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摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的直流配电工程的发展也突飞猛进。分布式电源由于具有距离负荷近、输电损失小、换流环节少、损耗低以及便于可再生能源应用等特点，受到越来越多的关注。随着社会经济水平地提高，电力系统中出现了大量的直流负荷，利用直流配电网可以省略交流电网的AC-DC环节，使能耗得到降低。与交流配电网相比，直流配电网络本身具有线路成本低、传输损耗低、电源可靠性高、节能环保等优势。因此，建设和发展直流配电网在分布式能源接入、环保等方面具有重大意义。
关键词：直流配电网;运行控制;关键技术研究综述
引言
以柔性直流为基础的配电网柔性互联与交直流混合配电网结构将给传统的配电系统运行方式带来巨大变革和挑战。介绍一个含大规模新能源接入、集中式储能和负荷，以及融合交、直流微电网的典型多端直流配电网系统，并阐述了基本的分层运行控制框架;然后针对底层稳定控制，分析了直流配电网电压基本控制策略;接着从直流配电网电压波动抑制、直流配电网稳定与阻尼控制，以及直流配电网多运行模式切换控制3个方面综述了提升直流配电网稳定性的关键控制技术。
1直流配电网分层运行控制框架
本文提出就地控制层、协调控制层以及能量优化3层控制体系。就地控制器属于装置级控制层，直流配电网内各装置或子系统仅通过实时就地量测的电气量信息进行快速稳定控制;协调控制层以及优化控制尽管时间尺度不同，但均会涉及到多装置间或多子系统间，甚至系统全局的运行、控制状态等数据的交互和通信，本文将其统一归纳为系统级控制，主要目的是对直流配电网进行协调控制及实现全局优化运行。需要指出的是，针对不同拓扑结构的直流配电网，根据系统运行方式和控制目标的不同，应选择合理的就地控制器算法和系统级协调优化控制策略。在就地控制层，关键控制目标之一便是直流电压稳定控制，拓扑结构和运行方式对直流电压控制方式的影响较大;对于系统级控制来说，简单直流配电网可以采用集中优化控制，而对于复杂直流配电网，为保证多尺度协调控制的高可靠性、灵活性，分布式协同优化不失为一种可行方案。简单来说，直流配电网就地控制层主要解决的是系统受到扰动（如新能源出力或负荷波动、系统运行模式变化等）后的快速功率平衡及稳定控制问题;系统级控制则主要是解决长时间尺度下直流配电网的优化运行问题。本文主要从这2方面对现有研究成果进行综述。
2优化措施分析
2.1提高直流电压控制单元的动态响应以抑制直流电压波动
直流电压控制单元一般采用电压/电流双环控制，在控制参数设计时通常需要在稳定性和动态响应方面进行折衷考虑，即如果考虑提升控制系统的稳定性，就必然需要牺牲动态响应速度，从而难以有效抑制直流电压大的波动和冲击。为解决上述问题，提出了基于扰动电流或功率前馈的直流母线电压控制方法。扰动电流或功率作为前馈控制量，既可以通过增加电流传感器直接量测得到，也可以通过基于观测器的方法获得。提出了非线性鲁棒电流前馈控制策略，基于扩张状态观测器与终端滑模控制技术，实现了对负载电流的实时估计和前馈控制。本团队则设计出一种原理简单，且易于实施的扰动电流或功率非线性干扰观测器，并进一步探讨了该方法在多端直流微电网下垂控制中的可行性和应用，理论研究和实验结果表明，基于非线性干扰观测器和下垂控制相结合的直流电压鲁棒自治控制方法可以集成两者的优势，即实现快速动态响应和即插即用，同时还能有效提高系统的稳定性。
2.2直流配电网虚拟同步机控制
从功率同步控制和虚拟同步机控制的原理可以看出，二者在控制系统的构造上具有相同之处，均利用了同步机中有功功率与功角之间的关系。但是二者的应用场景不同，控制目标和功能不同。功率同步控制将变流器模拟为电动机，主要针对于分布式电源或直流配电网变流器与弱交流系统的连接，通过功率同步控制在实现有功功率传输的同时进行锁相，虽然可以为交流系统提供一定的惯性支撑，但是主动调频能力较差。虚拟同步电机控制则将变流器等效为同步发电机，其控制系统依旧依赖PLL的锁相功能。通过虚拟同步机控制，不仅可以增加配电网的惯性，稳定功率波动带来的频率偏移，提高电能质量，同时由于采用虚拟同步机控制的惯性时间常数、阻尼系数、下垂系数等都可以随着系统运行状态而调整，虚拟同步机的性能随着控制目标、功率计算方法、解耦方法、内环控制方法等的不同而适应于多种场景。因此，虚拟同步机控制可以用于系统稳定性增强、系统谐振抑制、低电压穿越、分布式电源接入、无源网络供电等不同场景。用于交直流配电网柔性互联，当交流侧电网本地同步发电机退出运行时，配电网突变为无源网络，虚拟同步机控制不需要做任何切换即可以实现有源网络与无源网络的切换，提升了柔性直流配电系统适应复杂网络变化的能力。虚拟同步机技术对现有并网技术有一定的提升，有利于交直流配电网柔性互联，增强了直流配电网对无源交流配电网的供电能力。但是采用虚拟同步机控制在利用同步机优点的同时引入了同步机的一些弊端，继承了同步机的振荡特性，因此，系统多机并联参数协同优化以及系统的阻尼控制均有待于进一步研究。
