李斌, 劉海金, 孔祥平,高磊,張偉鑫, 關天一

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學)，天津市 300072；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，南京市210000)

0 引 言

電力系統(tǒng)能源結構、網(wǎng)架結構和負荷類型方面發(fā)生了顯著變革。新能源發(fā)電和儲能系統(tǒng)在配電系統(tǒng)并網(wǎng)的社會需求及其“即插即用”的技術需求與日俱增[1]；分布式電源并網(wǎng)使傳統(tǒng)單向集中式供電的網(wǎng)架結構向多源多向、分布式結構轉變[2]；恒功率負荷和直流負荷占比增大，負荷側對電能質量、供電可靠性以及供電多樣化要求越來越高[3]。在此背景下，直流配電網(wǎng)以其線路走廊窄、運行靈活度高、網(wǎng)絡損耗小等優(yōu)點得到行業(yè)內(nèi)的高度關注。

美國伯克利國家實驗室、CIGRE、IEC等機構先后證明了直流配電網(wǎng)在實現(xiàn)新能源消納、降低網(wǎng)絡損耗、減少系統(tǒng)投資等方面的優(yōu)勢。直流配電線路不存在無功損耗和集膚效應，具有輸配電損耗低、距離遠、功率大等優(yōu)點[4]。同時，采用直流配電可減少電力電子并網(wǎng)設備的變流環(huán)節(jié)，減少投資和損耗、降低網(wǎng)絡復雜程度和控制難度，有利于分布式電源和柔性負荷的廣泛接入[5]。

此外，由于不存在頻率偏差、三相不平衡、無功功率補償?shù)葐栴}，直流配電網(wǎng)可以充分利用分布式電源、柔性直流負荷的可測可控性和需求側的能動性，有效提高電能質量、增加供電可靠性[6]。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，交-直與直-交變流技術、直流變壓技術、軟開關技術等得以實現(xiàn)，逐漸打破了直流配電系統(tǒng)發(fā)展和應用的壁壘[7-8]。

從控制目標上來看，直流配電系統(tǒng)電能質量的優(yōu)劣只與電壓水平和紋波系數(shù)有關，降低了控制難度。從系統(tǒng)構成上來看，直流配電系統(tǒng)網(wǎng)絡架構和線路組合更為多樣化，電力電子設備取代了傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中同步發(fā)電機、變壓器、調(diào)相機等設備，控制更加靈活。然而，電力電子設備分隔了直流配電網(wǎng)與大電網(wǎng)的直接聯(lián)系，由于缺乏同步機的慣性支撐，系統(tǒng)穩(wěn)定控制難度增加；恒功率負荷以及弱交流系統(tǒng)的接入為系統(tǒng)控制引入新的不穩(wěn)定因素；系統(tǒng)的非線性和時變特征加大了參數(shù)整定的難度。

從上述問題出發(fā)，本文將對國內(nèi)外直流配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構研究現(xiàn)狀進行闡述，分析直流配電網(wǎng)運行控制的典型特征；在此基礎上，對直流配電網(wǎng)運行控制所面臨的問題進行分析，有針對性地討論直流配電網(wǎng)典型控制方法原理、研究現(xiàn)狀、應用場景及研究方向；最后，對直流配電網(wǎng)運行控制和直流配電網(wǎng)的發(fā)展前景進行展望。

1 直流配電網(wǎng)拓撲結構

為了更好地在負荷側消納分布式能源，日本大阪大學、美國弗吉尼亞理工大學CPES中心、北卡羅來納大學、羅馬尼亞的布加勒斯特理工大學、德國亞琛大學等先后提出了一系列針對低壓直流系統(tǒng)的配電網(wǎng)和微電網(wǎng)結構[9-13]。從各國提出的配電網(wǎng)結構可以看出，網(wǎng)絡分層、多電壓等級、兩端供電、交替電源供電等先進結構與技術均可以推廣到直流配電網(wǎng)中。

從供配電需求和網(wǎng)絡特征出發(fā)，圖1給出了交直流混合配電網(wǎng)典型結構。其中，直流配電網(wǎng)在架構層次上與常規(guī)交流配電網(wǎng)相似，分為高壓交/直流配電系統(tǒng)、中壓直流配電系統(tǒng)、低壓直流配電系統(tǒng)，各級網(wǎng)絡面向不同電壓等級用戶，功能不盡相同。

圖1 直流配電網(wǎng)典型拓撲Fig.1 Typical topology of DC distribution network

拓撲結構上，中高壓直流配電網(wǎng)結構主要有輻射狀結構、兩端供電型結構、環(huán)狀網(wǎng)結構等[2, 6]。高壓配電系統(tǒng)為交流時，中壓直流配電網(wǎng)與高壓直流配電網(wǎng)之間采用變流器連接，通過工頻變壓器進行電壓變換；高壓配電系統(tǒng)為直流時，可采用帶有高頻隔離的直流變壓器連接。低壓直流配網(wǎng)與中壓直流配網(wǎng)之間通常采用直流變壓器連接。為了降低投資和損耗，低壓直流配電網(wǎng)一般采用輻射型結構。各級配電網(wǎng)母線之間可通過圖1所示高頻隔離開關進行連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的相互支撐。對于某些對可靠性要求苛刻的低壓直流配電場景，可采用必要的冗余結構配置。

根據(jù)上述典型的分層架構和拓撲結構，依賴直流系統(tǒng)電力電子設備的高度可控性，直流配電網(wǎng)具有以下突出優(yōu)點：

(1)沒有頻率和相角的約束，直流配電網(wǎng)更易實現(xiàn)不同母線、不同電壓等級之間的互聯(lián)與分層，在結構上打破傳統(tǒng)集中式供電模式，提高了供電的可靠性與多樣化；

