適用于多端柔性直流配電網的改進控制策略

李力，郭佩乾

（1.上海吳涇第二發電有限責任公司，上海 200241；2.清華大學電機系，北京 100084）

當前，分布式能源并網規模與容量的不斷提升，電力電子設備滲透率不斷增加，新型電力系統逐漸進入電力電子化趨勢。直流負荷中心、電動汽車以及終端用戶負荷直流化趨勢的發展直接驅動能源傳輸以及應用方式的變革。相較于交流配電網，采用電力電子化器件的柔性直流配電網優勢如下：1）相比較于交流配網，直流配網不存在頻率、電壓波動以及無功等問題，可有效提高電能質量與供電可靠性；2）采用直流配電的輸送能力是交流線路的1.5倍以上，有效提高了輸送能力，緩解了配電走廊與供電容量不足的問題；3）采用直流配電時，直流負荷以及分布式直流源可直接并入直流配電網，減少AC/DC轉換損耗以及設備成本；4）交流配電網線路存在電暈損耗，加上自身交流系統的無功損耗，直流配電網的損耗就僅為交流電網的一半甚至以下[1]。因此，直流配電系統由于以上優勢逐漸進入研究人員的視線，進一步的探索對未來配網建設與改造具有重要的意義[2]。

目前，國內外已有多個研究機構和高校對直流配電網進行了研究。其中，2004年東京工業大學提出基于微網的直流配電系統結構，該系統實現了10 kW的直流配電系統樣機。同時，米蘭理工則提出了基于分布式電源的直流配電系統，系統主接線方式則采用真雙極供電系統。弗吉尼亞理工大學則在2007年提出未來樓宇低壓供電系統，提高了樓宇供電效率。近年來我國也逐步開展了若干直流配網研究，2013年，深圳供電局依托863計劃，提出基于10 kV電壓等級的柔性直流配電網典型架構以及控制方式，并建立動態模擬實驗室進行驗證[3-5]。北京市電力公司利用柔性直流輸電技術對傳統配電網進行改造，實現了三端柔性直流環網互聯。2016年，北京市海淀北區開展了能源互聯微網項目，提出“互聯互供，雙向流動”的能源互聯網架結構[6]。2018年9月，國內首個五端柔性直流配電示范工程在貴州大學新校區投入試運行[7]，為未來直流配網的發展提供了良好的示范效果。

下垂控制由于其具備控制靈活、擴展性強以及對通訊要求低等優點而成為較適合多端柔性直流系統的控制方式。然而，不同于柔性直流輸電系統特點，柔性直流配電網對電壓要求更高，下垂控制自身存在的直流電壓與功率的相互制約性不完全適用于柔性直流配網，易造成系統穩態直流電壓誤差。本文依托深圳局承擔的柔性直流電網計劃所提出的多端典型直流配網系統結構，對柔性直流配電網控制技術進行研究，提出一種適用于柔性直流配電網的改進下垂控制方法，解決下垂控制中存在的固有缺陷，并基于仿真驗證其可行性。

1 控制方式分析

頻率是衡量交流系統功率平衡的重要指標，不同于交流配電網，在直流系統中，由于無需考慮無功功率和相位同步等問題，所以直流電壓直接反映了直流系統功率平衡的情況。當交流源側注入直流配網的功率與配網中負荷不相匹配時，將會導致直流電壓上升或下降；同時直流電壓還反映系統出現暫態擾動時的抗擾動能力。因此，直流電壓控制能力是評價中壓柔性直流配電網性能的關鍵指標之一。目前，柔性直流配網控制方式參考柔性高壓直流輸電，主要采用主從控制[8-10]、電壓裕度控制[10-12]以及電壓下垂控制[13-17]。

主從控制利用單一換流站作為功率調節站控制直流電壓的平衡，其他換流站采用功率控制模式進行功率交互。主從控制模式由于采用單一調節站，對主站壓力較大，同時需要較為穩定且快速的通訊能力[8，18]。電壓裕度控制方式則基于主從模式基礎，當主換流站出現故障后或功率超額而造成直流電壓無法恒定時，另一備用換流站代替主站起到維持電壓恒定的作用。這種方式有效緩解了主從控制對通訊系統的要求，然而系統端數過多時，電壓裕度控制存在的問題則會制約系統的運行。并且，存在后備換流站選取復雜、系統電壓波動較大以及主站與后備主站頻繁切換過程中造成系統振蕩的問題，可靠性較差。

