交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略研究

于 荷，王致杰，張向鋒，姜慧楠，趙丹華

(上海電機(jī)學(xué)院 上海市浦東新區(qū)臨港新城橄欖路1350號 201306)

0 引言

混合微電網(wǎng)是指同時(shí)含有交、直流母線的微電網(wǎng)系統(tǒng)，其發(fā)電源與負(fù)載根據(jù)各自特性連接在適合的母線上，交直流母線間的能量交換由變換器完成[4]。文獻(xiàn)[8]指出對于交直流混合微電網(wǎng)目前主要對于其微電網(wǎng)拓?fù)?、控制以及保護(hù)等方面研究。

交直流混合微電網(wǎng)的研究內(nèi)容主要針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行策略、能量管理、故障保護(hù)以及運(yùn)行模式切換等[5-7]。對于高滲透率的微電網(wǎng)來說，好的拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[13]提出在并離網(wǎng)情況下均采用平移下垂曲線并結(jié)合非線性下垂曲線控制策略，切換前對逆變器功率輸出進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了切換前后控制指令的平滑過渡，抑制了電壓電流可能發(fā)生的突變對系統(tǒng)造成的沖擊，實(shí)現(xiàn)了并離網(wǎng)的平滑切換。文獻(xiàn)[14]利用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)（virtual synchronous generator technology, VSG）實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)切換。

本文綜合考慮這些方面的因素，主要針對以直流微電網(wǎng)主體，直流負(fù)荷較多與新能源發(fā)電設(shè)備高滲透率的情況下，提出新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上對其可靠性與經(jīng)濟(jì)性分析。在交直流混合微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面，分析了在不同模式之間切換時(shí)，互聯(lián)變流器的控制策略的變化，對其交流子微網(wǎng)與直流子微網(wǎng)的控制策略進(jìn)行了分析與改進(jìn)，提出了基于電壓補(bǔ)償項(xiàng)與考慮自適應(yīng)的功率容量調(diào)節(jié)方式的控制策略來提高交直流混合微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

交直流混合微網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種[15]，典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I見圖1所示，電網(wǎng)側(cè)在交直流混合微電網(wǎng)的交流側(cè)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多應(yīng)用在風(fēng)電場與交流負(fù)荷與電源所占比例較大的地區(qū)；典型拓?fù)銲I見圖2所示，直流側(cè)通過變換器接入大電網(wǎng)，多應(yīng)用在光伏電廠與和直流負(fù)荷與電源所占比例較大的地區(qū)。

圖1 交直流混合微網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I Fig.1 Typical topology of hybrid AC-DC microgridⅠ

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在交流側(cè)并網(wǎng)，通過互聯(lián)變流器連接交直流兩側(cè)電網(wǎng)，適合交流的分布式電源與交流負(fù)荷占比較大的場所，大電網(wǎng)與混合微電網(wǎng)之間的功率流動不可控。

圖2 交直流混合微網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Ⅱ Fig.2 Typical topology of hybrid AC-DC microgridⅡ

混合三端口拓?fù)銲II：通過PET電子電力變壓器（electric power transformer, EPT）充當(dāng)能量路由器，能夠很好地協(xié)調(diào)好配電網(wǎng)-交流微電網(wǎng)-直流微電網(wǎng)三者之間的能量流動，該拓?fù)涠鄳?yīng)用在可再生能源分布較為集中以及直流負(fù)荷應(yīng)用較為廣泛的區(qū)域。

圖3 交直流混合微網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)III Fig.3 Typical topology of hybrid AC-DC microgrid III

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于直流分布式電源和負(fù)荷所占比重較大，以及充電樁安裝較為普及的地區(qū)。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行交直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到多方面因素，例如微電網(wǎng)規(guī)模大小，DG特性與滲透率，負(fù)荷分布與類型，網(wǎng)間互聯(lián)必要性，供電可靠性要求[15]。根據(jù)這些原則需要考慮的設(shè)計(jì)原則如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)原則與影響因素對應(yīng)關(guān)系 Fig.4 The corresponding relationship between design principles and influencing factors

分區(qū)的目的是為了減少輸配電線路上能量流動，降低網(wǎng)損，從而滿足經(jīng)濟(jì)性要求；分層原則主要解決的是在較大規(guī)模微電網(wǎng)中母線電壓等級的選擇問題。供電質(zhì)量是指用電方與供電方之間相互作用和影響中供電方的責(zé)任，包括傳統(tǒng)電能質(zhì)量問題和供電可靠性兩部分。