(2)直流配電網(wǎng)可根據(jù)需求采用兩線制配電，也可以通過電壓平衡器連接，采用三線制結構，利用多電壓等級DC/DC變換器可實現(xiàn)不同等級配電和新能源接入，線路結構和電壓水平可根據(jù)用戶需求靈活配置；

(3)直流配電網(wǎng)在傳統(tǒng)集中式配電結構基礎上引入了分布式結構，系統(tǒng)穩(wěn)定方面更加依賴區(qū)域自治，分層協(xié)調(diào)。

2 直流配電網(wǎng)典型特征

2.1 直流配電網(wǎng)慣性較低

對于交流系統(tǒng)，在不考慮同步機阻尼的情況下，同步發(fā)電機的功角特性可表示為[14]

(1)

式中：H為同步機的慣性時間常數(shù)；Δω為系統(tǒng)功率變化引起的同步機轉速變化值；ΔPm、ΔPe分別為同步電機輸入功率和電磁功率的變化值；ΔPL為負荷功率波動值；D表示負荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，一般電力系統(tǒng)中D=1～3，表示頻率變化1%時，負荷功率相應變化1%～3%[15]。

從式(1)可以看出，交流電網(wǎng)發(fā)生功率波動時，由于電磁轉矩和機械轉矩的不平衡，同步機轉速發(fā)生改變，最終體現(xiàn)為電網(wǎng)頻率的變化，其本質是功率的波動引起同步機轉子儲存動能的變化。但對于交流配電網(wǎng)而言，集中式供電模式下的負荷功率波動相對系統(tǒng)總體負荷來說較小，故其標幺值ΔPL較??；另一方面，由于具有大慣性同步機組的共同作用，H相對較大。加上配電系統(tǒng)中頻率敏感負荷對頻率變化的阻尼作用，正常工作狀態(tài)下，交流配電系統(tǒng)中發(fā)生功率波動時不易引起系統(tǒng)頻率大幅偏移，即交流配電系統(tǒng)具有較大慣性支撐。

然而，對于直流配電網(wǎng)，系統(tǒng)功率波動在直流側直接體現(xiàn)為直流系統(tǒng)電壓的變化。由于電力電子變流器分割了直流配電網(wǎng)與電源之間的直接聯(lián)系，直流配電網(wǎng)電壓波動本質為配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)等效電容儲存電能的變化，如式(2)所示：

(2)

式中：C為直流配電網(wǎng)的等效電容值；udc為變流器直流側電壓；PN為直流配電網(wǎng)功率基準值；ΔPin和ΔPout分別為變流器的輸入功率和輸出功率；ΔPLdc為直流配電網(wǎng)負荷波動量；Ddc為電壓敏感性負荷的調(diào)節(jié)系數(shù)；Δudc為變流器直流側電壓變化量。

比較式(1)與式(2)可以看出，直流配電網(wǎng)慣性直接體現(xiàn)為等效電容的儲存電能，其值相對較小。系統(tǒng)功率波動僅由該供電區(qū)域內(nèi)變流器和等效電容參與調(diào)節(jié)，因此直流配電網(wǎng)是低慣性系統(tǒng)。而系統(tǒng)功率波動相對于區(qū)域負荷比例較大。因此，直流配電網(wǎng)中發(fā)生功率變化時容易引起較大的電壓波動。為了提高分布式能源的利用率，分布式電源一般均以最大功率輸出，其波動性和隨機性為系統(tǒng)增加了不穩(wěn)定因素。而系統(tǒng)中電力電子負荷的增多，導致系統(tǒng)中恒功率負荷比例增大，電壓敏感性負荷的比例減小，增大了功率波動時直流配電網(wǎng)電壓波動。

2.2 恒功率負荷增多

為了提高負荷的供電穩(wěn)定性，目前電子設備、家用電器、驅動電機等負荷均通過電力電子變流器接入配電系統(tǒng)。電力電子變流器可以根據(jù)負荷的電能需求提供穩(wěn)定的功率。由于這類負荷功率不受系統(tǒng)電壓波動的影響，因此可以看作恒功率負荷(constant power load, CPL)[3]。

圖2(a)給出了恒功率負荷u-i特征曲線和電源u-i特征曲線，二者的交點為負荷工作點。對負荷曲線工作點A進行電壓對電流求導，可得恒功率負荷的動態(tài)阻抗為[16]

(3)

式中：P表示恒功率負荷的功率；R表示該工作點的電阻?？梢钥闯?，雖然工作點的電阻為正，但是恒功率負荷對電壓電流變化的阻尼效果卻體現(xiàn)為負值，這將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17]。

對圖2(a)中負荷工作點建立小信號模型，并將(3)式代入可得[3,18]

(4)

由式(4)可以看出恒功率負荷的小信號模型可以等效為一個負阻抗和一個電流源并聯(lián)。將接有恒功率負荷的直流配電網(wǎng)進行等效簡化，如圖2(b)所示。圖中RL表示系統(tǒng)中恒阻抗負荷的等效電阻；C表示系統(tǒng)等效電容；Rs和Ls分別表示系統(tǒng)電源等效電阻和等效電抗；RP和IP表示恒功率負荷的等效阻抗和等效電流源。對系統(tǒng)建立小信號模型，可得負荷側電壓與電源電壓之間的傳遞關系為[19]

(5)

因此，若系統(tǒng)穩(wěn)定則需滿足以下條件

(6)