2.3直流配电网多运行模式切换控制
直流配电网系统级多运行模式平滑切换控制，总结指出多端直流配电网存在多端供电、单端供电、多端隔离及STATCOM等主要运行模式。保证直流电压稳定控制是实现直流配电网不同模式间平滑切换的关键。若将接入直流配电网的主要装置或系统分为平衡单元和功率单元（其中平衡单元为进行直流电压控制的装置或系统，功率单元为采用功率调度模式的DC-AC换流站、分布式电源或储能或进行最大功率跟踪的可再生能源发电系统），则直流配电网多运行模式切换控制主要是系统中平衡单元和功率单元的协调控制。对于计划性运行模式切换，直流配电网可通过集中控制系统根据预先计划好的运行模式对底层的平衡单元和功率单元进行协调控制。若是平衡单元故障、直流线路断开等导致的直流配电网非计划性运行状态改变，则只有依靠功率单元的就地快速控制才有可能实现系统的暂态稳定和运行模式的平滑切换，从而为上层控制系统感知、调整和优化直流配电网实际运行状态奠定基础。
结语
直流配电网络特征明显，各端口均采取相应的控制策略，以实现分散自律并集中为负荷供电。因此，基于控制策略的网络分析能够更好的反映直流配电网的实际运行情况，为后续直流配电网相关研究提供了精确的潮流网络模型。本文还提出了适宜于直流配电网的运行优化模型，通过求解优化模型可以得到直流配电网的运行最优控制参数，满足系统运行所需条件，直流配电网的网损达到最小，新能源能够得到最高效的利用，为各端口控制策略提供了参数设计优化方案。
参考文献
[1]裴玮，盛鹍，孔力，等.分布式电源对配网供电电压质量的影响与改善[J].中国电机工程学报，2008，28（13）：152-157.
[2]钱科军，袁越，ZhouCheng-ke.分布式发电对配电网可靠性的影响研究[J].电网技术，2008，32（11）：74-78.
[3]魯宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：100-107.
[4]王毅，张丽荣，李和明，刘均鹏.风电直流微网的电压分层协调控制[J].中国电机工程学报，2013，04：16-24+4.
[5]简志惠.一种直流微电网的分层能量管理控制策略研究[D].重庆：西南交通大学，2014.
[6]冯延明.含分布式电源的直流配电网及储能规划[D].北京：华北电力大学，2013.
关键词：直流配电网;运行控制;关键技术研究综述
引言
以柔性直流为基础的配电网柔性互联与交直流混合配电网结构将给传统的配电系统运行方式带来巨大变革和挑战。介绍一个含大规模新能源接入、集中式储能和负荷，以及融合交、直流微电网的典型多端直流配电网系统，并阐述了基本的分层运行控制框架;然后针对底层稳定控制，分析了直流配电网电压基本控制策略;接着从直流配电网电压波动抑制、直流配电网稳定与阻尼控制，以及直流配电网多运行模式切换控制3个方面综述了提升直流配电网稳定性的关键控制技术。
1直流配电网分层运行控制框架
本文提出就地控制层、协调控制层以及能量优化3层控制体系。就地控制器属于装置级控制层，直流配电网内各装置或子系统仅通过实时就地量测的电气量信息进行快速稳定控制;协调控制层以及优化控制尽管时间尺度不同，但均会涉及到多装置间或多子系统间，甚至系统全局的运行、控制状态等数据的交互和通信，本文将其统一归纳为系统级控制，主要目的是对直流配电网进行协调控制及实现全局优化运行。需要指出的是，针对不同拓扑结构的直流配电网，根据系统运行方式和控制目标的不同，应选择合理的就地控制器算法和系统级协调优化控制策略。在就地控制层，关键控制目标之一便是直流电压稳定控制，拓扑结构和运行方式对直流电压控制方式的影响较大;对于系统级控制来说，简单直流配电网可以采用集中优化控制，而对于复杂直流配电网，为保证多尺度协调控制的高可靠性、灵活性，分布式协同优化不失为一种可行方案。简单来说，直流配电网就地控制层主要解决的是系统受到扰动（如新能源出力或负荷波动、系统运行模式变化等）后的快速功率平衡及稳定控制问题;系统级控制则主要是解决长时间尺度下直流配电网的优化运行问题。本文主要从这2方面对现有研究成果进行综述。
2优化措施分析
2.1提高直流电压控制单元的动态响应以抑制直流电压波动