根據(jù)以上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，本文設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示，該設(shè)計(jì)的混合四端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在直流側(cè)并網(wǎng)，通過互聯(lián)變流器連接交直流兩側(cè)電網(wǎng)，適合直流的分布式電源與直流負(fù)荷占比較大的場所（具有大規(guī)模電動汽車充電樁的場所），通過雙向變流器連接電網(wǎng)與微電網(wǎng)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，交直流側(cè)可以通過互聯(lián)變換器調(diào)節(jié)功率，可以滿足非同步互聯(lián)的需求。

圖5 交直流混合微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.5 Hybrid AC-DC microgrid topology

該設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為交直流子微網(wǎng)可以通過四端口形成交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，變流器1,3連接直流微網(wǎng)側(cè)，變流器2,4連接交流微網(wǎng)側(cè)。其中，交直流子微網(wǎng)中含有儲能與負(fù)荷裝置，交直流母線之間通過互聯(lián)變換器連接，儲能裝置連接在混合微網(wǎng)的線路上，便于集中式調(diào)度，在交流側(cè)并網(wǎng)。從可靠性方面來分析此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)各區(qū)域之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行連接，根據(jù)負(fù)荷的大小與類型，選擇各個(gè)變換器的功率容量，選擇相應(yīng)的功率控制策略，在不同的節(jié)點(diǎn)注入不同大小的功率，提高系統(tǒng)的魯棒性。例如，當(dāng)連接支路的互聯(lián)變流器發(fā)生故障時(shí)，可以通過開關(guān)1與開關(guān)2進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線切換保證最要負(fù)荷不停電。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮時(shí)，采用的交直流混合結(jié)構(gòu)，可以減少相關(guān)電力電子器件的使用減少成本，同時(shí)可以通過建設(shè)風(fēng)-光-儲發(fā)電系統(tǒng)，例如在小區(qū)的建筑物的頂部鋪設(shè)光伏板，通過風(fēng)-光-儲發(fā)電系統(tǒng)給電動汽車充電等，減少了從主網(wǎng)中吸收的功率。將儲能裝置在安裝在聯(lián)絡(luò)線上，對雙向變換器的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)注入功率，改變系統(tǒng)的潮流來降低網(wǎng)損。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合電網(wǎng)運(yùn)行方式如表1所示：

表1 混合微電網(wǎng)運(yùn)行方式 Tab.1 Hybrid AC/DC microgrid operation mode

在對交直流混合微電網(wǎng)的互聯(lián)變流器控制時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光伏與風(fēng)電均工作在MPPT模式下，直流母線電壓穩(wěn)定由蓄電池控制，交直流母線間的互聯(lián)變流器采用PQ控制策略，將直流側(cè)的功率通過互聯(lián)變換器定額輸出到交流側(cè)；離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓同樣由蓄電池控制，光伏與風(fēng)電的運(yùn)行模式根據(jù)蓄電池的運(yùn)行模式調(diào)整，交直流母線間互聯(lián)變換器采用VF控制策略；蓄電池作為實(shí)現(xiàn)交流母線的電壓和頻率穩(wěn)定的平衡點(diǎn)?；旌衔㈦娋W(wǎng)的運(yùn)行由聯(lián)合離網(wǎng)向聯(lián)合并網(wǎng)模式切換時(shí)，網(wǎng)間協(xié)調(diào)層（MGCC）用來協(xié)調(diào)配電網(wǎng)與混合微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)之間的能量平衡[3]。MGCC將混合微電網(wǎng)的互聯(lián)變流器的的運(yùn)行模式由VF轉(zhuǎn)換為下垂控制，通過調(diào)整電壓的頻率使之符合交流配電網(wǎng)母線的電壓與頻率后合上連接到交流側(cè)母線的開關(guān)，最后互聯(lián)變流器運(yùn)行在PQ模式。當(dāng)混合微電網(wǎng)的運(yùn)行由聯(lián)合并網(wǎng)向聯(lián)合離網(wǎng)模式切換時(shí)，MGCC首先將互聯(lián)變流器上的功率歸0，然后互聯(lián)變流器由PQ控制轉(zhuǎn)為下垂控制模式后斷開連接到交流側(cè)的開關(guān)，然后將互聯(lián)變流器轉(zhuǎn)為VF運(yùn)行模式。