由式(6)可以看出，系統(tǒng)中恒功率負荷P的增加會減小系統(tǒng)阻尼和穩(wěn)定裕度，當恒功率負荷比例超過一定值時，系統(tǒng)不再穩(wěn)定。

圖2 恒功率負荷對直流配電網(wǎng)穩(wěn)定性影響Fig.2 Effect of CPL on the stability of DC system

2.3 交流側可能呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特征

基于全控型器件的柔性換流設備可以實現(xiàn)有功無功解耦控制和向無源或弱電源網(wǎng)絡供電，且適于接入較大規(guī)模的新能源。因此，直流配電網(wǎng)接入的交流側電網(wǎng)可能呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特征[20]。

直流系統(tǒng)所連接交流系統(tǒng)的強弱一般可用直流系統(tǒng)的短路比來判別，短路比越小，變流器與交流側系統(tǒng)的連接越弱。弱電網(wǎng)的典型特征為[21-22]：(1)電源側阻抗不可忽略，且阻抗處于時變狀態(tài)，因此，系統(tǒng)功率波動容易引起交流側電源發(fā)生電壓和頻率波動；(2)系統(tǒng)慣性較小，電源無法快速響應電壓變化，容易發(fā)生振蕩和波動；(3)除了變流器功率波動會引起系統(tǒng)電壓波動和振蕩外，系統(tǒng)中存在大量的背景諧波。

弱電網(wǎng)與直流配電網(wǎng)的連接給變流器的穩(wěn)定控制帶來一定的挑戰(zhàn)。如弱交流系統(tǒng)可以向直流側傳遞的最大功率有限[23]，接入弱電網(wǎng)后，變流器交流側對于功率波動更為敏感；弱電網(wǎng)阻抗參數(shù)的不確定性為系統(tǒng)控制參數(shù)計算和控制方式的選擇帶來一定的困難[24]等。

目前，針對接入弱交流系統(tǒng)對電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)穩(wěn)定性影響的研究主要分為對鎖相環(huán)(phase locked loop, PLL)動態(tài)影響、控制系統(tǒng)交互影響和不考慮PLL動態(tài)影響三方面[25]。文獻[26]指出直流配電網(wǎng)接入弱交流系統(tǒng)后的穩(wěn)定問題主要是由于傳統(tǒng)PLL的作用：接入弱交流系統(tǒng)時，PLL與外環(huán)控制、內(nèi)環(huán)控制之間的交互更強，且受控制系統(tǒng)帶寬的影響[27]，出現(xiàn)外環(huán)有功無功非線性耦合增強[17]、PLL對內(nèi)環(huán)控制產(chǎn)生負阻尼作用等問題[28]，進而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；當不考慮PLL動態(tài)影響時，由于電壓前饋環(huán)節(jié)的作用，VSC控制系統(tǒng)依然可能失穩(wěn)[25]。

3 直流配電網(wǎng)運行控制方法

直流配電網(wǎng)常用變流器主要包括兩電平/三電平VSC和模塊化多電平變流器(modular multilevel converter, MMC)。雖然二者拓撲結構不同，但數(shù)學模型及控制原理是相通的。根據(jù)電壓源型換流器(VSC和MMC)的拓撲結構，從交流側來看，二者的數(shù)學模型均可以表示為[7]

(7)

式中：j=a，b，c；ij表示變流器交流側電流；usj和uvj分別表示變流器交流側電源電壓和變流器出口電壓，對于MMC，uvj也表示上下橋臂的差模電壓；對于VSC，Rs和Ls分別表示變流器交流側等值電阻和電抗，對于MMC，二者表示交流側電阻與橋臂電阻、交流側電抗與橋臂電抗的等效值。

將式(7)進行派克變換，寫成dq坐標系下頻域形式為

(8)

根據(jù)式(8)，若已知變流器交流側出口電壓uvd和uvq，便可以得到變流器輸出電流id和iq，如圖3輸出響應所示；若已知變流器輸出電流，則可以得到變流器交流側出口電壓。因此，二者可以構成反饋關系，形成電流內(nèi)環(huán)控制回路。常用的內(nèi)環(huán)跟蹤方法有比例積分控制(proportional integral control, PIC)、比例諧振控制(proportional resonant control, PRC)、滑模變結構控制(sliding mode control, SMC)等。PI控制器對直流參考值具有較好的跟蹤效果，在工程中得到廣泛應用，因此，本文基于內(nèi)環(huán)采用PI控制的直接電流控制進行介紹，如圖3控制內(nèi)環(huán)所示。根據(jù)變流器控制目標以及外環(huán)控制方式不同，直接電流控制又可以分為：(1)恒直流側電壓控制；(2)恒功率控制；(3)電壓/功率下垂控制；(4)恒交流側電壓控制，等。

圖3 AC/DC變流器控制原理圖Fig.3 Control schematic of AC/DC converter

以上常規(guī)直接電流控制方法在交/直流配電網(wǎng)運行控制中已經(jīng)得到廣泛應用，但是無法適應目前直流配電網(wǎng)低慣性、恒功率負荷接入、交流側弱電網(wǎng)等特征，無法解決由于系統(tǒng)參數(shù)變化帶來的系統(tǒng)阻抗不匹配等問題。針對直流配電網(wǎng)運行控制的典型特征以及常規(guī)直接電流控制存在的缺陷，本文重點分析功率同步控制、虛擬同步機控制、虛擬慣性控制以及虛擬阻抗控制等控制方法。

3.1 直流配電網(wǎng)功率同步控制

針對接入弱電網(wǎng)時，PLL容易受交流側諧波振蕩影響，為了提高VSC對弱電網(wǎng)的適應性，文獻[18]將同步電機的功率同步原理應用到直流變流器的控制中，提出了功率同步控制。

