《直流配电网分散自治控制》是作者在相关项目的支撑下，结合多年从事分布式可再生能源交直流供电研究基础上形成的成果。《直流配电网分散自治控制》围绕直流配电网的建模与稳定性分析、直流接入与互联关键设备、直流配电系统稳定与自治控制三个核心方向介绍了相关研究成果。*先在介绍直流配电网发展背景和相关概念的基础上，建立了直流配电典型电源和负荷特性与模型。接着介绍了基于阻抗的直流配电稳定性分析方法，重点提出了分散式阻抗稳定性判据，为即插即用等变化场景下的直流稳定性分析提供了一种新的思路。然后论述了直流电压支撑控制与直流微电网自治运行方法，介绍了直流互联设备及其控制方法，重点提出了基于恒变比控制思想的新型直流变压器。*后提出了基于恒变比控制策略直流互联的多电压等级直流配电网全局自治运行控制方法。

第1章 直流配电网概述
1.1 直流配电发展背景
　　能源是当今社会经济发展的强劲动力，而电能是众多一次能源转化后的一种重要的二次能源消费形式。世界上**个发电机是直流发电机，世界上**个供电系统也是直流供电系统。但由于交流电方便升降压、更适合长距离输电，电力系统大发展的时期交流发电和交流供电系统占据了主流，一直到目前，世界上主要的电力系统都是交流供电。今天，电力系统已经发展成一个庞大复杂的工业体系，成为现代经济和社会的基石，同时也面临新的发展问题，交直流之争仍然没有画上完美的句号。
　　由于传统化石能源日益枯竭以及其对环境产生的不利影响，以太阳能、风能和潮汐能等为代表的可再生清洁能源目前受到越来越多的关注[1]。以中国为例，截至2019年底，可再生能源发电装机达到7.94亿kW，其中太阳能发电装机2.04亿kW，风电装机2.1亿kW，分别同比增长了17.3%和14.0%，太阳能、风电*次“双双”突破2亿kW。可再生能源发电装机约占全部电力装机的39.5%，可再生能源的清洁能源替代作用日益凸显[2]。而从世界范围看，国际能源署(International Energy Agency，IEA)预测，2019～2024年可再生能源发电新增装机容量增幅将超过50%，增量为12.00亿kW，这相当于美国2019年的总装机容量[3]。
　　在19世纪末，得益于交流变压器优异的电压等级转换能力，交流电取代直流电成为主要的供电形式。由于传统水利、火力能源及可再生能源分布不均，超远距离输电的需求，出现了特高压交流输电和特高压直流输电，但是此时直流输电主要用于点对点、远距离、大容量电源外送，而不能组网。
　　而在现阶段，直流电由于具有易于控制、没有频率和无功问题以及功率传输能力强等优势而受到日益广泛的关注。此外，当将直流电应用于配电网中时，电路中的电力电子变换环节相对于交流配电网会减少，因此系统效率会得到提高。更重要的是，随着电力电子变压器(power electronic transformer，[运范2]PET)技术的发展，直流配电网中的电压等级转换变得越来越容易，这给直流配电网的发展提供了强劲的动力。
　　与传统化石能源集中发电、单向输配电不同，可再生能源除了集中发电，还有更广泛的分布式发电方式，电源在近负荷端提供更灵活、高效的电能。而这些分布式发电大多呈现直流特性，如光伏和储能本身就是直流电源，风机和柴油发电机等交流电源通常也需要中间的直流环节来匹配传统交流大电网的频率。在这种情况下，使用传统交流电网接入分布式发电并不是较好的选择。事实上，使用直流电网，特别是直流配电网，可以省去不必要的直流/交流(DC/AC)转换环节，有效提升分布式发电的效率[4，5]。除了在电源侧，当今电力系统负荷侧的直流特性也越来越明显，如电子设备(如计算机、手机等)、LED灯、电动汽车、数据中心、变频驱动电器等都是直流负荷。采用直流配电网为这些高比例的直流负荷供电是一种更为高效的选择[6，7]。此外，直流配电网在网络特性上相较于交流配电网也有自己的优势。直流配电网具有供电容量更大、供电半径更长、线路损耗更小、没有频率和无功问题、易于控制等特点，这些优势将进一步推动直流配电网的持续发展[8，9]。
　　因此直流配电网在源、网、荷三个方面都具有*特的优势，直流配电的相关研究和示范应用开始快速发展。对其在实际应用中可能面临的问题进行深入研究显得很有意义。
