- 頭條上海師大學者提出變流器的自治控制策略，可提升直流配電網可靠性2021-04-09 作者：吳杰 李傳江 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對柔性直流配電網中混合拓撲模塊化多電平換流器（MMC）應用，上海師范大學信息與機電工程學院的研究人員吳杰、李傳江、周鳴、茅紅偉，在2020年第24期《電工技術學報》上撰文，提出了一種適用于其并網和孤島運行的自治控制策略，以提高直流配電網的可靠性。
柔性直流配電網（FDCDN）具有便于直流用電設備和新能源發電系統接入，高度的可控性和靈活性等優點，已成為繼柔性直流輸電技術之后新的學術和工程研究熱點之一，且相比傳統的交流配電網，直流配電網具有強大的節能優勢，因此發展前景巨大。
目前，一些國家已開展對直流配電網的研究，國外主要有美國佛吉尼亞理工大學CPES（center for power elec- tronics systems）中心提出的四級分層交直流混合配電系統和德國亞琛大學于2014年開始建設的10kV直流網絡等。國內主要有2017年8月投運的浙江上虞交直流混合微電網示范工程、2018年12月投運的珠海“智慧能源示范工程”和張北柔性交直流配電網科技示范工程等。
直流配電網主要包含分布式電源、儲能系統、直流變壓器以及換流器等核心單元，可為新能源提供并網接口，對直流負荷供電，但其電壓等級尚無明確規定。國際大電網委員會（CIGRE）于2015年7月成立SC6.31《直流配電可行性研究》專題小組，研究和推廣中壓直流配電網技術，初步認為配電的電壓等級范圍在1.5kV～100kV之間比較合理。
直流配電網電壓等級覆蓋范圍較寬，并且支持現代直流微電網接入，組成廣域直流配電系統，但其控制技術相對復雜，運行方式也更加靈活多樣，通常采用分層控制，頂層包括網絡中分布式發電系統的優化調度、出力和負荷預測，以及網絡損耗優化等；底層控制主要為變流器控制技術，實現直流網絡節點的功率和電壓幅值、頻率等電氣量指標的跟蹤控制以及與交流系統間的離并網轉換等功能。底層控制與柔性直流輸電系統中的變流器級的控制功能類似，但所實現的控制功能更加復雜。
圖1 柔性直流配電網結構
接入直流網絡的負荷中包含大量電力電子類恒功率負荷，負荷特性與傳統交流電網完全不同，傳統變流器控制技術難以同時滿足系統穩定性和控制模式靈活切換等需求。變流器自治控制（grid- forming control）近期由CIGRE委員會組織會議制定研究計劃，其核心思想覆蓋和改進了現有變流器虛擬同步機（VSG）等先進控制策略的概念，認為現代電力系統不應該僅僅是對傳統同步發電機特性的模擬，而應以自主運行為目標設計變流器控制系統，實現孤島和并網運行的獨立控制、平滑切換等，減小對網絡通信的依賴。具體控制策略包括現有的虛擬同步機控制、下垂控制、虛擬阻抗控制等，以實現變流器的自治運行。
自治控制思想尤其適用于直流配電網中變流器控制結構設計，目前大部分研究工作基于虛擬同步機及其改進策略實現變流器的自主運行，有學者模擬同步發電機的有功-頻率間的慣性環節，設計變流器有功控制環，穩態運行中不依賴于鎖相環（PLL），并提出幅值和相位預同步環節，用于變流器孤島和并網運行控制的平滑切換。但其電流內環基于兩電平變流器交流側LC輸出濾波器構造，對于通常經電抗器直接并網的模塊化多電平換流器（MMC），其電流內環控制結構無法直接應用。
圖2 變流器外環控制結構
目前，研究主要針對VSG外環進行了詳細分析，對電流內環分析較少。對此，有學者由VSG控制環節直接輸出有功電流指令信號，由電流內環產生同步相位，實現電流的直接控制，并應用于直流配電網，建立系統狀態方程，詳細分析和優化了系統控制性能。
