直流配电网的离网换流器无扰并网控制策略

Part 1

背景及意义

      交流配电技术以其电压变换容易、继电保护技术成熟、可通过无功调节电压等优点被广泛使用。但随着分布式电源的迅速推广、终端直流负荷的大量出现、城市用电需求的急剧上升，交流配电系统的大损耗、低质量、低可靠性的弊端也逐渐显现，此时，直流配电技术凭借安全、可靠、环保、经济等优势，重新回归到国内外学者的视野中。直流配电系统是“广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控”的新型电力系统，不但可以消纳分布式电源，增强电网弹性，提升供配电可靠性，而且能够助力实现“碳达峰、碳中和”。

       AC/DC换流器作为直流配电网中关键的设备，是直流系统与风电、燃气轮机、传统交流配系统进行潮流交互的中间桥梁，起到电能变换和潮流控制的作用。在直流配网故障恢复或是分布式电源接入电网时，都涉及离网AC/DC换流器的并网操作。当离网换流器再并网恢复时，若不采用有效的并网控制策略，易对系统产生扰动而诱发二次故障。文章针对该问题，提出了一种基于控制模式切换的离网AC/DC换流器无扰并网控制策略，可将刚性扰动转化为柔性扰动，抑制换流器并网所产生的冲击电流和电压振荡。

      离网换流器并网扰动可分为两部分：离网换流器闭锁状态并网的电容充电和换流器工作状态并网的电压调节。电容充电扰动采用带旁路的限流电阻即可抑制，文章不再赘述。电压调节在系统中表现为电压振荡，其成因是并网点两侧的电气量不匹配导致并网后系统电压的升高或跌落，若线路阻抗较小就会产生冲击电流。当并网过程涉及换流器控制策略切换时，控制器输出前后不一致也会引起换流器输出电压变化。

     离网换流器逆变方式并网实际是换流器无源逆变转换为有源逆变的过程。换流器无源逆变采用LC滤波的定交流电压控制，确保并网点两侧交流电压幅值相近，其控制器结构下图虚线框所示。采样电压和电流坐标变换的相位角由软件锁相环(SPLL)提供，使并网点两侧电压的频率和相位一致。并网后的有源逆变采用LCL滤波的并网电流控制策略，其结构如图1所示。若要实现电压电流无缝衔接，要求保持内环状态不变，避免电容电压环和交流侧电流环的再次调节而产生扰动。

图1 换流器逆变方式无扰并网控制结构图

      离网换流器并网前，采用定直流电压控制，确保输出电压与直流电网电压相近；并网后，换流器控制策略切换为功率控制，从而，恢复系统的协调控制能力。定直流电压控制和功率控制有相同的电流内环，同理采用内环状态保持的方法实现换流器输出电压电流的无缝衔接，控制结构如图2所示。

图2 换流器整流方式无扰并网控制结构图

(a)并网点两侧A相电压

(b)电网侧电流

(c)换流器交流侧电流

图3  换流器逆变方式并网的交流侧主要波形图

(a)并网点两侧直流电压

(b)两端换流器的直流电流

图4  换流器整流方式并网的直流侧主要波形

       通过仿真对这两种并网方式的扰动进行测量，结果表明：两种并网方式均能大幅减少并网扰动以及实现电压和电流在模式切换时能无缝衔接。