相對于直流輸電系統，由于直流配網系統節點眾多、潮流變化復雜，因此，主從控制與電壓裕度控制這兩種方式適合換流站較少且工況較為簡單的直流配電系統。

電壓下垂控制則不同于前兩種，采用直流電壓與直流功率間的斜率關系實現多個換流站承擔直流電壓控制的目的，即控制換流器的端電壓隨功率的變化呈現下垂特性構成了穩定的負反饋系統。當電壓升高時，換流器輸出的功率相應的減少；電壓降低時，換流器輸出的功率相應的增加，具有很強的穩定性。特別是當系統中負荷發生變化或新能源出力波動時，各端換流站同時參與系統功率調節，有效減少調節主流站所承擔的壓力。同時，由于該系統控制采用本地控制器，無需上層通訊，非常適合于多端互聯系統。

2 傳統下垂控制分析

傳統下垂控制采用定直流電壓控制與定有功功率控制相結合，以三個換流站為例，穩態時直流電壓Udc與有功功率P之間關系和外環控制器框圖如圖1和圖2所示。

圖1 下垂特性曲線Fig.1 Characteristic curves of droop control

圖2 下垂外環控制器Fig.2 Outer-loop controller of droop control

圖1中，電源換流器輸出功率到系統，負荷換流器則從系統吸收功率，即圖1中P1ref＜0，P2,3ref＞0。同時，注入系統有功功率與有功功率吸收處于平衡關系，即 |P1ref|=P2ref+P3ref。

因此，根據圖2外環控制器可得出直流電壓與有功功率之間的關系如下式：

式中：Udcref為換流站直流電壓參考值；Udc為換流站當前直流電壓值；Pref為換流站有功功率參考值；P為換流站當前有功功率；k′為表征直流電壓與有功功率控制的下垂斜率值。

由式（1）可以推出，在某一特定電壓/功率下，換流站輸出功率/端口電壓的大小為

根據式（2）與式（3）可知，當k′取值越大，換流器輸出功率受電壓變化越敏感；反之，當k′取值越小，換流器輸出功率受電壓變化影響越小。當k′取值越大，換流器對直流配網電壓調節支撐能力越強；當k′越小，換流器對電壓調節能力越弱[19]。

不同斜率取值下垂特性曲線如圖3所示，以負荷換流器下垂特性曲線為例，當系統斜率取值過大時，系統功率調節能力較好，但是系統電壓偏差較大；當系統斜率取值較小時，系統電壓穩定性較好，但系統功率調節能力較差。特別是當系統負荷變動較大或頻繁變動時，采用下垂控制會出現較大的直流電壓偏差。

圖3 不同斜率取值下垂特性曲線Fig.3 Characteristic curves of droop control with different slope values

綜上可得出，換流站采用下垂控制方式時具備有功功率平衡與直流電壓穩定的功能，但是，由于系統下垂斜率的存在，系統有功功率與直流電壓存在了制約，影響了系統的穩定性。因此，傳統下垂控制存在著較少電壓偏差與較快速功率調節能力的固有矛盾。

3 改進下垂控制方式

如第2節所述，對于直流配電網而言，直流電壓的穩定意味著系統功率平衡以及下一次出現故障時系統的抗擾動能力的強弱。因此，下垂控制存在的電壓偏差成為提高多端柔性直流配電網研究與應用的關鍵所在。

為了改善下垂控制電壓與功率快速準確調節的局限性，二次控制被研究人員提出，通過對下垂控制曲線再次調節以達到電壓補償的目的。目前，對下垂控制進行改進的方法可大致分為三大類：1）下垂曲線平移法；2）調整下垂曲線系數法；3）混合法。

平移曲線方式通過對直流母線電壓的檢測來調節下垂曲線的上下移動以完成對輸出電流的控制，最終調節功率以達到穩定直流電壓的目的，下垂特性曲線平移如圖4所示，以負荷所連接換流器的下垂特性為例。第二種調節下垂曲線系數方式則以不同功率單元運行在不同系數值的下垂曲線上時直流電壓對應的功率數值不同為基礎，通過調整下垂系統k值的大小進行調整，如圖3所示。第三種混合方式則是結合兩者優點，提高了調節自由度，同時解決了更多問題，滿足了系統多控制要求。然而該方法存在控制復雜以及穩定性不足的問題，需要進一步實踐驗證。

