上海师大学者提出变流器的自治控制策略，可提升直流配电网可靠性
针对柔性直流配电网中混合拓扑模块化多电平换流器（MMC）应用，上海师范大学信息与机电工程学院的研究人员吴杰、李传江、周鸣、茅红伟，在2020年第24期《电工技术学报》上撰文，提出了一种适用于其并网和孤岛运行的自治控制策略，以提高直流配电网的可靠性。柔性直流配电网（FDCDN）具有便于直流用电设备和新能源发电系统接入，高度的可控性和灵活性等优点，已成为继柔性直流输电技术之后新的学术和工程研究热点之一，且相比传统的交流配电网，直流配电网具有强大的节能优势，因此发展前景巨大。目前，一些国家已开展对直流配电网的研究，国外主要有美国佛吉尼亚理工大学CPES（center for power elec- tronics systems）中心提出的四级分层交直流混合配电系统和德国亚琛大学于2014年开始建设的10kV直流网络等。国内主要有2017年8月投运的浙江上虞交直流混合微电网示范工程、2018年12月投运的珠海“智慧能源示范工程”和张北柔性交直流配电网科技示范工程等。
直流配电网主要包含分布式电源、储能系统、直流变压器以及换流器等核心单元，可为新能源提供并网接口，对直流负荷供电，但其电压等级尚无明确规定。国际大电网委员会（CIGRE）于2015年7月成立SC6.31《直流配电可行性研究》专题小组，研究和推广中压直流配电网技术，初步认为配电的电压等级范围在1.5kV～100kV之间比较合理。直流配电网电压等级覆盖范围较宽，并且支持现代直流微电网接入，组成广域直流配电系统，但其控制技术相对复杂，运行方式也更加灵活多样，通常采用分层控制，顶层包括网络中分布式发电系统的优化调度、出力和负荷预测，以及网络损耗优化等；底层控制主要为变流器控制技术，实现直流网络节点的功率和电压幅值、频率等电气量指标的跟踪控制以及与交流系统间的离并网转换等功能。底层控制与柔性直流输电系统中的变流器级的控制功能类似，但所实现的控制功能更加复杂。
接入直流网络的负荷中包含大量电力电子类恒功率负荷，负荷特性与传统交流电网完全不同，传统变流器控制技术难以同时满足系统稳定性和控制模式灵活切换等需求。变流器自治控制（grid- forming control）近期由CIGRE委员会组织会议制定研究计划，其核心思想覆盖和改进了现有变流器虚拟同步机（VSG）等先进控制策略的概念，认为现代电力系统不应该仅仅是对传统同步发电机特性的模拟，而应以自主运行为目标设计变流器控制系统，实现孤岛和并网运行的独立控制、平滑切换等，减小对网络通信的依赖。具体控制策略包括现有的虚拟同步机控制、下垂控制、虚拟阻抗控制等，以实现变流器的自治运行。自治控制思想尤其适用于直流配电网中变流器控制结构设计，目前大部分研究工作基于虚拟同步机及其改进策略实现变流器的自主运行，有学者模拟同步发电机的有功-频率间的惯性环节，设计变流器有功控制环，稳态运行中不依赖于锁相环（PLL），并提出幅值和相位预同步环节，用于变流器孤岛和并网运行控制的平滑切换。但其电流内环基于两电平变流器交流侧LC输出滤波器构造，对于通常经电抗器直接并网的模块化多电平换流器（MMC），其电流内环控制结构无法直接应用。
