適用于直流配電網的改進下垂電壓控制策略

高閏國，匡洪海，鐘浩，周宇健 ，郭茜

（1.湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000；2.梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北 宜昌 443002）

直流配電網憑著輸送容量大、電能質量好、供電可靠性高和分布式電源靈活接入等諸多優(yōu)點[1-3]，在近幾年間得到一系列學者的關注，且相關研究取得迅速發(fā)展。隨著用電負荷的多元化，直流負荷所占比重不斷增加，相比于交流電網，直流電網在很多領域取得了技術和經濟優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展前景[4-5]。同時，電力電子器件的發(fā)展對直流配電網產生巨大推進作用，目前，分布式能源、負載和儲能等接口變換器的研究相對成熟，并早已應用于工業(yè)領域[6]。隨著智能電網和能源互聯(lián)網的興起，直流配電網在電力系統(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穩(wěn)定運行的重要指標，只有控制電壓穩(wěn)定和功率協(xié)調，系統(tǒng)才能平穩(wěn)運行，因此，控制技術是直流配電網關鍵技術之一。

直流配電網控制策略可參考柔性直流輸電和直流微電網等相關方面技術[7-8]。目前主要是通過電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）來控制電壓穩(wěn)定和協(xié)調功率平衡。文獻[9]設計了一種改進下垂控制，該方法可通過檢測本地電壓來修正下垂系數，在發(fā)生小擾動時可減小直流電壓偏差，而發(fā)生嚴重故障時能夠防止換流器過載運行。文獻[10]提出一種混合控制策略，設計出4階混合控制器，來優(yōu)化直流電壓的控制效果。文獻[11]通過改進最優(yōu)潮流算法來修正下垂系數，實現直流系統(tǒng)的經濟運行。文獻[12]提出一種協(xié)調控制策略，在考慮換流站運行狀況、分布式電源和負荷變化的情況下，將系統(tǒng)分成3種運行模式，并通過儲能設備充、放電實現各種模式的平滑切換。文獻[13]對直流配電網的運行模式及換流站的模式切換進行分析，在主從控制的基礎上，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，可有效解決復雜的模式切換問題。文獻[14]提出含有分布式儲能參與的控制策略，通過推導交、直流接口電壓頻率耦合關系和雙向直流接口級聯(lián)下垂特性，控制儲能補償電壓波動和電網頻率波動。文獻[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)下垂控制基礎上，考慮換流站的功率裕度并附加定電壓控制，設計基于元胞自動機的自組織更新規(guī)則，有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。上述文獻從多角度改進了直流系統(tǒng)電壓控制策略，主要集中于下垂控制和主從控制。

憑借良好的動態(tài)響應能力，下垂控制成為當前研究熱點，然而固定的下垂系數使得電壓變化在受到大功率波動時影響較大[16]，難以使系統(tǒng)電壓維持在一定范圍內。為了解決這個問題，本文提出改進下垂電壓控制策略，在傳統(tǒng)下垂控制基礎上，通過監(jiān)測本地直流電壓，構建下垂系數與直流電壓偏差函數，使下垂系數在大功率擾動下能自我修正，增強電壓調控能力，并設定電壓上、下限值，使系統(tǒng)電壓限定在指定范圍內。相比于傳統(tǒng)下垂控制，改進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仿真平臺搭建了兩端供電直流配電網絡，測試了其控制策略效果，證實了此策略的有效性。

1 直流配電網電壓控制

1.1 控制原理

直流配電網的基本拓撲結構主要有環(huán)狀、兩端供電和放射狀3種[17]。其中，放射狀網絡控制簡單，但供電可靠性低，當上級故障時容易導致整個系統(tǒng)停止運行；環(huán)狀網絡供電可靠性高，但控制相對困難；兩端供電相比放射狀網絡可靠性高，當一端故障時可由另一端繼續(xù)供電，其控制相比環(huán)狀網絡簡單。本文以兩端供電結構的直流配電網為研究對象，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 兩端供電結構直流配電網Fig.1 Dual-terminal structure of DC distribution network

直流配電網電壓與功率控制主要通過VSC，采用雙閉環(huán)控制。在d-q同步旋轉坐標系下，假設交流系統(tǒng)三相對稱運行，其中沒有零序分量，當d軸與交流母線基波電壓同相位時，其q軸電壓分量為零，即usq=0，則并網的交流側有功功率和無功功率為

在換流器穩(wěn)定運行情況下，d軸電壓分量usd保持不變，可以通過改變d軸電流分量id和q軸電流分量iq來改變有功功率和無功功率，實現了有功功率和無功功率的解耦控制?？刂破魍猸h(huán)實現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，而內環(huán)控制器用來提高電能質量[18]。內環(huán)控制器結構如圖2所示。

圖2 內環(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)中的調頻器，通過多個換流站對自身電壓的測量，基于下垂特性來調整功率的指令值，進行功率的分配，調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，當網絡中功率發(fā)生變化時，換流站按照其下垂特性調節(jié)電壓和功率，運行點由A點移動至B點，達到新的穩(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為直流電壓實際值；K為下垂系數；Pref為有功功率指令值；P為有功功率實際值。其控制器結構如圖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直流網絡潮流變化作出響應，調整直流功率。但是不能對系統(tǒng)直流電壓精確跟蹤，固定的下垂系數難以適應多變的潮流狀況。