圖4 下垂特性曲線平移Fig.4 Characteristic curves of variable intercept droop control

文獻[20]利用電壓和電流一致性算法，修改下垂曲線的電壓值平移下垂曲線，然而增加了系統對通訊的要求。文獻[21]采用離散一致性算法，通過鄰居節點間的信息交互尋找滿足要求的目標虛擬電阻調整下垂控制的曲線系數，計算量較復雜，實現靈活性不足。文獻[22]提出通過集中式控制調節器進行參數補償，改變下垂控制曲線參數，適用于微網且容易出現單點故障現象。文獻[23]利用模糊控制調整下垂曲線系數，實現分布式發電與儲能單元的協同配合，完成直流電壓補償。文獻[24]則提出變截距直流電壓下垂策略對風電場接入的直流輸電系統控制方式進行改進，有效消除直流電壓波動問題，該方法適用于功率頻繁波動系統，不完全適用于直流配電網系統。

由于配網系統中存在諸多不確定因素，配網系統出現擾動或運行狀況發生變化時，如負載突變等情況，運行特性曲線將會平移，繼而導致穩定運行點發生改變，使直流母線電壓產生波動。為防止配網系統直流母線電壓偏差過大，需對直流母線電壓進行二次補償。因此，本文提出一種改進下垂控制方法。采用換流站輸出電壓與有功功率間的關系，進行修改下垂曲線設定功率參考值，平移下垂特性曲線，有效緩解有功功率和電壓波動壓力，從而實現穩定直流電壓的功能。

為保證直流配網直流電壓穩定，規定電壓保持在基準參考電壓上下允許的最大偏差范圍內，即在圖4中的直流電壓最大上限值Udcmax與直流電壓最大下限值Udcmin的范圍之內。假定初始時刻受端換流站功率運行于下垂斜率為2曲線的B點并運行穩定，當系統出現負荷突降時，換流站下垂穩態運行點由B點轉移至下垂曲線2的C點。系統直流電壓Udc升高，同時系統運行在新功率參考值P1時，系統出現電壓偏差。在這種情況下，通過修改下垂特性曲線為3時，系統運行點將穩定在新的運行點A，電壓偏差同時被消除，直流電壓恢復至參考值Udcref。

式中：Udcref,i為每個換流站輸出直流電壓的參考值；Udc,i為每個換流站的下垂特性曲線設定的初始電壓；ΔUi則為每個換流站補償電壓偏差值。

另外，由于系統運行將出現新的功率參考值，因此，需要判定功率是否已經進入穩態。若系統功率未達到穩態，通過修改直流電壓則可能造成系統的振蕩，甚至導致系統不穩定運行[24]。移動平均器（moving average filter，MAF）屬于數據處理方式，通過選取一定時間窗口內的數據量對其進行平均值計算[25]。設給定時間序列，y={…,yt-2,yt-1,yt,yt+1,yt+2,…}，則 MAF 的計算公式如下所示：

因此可通過采用MAF對換流器輸出有功功率在一定時間尺度t內取樣并進行平均值P-計算，之后通過對其在該時間尺度t內進行微分計算，當滿足d P-/dt＜ε條件后則可認為有功功率進入新的穩態，進入下一級控制。因此，該改進下垂控制器的控制示意圖如圖5所示。

圖5 改進下垂控制器示意圖Fig.5 Advanced droop controller schematic

4 仿真驗證

依托柔性直流電網計劃所提出的典型直流配網系統結構，在EMTDC/PSCAD平臺建立下圖6所示的±10 kV中壓多端環狀柔性直流配電系統，直流配網主接線采用正負雙極線路。為驗證上述改進下垂控制的有效性及優越性，分別應用以上提出的新型下垂控制策略與傳統下垂控制策略將二者進行比對，并在系統出現負荷大擾動情況下進行仿真驗證。

圖6 多端直流配網架構圖Fig.6 Multi-terminal DC distribution network

直流配電網內部只存在直流分量，各節點對配電網輸出或消耗的功率是由該節點電壓、與該節點相鄰各節點電壓及線路電阻決定的。由于配電網相較于輸電網距離較短且僅驗證所提控制方式的優越性，因此，在該直流配網架構驗證改進控制方式時忽略線路電阻對電壓的影響。