目前，研究主要针对VSG外环进行了详细分析，对电流内环分析较少。对此，有学者由VSG控制环节直接输出有功电流指令信号，由电流内环产生同步相位，实现电流的直接控制，并应用于直流配电网，建立系统状态方程，详细分析和优化了系统控制性能。有学者在此基础上进一步分析了功角对有功和无功电流控制的耦合作用，在调制信号中叠加解耦控制量。有学者分别设计了有功功率-虚拟转矩下垂控制和直流电压-频率下垂控制功能，并引入虚拟惯性环节，提高系统频率响应特性，同时该环节输出电网同步信号，参与传统的同步旋转坐标系下双闭环（功率外环和电流内环）控制，省去PLL实现有功、无功功率控制。有学者通过构造变流器直流输出电流和直流电压间的惯性控制环节模拟变流器的同步发电机特性，并引入输出电流前馈控制通道，改善暂态直流电压波形质量。有学者在VSG控制外环基础上，设计虚拟阻抗控制环节，利用变流器输出电压和电网电压直接计算流过虚拟阻抗的电流作为电流内环指令信号，适用于经电抗器直接并网的变流器。有学者进一步提出同步虚拟阻抗，系统状态方程特征根仅由同步虚拟阻抗参数决定，避免系统交流侧实际阻抗参数对控制性能的影响。有学者对比了变流器下垂控制和虚拟惯性控制策略在功率阶跃、电网频率变化等工况下的响应特性，说明利用虚拟惯性方法实现变流器自治控制，动态过程中具有较小的超调量和较慢的频率变化过程。由于较大规模直流配电网电压等级通常较高（±10kV及以上等级），其变流器应采用MMC结构，且应具有直流故障穿越能力，有学者针对混合拓扑提出冗余模块的配置方法。有学者针对混合拓扑负电平输出特性，提出一种子模块电容值的计算方法。有学者提出一种增强型子模块和半桥子模块级联的混合拓扑，可清除直流故障。有学者针对全桥-半桥混合拓扑提出一种直流故障穿越方法。综上所述，换流阀是直流配电网的核心设备之一，全桥-半桥混合拓扑换流阀具备直流故障处理能力，且换流阀损耗和成本均低于纯全桥拓扑，尤其适用于中大规模直流配电网。且在混合MMC拓扑的主回路参数设计和故障穿越等方面已有相关研究成果可供借鉴，因此柔性直流配电网可采用全桥-半桥混合拓扑的MMC。但在换流器级的控制策略方面，现有研究成果大都以两电平变流器为研究对象，而两电平变流器阻抗特性与MMC存在很大差别，对MMC的自治控制尤其是针对混合拓扑的应用研究相对较少。因此，针对适用于混合拓扑MMC的惯性模拟方法，上海师范大学信息与机电工程学院的研究人员提出基于全桥-半桥混合MMC的柔性直流配电网变流器自治控制策略，以提高直流配电网的可靠性。
基于混合MMC的柔性直流配电网自治控制策略能够模拟同步发电机惯性，但并不完全仿造发电机特性。所设计的桥臂电容电压平均值外环，利用MMC自身模块电容实现交直流暂态不平衡功率的缓冲，实现类似同步机的转子惯性功能；设计的电流内环能够有效改善常规VSG策略的电流控制能力，抑制暂态过程中电流波动，实现暂态直流故障穿越；同时也可避免直流配电网中变流器间出现类似传统交流系统的低频振荡现象等。
自治控制通过子模块电压平均值外环调节换流阀输出电压角频率，获得相位信息，不依赖锁相环进行坐标变换，基于提出的电流内环构造方法，MMC在孤岛运行过程中也为双闭环控制结构（电容电压平均值/无功功率外环和电流内环），即孤岛运行和并网运行均可采用统一的内环控制结构，易于实现变流器控制模式的平滑切换。通过孤岛运行模式下传统控制策略和自治控制仿真结果的对比，表明所提出控制方法能有效抑制直流网络中负载突变时电流振荡。对于直流短路故障，混合拓扑MMC可利用直流电压控制环节快速降低换流阀直流输出电压，抑制短路电流的上升。仿真中出现电容电压上升情况，虽然电压仍在设备可承受范围内，但在实际工程中仍需考虑适当增加子模块电容容量或进一步优化控制器响应速度，这也是后续继续优化的方向之一。综上所述，自治控制技术应用于混合拓扑MMC，具备直流故障清除能力，满足电力电子设备比例较高、新能源大量接入的直流配电网的需求，能为直流网络提供一定的惯性，提高其运行的可靠性，具有广阔的应用前景。
以上研究成果发表在2020年第24期《电工技术学报》，论文标题为“柔性直流配电网混合拓扑变流器的自治控制”，作者为吴杰、李传江、周鸣、茅红伟。
