针对混合拓扑模块化多电平变换器(MMC)在柔性DC配电网中的应用，上海师范大学信息与机电工程学院的研究员吴杰、ggdxlz、Clean Wings、Clever Hedgehog在2020年第24期《电工技术学报》上撰文，提出了适合其并网和孤岛运行的自主控制策略，以提高DC配电网的可靠性。
柔性DC配电网(FDCDN)以其接入DC电力设备和新能源发电系统方便、可控性和灵活性高的优势，成为继柔性DC输电技术之后新的学术和工程研究热点之一。与传统的交流配电网相比，DC配电网具有很强的节能优势，具有巨大的发展前景。
目前，一些国家已经对DC配电网进行了研究。国外主要有美国弗吉尼亚理工大学CPES(电力电子系统中心)提出的四级分层交流/DC混合配电系统和德国亚琛大学2014年建成的10kV DC网络。主要有2017年8月投产的浙江上虞交流/DC混合微网示范工程、2018年12月投产的珠海“智慧能源示范工程”和国内张北柔性交流/DC配电网技术示范工程。
DC配电网主要包括分布式电源、储能系统、直流变压器、变流器等核心单元，可为新能源提供并网接口，为DC负荷供电，但其电压等级尚未明确。2015年7月，中广核成立SC6.31 《直流配电可行性研究》专项组，研究推广中压DC配电网技术，初步认为配电电压等级范围在1.5 kV至100 kV之间。
DC配电网电压等级覆盖范围广，支持接入现代DC微电网，形成广域DC配电系统。但其控制技术相对复杂，运行方式更加灵活多样，因此通常采用分层控制，顶层包括分布式发电系统在网络中的优化调度、出力和负荷预测、网损优化等。底层控制主要是变流器控制技术，可以实现对DC电网节点的功率、电压幅值、频率等电气参数的跟踪控制以及与交流系统的离网转换。底层的控制功能类似于柔性DC传输系统中的转换器级，但控制功能更复杂。
图1灵活的DC配电网结构
接入DC电网的负载包含大量电力电子的恒功率负载，负载特性与传统交流电网完全不同，传统的变流器控制技术无法同时满足系统稳定性和控制方式灵活切换的要求。网格形成控制最近由CIGRE委员会组织，以制定研究计划。其核心思想涵盖和完善了虚拟同步发电机(VSG)等先进控制策略的概念，认为现代电力系统不仅要模拟传统同步发电机的特性，还要设计以自主运行为目标的变流器控制系统，实现孤岛和并网运行的独立控制和平滑切换，减少对网络通信的依赖。具体控制策略包括现有的虚拟同步电机控制、下垂控制、虚拟阻抗控制等。实现转换器的自主运行。
自主控制的思想特别适合DC配电网变流器控制结构的设计。目前，大部分研究工作都是基于虚拟同步机及其改进策略来实现变流器的自主运行。有学者模拟同步发电机有功功率与频率之间的惯性环节，设计变流器的主动控制回路，稳态运行时不依赖锁相环(PLL)，提出幅相预同步环节，实现变流器孤岛与并网运行控制之间的平滑切换。然而，电流内环是基于两级变换器交流侧的LC输出滤波器。对于通常通过rea直接连接到电网的模块化多电平变换器(MMC)
目前的研究主要集中在对VSG外环的详细分析，而对当前内环的分析较少。对此，有学者从VSG控制环节直接输出有功电流指令信号，由电流内环产生同步相位，实现电流的直接控制，应用于DC配电网，建立系统状态方程，并对系统的控制性能进行详细分析和优化。
在此基础上，有学者进一步分析了功角对有功和无功电流控制的耦合作用，并在调制信号中叠加了解耦控制量。一些学者分别设计了有功功率-虚拟转矩下降控制和DC电压-频率下降控制功能，并引入虚拟惯性环节来改善系统的频率响应特性。同时，该环节输出电网同步信号，参与传统同步旋转坐标系下的双闭环(功率外环和电流内环)控制，消除PLL实现有功和无功功率控制。