3 交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行模式分析

針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I的運(yùn)行模式，本文進(jìn)行以下的分析。當(dāng)互聯(lián)變流器或者混合微網(wǎng)出現(xiàn)障時(shí)，直流微電網(wǎng)需脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，采用交并直離運(yùn)行模式。此時(shí)，配電網(wǎng)提供交流微電網(wǎng)電壓和頻率支撐，儲能單元來維持直流側(cè)與系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。其他分布式電源運(yùn)行于恒功率控制模式。此時(shí)的交直流混合微電網(wǎng)功率平衡關(guān)系式見公式1

式1中，PCW交流側(cè)和直流側(cè)之間交換的功率；PG表示配電網(wǎng)和交流側(cè)之間交換的功率；表示直流側(cè)、交流側(cè)負(fù)荷消耗功率；表示直流側(cè)、交流側(cè)損耗功率；a、b分別表示交、直流負(fù)載個(gè)數(shù)；m表示交流分布式電源個(gè)數(shù)，n表示直流分布式電源個(gè)數(shù)。

聯(lián)合并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)，交流側(cè)的電壓和頻率由配電網(wǎng)支撐。直流側(cè)電壓由互聯(lián)變流器控制。開關(guān)1與開關(guān)2關(guān)閉，儲能裝置處于待機(jī)狀態(tài)，分布式發(fā)電單元在MPPT運(yùn)行方式下運(yùn)行。此時(shí)的交直流混合微電網(wǎng)功率平衡關(guān)系式見公式2

當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，混合微電網(wǎng)需要與配電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行，交直流微電網(wǎng)通過微電網(wǎng)內(nèi)部和微網(wǎng)間的功率交換來維持整個(gè)交直流混合微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。當(dāng)交流側(cè)出現(xiàn)功率剩時(shí)，可以通過互聯(lián)變流器向直流側(cè)輸出功率；反之，當(dāng)直流側(cè)出現(xiàn)功率剩余時(shí)，可以通過互聯(lián)變流器向交流側(cè)輸出功率。從而達(dá)到維持交流側(cè)電壓、頻率以及直流側(cè)電壓穩(wěn)定的目的。此時(shí)的交直流混合微電網(wǎng)功率平衡關(guān)系式見公式3

當(dāng)交直流微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，交直流兩側(cè)、配電網(wǎng)與微網(wǎng)側(cè)都不進(jìn)行功率交換，此時(shí)，儲能裝置投入運(yùn)行，功率平衡由微電源、儲能單元、負(fù)荷三者之間協(xié)調(diào)維持，此時(shí)的交直流混合微電網(wǎng)功率平衡關(guān)系式見公式4

在交流微電網(wǎng)中，可靈活設(shè)置逆變器輸出阻抗的性質(zhì)，使逆變器可采用有功-電壓（P-U）、無功-頻率（Q-f）控制，從而減小對功率分配的影響，如圖6所示

圖6 交直流微電網(wǎng)的反下垂特性曲線 Fig.6 Anti-sag characteristic curve of AC-DC microgrid

對應(yīng)的下垂特性方程見公式5

4 交直流混合微電網(wǎng)控制策略研究

在低壓交流微電網(wǎng)中，輸電線路傳輸?shù)挠泄β逝c電壓有關(guān)，無功功率與系統(tǒng)頻率有關(guān)。為了使逆變器的輸出特性與電力傳輸線的特性一致，逆變器的輸出阻抗的特性可以靈活地設(shè)置在微電網(wǎng)，這樣可以控制逆變器有功電壓（P-U）和無功頻率（Q-F），以減少對能量分布的影響。以減少對功率分配的影響。在交流微電網(wǎng)中，可以靈活設(shè)置逆變器輸出阻抗的性質(zhì)，使逆變器可以由有功電壓（P-U）和無功工頻（Q-F）控制，直流側(cè)采用基于電壓補(bǔ)償項(xiàng)與考慮功率容量自適應(yīng)下垂控制方法，具體原理圖如圖7所示，其中電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)中補(bǔ)償項(xiàng)為

V-I下垂控制律為

圖7 基于電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的下垂控制 Fig.7 DC droop control strategy based on voltage compensation

