多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)靈活功率控制與電壓抑制策略

李 松，李建偉，董云飛，石 磊，張 虎，李永麗

（1. 天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2. 陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司電力分公司，陜西 咸陽(yáng)712000）

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源日益枯竭以及全球能源危機(jī)加劇，太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式電源被廣泛應(yīng)用，微電網(wǎng)作為接納分布式電源的有效手段，逐步引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注［1］。微電網(wǎng)按照結(jié)構(gòu)可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)以及交直流混合微電網(wǎng)。其中，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)合了交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)滿足各類交、直流負(fù)荷的要求［2］。交直流混合微電網(wǎng)按照結(jié)構(gòu)可分為單一交直流混合微電網(wǎng)（即交、直流側(cè)分別只含有1 個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)）和多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)（即交流側(cè)和直流側(cè)含有多個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)）。隨著分布式電源大規(guī)模接入，國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)始對(duì)多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)的運(yùn)行控制技術(shù)展開(kāi)研究［3］。

文獻(xiàn)［4］提出了一種基于虛擬同步機(jī)控制的雙向AC／DC 變換器的改進(jìn)型有功功率控制策略。該控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流微電網(wǎng)頻率和直流微電網(wǎng)電壓的控制以及整個(gè)混合微電網(wