考虑分布式储能参与的直流配电网电压柔性控制策略
2017第六届新能源发电系统技术创新大会
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请关注微信号“电气技术”。
湖南大学电气与信息工程学院的研究人员贺悝、李勇、曹一家、王炜宇，在2017年第10期《电工技术学报》上撰文，针对多节点直流配电网电压稳定性差且控制困难的问题，提出一种考虑分布式储能参与的直流配电网电压柔性控制策略。
首先，分析直流配电网的拓扑结构，指出了现有控制策略在多节点电压调节方面的不足以及分布式储能参与调压的可行性。其次，推导配电网中交直流接口的电压-频率耦合关系以及双向直流接口的级联下垂特性。针对配电网端口交直流断面，将交流电网的频率波动经虚拟惯性作用与直流电压波动建立联系，生成虚拟电压差以控制储能响应频率波动，减小直流配电网的接入对交流电网的影响。
针对配电网-微网变流器断面，依据接口类型的不同设计分布式储能单元的控制策略，使其响应配电网节点电压的变化，增强功率波动时直流电压动态稳定性，减小配电网运行模式切换的可能性。该策略仅需本地节点信息，无需通信，可扩展性好。
最后，建立典型的两端直流配电网的仿真模型，通过系统仿真证明了所提柔性电压控制策略的有效性。
随着环境问题和能源危机的凸显，分布式能源及具有区域自治特性的微电网近年来成为研究热点[1-3]，高渗透率的可再生能源接入将极大地改变传统电力系统的运行特性，在优化用户配电网供电性能的同时，也给电网的安全可靠运行带来了新的挑战[4]。
传统交流配电网由于功率耦合、保护及运行控制器设计复杂、线路损耗大、对谐波污染敏感等缺陷并不适合分布式能源的广泛接入。直流配电网具有传输容量高、电能损耗小、对分布式新能源具有良好兼容性、降低电能多级变换频率等优势[5-7]，因此直流配电网将成为未来配电网建设和发展的趋势和热点。
直流电网电压与功率平衡的关系将决定直流配电网稳定运行，因此电压稳定是反映直流配电网稳定性的重要指标[8]。目前对于直流配电网的电压控制策略尚无成熟方案，主要借鉴柔性直流输电及直流微网的电压控制策略。
文献[9,10]提出基于高带宽通信的主从控制策略，即选择某一换流站作平衡节点，其余换流站定功率控制，此策略实现简单，但过于依赖站间通信，可靠性不高。文献[11]提出利用自适应下垂控制策略，即利用给定直流电压与换流站功率的斜率关系进行多端直流系统的电压控制，此策略无需通信，但存在稳定运行偏差，且下垂系数的整定较为复杂，不恰当的系数选取可能引起系统潮流混乱甚至失稳。
文献[12]提出一种分层式直流微网电压控制策略，在一次有差下垂控制的基础上，引入二次电压调整从而实现电压质量的提升，但由于直流配电网节点数量多，潮流复杂，此方法在分布式控制的前提下难以实现。此外，由于电力电子器件的广泛使用，将与直流配电网相连的外源交流电网视为无穷大电源已不再合适[13]，配电网端口变流器在考虑稳定电压的同时，需要适当考虑缓解其对交流电网的频率影响。
为减小分布式电源功率波动特性的影响，储能（Energy Storage, ES）装置获得了广泛应用[14,15]。直流配电网中的储能单元多为分布式布局：一种为独立配置的储能单元，通过双向DC-DC变换器挂接于配电网节点，追踪直流电压变化，控制方式与端口换流站相同；另一种为配置于微网内部的储能单元。
配置于微网内部的储能单元有两种运行模式：①储能单元在微网并网运行时不起动，在微网孤岛运行时作为备用电源起动，则并网运行时配电网的功率调节负担较重[16]；②根据负荷预测数据，储能单元在并网运行时承担全部净功率变化量，不能平抑的部分由配电网承担[17]。以上运行方式存在储能在单一模式下闲置率过高或依赖历史数据控制精度低的不足。
随着直流配电网规模的扩大，节点数增多，远离换流站的节点电压控制变得愈加复杂和困难；其次，可再生能源功率的高渗透率随机频繁波动亦给系统稳定运行带来极大挑战。
本文首先分析典型直流配电网的组成、不同节点运行控制方法；然后研究配电网交直流接口、双向直流接口的虚拟惯性及功率级联下垂特性，并基于此提出一种含分布式储能参与的配电网调压控制策略。该策略无需通信，可提升配电网电压的动态稳定性，减小直流配电网功率波动对交流电网的影响。最后，为证明所提控制策略的有效性，搭建直流配电网的仿真模型，并与传统控制策略进行了对比。
图1 不同类型配电网节点的控制策略示意图
结论
本文针对直流配电网提出了一种含分布式储能参与的电压调节策略。通过理论推导配电网交直流接口电压频率耦合关系以及双向直流接口级联下垂特性，控制相应节点储能单元补偿电压波动及电网频率波动，设计了其控制策略及基本参数。通过系统仿真证明了所提控制策略的有效性。
研究结果表明，基于所提电压控制策略，可有效减小功率变化时直流配电网母线电压的波动及其对交流大电网的影响，提升系统鲁棒性与故障穿越能力，在保护储能单元的同时，充分利用了其功率调节裕量。本文为多端多节点直流配电网电压控制及储能单元的系统级管控提供了一种新的方法。