如圖4(a)所示發(fā)電機SM1和電動機SM2通過感抗為Xac的線路連接，當SM2負荷增大時，根據(jù)同步機的轉矩平衡方程，SM2的轉速減小，即負荷側頻率降低，導致SM1與SM2之間電壓相位差增加。SM1與SM2之間的有功功率可以表示為

(9)

因此，SM1與SM2之間傳輸功率增加，SM2輸入功率增大，SM1與SM2之間達到新的平衡狀態(tài)。

將交流系統(tǒng)與VSC換流站等效為SM1與SM2，其簡化模型如圖4(b)所示。從以上原理分析可以看出，換流站輸入有功功率的變化直接反應為變流站與交流系統(tǒng)之間的相角差的變化，通過跟蹤有功功率參考值便可以實現(xiàn)鎖相功能，同時實現(xiàn)有功功率控制，如圖4(c)功率同步環(huán)所示。

圖4 功率同步控制原理及控制框圖Fig.4 Principle of power synchronization control and its block diagram

對于無功功率控制環(huán)節(jié)，可利用交流電壓幅值與無功功率的關系建立控制模型。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，交流側電壓在dq坐標系下d軸分量與交流電壓峰值相等，q軸分量為0[7]。利用輸出電壓的參考值，通過PI控制器就可以得到電流內(nèi)環(huán)的電流參考值。如圖4(c)無功-電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)所示。

根據(jù)功率同步控制的控制原理，功率同步控制的被控量是變流器的有功功率。被控量實際測量和計算過程中均存在一定的延遲和濾波環(huán)節(jié)，加上積分環(huán)節(jié)對高頻量的過濾作用，導致功率同步控制削弱了弱交流系統(tǒng)的諧波和高頻震蕩的影響，從而增強了變流器對弱交流系統(tǒng)的適應性。文獻[29]利用功率同步控制實現(xiàn)了2個極弱交流系統(tǒng)的互聯(lián)；文獻[30]對功率同步控制的阻抗、阻尼特征進行了分析和驗證，結果表明功率同步控制相對于傳統(tǒng)的矢量控制具有較好的阻尼特性，此外，功率同步控制還可以為弱交流系統(tǒng)提供一定的慣性支撐；文獻[24]、[31]將同步電機的慣性特性引入功率同步控制中，為弱交流系統(tǒng)提供一定的慣性支撐；文獻[32]針對功率同步控制仍然不能實現(xiàn)快速相位自同步，缺乏即插即用功能等缺陷，將非線性功率阻尼控制與功率同步控制結合，增強了變流器對接入交流微電網(wǎng)頻率波動的適應性。除了直流變流器并網(wǎng)，功率同步控制還可以應用于光伏系統(tǒng)接入弱交流系統(tǒng)[33]、風力系統(tǒng)接入海島直流系統(tǒng)[34]等特殊場景。

在某些特殊應用場景，功率同步環(huán)無法實現(xiàn)鎖相環(huán)功能。如直流變流器在故障時發(fā)生閉鎖，變流器輸出功率無法控制；交流側系統(tǒng)發(fā)生故障時，采用功率同步鎖相無法實現(xiàn)準確鎖相。針對交流側發(fā)生故障或較大畸變，系統(tǒng)中還有大量負序和零序(零序含量與直流配電網(wǎng)接線方式有關)分量，文獻[35]基于瞬時對稱分量分解技術提出了一種采用解耦雙同步坐標系的鎖相環(huán)技術[7]。

文獻[24]指出，隨著交流系統(tǒng)的增強，采用功率同步控制的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度逐漸減小，而連于強交流系統(tǒng)時會出現(xiàn)阻尼不足的現(xiàn)象。因此，功率同步控制適用于運行相對穩(wěn)定的弱交流系統(tǒng)，對應用于不平衡系統(tǒng)以及強交流系統(tǒng)的適應性還有待研究與改進。文獻[36]指出，相對于電壓矢量控制，功率同步控制的控制帶寬有限。而在動態(tài)交互方面，功率同步控制與電網(wǎng)的動態(tài)交互更為明顯，文獻[37]將電壓矢量控制與功率同步控制進行了結合，應對不同條件下的控制需求。此外，采用功率同步控制時，變流器輸出功率隨著交流側頻率波動，這為直流配電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)帶來一定的困難。

目前，功率同步控制的研究依然處于理論階段。功率同步控制為分布式電源、直流負荷接入弱交流系統(tǒng)以及弱交流系統(tǒng)的柔性互聯(lián)提供了解決思路。然而，由于功率同步控制帶寬有限，一方面需要結合最優(yōu)控制、自適應控制等現(xiàn)代控制理論對功率同步控制方式進行改進，另一方面應對多種控制方式的結合與切換進行研究，以適應不同運行狀態(tài)。

3.2 直流配電網(wǎng)虛擬同步機控制

傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)中，電網(wǎng)可以通過同步機一次調(diào)頻保證系統(tǒng)頻率的暫態(tài)穩(wěn)定。這主要是由于系統(tǒng)中同步電機的作用[14]。為了模擬同步發(fā)電機的特性，國內(nèi)外學者提出了虛擬同步發(fā)電機的思想[38-39]，通過在電力電子變流器控制環(huán)節(jié)采用同步機的機電暫態(tài)方程，使得并網(wǎng)變流器在外特性和運行機制上與同步機相似，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗，實現(xiàn)分布式電源的友好接入和交直流配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)。