　　直流配电网在输送容量、可控性、提高供电质量、减小线路损耗、隔离交直流故障、可再生能源灵活和便捷接入等方面具有比交流配电网更好的性能，可以有效提高电能质量、减少电力电子换流器的使用、降低电能损耗和运行成本、协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益。
　　直流配电具有很多自身优势[10]：①线路成本低；②输电损耗小；③供电可靠性高；④可以更加高效灵活地接入分布式电源。
　　直流供电在接纳分布式电源及在大量开关电源类负载的供电系统中显现出诸多天然的优势：①减少电能变换环节，降低损耗[11]。分布式可再生能源大多采用电力电子变换装置接入电网，采用直流供电将能减少变换环节从而降低损耗，同时向开关电源类负载、变频调速类负载以及电子设备等本质直流负载进行供电时也能减少整流环节从而降低损耗。②降低线路损耗。直流系统只存在电阻损耗，因此整个供电系统的损耗将有望大幅度降低。③提高电能质量[12]。将大容量可控AC/DC变换器作为直流电源，采用适当的控制策略，可以有效提高直流系统的供电连续性和电能质量。
　　因此，直流供电技术的发展主要受直流技术优势的内在驱动，以及分布式能源和直流负荷发展的外在促进。
1.2 直流配电网供电方式
1.2.1 直流供电基本类型
　　直流配电在受到广泛关注之前，从20世纪90年代开始就已经在特定领域进行了应用，如地铁、数据中心、通信基站等。而军舰、航空以及混合电动汽车等特殊应用领域的直流区域配电技术也日趋成熟。这些都为直流配电向工厂、住宅等领域的推广应用提供了基础。目前研究和关注的主要还是普通民用领域的直流配电网。
　　根据应用领域的差别，可以将直流配电的应用场景归纳为三类：①专用直流配电系统；②城市直流配电系统；③民用直流配电系统。
　　从应用规划和发展趋势来看，直流配电可以划分为直流微电网和直流配电网。直流微电网从交流微电网发展而来，是直流配电网的雏形。而直流配电网是更加广泛互联的直流配电系统。
1)直流微电网
　　直流微电网是由直流电源和负荷构成的微电网，是未来智能配电系统的重要组成部分，对于节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等直流输出的分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。
　　相比于采用交流微电网，采用直流微电网将省去部分变换器装置，降低成本；直流母线电压是衡量系统功率是否平衡的唯一指标，不存在频率、无功等问题；通过双向DC/AC变流器即可与现有配电网或交流微电网相连，并有效隔离交流侧故障等问题，提供高可靠性、高质量的供电[9，13]。直流微电网因其诸多优点，逐渐受到了国内外学者的广泛关注。在国外，美国北卡罗来纳州立大学提出了以直流供电为基础的FREEDM(future renewable electric energy delivery and management)系统结构[14]，荷兰、德国等均建立了直流微电网实验室[15]；在国内，一批国家自然科学基金项目和863计划项目获得立项，如国家自然科学基金项目“直流微电网协调控制及其稳定性研究”(51307140)、863计划项目“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”等[16]。
2)直流配电网
　　传统的直流配电往往指的是向负载供电的功能，而并不包含发电的概念。现在大家所讨论的直流配电网一般包括源网荷储集成的新型直流配电网或者智能直流配电网。其网络母线主要是直流母线，可给直流负荷和交流负荷供电。和交流配电网一样，直流配电网通常也有多个电压等级的直流母线存在，向不同电压等级的负荷进行供电。相比交流配电网，直流配电网在很多领域取得了技术和经济优势，具有巨大的发展前景。
　　尽管直流配电网具有特有的优势，然而由于交流配电网基础设施完善、交流电源和负载的长期存在，直流配电网目前难以完全取代交流配电网。而采用交直流混合配电网时，交流负载和直流负载可以分别接入交流母线和直流母线，减少能量转换环节、降低成本，易于整合各种分布式发电，是解决高密度分布式发电接入配电网的有效途径，因此在未来很长一段时间内将是一个交直流配电共存、混合发展的局面。
1.2.2 直流供电网架结构
　　直流供电网架结构指的是典型的直流配电网拓扑结构及主设备配置方式[17]。常用的中压直流供电网架结构包括：单端单路辐射状结构、单端双路辐射状结构、单端环状结构、双端结构、多端树枝状结构及多端环状结构。