有學者在此基礎上進一步分析了功角對有功和無功電流控制的耦合作用，在調制信號中疊加解耦控制量。有學者分別設計了有功功率-虛擬轉矩下垂控制和直流電壓-頻率下垂控制功能，并引入虛擬慣性環節，提高系統頻率響應特性，同時該環節輸出電網同步信號，參與傳統的同步旋轉坐標系下雙閉環（功率外環和電流內環）控制，省去PLL實現有功、無功功率控制。
有學者通過構造變流器直流輸出電流和直流電壓間的慣性控制環節模擬變流器的同步發電機特性，并引入輸出電流前饋控制通道，改善暫態直流電壓波形質量。有學者在VSG控制外環基礎上，設計虛擬阻抗控制環節，利用變流器輸出電壓和電網電壓直接計算流過虛擬阻抗的電流作為電流內環指令信號，適用于經電抗器直接并網的變流器。
有學者進一步提出同步虛擬阻抗，系統狀態方程特征根僅由同步虛擬阻抗參數決定，避免系統交流側實際阻抗參數對控制性能的影響。有學者對比了變流器下垂控制和虛擬慣性控制策略在功率階躍、電網頻率變化等工況下的響應特性，說明利用虛擬慣性方法實現變流器自治控制，動態過程中具有較小的超調量和較慢的頻率變化過程。
由于較大規模直流配電網電壓等級通常較高（±10kV及以上等級），其變流器應采用MMC結構，且應具有直流故障穿越能力，有學者針對混合拓撲提出冗余模塊的配置方法。有學者針對混合拓撲負電平輸出特性，提出一種子模塊電容值的計算方法。有學者提出一種增強型子模塊和半橋子模塊級聯的混合拓撲，可清除直流故障。有學者針對全橋-半橋混合拓撲提出一種直流故障穿越方法。
綜上所述，換流閥是直流配電網的核心設備之一，全橋-半橋混合拓撲換流閥具備直流故障處理能力，且換流閥損耗和成本均低于純全橋拓撲，尤其適用于中大規模直流配電網。且在混合MMC拓撲的主回路參數設計和故障穿越等方面已有相關研究成果可供借鑒，因此柔性直流配電網可采用全橋-半橋混合拓撲的MMC。
但在換流器級的控制策略方面，現有研究成果大都以兩電平變流器為研究對象，而兩電平變流器阻抗特性與MMC存在很大差別，對MMC的自治控制尤其是針對混合拓撲的應用研究相對較少。
因此，針對適用于混合拓撲MMC的慣性模擬方法，上海師范大學信息與機電工程學院的研究人員提出基于全橋-半橋混合MMC的柔性直流配電網變流器自治控制策略，以提高直流配電網的可靠性。
圖3 變流器電流內環控制結構
基于混合MMC的柔性直流配電網自治控制策略能夠模擬同步發電機慣性，但并不完全仿造發電機特性。所設計的橋臂電容電壓平均值外環，利用MMC自身模塊電容實現交直流暫態不平衡功率的緩沖，實現類似同步機的轉子慣性功能；設計的電流內環能夠有效改善常規VSG策略的電流控制能力，抑制暫態過程中電流波動，實現暫態直流故障穿越；同時也可避免直流配電網中變流器間出現類似傳統交流系統的低頻振蕩現象等。
圖4 仿真模型主回路拓撲
自治控制通過子模塊電壓平均值外環調節換流閥輸出電壓角頻率，獲得相位信息，不依賴鎖相環進行坐標變換，基于提出的電流內環構造方法，MMC在孤島運行過程中也為雙閉環控制結構（電容電壓平均值/無功功率外環和電流內環），即孤島運行和并網運行均可采用統一的內環控制結構，易于實現變流器控制模式的平滑切換。
通過孤島運行模式下傳統控制策略和自治控制仿真結果的對比，表明所提出控制方法能有效抑制直流網絡中負載突變時電流振蕩。對于直流短路故障，混合拓撲MMC可利用直流電壓控制環節快速降低換流閥直流輸出電壓，抑制短路電流的上升。仿真中出現電容電壓上升情況，雖然電壓仍在設備可承受范圍內，但在實際工程中仍需考慮適當增加子模塊電容容量或進一步優化控制器響應速度，這也是后續繼續優化的方向之一。
綜上所述，自治控制技術應用于混合拓撲MMC，具備直流故障清除能力，滿足電力電子設備比例較高、新能源大量接入的直流配電網的需求，能為直流網絡提供一定的慣性，提高其運行的可靠性，具有廣闊的應用前景。
以上研究成果發表在2020年第24期《電工技術學報》，論文標題為“柔性直流配電網混合拓撲變流器的自治控制”，作者為吳杰、李傳江、周鳴、茅紅偉。