目前，國內(nèi)外學者提出了多種虛擬同步機控制方法[40-41]。其核心原理均為同步發(fā)電機的機械運動方程，如式(1)所示。

虛擬同步機電磁部分建模以定子電氣方程為原型。將VSC中交流側電阻Rs和電抗Ls看作同步機定子繞組的電感和電阻，則定子電氣方程可以表示為

(10)

式中：uv表示轉子運動在定子繞組中產(chǎn)生的反向電動勢e，e=[ea,eb,ec]；us表示同步發(fā)電機的機端電壓。

以上即變流器虛擬同步機控制的機械部分和電磁部分建模。在實際應用中，若不關心同步機的電磁暫態(tài)過程，則可以采用這種建模方式。圖5(a)為采用這種建模方式的變流器典型控制結構。

鐘慶昌教授充分考慮了同步發(fā)電機的電氣和磁鏈暫態(tài)特征，提出了更接近于同步發(fā)電機暫態(tài)特征的虛擬同步機模型[42-43]。其核心原理仍是同步電機的搖擺方程，其不同之處在于控制量的生成方式，如圖5(b)所示。

圖5 虛擬同步機控制框圖Fig.5 Block diagram of virtual synchronous generator control

從功率同步控制和虛擬同步機控制的原理可以看出，二者在控制系統(tǒng)的構造上具有相同之處，均利用了同步機中有功功率與功角之間的關系。但是二者的應用場景不同，控制目標和功能不同。功率同步控制將變流器模擬為電動機，主要針對于分布式電源或直流配電網(wǎng)變流器與弱交流系統(tǒng)的連接，通過功率同步控制在實現(xiàn)有功功率傳輸?shù)耐瑫r進行鎖相，雖然可以為交流系統(tǒng)提供一定的慣性支撐，但是主動調(diào)頻能力較差。

虛擬同步電機控制則將變流器等效為同步發(fā)電機，其控制系統(tǒng)依舊依賴PLL的鎖相功能。通過虛擬同步機控制，不僅可以增加配電網(wǎng)的慣性，穩(wěn)定功率波動帶來的頻率偏移，提高電能質量，同時由于采用虛擬同步機控制的慣性時間常數(shù)、阻尼系數(shù)、下垂系數(shù)等都可以隨著系統(tǒng)運行狀態(tài)而調(diào)整[44-45]，虛擬同步機的性能隨著控制目標、功率計算方法、解耦方法、內(nèi)環(huán)控制方法等的不同而適應于多種場景。因此，虛擬同步機控制可以用于系統(tǒng)穩(wěn)定性增強[44]、系統(tǒng)諧振抑制[46]、低電壓穿越[47]、分布式電源接入[48]、無源網(wǎng)絡供電等不同場景。用于交直流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)，當交流側電網(wǎng)本地同步發(fā)電機退出運行時，配電網(wǎng)突變?yōu)闊o源網(wǎng)絡，虛擬同步機控制不需要做任何切換即可以實現(xiàn)有源網(wǎng)絡與無源網(wǎng)絡的切換，提升了柔性直流配電系統(tǒng)適應復雜網(wǎng)絡變化的能力[49]。

虛擬同步機技術對現(xiàn)有并網(wǎng)技術有一定的提升，有利于交直流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)，增強了直流配電網(wǎng)對無源交流配電網(wǎng)的供電能力。但是采用虛擬同步機控制在利用同步機優(yōu)點的同時引入了同步機的一些弊端，繼承了同步機的振蕩特性[41]，因此，系統(tǒng)多機并聯(lián)參數(shù)協(xié)同優(yōu)化以及系統(tǒng)的阻尼控制均有待于進一步研究。

3.3 直流配電網(wǎng)虛擬慣性控制

在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，由于同步機的慣性作用和頻率敏感性負荷的阻尼作用，當發(fā)生功率波動時，系統(tǒng)頻率不會發(fā)生迅速波動。同步機的慣性作用體現(xiàn)為當頻率發(fā)生變化時，其輸出功率的突變，若忽略同步機機械轉矩的瞬時變化量，其輸出功率的變化量可以表示為

(11)

因此，通過建立輸出功率瞬時值與系統(tǒng)頻率導數(shù)之間關系，使變流器在頻率響應特性上滿足同步機的特征，即可使變流器具有同步機的慣性特征。這種控制方式被稱為虛擬慣性控制[50-51]。

忽略損耗，類比同步機的搖擺方程，直流配電網(wǎng)VSC輸出功率與母線電壓關系可以表示為

(12)

式中：C為變流器出口電容；udc表示直流母線電壓；Hdc表示變流器等效慣量時間常數(shù)；Pin和Pout分別表示變流器輸入功率和輸出功率。

由式(11)、(12)可以看出，交流系統(tǒng)中慣性大小體現(xiàn)為同步電機的動能，其慣性大小通過同步機的轉動慣量J來表征；而直流配電網(wǎng)中，功率的波動表現(xiàn)為直流側電壓的偏移，類似地，可以認為直流配電網(wǎng)的慣性大小體現(xiàn)為電容儲存的電能，其大小可以通過系統(tǒng)等效電容C來表征。交流系統(tǒng)中通過建立逆變器輸出有功功率與角頻率之間的關系，模擬同步機的慣性特征；相應地，在直流配電網(wǎng)中通過建立被控電源輸出功率與直流電壓之間的關系，模擬同步機慣性特征。在直流配電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，通過電壓的變化速率控制電源輸出功率的瞬時值，在直流側構造出虛擬電容CVir，從而為系統(tǒng)提供相應的慣性支撐[52-53]。

因此，采用虛擬慣性控制后，直流配電網(wǎng)電壓-功率慣性關系可以表示為

(13)

