分析

兩端型中／低壓直流配電網的拓撲見附錄A 圖A1。中壓直流配電網采用主從控制，模塊化多電平換流站1（MMC1）作為主站，運行于直流電壓控制模式；模塊化多電平換流站2（MMC2）作為從站，運行于功率控制模式。光伏電池1（PV1）、蓄電池以及負載組成直流微電網，微電網母線電壓為±375 V，通過DCT 連接到±10 kV 的直流主網母線。PV1接口換流器采用最大功率點跟蹤（MPPT）控制；蓄電池通過雙向非隔離型DC／DC 實現低壓母線的電壓控制；DCT 運行于功率控制模式，實現主網與微電網間的潮流互動。光伏電池2（PV2）與蓄電池構成光儲系統，通過DCT 接入±10 kV 母線，前級Boost 電路采用MPPT控制，后級DCT采用低電壓控制。

1.2 雙主動全橋拓撲及控制策略

DCT 采用n個雙主動全橋（DAB）單元輸入串聯輸出并聯組成，以減小電力電子器件的電流應力，其拓撲結構如圖1 所示。每個DAB 由雙H 橋、高頻變壓器T、輔助電感L、穩壓電容Ci1和Co1構成。圖中MV+、MV-和LV+、LV-分別表示中壓正、負極母線和低壓正、負極母線。

圖1 DCT拓撲結構圖Fig.1 Topology structure diagram of DCT

圖2 DCT控制框圖Fig.2 Control block diagram of DCT

2 DCT并網擾動機理分析

2.1 DCT啟動的擾動

DCT 啟動擾動形成的實質為電容的充電。DCT直接并網等同于母線電壓直接加至電容C兩端，由iC=CduC/dt（iC、uC分別為充電電流、電容電壓）可知，DCT 并網瞬間存在很大的沖擊電流。閉鎖狀態的DCT 并網等效電路為典型二階RLC 零狀態響應電路，求解可得：

其中，uab、ucd為DAB 兩側橋臂間電壓；?為移相角；ω=2πf為角頻率，f為高頻變壓器的額定工作頻率。啟動瞬間ucd=0，即iL=uab/(jωL)。

2.2 DAB控制模式切換的擾動

DCT 的并網過程重點考慮控制模式的切換。DAB 采用單移相控制，工作波形見附錄A 圖A2。若忽略變壓器電阻，根據基爾霍夫電流定律和電感能量守恒可得DAB輸出功率［16］為：

其中，d=?/π 為占空比；Ts為H 橋開關周期；fs為開關頻率。

當低壓控制和功率控制模式穩態運行時，UMV、ULV、fs基本不變，由式（3）可知DAB控制模式切換瞬間產生擾動的本質原因是控制器輸出的移相角變化。當從低電壓控制切換為功率控制時，若電流環給定的額定電流與電壓環輸出的電流參考值不一致，則電流環再次調節，輸出移相角變化。

中壓控制與低壓控制之間的切換要求配合中壓直流配電網和低壓直流微電網的控制模式，避免出現母線電壓長時間同時受控于主站MMC 和DCT 的情況。這種切換產生的擾動通常比較大，這一方面是因為控制器的輸入量發生變化，另一方面是由于內外環PI 控制器均要再次調節。在空載工況下，移相角為?0，DAB 雖然只傳輸損耗功率，但中／低壓控制切換會導致功率反向，控制器輸出移相角理論上從?0變為-?0，但在PI 閉環控制下也可能從?0變為?0+π，該變化過程會引起并網擾動。

在附錄A 圖A2 中，同一功率存在2 個移相角?a、?b（?b∈[π/2，π]）與之對應。t2-t1、t5-t3越大，電感充放電時間越長，變壓器一次、二次側電壓非標準方波部分越多，導致DAB輸出的電壓紋波較大。

2.3 光儲系統控制模式切換的擾動

光儲系統或低壓直流微電網的并網過程不僅考慮將其直接接入直流電網，還需考慮并網后整個系統協調能力的恢復。光儲系統并網前采用電壓控制，并網后采用MPPT 控制，2 種控制下光伏輸出功率不一定相等，若直接進行控制模式切換，可能導致母線電壓波動。

