摘要
加大能源就近开发利用力度，积极发展分布式能源是贯彻落实“双碳”目标的重要举措。近年来，我国的分布式光伏取得了快速发展，然而随着大量分布式光伏并入配电网，交流配电网面临着严重的电能质量和系统稳定性问题。因而，国内外学者对分布式光伏中压直流并网方案开展了积极的研究，并已有了一些工程应用，但也还有一些技术问题亟待解决。在含高比例分布式光伏的中压直流系统中，多源协同运行时会给系统的稳定运行带来挑战，主要集中在：（1）常规基于最大功率跟踪（maximum power point tracking,MPPT）控制策略的光伏发电单元不具备调节输出功率的能力；（2）多分布式光伏发电单元都以最大功率输出，无法协同运行；（3）当中压直流系统并网接口的电力电子变换器采用传统的控制策略，缺乏对交流电网提供惯量支撑和一次调频能力。以上挑战可以通过改变分布式光伏发电的并网控制策略和模块化多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）的交流并网控制策略来解决。然而，目前对于分布式光伏并入中压直流系统的控制技术研究较为单一，以及基于锁相同步控制策略的MMC无法响应交流电网的频率变化。基于此，本文重点分析了含高比例光伏的中压直流系统的动态特性，再对其接入交流系统的支撑技术展开研究。主要研究内容和创新性成果如下： （1）针对光伏发电单元控制策略单一，且不具有功率调节能力的问题，基于光伏发电单元并入中压直流系统的动态运行特性分析，提出了光伏发电单元的改进型恒压控制策略和改进型下垂控制策略，使光伏发电单元具有调节功率的能力，以响应直流负荷的需求。 （2）针对多分布式光伏发电单元无协同运行的能力，且无法响应负荷需求的问题，基于离网运行的无储能中压直流系统内多分布式光伏发电单元的动态运行响应特性及其相互影响分析，提出了以部分光伏发电单元最大化利用太阳能资源为运行目标的多分布式光伏发电单元顺序协同控制策略，以及以快速恢复中压直流系统母线电压为运行目标的多分布式光伏发电单元主从协同控制策略。 （3）针对现有中压直流系统接入交流电网采用传统控制策略无法提供频率支撑的问题，提出了具有备用能力的中压直流系统通过MMC为交流电网提供快速频率响应（fast frequency response,FFR）的控制策略，即在矢量控制策略的基础上增加了附加控制策略，在交流电网频率偏差超出调频动作阈值时，可以将中压直流系统主动将留有的部分或者全部备用功率输送到交流电网，为交流电网提供快速的频率支撑。 （4）针对含高比例光伏的中压直流系统并网导致传统电网惯量降低、频率调节能力下降的问题，提出了分布式光伏中压直流系统基于MMC接口的构网型（grid-forming,GFM）控制策略，并将线性自抗扰控制（linear active disturbance rejection control,LADRC）与GFM控制策略相结合，实现对交流电网提供惯量支撑和一次调频能力，同时还提高了系统的抗扰性和响应的快速性。 本文依托张北兆瓦级实证平台的工业园区中压直流供电场景展开了相关研究，在实时数字仿真器（real-time digital simulator,RTDS）平台中搭建了含多分布式光伏发电单元的无储能中压直流系统，使其可运行在并/离网模式，验证了本文所提的顺序协同控制策略、主从协同控制策略、FFR控制策略、GFM控制策略以及LADRC改进型构网控制技术的有效性。 通过本文的研究，在没有储能装置的条件下，中压直流系统可以通过对多分布式光伏发电单元的协同优化控制，在离网运行时，实现对直流负荷的可靠供电；在并网运行时，利用多分布式光伏发电单元的动态运行能力，留出系统要求的备用功率，再令MMC采用具有构网功能的控制策略，模拟同步发电机的惯量响应和一次调频特性，实现对交流电网的主动支撑，帮助电网稳定运行。本文的研究内容为高比例分布式光伏开发和直接给直流负荷供电的场景提供了可行性方案。
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