同時，考慮交直流負荷及同步機等對外特性且由于仿真系統復雜程度和仿真時間問題，對模型進行有效等效處理，且等效優化處理后不會影響仿真結果。系統仿真時間設定為7 s，ε為0.1，MAF移動窗口時間T設置為0.1 ms，主要仿真參數如下：直流電壓參考值±10kV；換流站VSC1～VSC3容量10 MV·A；交流負載容量4 MW；同步電機容量4 MW；直流負載容量5 MW；換流器斜率k1，k2，k3分別為 1/15，1/20，1/25；Udcmax與 Udcmin設定值分別為20.5 kV，19.5 kV。

柔性直流系統啟動后，交流負載直流負載以及儲能和同步電機在0.5 s，0.6 s，0.7 s，0.8 s分別通過DC/AC與DC/DC并入直流母線。

傳統下垂控制系統仿真結果如圖7所示。當柔性直流配電系統采用傳統下垂控制時，通過圖7a可知，當系統負荷突變時，為維持系統功率穩定，各換流站緊急自調節根據已設定好的下垂控制曲線進行運行點移動。其中，圖7b～圖7d則是由于負載變化后系統自適應調節功率輸出曲線。

通過圖7e可知，當系統處于穩態運行時（t＜3 s和t＞5 s時間段內），傳統下垂控制由于自身特性約束，實際直流電壓與設定參考值存在一定的電壓偏差。在3 s時刻系統出現功率波動時，直流母線電壓由于功率變化進行調節，進入新的穩態。當4.5 s之后系統恢復運行，換流站輸出功率逐漸恢復至初始穩態數值，直流電壓偏差逐漸明顯。

對于改進下垂控制策略，系統穩定時直流電壓穩定在±10 kV，由于直流配電網各換流器間的直流線路阻抗忽略，三個換流器端口電壓各自穩定在20 kV。

當3 s時刻負載功率發生突變，即負載PL1由穩定時5 MW突變至-7 MW，如圖7a中PL1實線所示。此時，系統輸出功率穩態時與負載吸收功率達到平衡，如圖8a所示為系統輸出功率大小。本文提出的改進控制方式將直流電壓維持在所設定范圍Udcmax與Udcmin之間；隨后，當4.5 s負載PL1由-7 MW直接突變至7 MW，此時各換流站根據自身下垂控制特性自適應調節，將直流電壓維持在Udcmax與Udcmin之間，圖8b～圖8d為三個換流站直流電壓。需要注意的是，由于負載變化大小以及系統容量變化的范圍與自身斜率影響，因此換流器VSC3端口直流電壓并未達到所設定上下限額。通過圖8e可看出當系統出現負荷突變時，系統正負極電壓偏差以及穩態時刻系統直流電壓維持在20 kV。

圖7 傳統下垂控制系統仿真結果Fig.7 Simulation results of traditional droop control

圖8 改進下垂控制下系統仿真結果Fig.8 Simulation results of advanced droop control

因此，上述仿真結果表明，本文所提出的適用于多端柔性直流配網的改進下垂控制方式可有效解決傳統下垂控制下直流配網所存在的直流電壓偏差問題，系統直流電壓始終維持在所設定的±10 kV左右。當系統出現負載突變等狀況時，直流電壓一旦達到電壓上下限，功率參考值則隨之改變，進一步調整系統下垂控制曲線而將換流站端口直流電壓維持在19.5～20.5 kV之間，維持系統的持續穩定運行。

5 結論

比較直流配電系統與交流配電系統，直流配電系統對電壓穩定性要求更高，然而，由于某些負載輸出功率的自身變化性特點，采用傳統的直流電壓斜率控制策略的多端柔性直流配電系統會造成直流電壓發生變化，直流電壓與額定值存在偏差。在惡劣的運行工況下，可能出現偏差較大的情況，影響系統的正常運行，甚至造成停運的情形。

本文提出一種基于傳統下垂控制的改進控制方式，通過功率與電壓間的關系進行調節，以減少傳統方式穩態時存在的電壓偏差為目標。經過仿真驗證結果得出，本文所提出的改進直流電壓下垂控制方法可有效改進有功功率和電壓參考值間的制約關系，實現自動調節，保證系統輸出功率在恒定運行狀態下，該改進控制策略能夠有效減少直流母線電壓偏差值；同時，當系統出現暫態功率突變時，保證系統直流母線電壓運行在設定的較小且穩定的范圍內，實現系統的安全穩定運行。