　　在直流配电网发展过程中，网架结构的确定*先应当充分考虑应用场景、用户需求以及电压等级等多个方面的因素。
　　低压直流母线结构主要包括单母线结构、双母线结构、分层式母线结构。低压直流单母线结构与现有交流配电系统类似，所有用电设备挂接在一条母线上。双母线结构的电源一般采用真双极接线，正、负极母线取自单*的换流器，可单母线运行，也可双母线配合运行，具有电压等级多、供电容量大、供电方式灵活等特点，适用于多电压等级及高可靠性供电需求的场所。分层式母线结构是对单母线结构的扩展，在单母线结构的基础上，通过直流/直流(DC/DC)变压器引出低一级电压的母线。该母线结构将与用户接触较多的用电设备采用更低一级电压供电，提高了用户用电安全性。同时，相较单母线结构的分散式DC/DC变压器，集中式DC/DC变压器提升了系统运行效率，降低了方案的社会成本。
　　常用的直流供电方式有二线式与三线式。
　　(1)二线式：用于城市无轨电车、地铁机车、矿山牵引机车等的供电。
　　(2)三线式：供应发电厂、变电所、配电所自用电和二次设备用电，电解和电镀用电。
1.2.3 直流电压等级
　　直流供电的电压等级及序列关系到电网安全性、经济性、负荷适应性等关键问题，对电网未来的发展有重要影响。通信、交通、船舶和航空等特殊行业直流负荷较小，对供电可靠性要求高，且有电能储存的需求，因此较早地采用了直流供电系统，其中通信、船舶业采用的电压等级较多。通信行业采用48V、240V、270V、336V、350V、380V电压等级，其中240V为我国通信行业的标准电压等级；城市轨道交通采用750V、1500V、3000V电压等级；大型船舶采用750V、1500V、3000V等电压等级[10]；国外建议信息数据中心采用260～400V范围的电压供电；美国和日本提出采用380V作为未来楼宇直流供电系统电压等级[11]。
　　更高直流配电电压则有±3kV、±6kV、±10kV、±20kV、±35kV、±100kV等。
　　直流配电网电压等级的选择应以满足负荷需求和分布式电源输送容量的要求、简化变压层级为原则，取值对应相关直流配电电压标准的规范电压值。直流配电网电压等级的确定需综合考虑其应用范围、传输容量、输送距离、可靠性、安全性和经济性等因素。
1.3 直流配电关键技术
1.3.1 直流配电互联设备
1.AC/DC变流器
　　AC/DC变流器是直流配电网的基础设备，其控制效能直接影响直流配电网的稳定运行和直流功率的协调分配，主要分为电流源型和电压源型两种。通常通过AC/DC变流器实现直流配电网和交流配电网的互联以及交流分布式电源和交流负荷的接入。
2.DC/DC变换器
　　直流配电网中，直流电源、直流负荷及储能一般以DC/DC变换器作为接口接入电网。因此DC/DC变换器也是直流配电网中的重要关键设备。直流微电网中基本的DC/DC变换器主要有Buck、Boost、Buck-Boost三种。现有DC/DC变换器控制器大多采用单电压环控制或单电流环控制，采用电压电流双环控制的较少。
3.直流变压器
　　相邻两个电压等级直流母线之间需要通过直流变压器实现互联，通常采用隔离型DC/DC变换器实现双向互联。高频隔离型DC/DC变换器在低压小容量领域已经得到比较广泛的应用，在中压大容量领域处于样机研发的阶段，其拓扑、控制、保护和电力电子装置等尚无完善的方案。目前针对直流变压器的研究主要有3种主电路拓扑：①双向半桥；②串联谐振变换器；③双主动桥(dual active bridge，DAB)，事实表明DAB是*适合构成直流变压器的子模块拓扑，也是当前学术界和工业界研究的重点。
4.电力电子变压器
　　电力电子变压器是一种具有变压器功能的电力电子变换器，集电气隔离、电压变换、能量传

目录
丛书编委会
“微电网与智慧能源丛书”序
前言
第1章 直流配电网概述 1
1.1 直流配电发展背景 1
1.2 直流配电网供电方式 2
1.2.1 直流供电基本类型 2
1.2.2 直流供电网架结构 4
1.2.3 直流电压等级 4
1.3 直流配电关键技术 5
1.3.1 直流配电互联设备 5
1.3.2 直流保护与控制 7
1.3.3 直流配电系统运行控制技术 7
1.3.4 直流配电能量管理技术 8
1.3.5 直流配电电能质量控制技术 9