式中β為引入的調(diào)節(jié)常數(shù)。則考慮換流器功率容量的下垂控制系數(shù)為

K為公式7確定初始下垂系數(shù)，α為調(diào)節(jié)系數(shù)，當(dāng)換流器直流電流大于指令值時(shí)，需要增大換流器直流電流以平衡增加的注入功率。此時(shí)換流器功率容量對應(yīng)為當(dāng)換流器直流電流小于指令值時(shí)，需要減小換流器直流電流以平衡減少的注入功率，此時(shí)換流器功率容量對應(yīng)為直流電流絕對值因此，功率容量大的換流器的下垂控制系數(shù)K*大，其承擔(dān)的功率不平衡量也多一點(diǎn)，功率容量小的換流器的下垂控制系數(shù)K*小，其承擔(dān)的功率不平衡量少一點(diǎn)。提出的基于電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的下垂控制方法根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，充分利用了各換流器的功率容量，使功率容量較大的換流器承擔(dān)更多的調(diào)節(jié)任務(wù)，可盡量避免換流器參數(shù)越限，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證本文所提出功率下垂控制策略的正確性進(jìn)行仿真分析。直流側(cè)電壓源（300 v）通過DC-DC變換器連接到直流微電網(wǎng)，交流側(cè)電源通過DC-AC變換器連接到交流微電網(wǎng)。交流側(cè)負(fù)載為兩個(gè)20 Ω，直流側(cè)負(fù)載60 Ω與90 Ω?；ヂ?lián)變頻器容量是2 kW，交流系統(tǒng)的等效下垂特性直流系統(tǒng)的下垂特性為交流側(cè)負(fù)載，DG分布為下垂控制電源，CW為互聯(lián)變換器。

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M當(dāng)混合微網(wǎng)中交流側(cè)突加負(fù)荷時(shí)所引起的電壓下降現(xiàn)象。首先對交流側(cè)因負(fù)荷突變造成的電源、電壓、電流等影響因素進(jìn)行分析。交流側(cè)a相電壓為=110sinωt，直流電壓為400 V 。直流側(cè)起始負(fù)荷為R=20 Ω，后投入R=20 Ω，再將負(fù)荷切除，其電源、電壓、電流與互聯(lián)變換器的功率波形如圖8與圖9所示。

結(jié)果表明，當(dāng)交流側(cè)負(fù)荷突變時(shí)，其交流側(cè)電源、負(fù)荷、電壓波形會突然改變后恢復(fù)正常，因?yàn)橹绷鱾?cè)的功率可以通過互聯(lián)變流器實(shí)現(xiàn)了對交流側(cè)功率實(shí)現(xiàn)支持，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 交流側(cè)電源、負(fù)荷與互聯(lián)變流器功率波形 Fig.8 Power waveform of AC source, AC load and CW

圖9 交流側(cè)電壓波形圖 Fig.9 Voltage waveform of the AC side

模擬當(dāng)直流側(cè)突加負(fù)荷時(shí)所引起的電壓下降現(xiàn)象。交流側(cè)a相電壓為 aU=110 sinωt，直流電壓為400 V。直流側(cè)起始負(fù)荷為R= 90 Ω，后投入R=60 Ω，再將切除負(fù)荷。其電源、電壓、電流與互聯(lián)變換器的功率波形如圖10與圖11所示。

圖10 直流側(cè)電源、負(fù)荷與互聯(lián)變流器功率波形 Fig.10 Power waveform of DC source, DC load and CW

圖11 直流側(cè)電壓波形圖 Fig.11 Voltage waveform of the DC side

結(jié)果表明，當(dāng)直流側(cè)的負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，交流側(cè)的功率可以通過互聯(lián)變流器實(shí)現(xiàn)了對直流側(cè)功率實(shí)現(xiàn)支持。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)交直流側(cè)由于負(fù)荷的投切而引起的電壓跌落時(shí)，交直流混合微網(wǎng)通過互聯(lián)變流器向雙方提供功率支持，系統(tǒng)可以通過功率控制策略計(jì)算出需要交換的功率，向電壓跌落側(cè)提供功率支持，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文所提出的功率控制策略的正確性。

5 結(jié)束語

本文分析了交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的影響因素，在此基礎(chǔ)上分析了交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的基本原則。根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了交直流混合四端口的微電網(wǎng)拓?fù)?，分析了其?jīng)濟(jì)型與可靠性。針對交直流微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對交直流混合微電網(wǎng) 4 種基本運(yùn)行模式下的功率平衡關(guān)系進(jìn)行了研究，對典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I的交流與直流微電網(wǎng)的下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，分析了交流微電網(wǎng)中的基于虛擬阻抗的下垂控制策略，在直流側(cè)的微電網(wǎng)控制中提出了電壓補(bǔ)償?shù)墓β嗜萘康淖赃m應(yīng)下垂策略，使得交直流混合微網(wǎng)運(yùn)行更穩(wěn)定。