摘要：直流电网的控制策略是保证其稳定运行的关键，而联网设备是实现其控制策略的主体。相对于多端直流系统，直流电网拓扑结构和电力电子设备的复杂度提高，这对其控制策略提出了新的要求。首先归纳了直流电网的定义并给出典型拓扑，分析了直流电网各联网设备的功能，并总结了直流电网的技术特点，由此提出对其控制策略的要求。然后结合直流电网联网设备的特性，分别总结了直流电网基本控制策略、潮流优化控制策略和故障控制策略等关键问题的国内外研究进展。最后在此基础上提出了直流电网控制策略方面亟待研究的一些问题，为未来的研究工作提供参考。
关键词：直流电网；控制策略；潮流控制；直流潮流控制器
引言
随着我国社会经济的发展，负荷需求不断增加，新能源发电基地更加广泛地接入电网，直流输电越来越多地应用于新能源并网，远距离、大容量电力传输及交流系统异步互联等方面。近年来，我国电网出现了多电源供电、多落点受电等应用场景，传统的两端直流输电系统已无法满足可靠性、灵活性和经济性的要求，多端直流输电系统应运而生。多端直流输电系统网架结构的日益复杂化和器件的丰富化使得直流电网初具雏形。直流电网具有冗余线路，可形成网孔，供电可靠性大大增强，在大规模分布式可再生能源接入等方面具有广阔的应用前景。
1直流电网的定义、技术特点及控制要求
1.1直流电网的定义
目前，各学者提出了直流电网的不同定义，尚无统一的说法。提出直流电网是以直流输电技术为基础，由大量直流线路互联组成的能量传输系统。直流电网是由含有网孔的直流线路连接换流器、DC/DC变换器、直流潮流控制器DCPFC、直流断路器（directcurrentbreaker，DCB）等器件构成的能量传输系统，具有高度可控性。换流站连接外部新能源发电基地、交流电网和直流电网。在直流电网内部，由直流线路连接直流电网各元件；由DC/DC变换器实现直流电网多个电压等级的转换；直流线路上配置DCPFC以优化直流电网潮流分布；直流线路两端配置直流断路器，以进行直流故障的隔离。
1.2直流电网的技术特点
直流电网是多端直流系统的进一步发展阶段。不同于多用于新能源接入场合、电压等级较低的多端直流系统，今后直流电网将与交流电网并存，共同组成未来广域内主干网架。直流电网的主要技术特点如下：
1）直流电网相对于多端直流系统功能更加完善，换流器、DC/DC变换器、直流断路器、DCPFC等元件均可参与系统控制。
2）换流站连接交流电网和直流电网，直流电网的各直流线路通过网络拓扑形成冗余，换流站不能完全控制直流线路的潮流。
3）直流电网的运行方式更加灵活，具有更大的潮流优化空间。
4）直流电网为低惯量系统，其响应时间常数低，直流故障发展、传播速度快；故障传播途径复杂，需要与外部系统协调配合。
1.3直流电网的控制要求
直流电网的控制策略对实现直流电网安全稳定运行有着重要影响。直流电网由多种器件相互联系而成，其控制系统也与各器件息息相关。其中，换流器连接直流电网与外部交流电网，实现二者之间的功率交换，是直流电网中最重要的器件。换流器的控制特性是实现直流电网功率平衡稳定和电压稳定的关键。除换流器外，直流电网的其它辅助设备：DC/DC变换器、DCPFC和直流断路器分别实现电压调整、潮流优化和故障电流开断的功能。各器件之间相互影响、配合，共同完成直流电网的控制要求。
2直流电网的基本控制
直流电网的运行特性可与交流电网进行类比。交流电网中，频率反映了有功功率的平衡，发电机是调节频率-有功功率的关键器件；直流电网中，直流电压是反映有功功率平衡的重要指标之一，换流站是调节直流电压-有功功率的重要器件。由换流站主导的直流电压基本控制的目的是使直流电网的运行满足KVL、有功功率平衡的基本原则，是最重要的控制环节。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆与交流电网中各处频率必须保持一致不同，直流电网中由于线路电阻的影响，各处电压存在差异。
2.1系统级控制
系统级控制接收调度级控制下达的指令，并采集直流电网在某一时刻的运行状态，通过调节和更新参考值，实现直流电网总体潮流优化、减小扰动后下垂控制造成的电压偏差等功能。
2.2换流站级控制
换流站级控制接收系统级控制向各个换流站下达功率、电压参考值，实时调节测量值与参考值之间的偏差，是直流电网基本控制的核心。换流站级控制主要由换流器执行，根据控制变量不同，换流器控制可按电流-电压控制曲线或功率-电压控制曲线进行，但不论采用哪种曲线，换流站稳态运行点都一致。
3直流电网潮流优化控制
直流电网的一大特点是其具有冗余线路，其运行方式具有较大自由度，仅依靠系统的基本控制无法完全控制线路潮流。为了完全控制直流电网中冗余线路的潮流，进一步优化整个直流电网的潮流分布，大多数文献采用在直流电网中加装直流潮流控制器DCPFC的方法来实现潮流优化。在直流电网中，换流站主要控制直流电网与外部系统的能量交换，而DCPFC的主要功能为辅助换流站优化直流电网内部潮流。目前，根据DCPFC改变线路潮流的原理不同，可分为改变电阻型和改变电压型两大类。
3.1改变电阻型DCPFC
其通过控制开关S1-Sn的通断，在直流线路中串入电阻R1-Rn，改变线路电阻值从而控制潮流。此种潮流控制器结构清晰，控制原理简单。但是，其只能增大线路阻值，即只能减小线路电流，且无法改变电流方向。除此之外，串入线路的电阻会消耗有功功率，增加了直流电网的损耗；其中的半导体开关需要配备复杂的冷却设备，增大了总体成本。由于改变电阻型DCPFC在功能、损耗上的制约因素较多，其在实际工程中的适用场景较少。
3.2改变电压型DCPFC
改变电压型DCPFC通过改变线路节点电压来调节潮流，根据内部结构不同可分为3大类：直流变压器型、串联电压源型、线间DCPFC。改变电压型DCPFC相较于改变电阻型功能更多，适用范围更广，因此目前国内外的研究主要集中在改进改变电压型DCPFC的性能。
4直流电网故障控制策略
直流电网的故障保护与其控制系统息息相关，通过控制换流器、直流断路器等元件，能够实现故障隔离等部分系统保护功能。与交流电网相比，直流电网的“低惯量”特性使得其对故障隔离的时间和范围要求更为严格；相对于多端柔性直流系统，直流电网的线路冗余度大为提高，因此直流线路故障后的故障电流的传播和发展更为迅速。直流电网故障的特性要求其保护策略能够实现快速精确的故障检测与定位、迅速的故障电流隔离以及各设备的协调配合等目标。直流电网的故障保护从范围上可划分为换流器故障保护、直流母线故障保护以及直流线路故障保护。换流器内部故障后的控制方案与换流器的结构有关，为防止阀内电力电子器件承受过电流和过电压，通常采取闭锁换流器等措施。直流电网保护策略的研究主要集中在直流母线、直流线路的故障保护方面。
结语
直流电网由多种联网器件组成，含有网孔结构，具有高度可控性。直流电网的技术特点要求其通过单个器件的控制和多器件间协调控制实现直流电压-有功功率平衡、直流网络潮流优化、直流侧故障快速隔断的功能。通过综述直流电网的基本控制、潮流优化控制和故障控制3个方面的国内外研究进展和趋势可以看出，直流电网控制的复杂性高、难度大，目前尚无直流电网控制策略的标准化体系，尽快建立相关体系将更好地推动直流电网的发展，是直流电网控制方面的研究方向。
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论文作者:殷凤雅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/6
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