直流电压控制单元一般采用电压/电流双环控制，在控制参数设计时通常需要在稳定性和动态响应方面进行折衷考虑，即如果考虑提升控制系统的稳定性，就必然需要牺牲动态响应速度，从而难以有效抑制直流电压大的波动和冲击。为解决上述问题，提出了基于扰动电流或功率前馈的直流母线电压控制方法。扰动电流或功率作为前馈控制量，既可以通过增加电流传感器直接量测得到，也可以通过基于观测器的方法获得。提出了非线性鲁棒电流前馈控制策略，基于扩张状态观测器与终端滑模控制技术，实现了对负载电流的实时估计和前馈控制。本团队则设计出一种原理简单，且易于实施的扰动电流或功率非线性干扰观测器，并进一步探讨了该方法在多端直流微电网下垂控制中的可行性和应用，理论研究和实验结果表明，基于非线性干扰观测器和下垂控制相结合的直流电压鲁棒自治控制方法可以集成两者的优势，即实现快速动态响应和即插即用，同时还能有效提高系统的稳定性。
2.2直流配电网虚拟同步机控制
从功率同步控制和虚拟同步机控制的原理可以看出，二者在控制系统的构造上具有相同之处，均利用了同步机中有功功率与功角之间的关系。但是二者的应用场景不同，控制目标和功能不同。功率同步控制将变流器模拟为电动机，主要针对于分布式电源或直流配电网变流器与弱交流系统的连接，通过功率同步控制在实现有功功率传输的同时进行锁相，虽然可以为交流系统提供一定的惯性支撑，但是主动调频能力较差。虚拟同步电机控制则将变流器等效为同步发电机，其控制系统依旧依赖PLL的锁相功能。通过虚拟同步机控制，不仅可以增加配电网的惯性，稳定功率波动带来的频率偏移，提高电能质量，同时由于采用虚拟同步机控制的惯性时间常数、阻尼系数、下垂系数等都可以随着系统运行状态而调整，虚拟同步机的性能随着控制目标、功率计算方法、解耦方法、内环控制方法等的不同而适应于多种场景。因此，虚拟同步机控制可以用于系统稳定性增强、系统谐振抑制、低电压穿越、分布式电源接入、无源网络供电等不同场景。用于交直流配电网柔性互联，当交流侧电网本地同步发电机退出运行时，配电网突变为无源网络，虚拟同步机控制不需要做任何切换即可以实现有源网络与无源网络的切换，提升了柔性直流配电系统适应复杂网络变化的能力。虚拟同步机技术对现有并网技术有一定的提升，有利于交直流配电网柔性互联，增强了直流配电网对无源交流配电网的供电能力。但是采用虚拟同步机控制在利用同步机优点的同时引入了同步机的一些弊端，继承了同步机的振荡特性，因此，系统多机并联参数协同优化以及系统的阻尼控制均有待于进一步研究。
2.3直流配电网多运行模式切换控制
直流配电网系统级多运行模式平滑切换控制，总结指出多端直流配电网存在多端供电、单端供电、多端隔离及STATCOM等主要运行模式。保证直流电压稳定控制是实现直流配电网不同模式间平滑切换的关键。若将接入直流配电网的主要装置或系统分为平衡单元和功率单元（其中平衡单元为进行直流电压控制的装置或系统，功率单元为采用功率调度模式的DC-AC换流站、分布式电源或储能或进行最大功率跟踪的可再生能源发电系统），则直流配电网多运行模式切换控制主要是系统中平衡单元和功率单元的协调控制。对于计划性运行模式切换，直流配电网可通过集中控制系统根据预先计划好的运行模式对底层的平衡单元和功率单元进行协调控制。若是平衡单元故障、直流线路断开等导致的直流配电网非计划性运行状态改变，则只有依靠功率单元的就地快速控制才有可能实现系统的暂态稳定和运行模式的平滑切换，从而为上层控制系统感知、调整和优化直流配电网实际运行状态奠定基础。
结语
直流配电网络特征明显，各端口均采取相应的控制策略，以实现分散自律并集中为负荷供电。因此，基于控制策略的网络分析能够更好的反映直流配电网的实际运行情况，为后续直流配电网相关研究提供了精确的潮流网络模型。本文还提出了适宜于直流配电网的运行优化模型，通过求解优化模型可以得到直流配电网的运行最优控制参数，满足系统运行所需条件，直流配电网的网损达到最小，新能源能够得到最高效的利用，为各端口控制策略提供了参数设计优化方案。
参考文献
[1]裴玮，盛鹍，孔力，等.分布式电源对配网供电电压质量的影响与改善[J].中国电机工程学报，2008，28（13）：152-157.
[2]钱科军，袁越，ZhouCheng-ke.分布式发电对配电网可靠性的影响研究[J].电网技术，2008，32（11）：74-78.
[3]魯宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：100-107.
[4]王毅，张丽荣，李和明，刘均鹏.风电直流微网的电压分层协调控制[J].中国电机工程学报，2013，04：16-24+4.
[5]简志惠.一种直流微电网的分层能量管理控制策略研究[D].重庆：西南交通大学，2014.
[6]冯延明.含分布式电源的直流配电网及储能规划[D].北京：华北电力大学，2013.