分布式電源由于具有距離負荷近、輸電損失小、換流環節少、損耗低以及便于可再生能源應用等特點，受到越來越多的關注。隨著社會經濟水平地提高，電力系統中出現了大量的直流負荷，利用直流配電網可以省略交流電網的AC-DC環節，使能耗得到降低。

與交流配電網相比，直流配電網絡本身具有線路成本低、傳輸損耗低、電源可靠性高、節能環保等優勢。因此，建設和發展直流配電網在分布式能源接入、環保等方面具有重大意義。

1 直流配電網系統介紹

1.1 系統拓撲說明

直流配電網的典型結構如圖1所示，主要由風力發電單元、光伏發電單元、儲能單元、負荷單元、聯網變流器這5部分組成。

1）風力發電單元。該研究采用額定風速為12m/s的永磁直驅風力發電機組（wind generation system with permanent magnet synchronous generators, PMSG），并通過電壓型脈沖寬度調制（pulse width modulation, PWM）變流器W-VSC接入DC配電網絡。正常以最大功率跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）方式運行。

2）光伏發電單元。光伏發電單元通過升壓式Boost電路接入DC配電網絡。正常以MPPT方式運行時，可盡可能多的利用光能。

3）儲能單元。儲能方式為蓄電池儲能，通過雙向DC/DC變換器Bi-DC接入DC配電網絡。在AC主網功率受限或孤島狀態下，儲能單元向系統輸送功率，穩定直流電壓，以確保功率平衡及系統穩定運行。在AC主網正常情況下，電池充電狀態或為后備電源。

圖1 直流配電網系統的結構示意圖

4）負荷單元。DC負載直接或通過Buck降壓式電路接入DC配電網絡[2]，AC負荷通過電壓型逆變器L-VSC接入DC配電網絡。當電源有功功率不足時，需要根據負荷的優先級進行減載控制，以保證DC配電網絡的功率平衡及重要負荷的不間斷供電。

5）并網變流器。DC配電網絡通過電壓型PWM變流器G-VSC接入AC主網絡。當DC配電網絡正常并網運行時，G-VSC通過控制直流電壓的穩定來確保直流配電網絡內有功功率平衡。

1.2 拓撲優勢說明

采用如圖1所示的拓撲結構，具備以下優勢：

• 1）直流負荷、交流負荷和風光儲新能源分別集中分布，風光儲之間可以相互平滑功率，負荷具有較好的可擴展性。
• 2）直流負荷和交流負荷都有兩路供電，即交流主網供電和風光儲新能源供電，供電可靠性高。
• 3）風光儲電源可以經直流負荷或交流負荷送入電網，減小線路故障時的送出功率損失。

2 直流配電網的控制

2.1 控制策略說明

直流配電網的控制系統采用分散自律的一次調壓和主從控制的二次調壓以及三次調壓，分別負責直流配電網的穩定運行、減小電壓偏差以及優化運行。其整體控制體系框圖如圖2所示。

1）直流配電網的一次調壓（略）

各端根據直流電壓分層，自動參與系統一次調壓，各端的一次調壓器的控制特性如圖3所示。

圖2 直流配電網整體控制體系框圖

圖3 一次調壓器的控制特性

2）直流配電網的二次調壓

通過一次調壓可確保系統的穩定運行，以交流主網換流器為主控系統，可進一步優化系統運行狀態，其中二次調壓負責電網在多次有功擾動電壓偏差較大時，改變下垂特性初值績效系統電壓總偏差。根據是否考慮網損，分為以下兩種情況：（1）不考慮網損時，使得總的直流電壓偏移最小；（2）直流電壓偏移滿足一定范圍時，以網損最小為優化目標，計算參與二次調壓的電壓給定值。

3）直流配電網的三次調壓

一次調壓和二次調壓為有功擾動后的調節，三次調壓為事前的優化控制，根據優化目標為系統運行成本還是新能源利用率，可分為以下兩種情況。

• 目標1：直流配電網的運行成本最小，如上網電價低時儲能，電價高時多給系統輸送功率。
• 目標2：新能源的利用率最高，如預報未來大風，則儲能先放電，以便未來能吸收更多風能。

2.2 電壓分段下垂、多點協同的控制策略

基于電壓分段下垂控制的策略為：①第一段為主調壓，以主網換流器和可控電源為主；②第二段為備用電壓調節，主要采用儲能，主網變流器限流或發生故障時提供備用支持；③第三段為緊急調壓，風電光伏進行高頻降額，負荷進行低頻減載。

從圖4中可見，可將該控制策略分為3層：第一層控制由并網轉換器G-VSC控制，電壓保持在0.98～1.02p.u.的范圍內；第二層由電池側轉換器B-DC進行電壓控制，維持電壓在0.95～0.98p.u.或1.02～1.05p.u.的范圍內；當電壓高于1.05p.u.時，PMSG脫網運行，當電壓低于0.95p.u.時，根據優先級切除負載。

圖4 直流配電網電壓分層協調控制策略

3 仿真（略）

為驗證所提控制策略的有效性，利用Matlab/ Simulink仿真軟件搭建了如圖1所示的仿真系統。運行參數如圖1標識，風機額定轉速為75r/min，W-VSC的額定容量為20kW（對應風速為12m/s）；光伏發電系統按額定輻射強度為1000W/m2，升壓Boost-DC的額定容量為20kW；交流負荷L1、L2的參數為AC 380V/10kW，直流負荷L3、L4的參數為300V/10kW，降壓Buck-DC換流器的額定容量為20kW。

仿真初設條件為：風速初始值為9m/s，風電機組在最大功率跟蹤，輸出功率約為10kW；光伏發電系統MPPT狀態下運行，額定光強條件下輸出功率約為20kW；蓄電池處于后備狀態，輸出功率為0；AC負荷L1和DC負荷L3接入配電網，負荷總功率為20kW。采用基于電壓下垂的分層控制，如圖5所示。

在模擬中，各端換流器的功率以流入直流配電網為正方向。

圖5 基于電壓下垂的分層協調控制策略

1）聯網自由運行的仿真分析

圖6 聯網自由模式下直流配電網的運行特性

2）光伏板切除、風機降功率運行時直流配電網的仿真分析

圖7 光伏板切除、風機降功率運行時直流配電網的仿真分析

3）負荷減載運行的仿真分析

圖8 負荷減載運行時直流配電網的運行特性

綜合以上仿真算例可以看出，在基于電壓下垂的分層控制下，直流配電網各端換流器無需相互通信，實現了各種運行狀態的平滑切換。為了減少由一次調壓引起的電壓偏差，二次調壓、三次調壓能有效實現系統內各端換流站的最小總DC電壓偏移。

結論

本文主要針對直流配電網中存在的功率平衡和電壓波動的問題，提出了一種新型分層協調控制方法，具有一定創新性。文中主要對該方法的控制策略進行說明，并通過仿真表明該策略可以快速、實時地響應系統中的電壓穩定和功率平衡，具有很強的調節能力，能夠實現各種運行狀態的平滑切換。