式中：CVir_i表示電源i的虛擬電容；ΔPVir_i表示電源i輸出功率的變化；Ci和ΔPi分別表示電源i實際電容值及其功率變化；Δudc表示直流側電壓變化值；Hdci、HViri和Hi分別表示電源i的慣性時間常數(shù)、虛擬慣性時間常數(shù)和變流器電容慣性時間常數(shù)。

由式(11)可看出，系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，同步機轉子通過吸收/釋放動能為系統(tǒng)提供慣性支撐。因此，虛擬慣性控制的關鍵在于配電網(wǎng)發(fā)生功率波動時，變流器瞬時功率的來源。由式(12)、(13)可以看出，直流配電網(wǎng)的慣性體現(xiàn)在電容儲存的電能，電源虛擬慣性的大小與其提供的瞬時功率成正比。交直流配電網(wǎng)均可以通過大電網(wǎng)、分布式電源、儲能等電源構造虛擬慣性，不同電源輸出特征不同，虛擬慣性大小也不同。文獻[52]、[54]對大電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、風機等電源虛擬等效慣性時間常數(shù)進行了分析，指出電源虛擬慣性大小直接受電源的特征限制。

變流器的虛擬慣性時間常數(shù)HViri表征了電源i對直流配電網(wǎng)電壓波動的響應能力，同時影響了變流器的阻抗特征。該數(shù)值過大會引起系統(tǒng)功率過調(diào)，降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，過小則對系統(tǒng)慣性支撐不夠。文獻[55]對慣性裕度及慣性的自適應調(diào)節(jié)進行了研究，將下垂控制與虛擬慣性控制結合，提出一種自適應虛擬慣性控制方法，通過對慣性時間常數(shù)的自適應調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)獲得最佳動態(tài)響應；文獻[56]將預測方法引入虛擬慣性控制中；文獻[57]通過對基于下垂控制的虛擬慣性系統(tǒng)建立小信號模型分析，發(fā)現(xiàn)虛擬慣性控制變流器輸出電流對于系統(tǒng)相當于一個擾動量，提出一種電流前饋抑制方法，同時對下垂系數(shù)和慣性時間傳輸進行分析，給出了控制參數(shù)選取方法；文獻[58]通過引入了超前滯后環(huán)節(jié)，對控制系統(tǒng)零極點進行調(diào)節(jié)，改變系統(tǒng)的動態(tài)響應能力。

交流系統(tǒng)中，由于轉速變化范圍的限制，同步機用于提供的慣性可用動能為

(14)

因此，交流系統(tǒng)中ΔEkmax與H存在比例關系。虛擬慣性控制系統(tǒng)中慣性時間常數(shù)HVir可以根據(jù)控制需求進行設置，因此系統(tǒng)慣性大小體現(xiàn)為慣性時間常數(shù)和用于慣性支撐的能量兩方面。慣性時間常數(shù)的大小影響電源的響應能力，慣性支撐能量的大小則直接決定了電源對于系統(tǒng)的慣性支撐能力。直流配電網(wǎng)中風電系統(tǒng)的慣性支撐能量為在轉速允許范圍內(nèi)的動能變化量，表達式與同步機相同；儲能系統(tǒng)的慣性支撐能量為其可以釋放或吸收的最大能量；交流側的慣性支撐能力由交流系統(tǒng)特征決定。顯而易見，在一定運行狀態(tài)下，分布式電源的慣性支撐能量有限。因此，在直流配電網(wǎng)中，根據(jù)電源輸出響應速度、輸出特性、慣性支撐能量等限制條件，合理配置、優(yōu)化調(diào)節(jié)直流配電網(wǎng)電源虛擬慣性時間長常數(shù)，實現(xiàn)不同電源之間的慣性配合，進行直流配電網(wǎng)電壓一次調(diào)節(jié)，研究分布式電源虛擬慣性與柔性負荷的配合，進行直流配電網(wǎng)電壓二次調(diào)節(jié)，是實現(xiàn)直流配電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關鍵，也是虛擬慣性控制有待深入研究的方向。

直流配電網(wǎng)的低慣性特征嚴重影響了系統(tǒng)的電能質量。直流配電網(wǎng)通過虛擬慣性控制可以提高電源的功率響應。然而，目前直流配電網(wǎng)虛擬慣性控制研究尚不完善，直流配電網(wǎng)慣性配置、慣性調(diào)壓等方面的研究有待深入。此外，虛擬慣性影響了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，在降低功率階躍時母線電壓波動的同時，減慢了系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)速度。同時由于慣性功率的影響，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓會出現(xiàn)一定的偏差。因此，直流配電網(wǎng)引進虛擬慣性控制的同時，需要根據(jù)系統(tǒng)需求進行控制方式的改進。

3.4 直流配電網(wǎng)虛擬阻抗控制

配電網(wǎng)中恒功率負荷日益增多，恒功率負荷的負阻抗特征嚴重影響直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。根據(jù)小信號模型分析可以看出，恒功率負荷的接入會降低系統(tǒng)阻尼，同時引入不穩(wěn)定極點[59]。文獻[60]建立基于MMC的四端直流網(wǎng)絡等效模型，對系統(tǒng)進行了小信號分析，得出系統(tǒng)諧振與不穩(wěn)定的根源在于系統(tǒng)阻抗的不匹配，需要對系統(tǒng)進行阻尼控制。常用的阻尼控制方式主要有增加阻尼裝置、增設功率補償系統(tǒng)、對變流器進行阻尼控制3種。前2種方式會增加額外的投資和系統(tǒng)復雜度，變流器的阻尼控制也稱為虛擬阻抗控制，在直流配電網(wǎng)中更具有應用前景。