當光儲系統采用電壓控制時，蓄電池處于恒壓充電狀態，忽略Boost電路的損耗，在離網狀態下，光伏電池輸出功率等于蓄電池的充電功率，因為光伏電池的電流和電壓相互耦合，難以直接求得某一時刻光伏電池的輸出功率。同時，考慮到蓄電池電壓恒定，只要求得充電電流即可得到充電功率，即光伏電池輸出功率。蓄電池的數學模型如式（4）所示［20］。

其中，E0為內電動勢；K為極化電壓；Qbat為額定容量；A為指數區的電壓暫降；B為指數區容量的倒數；R為內阻。令蓄電池電壓Vbat=750 V，t取并網時間點，求解關于i(t)的微分方程即可計算出蓄電池t時刻的充電功率，即Pbat(t)=i(t)Vbat。

由光伏電池的功率特性曲線得到光伏電池的功率PPV，進一步可得光儲系統由電壓控制切換至MPPT控制的功率差值為ΔP=PPV-Pbat。

3 DCT無擾并網控制策略

3.1 擾動抑制方法

3.1.1 DAB軟啟動策略

DAB 軟啟動是對電容限流充電的過程，具體方法為：輸入端電容外接限流電路；輸出端電容充電采用占空比與電壓控制協調的軟啟動策略［18］。

輸出端的電容電流抑制可轉化為抑制電感電流。半個周期內電感電流增量表達式為：

為了避免控制器出現過大的超調量，DAB 的輸出電壓參考值按函數u′cd(t)=tU′LV緩慢上升，U′LV為低壓側折算電壓，上升時間tup?Ts，故在[t，t+Ts/2]內可以認為u′cd近似不變。由式（6）求得：

式（7）說明了占空比與輸出電壓協調控制的原理：當d=t，即內移相角變化與給定斜波電壓變化一致時，可實現ΔiL=0。軟啟動控制結構見附錄A圖A3。

3.1.2 DCT控制模式平滑切換策略

DCT實現控制模式平滑切換的關鍵是避免移相角跳變。由圖2 所示DCT 控制框圖可知電壓控制器與功率控制有相同的電流環。當電壓控制切換為功率控制時，在保持電流參考值不變的條件下共用電流內環，則PI 調節器無需重新調節，避免移相角跳變。

中壓控制器與低壓控制器采樣的電氣量不同，因此外環并用、內環共用的方法并不適合這2 種控制模式的切換。將光伏電池和直流微電網看作DCT的電源，則離網DCT 再次并網前后瞬間都是運行在空載工況，電流內環參考值近似為0，這也說明空載并網可以避免電流內環的再次大幅度調節。同時，為避免移相角從?0緩慢變為?0+π 的過程，中壓和低壓控制模式切換后，給定補償移相角π，同時，考慮到減少輸出電壓紋波，即要求?∈(-π/2，π/2)。相同移相角下的低壓控制和高壓控制的開關信號波形如圖3所示。

圖3 中／低電壓控制的脈沖信號波形Fig.3 Pulse signal waveform of medium- and low-voltage control

空載工況下切換中／低電壓控制模式，DCT 內部電流方向改變，由圖3 可知交換兩端H 橋的脈沖信號可使移相角在區間（-π/2，π/2）內，且等價于補償移相角π。

3.1.3 光儲系統控制模式平滑切換策略

光儲系統控制模式平滑切換策略如圖4 所示。圖中，UPV和IPV分別為光伏電池的電壓和電流；d0為MPPT 控制的初始占空比；U?PV為UPV的參考值。電壓控制與功率控制的切換采用“內環共用”的平滑策略，再通過電流內環提升功率至MPPT 控制的初始設定值。功率控制只是替代了MPPT 控制從小功率開始調節的過程，兩者切換并不會產生明顯的擾動。此外，為避免計算電壓控制的光伏電流值，采用PI自閉環結構電流保持器維持運行模式切換瞬間的光伏電流值。