1.4 本书的主要内容 9
参考文献 12
第2章 直流电源及负荷建模 14
2.1 直流电源模型 14
2.1.1 光伏直流接入 14
2.1.2 风机直流并网 17
2.1.3 燃料电池 24
2.2 直流负荷模型 26
2.2.1 直流充电桩 26
2.2.2 直流电解水制氢 32
2.2.3 工业直流负荷 37
2.2.4 家用直流负荷 40
2.3 储能 41
2.3.1 储能系统类型 41
2.3.2 电池的荷电状态估计 43
2.3.3 电池储能的控制模式 44
2.3.4 电池储能的应用方式 46
参考文献 48
第3章 直流配电网的阻抗稳定性 49
3.1 阻抗稳定性分析基本原理 49
3.2 直流配电集中式阻抗稳定性分析 54
3.2.1 主从控制模式下稳定性分析 54
3.2.2 对等控制模式下稳定性分析 70
3.3 分散式阻抗稳定性判据 88
3.3.1 忽略线阻抗时集中式阻抗稳定性判据的简化 88
3.3.2 单电压源多负荷直流配电网分散式阻抗稳定性判据 90
3.3.3 包含恒功率源直流配电网分散式阻抗稳定性判据 94
3.3.4 分散式阻抗稳定性判据应用案例分析 96
参考文献 104
第4章 直流电压稳定控制与直流微电网自治运行 106
4.1 分布式电源直流并网稳定性分析 106
4.1.1 描述函数法简介 106
4.1.2 稳定性分析与稳定性改善 108
4.1.3 硬件在环实验 115
4.2 直流电压稳定与支撑控制技术 119
4.2.1 下垂控制 119
4.2.2 性能分析 122
4.2.3 硬件在环实验 127
4.3 多DC/DC变流器并联运行环流抑制 129
4.3.1 DC/DC变流器的环流建模 129
4.3.2 DC/DC变流器的环流分析 133
4.3.3 基于改进拓扑的两自由度环流抑制策略 136
4.3.4 环流抑制策略扩展 140
4.3.5 硬件在环实验 142
4.4 直流微电网源荷储分散式自治控制 148
4.4.1 SOC自平衡控制 149
4.4.2 功率自适应控制 153
4.4.3 稳定性分析 156
4.4.4 硬件在环实验 160
参考文献 164
第5章 直流配电新型互联变流器 165
5.1 直流配电拓扑与互联变流器及其控制模式 165
5.1.1 交直流互联双向AC/DC变流器及其控制方法 165
5.1.2 直流互联双向DC/DC变流器及其控制方法 169
5.2 基于恒变比控制的新型DC/DC直流变压器 170
5.2.1 DC/DC直流变压器拓扑结构及其变比建模 170
5.2.2 基于恒变比控制的DC/DC变流器控制方法 172
5.2.3 基于恒变比DC/DC理想变压器的分散式直流组网典型运行模式 175
5.3 多端口直流互联变换器 194
5.3.1 多端口直流变换器拓扑结构 194
5.3.2 多端口直流变换器控制方法 200
参考文献 214
第6章 多电压等级直流配电网分散自治运行控制 215
6.1 多端及多电压等级直流配电网拓扑结构 215
6.2 多电压等级直流配电典型运行模式 216
6.3 基于恒变比直流变压器互联多电压等级直流配电网全局分散式控制方法 217
6.3.1 标幺值系统选取 217
6.3.2 电力电子直流变压器标幺化建模和分散式控制 218
6.3.3 多电压等级直流配电网储能系统及分布式电源标幺化建模和全局分散式控制 221
6.3.4 分散式标幺化一次控制方法整体结构 223
6.4 系统稳定性分析 224
6.4.1 稳态分析 224
6.4.2 小信号稳定性分析 226
6.5 典型运行场景与实验研究 232
6.5.1 工况Ⅰ：正常工况 232
6.5.2 工况Ⅱ：部分储能退出运行 234
6.5.3 工况Ⅲ：接入输电网 235
6.5.4 工况Ⅳ：电压等级扩展 236
参考文献 238
第7章 直流配电应用研究 239
7.1 三端口电力电子变压器研制 239
7.1.1 三端口电力电子变压器的连接方式 239
7.1.2 三端口DC/DC变换器模块设计 241
7.1.3 样机组成与结构 244
7.2 直流配电网实验系统 247
7.2.1 实物模拟实验平台搭建 247
7.2.2 零碳新能源交直流混合实验系统 252
7.3 直流配电发展思考 252
参考文献 255