虛擬阻抗的思想最初應用于有源濾波器中，通過采用電流/電壓反饋控制，調(diào)整有源濾波電路的阻尼特征、濾波性能[61]。隨著電力電子技術的發(fā)展，虛擬阻抗技術已廣泛應用于電力電子變流器的控制，如并網(wǎng)逆變器功率控制、改進下垂控制、多變流器協(xié)同控制等[62]。通過虛擬阻抗控制可以改變變流器的輸出阻抗特性，且不增加損耗，因此，虛擬阻抗控制還可以用于為電網(wǎng)提供輔助服務，如諧波抑制、不平衡電壓補償、故障穿越、次同步振蕩抑制等[63]。

如圖6(a)所示為LC-VSC交流側虛擬阻抗控制典型結構圖[63]。假設直流側為恒壓源，系統(tǒng)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)用傳遞函數(shù)Gcv(s)表示。利用變流器交流側輸出電流ig以及濾波器電感電流/電壓或電容電流/電壓，通過反饋構造系統(tǒng)虛擬阻抗。將反饋函數(shù)Gvo(s)稱為虛擬外環(huán)阻抗傳遞函數(shù)，將反饋函數(shù)Gvi,1(s)、Gvi,2(s)稱為虛擬內(nèi)環(huán)阻抗傳遞函數(shù)。在控制中，根據(jù)系統(tǒng)需求對以上虛擬阻抗傳遞函數(shù)進行構造，從而使得系統(tǒng)中具有電感或電阻的效果[60]。在傳遞函數(shù)中加入濾波環(huán)節(jié)，對特定諧波分量進行提取，可以構造出特定諧波虛擬阻尼[64]。對控制系統(tǒng)建立小信號模型進行分析，可得到交流側等效電路如圖7(a)所示[63]。

圖6(b)所示為恒直流側電壓控制VSC直流側虛擬阻抗控制典型結構圖[65]。由于VSC直流側控制為有功類控制量，虛擬阻抗構造主要體現(xiàn)為控制系統(tǒng)d軸分量的控制。文獻[65]分別對反饋函數(shù)在控制系統(tǒng)中作用的不同位置進行了小信號分析，綜合控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性，中間環(huán)節(jié)虛擬阻抗控制具有最優(yōu)性能[3]。對控制系統(tǒng)進行小信號分析，可以得到直流側等效電路如圖7(b)所示。

圖6 虛擬阻抗控制結構圖Fig.6 Control schematic of virtual impedance

圖7 變流器虛擬阻抗等效圖Fig.7 Equivalent of VSC with virtual impedance control

從以上分析可以看出，虛擬阻抗控制關鍵在于反饋關系的建立和控制系統(tǒng)反饋函數(shù)的構造。反饋量提取位置不同、傳遞函數(shù)不同、反饋量在控制系統(tǒng)中的作用位置不同，虛擬阻抗控制在系統(tǒng)中的作用各不相同。根據(jù)虛擬阻抗控制的不同作用，其應用場景可分為以下幾個方面[63]：

(1)穩(wěn)定控制。有源穩(wěn)定控制主要通過改變逆變器的阻抗，對變流器交直流側的振蕩、諧振進行阻尼。文獻[66]、[67]通過逆變器輸出阻抗與系統(tǒng)魯棒性和抗干擾性的關系，采用虛擬阻抗法對逆變器輸出阻抗進行調(diào)節(jié)，提升了系統(tǒng)對弱電網(wǎng)的適應能力；文獻[68]將虛擬阻抗控制用于解決多LCL變流器并聯(lián)諧振問題。

(2)有源阻尼控制。有源阻尼是改變恒功率負荷阻抗特征、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法，根據(jù)阻尼位置不同可以分為饋線側阻尼和負荷側阻尼[3]。文獻[69]采用負荷側阻尼，通過對恒功率負荷出口DC/DC變流器進行阻尼控制，改變了負荷的負阻尼特性；文獻[19]指出，采用負荷側阻尼控制時引入的電流會影響負載性能，通過對源側變流器進行虛擬阻抗控制實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(3)潮流控制。通過虛擬阻抗控制可以有效減小變流器有功無功之間的耦合、改善下垂控制和并聯(lián)變流器功率分配精度[70-71]。通過合理構造反饋函數(shù)，虛擬阻抗控制可以有效提高變流器的功率響應速度。文獻[70]通過虛擬阻抗控制實時調(diào)節(jié)變流器的阻抗特征，實現(xiàn)了多電源的功率共享控制；文獻[71]通過對超級電容進行虛擬阻抗控制，實時改變其輸出特性，實現(xiàn)系統(tǒng)功率波動時儲能系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)功能。

(4)諧波抑制和不平衡補償。諧波抑制和不平衡補償主要利用虛擬阻抗的可變性。文獻[60]通過分析多端直流系統(tǒng)阻尼特征，通過改變MMC阻抗特性抑制直流系統(tǒng)阻抗不平衡帶來的系統(tǒng)振蕩；文獻[64, 72]通過提取電網(wǎng)電壓諧波信息，對特定諧波增加阻尼信號，將虛擬阻抗法用于電網(wǎng)諧波抑制和不平衡補償；文獻[73]將虛擬阻抗控制用于非線性功率和不平衡功率的補償。