2 改進下垂電壓控制

2.1 原理分析

在圖1所示的兩端供電直流配電網中，當換流站1處于定電壓控制，換流站2處于傳統(tǒng)下垂控制時，若系統(tǒng)有功需求減少，換流站1通過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來調節(jié)有功功率和系統(tǒng)直流電壓。若此時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。為了解決此問題，本文提出改進下垂電壓控制，當系統(tǒng)電壓偏差過大時，下垂系數將自動減小，增強換流站電壓剛性，減小電壓偏差。

改進下垂電壓控制外環(huán)控制器如圖5所示，圖5中，ΔK為下垂系數修正值，為電壓偏差ΔU的函數；K0為換流站穩(wěn)定運行時初始值，與傳統(tǒng)下垂控制系數設計方法相同，此時，換流站改進下垂系數為

圖5 改進下垂電壓控制外環(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同時也不斷增大，K不斷減小，下垂系數減小，換流站電壓調控能力變強。當ΔU達到限定值時，ΔK=K0，下垂系數減小至0，換流站相當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。

換流站電壓指令值Udcref與實際電壓值Udc關系為

式中：UrefH，UrefL為系統(tǒng)預先設定電壓上、下限值；Uref為系統(tǒng)穩(wěn)定運行額定值。

2.2 參數選取

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

本文改進下垂電壓控制策略采用拋物線函數計算ΔK值，其式為

式中：α為大于0的常數，影響ΔK的變化速率。

為保證直流電壓偏差達到最大值時能將系統(tǒng)電壓限定在設定值內，下垂系數應滿足K=0，換流站處于定電壓控制，因此

式中：ΔUmax為預先設定系統(tǒng)電壓裕度值。

因此，在確定初始下垂系數后，α由電壓裕度值決定。同時為避免ΔU過大導致下垂系數K為負數，ΔU應滿足

改進下垂控制特性曲線如圖6所示，由圖6可知，當電壓偏差較小時，改進下垂與傳統(tǒng)下垂一致，靠初始固定下垂系數調節(jié)不平衡功率與電壓，系統(tǒng)運行于點A。當電壓偏差過大時，下垂系數將進行自我修正，增強換流站電壓調控能力，若下垂系數減小至0，此時換流站處于定電壓控制狀態(tài)，可將直流電壓限定在設定值內，系統(tǒng)運行于點B或點C。為保證系統(tǒng)在下垂系數修正過程中穩(wěn)定運行，換流站應迅速切換至定電壓控制模式，其修正過渡過程要快速平穩(wěn)。

圖6 改進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仿真平臺建立兩端供電式直流配電網模型，其主回路拓撲見圖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，下垂系數初始值K0=0.8。本文在此控制方式下選取兩種擾動方式來分析其動態(tài)響應特征：1）小功率波動仿真分析，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 小功率波動仿真

換流站1在t=3.5 s時受到小功率擾動，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 小功率波動仿真功率波形Fig.7 Simulated power waveforms under low power fluctuation

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

在t=3.5 s時換流站1輸出功率減少，為維持系統(tǒng)電壓，在下垂特性調控下，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)下垂控制和改進下垂控制下，系統(tǒng)電壓都由10 kV降至9.8 kV，與理論計算結果吻合。根據仿真可知，在小功率波動下，改進下垂控制能保持傳統(tǒng)下垂控制的優(yōu)越性，控制性能及動態(tài)響應能力一致，能快速有效地調節(jié)不平衡功率，維持系統(tǒng)電壓。

3.2 大功率波動仿真

在換流站1在t=3.5 s時受到大功率擾動，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，下垂系數波形如圖11所示。

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

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

圖11 下垂系數波形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，符合計算結果。在改進下垂控制下，系統(tǒng)檢測到電壓偏差超出其預先設定值0.5 kV，為加強電壓控制能力，減小系統(tǒng)電壓偏差，下垂系數將進行自我修正，由式（3）、式（6）和式（7）可知，此時α=3.2，下垂系數迅速減小至0，換流站表現為定電壓控制，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，在受到擾動前，系統(tǒng)下垂系數能保持在初始值0.8附近，微小的電壓波動不會對系統(tǒng)造成影響，只有在受到大擾動時，下垂系數會快速自我調整，修正過渡時間為0.06 s。

本文提出的改進下垂控制策略與其他改進下垂控制相比，電壓偏差達到設定限值后，下垂系數會減小至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，通過拋物線函數設計下垂系數，使算法相對簡單，過渡更為平緩。

4 結論

本文通過分析傳統(tǒng)下垂控制策略，說明了該方法的不足之處，提出改進下垂電壓控制策略，詳細分析了其工作原理，設計了改進下垂電壓控制器，并對參數的選取做出說明，該策略保留了傳統(tǒng)下垂控制優(yōu)越的動態(tài)響應能力，同時彌補了該控制方式的不足，通過仿真實驗分析可知：

1）系統(tǒng)受到小功率擾動后，改進下垂控制能保留傳統(tǒng)下垂控制良好的動態(tài)響應能力，同樣可以快速達到新的穩(wěn)定狀態(tài)；

2）系統(tǒng)受到大功率擾動后，在改進下垂控制下，下垂系數將行進自我修正，增強換流站電壓調控能力，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一定范圍內，減小系統(tǒng)電壓偏差。