圖4 光儲系統控制模式平滑切換策略結構圖Fig.4 Structure diagram of smooth switching strategy of PV and battery system control mode

3.2 直流微電網經DCT無擾并網策略

無源狀態的DCT 根據啟動電源的不同，可以將中壓或低壓母線設置為DCT 的并網點，2 種情形的無擾并網策略大同小異。初始狀態下中壓直流配電網及孤島下的低壓直流微電網正常運行，且離網DCT閉鎖。直流微電網經DCT無擾并網策略流程圖如附錄A 圖A4 所示。下面具體給出并網點分別設置在中壓側和低壓側的DCT 無擾并網策略的步驟：①DCT 若以低壓直流微電網作為啟動電源，則閉合低壓側直流斷路器，反之，閉合中壓側直流開關；②待DCT 輸入端電容限流充電完成后，短路限流電阻，采用占空比與電壓控制協調策略完成軟啟動；③待DCT 輸出電壓穩定后，若啟動電源為低壓系統，則閉合中壓直流斷路器，反之，閉合低壓直流斷路器；④DCT 由中／低電壓控制模式切換為功率控制模式，功率按斜坡函數上升。

在DCT 并網的全過程中，為保護正常運行的系統需要時刻監視并網點電壓及電流的變化，一旦并網后出現沖擊電流或母線電壓嚴重波動的問題，應立即斷開DCT 中、低壓側的斷路器。值得注意的是低壓直流微電網母線電壓始終由蓄電池采用電壓控制維持。若微電網母線電壓并網后由DCT 維持，則要求蓄電池并網時將電壓控制切換為恒流充、放電控制，該情景下DCT 一旦并網失敗，蓄電池的控制模式又要切換回電壓控制，這勢必影響直流微電網的正常運行。

3.3 光儲系統經DCT無擾并網策略

光儲系統與直流微電網的情形相同，DCT 的并網點可設置于中壓或低壓母線，但這2 種情形下的無擾并網策略因光伏電池的并網前、后控制模式切換而不盡相同。并網點分別設置在中壓和低壓側的DCT無擾并網策略流程如附錄A圖A5所示。

3.3.1 光儲系統經DCT中壓側無擾并網策略

設初始狀態為中壓直流配電網穩定運行以及離網DCT 閉鎖。下面具體給出并網點分別設置在中壓和低壓側的DCT 無擾并網策略：①光儲系統采用直流電壓控制，建立穩定的750 V 電壓；②閉合低壓直流斷路器，投入限流電阻對低壓側電容充電；③待直流電容充電完成后，采用占空比與低壓控制協調策略軟啟動DCT；④待DCT 穩定輸出10 kV 電壓后，閉合中壓直流斷路器；⑤DCT 控制模式切換為低電壓控制，交換H 橋觸發脈沖，同時，光儲系統由輸出電壓控制切換為功率控制，將PI 自閉環跟蹤器輸出作為光伏電池電流參考值，并保持到750 V 電壓穩定；⑥待DCT 可靠控制750 V 電壓后，緩慢提升光伏電池電流參考值；⑦待光伏電池電流IPV=IMPP（IMPP為MPPT 控制跟蹤的電流值）時，光儲系統控制模式切換為MPPT控制。

3.3.2 光儲系統經DCT低壓側無擾并網策略

光儲系統經DCT 低壓側無擾并網的初始條件與其經DCT 中壓側并網時相同，下面說明其余步驟：①與光儲系統經DCT 中壓側并網時的啟動環節相同；②閉合DCT 中壓直流斷路器，投入限流電阻對中壓側電容充電；③待電容完成充電，采用占空比與中壓控制協調軟啟動DCT；④待DCT 穩定輸出750 V 電壓，閉合低壓直流斷路器；⑤完成合閘操作后，光儲系統切換功率控制，電流參考值由電壓外環斷開瞬間的輸出值緩慢上升為IMPP；⑥與3.3.1 節光儲系統經DCT中壓側無擾并網的步驟⑦相同。