一些学者通过构建变换器DC输出电流和DC电压之间的惯性控制环节，模拟变换器的同步发电机特性，并引入输出电流前馈控制通道，改善暂态DC电压的波形质量。在VSG控制外环的基础上，有学者设计了虚拟阻抗控制环节，利用变流器输出电压和电网电压作为电流内环指令信号，直接计算流经虚拟阻抗的电流，适用于通过电抗器直接并网的变流器。
有学者进一步提出了同步虚拟阻抗，系统状态方程的特征根仅由同步虚拟阻抗参数确定，避免了系统交流侧实际阻抗参数对控制性能的影响。有学者比较了功率阶跃和电网频率变化下变换器下垂控制策略和虚拟惯性控制策略的响应特性。
性，说明利用虚拟惯性方法实现变流器自治控制，动态过程中具有较小的超调量和较慢的频率变化过程。由于较大规模直流配电网电压等级通常较高（±10kV及以上等级），其变流器应采用MMC结构，且应具有直流故障穿越能力，有学者针对混合拓扑提出冗余模块的配置方法。有学者针对混合拓扑负电平输出特性，提出一种子模块电容值的计算方法。有学者提出一种增强型子模块和半桥子模块级联的混合拓扑，可清除直流故障。有学者针对全桥-半桥混合拓扑提出一种直流故障穿越方法。
综上所述，换流阀是直流配电网的核心设备之一，全桥-半桥混合拓扑换流阀具备直流故障处理能力，且换流阀损耗和成本均低于纯全桥拓扑，尤其适用于中大规模直流配电网。且在混合MMC拓扑的主回路参数设计和故障穿越等方面已有相关研究成果可供借鉴，因此柔性直流配电网可采用全桥-半桥混合拓扑的MMC。
但在换流器级的控制策略方面，现有研究成果大都以两电平变流器为研究对象，而两电平变流器阻抗特性与MMC存在很大差别，对MMC的自治控制尤其是针对混合拓扑的应用研究相对较少。
因此，针对适用于混合拓扑MMC的惯性模拟方法，上海师范大学信息与机电工程学院的研究人员提出基于全桥-半桥混合MMC的柔性直流配电网变流器自治控制策略，以提高直流配电网的可靠性。
图3 变流器电流内环控制结构
基于混合MMC的柔性直流配电网自治控制策略能够模拟同步发电机惯性，但并不完全仿造发电机特性。所设计的桥臂电容电压平均值外环，利用MMC自身模块电容实现交直流暂态不平衡功率的缓冲，实现类似同步机的转子惯性功能；设计的电流内环能够有效改善常规VSG策略的电流控制能力，抑制暂态过程中电流波动，实现暂态直流故障穿越；同时也可避免直流配电网中变流器间出现类似传统交流系统的低频振荡现象等。
图4 仿真模型主回路拓扑
自治控制通过子模块电压平均值外环调节换流阀输出电压角频率，获得相位信息，不依赖锁相环进行坐标变换，基于提出的电流内环构造方法，MMC在孤岛运行过程中也为双闭环控制结构（电容电压平均值/无功功率外环和电流内环），即孤岛运行和并网运行均可采用统一的内环控制结构，易于实现变流器控制模式的平滑切换。
通过孤岛运行模式下传统控制策略和自治控制仿真结果的对比，表明所提出控制方法能有效抑制直流网络中负载突变时电流振荡。对于直流短路故障，混合拓扑MMC可利用直流电压控制环节快速降低换流阀直流输出电压，抑制短路电流的上升。仿真中出现电容电压上升情况，虽然电压仍在设备可承受范围内，但在实际工程中仍需考虑适当增加子模块电容容量或进一步优化控制器响应速度，这也是后续继续优化的方向之一。
综上所述，自治控制技术应用于混合拓扑MMC，具备直流故障清除能力，满足电力电子设备比例较高、新能源大量接入的直流配电网的需求，能为直流网络提供一定的惯性，提高其运行的可靠性，具有广阔的应用前景。
以上研究成果发表在2020年第24期《电工技术学报》，论文标题为“柔性直流配电网混合拓扑变流器的自治控制”，作者为吴杰、ggdxlz、干净的翅膀、灵巧的刺猬。