(5)故障穿越。故障發(fā)生后，通過虛擬阻抗控制模擬限流器電阻和電感的作用，從而實現(xiàn)故障限流[74]、故障穿越[75]。

從控制原理可以看出，虛擬阻抗控制通過在變流器常規(guī)控制策略上附加反饋環(huán)節(jié)，從而使變流器在原有控制特性基礎上具有阻尼特征，通過控制變流器的阻抗特性而影響其輸出特征。然而，目前針對虛擬阻抗的研究多基于單臺變流器或小系統(tǒng)，針對于大系統(tǒng)、多目標的虛擬阻抗優(yōu)化配置有待于深入研究。此外，控制方式之間的相互影響分析和控制參數(shù)配合也是虛擬阻抗需要關注的方向。

4 預期與展望

直流配電網(wǎng)具有網(wǎng)絡結構靈活、可控度高等特點，可以更好地實現(xiàn)可再生能源消納和新型負荷的接入，通過充分利用源-網(wǎng)-荷的可測可控性，可以實現(xiàn)需求側響應，促進區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展。然而，目前直流配電網(wǎng)的研究依然處于理論研究階段，缺乏典型的中壓直流配電網(wǎng)示范工程，在應用層面依然面臨各種難題。

從系統(tǒng)控制的角度，直流配電網(wǎng)改變了傳統(tǒng)集中式供電模式，網(wǎng)絡拓撲和電力電子設備的復雜度提高，在增加靈活性的同時，引入了新的控制難題。總結國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和成果，可以看出直流配電網(wǎng)控制的復雜度高、難度大，目前提出的控制方法尚不能全面解決直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定問題，從系統(tǒng)控制角度出發(fā)，尚存在一些問題亟待突破。

(1)直流配電系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng)，分布式電源、負荷均具有隨機性，變流器等效電路參數(shù)隨著系統(tǒng)結構、運行方式以及工作點的變化而變化。因此，傳統(tǒng)的依靠線性網(wǎng)絡模型的定常系數(shù)控制方法無法適應直流配電網(wǎng)的控制要求。自適應控制、非線性控制、預測控制以及智能算法等控制方法與變流器典型控制方式的結合是直流配電網(wǎng)運行控制的發(fā)展趨勢。

(2)目前直流配電網(wǎng)運行控制的研究多基于簡單網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲簡單、器件結構單一。隨著直流配電網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡中電力電子器件數(shù)量增多，多個器件之間的協(xié)調(diào)控制，以及多個電源之間的慣性、功率分配，多節(jié)點潮流優(yōu)化控制都將是直流配電網(wǎng)控制的重點，結合配電網(wǎng)分層控制、分布式控制、分層分布式控制等先進控制體系，建立直流配電網(wǎng)一次調(diào)壓及二次調(diào)壓的控制邏輯，是直流配電網(wǎng)運行控制的發(fā)展方向。

(3)目前直流配電網(wǎng)運行控制研究多針對某一特定應用場景。但是直流配電網(wǎng)運行狀態(tài)比較復雜，單一控制方法難以滿足系統(tǒng)需求。因此，多種控制方法的結合、不同控制方式之間的切換、不同運行狀態(tài)下系統(tǒng)控制方法的適用性等仍需深入研究。

(4)通過虛擬慣性控制可以一定程度上增大直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是分布式電源可提供的慣性有限，儲能系統(tǒng)受儲能介質和輸出功率的限制，直流配電網(wǎng)可用慣性依然有限。因此，直流配電網(wǎng)的功率平衡與穩(wěn)定需要充分利用源-網(wǎng)-荷的可測可控性，調(diào)動需求側資源。

(5)直流配電網(wǎng)的繼電保護是制約其發(fā)展和應用的關鍵技術之一。電力電子器件故障承受能力較弱，直流配電網(wǎng)故障發(fā)展速度快，影響范圍大。因此，在實現(xiàn)故障快速隔離的同時，變流器的故障穿越控制、系統(tǒng)的故障重啟、擾動情況下配電網(wǎng)的穩(wěn)定控制等是實現(xiàn)系統(tǒng)可靠運行的關鍵。

目前，直流配電網(wǎng)的理論研究多關注其經(jīng)濟性、供電能力以及對新能源的消納能力，借鑒交流配電網(wǎng)和柔性直流輸電系統(tǒng)的理論。但面向實際應用，未來研究應更多地從實際工程出發(fā)，集中開展基礎性研究和關鍵技術示范應用，充分利用直流配電網(wǎng)的特點，結合電力電子、電力系統(tǒng)、現(xiàn)代控制、智能算法等多學科優(yōu)勢，探索適用于直流配電網(wǎng)的運行及控制技術。同時，隨著相應示范工程的推進，盡快建立相關行業(yè)標準，推動直流配電技術發(fā)展。

5 結 論

直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢被廣泛關注和認可。本文在總結國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，對直流配電網(wǎng)的典型特征進行了總結，有針對性地對直流配電網(wǎng)功率同步控制、虛擬同步機控制、虛擬慣性控制和虛擬阻抗控制等典型控制方法的控制原理、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了總結和展望，指出現(xiàn)階段運行控制方法尚不能滿足直流配電網(wǎng)發(fā)展的需求，隨著網(wǎng)絡的擴展，多種控制方法結合與切換、多源協(xié)調(diào)優(yōu)化、系統(tǒng)潮流分配等問題需要進一步解決。本文僅從控制角度總結了直流配電網(wǎng)的研究成果，為直流配電網(wǎng)運行控制發(fā)展提供一定的參考。目前直流配電網(wǎng)依然處于理論研究和實驗示范階段，其大規(guī)模應用尚需較長的過程。因此，需從工程實際出發(fā)，探索直流配電網(wǎng)優(yōu)化配置、運行控制、繼電保護的新思路，完善相關行業(yè)標準和市場機制，推動技術發(fā)展和工程應用。