4 DCT無擾并網控制策略仿真

為驗證本文所提的DCT 無擾并網策略的有效性，以附錄A 圖A1所示中／低壓直流配電網進行仿真，仿真模型見附錄A 圖A6。控制參數、變流器及系統容量參數分別見附錄B表B1—B3，并與傳統并網方法進行比較，直流微電網及光伏經DCT 的傳統并網策略分別見附錄C圖C1、C2。

4.1 直流微電網經DCT 中／低壓側無擾并網策略仿真

設直流微電網經DCT 中壓側和低壓側并網2 種場景，并設置傳統并網策略和基于控制模式平滑切換的并網策略2 種工況。重點分析直流微電網經DCT 中壓側無擾并網策略仿真，直流微電網經DCT低壓側無擾并網策略仿真分析見附錄D。

根據附錄A 圖A4 所示直流微電網經DCT 中壓側無擾并網策略進行仿真，具體時序如下：①t0=0，閉鎖DCT；②t1=0.5 s，閉合低壓側直流隔離開關組DCDS3和DCDS4；③t2=1.2 s，閉合低壓側直流斷路器DCCB3和DCCB4，同時解鎖DCT，進行軟啟動；④t3=2.4 s，閉合中壓側直流斷路器DCCB1和DCCB2，同時DCT 運行模式切換為功率控制，中壓側電流給定斜率上升至50 A。

圖5（a）為直流微電網經DCT 中壓側并網時傳統并網策略和本文所提并網策略的中／低壓直流母線電壓波形。在［0.5，0.8］s 時，DCT 低壓側電容限流充電，2 種策略下ULV均出現約為17 V 的電壓暫降。在1.2 s 時，傳統策略下DCT 采用電壓斜率啟動，在啟動瞬間，ULV出現最大降幅為13 V 的跌落，而本文方法能夠抑制啟動瞬間的電壓擾動。在（1.2，2.2）s 時，UMV按指令上升到20 kV。在［2.2，2.4）s 時，在DCT 的2 種并網策略下ULV均出現最大增幅為6 V 的電壓暫升，此時DCT 啟動采用電壓電流雙環控制結構，電壓上升過程中電壓一直處于響應階段，電流參考信號在外環的積分作用下持續增大，當電壓達到穩定值后，電壓外環快速調節至穩態，電流參考信號瞬間跌落到穩態值，電壓直流微電網輸出功率降低，母線電壓上升。在2.4 s 時，傳統策略采用額外的電流控制器，UMV出現約為50 V 的電壓波動，本文策略采用“內環共用”方法，避免了DCT 運行模式切換時電流環的再次調節，確保UMV穩定。在（2.4，2.9］s 時，中壓配電網注入有功，ULV出現約為15 V的電壓暫降，隨后迅速恢復到750 V。

圖5 直流微電網經DCT中壓側并網的中／低壓側直流母線電壓、電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of medium- and low-voltage DC bus when DC microgrid is in connection with DCT medium-voltage side

圖5（b）為直流微電網經DCT 中壓側并網時傳統并網策略和本文所提并網策略的中／低壓直流母線電流波形。在0.5 s 時，DCT 低壓側電容充電電流峰值約為180 A；在1.2 s時，傳統策略下的ILV在DCT啟動瞬間出現約為140 A 的沖擊；在2.2 s 時，2 種策略下的ILV均出現跌落，與圖5（a）所示電壓暫升相對應；在2.4 s 時，傳統策略下的IMV和ILV均發生跌落，而采用本文策略時兩側電流均平滑過渡。

4.2 光儲系統經DCT中／低壓側無擾并網策略仿真

同樣設光儲系統經DCT 中壓側和低壓側并網2種場景，并設傳統并網策略和基于控制模式平滑切換的并網策略2 種工況。重點分析光儲系統經DCT中壓側無擾并網策略仿真，光儲系統經DCT 低壓側無擾并網策略仿真分析見附錄E。

根據附錄A 圖A5 的光儲系統經DCT 中壓側無擾并網策略進行仿真，具體時序如下：①t0=0，閉鎖DCT；②t1=0.5 s，閉合DCT 低壓側直流隔離開關組DCDS7和DCDS8；③t2=1.1 s，閉合DCT 低壓側直流斷路器DCCB7和DCCB8，解鎖DCT 的中壓控制；④t3=2.4 s，閉合DCT 中壓側直流斷路器DCCB5和DCCB6，DCT 由中壓控制切換為低壓控制，光儲系統由電壓控制切換為功率控制，電流跟蹤器賦初始值給功率控制器，功率的斜率上升至1 MW；⑤t4=2.95 s，光儲系統由功率控制切換至MPPT控制。

圖6（a）為光儲系統經DCT 低壓側并網時傳統并網策略和本文所提并網策略的中／低壓直流母線電壓波形圖。在0.5～2.4 s 時，UMV和ULV的變化趨勢與直流微電網并網時一致。在2.4 s 時，傳統策略下的ULV瞬間跌落到720 V，并由于控制器的調節而發生波動，且UMV出現1000 V電壓跌落，并由于線路的平波電抗器和DCT 的穩壓電容而發生欠阻尼振蕩；相較之下，本文采用DAB 平滑切換控制，在2.4 s 時低壓母線電壓未出現明顯波動。在2.95 s 時，傳統策略下的光伏接口換流器由電壓控制直接切換為MPPT 控制，ULV躍變為775 V；而本文采用光伏平滑切換控制，ULV隨著電流指令的緩慢上升而上升。在2.95 s 時，本文策略下光儲系統的電流控制切換為MPPT 控制，ULV快速調節為光伏最大功率輸出時的穩態電壓值，該值不為額定750 V 的原因是DCT 低壓側端口電壓由DCT 控制穩定在750 V，此時光伏向DCT 傳輸功率，線路阻抗的存在導致光伏電池接口換流器的輸出電壓等于750 V 加上線路壓降。在3.4～3.6 s時，由局部放大圖可以看出，傳統策略下的UMV比本文采用的控制切換加換序策略下的UMV要大2倍以上。

圖6 光儲系統經DCT中壓側并網的中／低壓側直流母線電壓、電流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of medium- and low-voltage DC bus when PV and battery system is in connection with DCT medium-voltage side

圖6（b）為光儲系統經DCT 中壓側并網時傳統并網策略和本文所提并網策略的中／低壓直流母線電流波形圖。在1.1 s 時，傳統方法下ILV出現約為200 A的電流沖擊，占空比與電壓控制協調的軟啟動策略下ILV未出現沖擊電流。在2.4 s時，傳統策略下IMV和ILV均出現電流躍變，而本文策略下ILV未出現明顯擾動，IMV出現幅值為1.5 A 的波動，證明了DAB平滑切換策略的有效性。在2.95 s時，傳統策略下IMV和ILV均出現波動，而本文策略下IMV和ILV幾乎沒有出現波動，證明了光伏電池平滑切換策略的有效性。

5 結論

（1）本文從DCT 啟動和運行模式切換2 個方面分析得到DCT 并網擾動形成機理，其關鍵是DCT 穩壓電容的充電和控制器輸出移相角的改變。

（2）針對DCT 電容充電問題，采用雙移相軟啟動策略能有效控制充電電流；針對DCT 和光伏運行模式切換的控制信號跳變問題，分別采用DCT 和光儲系統控制模式平滑切換策略，實現控制信號的平滑過渡。

（3）基于蘇州中／低壓直流配電網工程拓撲，建立MATLAB／Simulink 仿真模型，提出基于控制模式平滑切換的離網DCT 無擾并網策略，仿真驗證了該策略在直流微電網和光儲系統經DCT 并網情形下的有效性。

本文所研究的并網策略對未來中／低壓柔性直流配電系統中直流微電網和分布式電源無擾動接入中壓配電網有一定的參考價值。

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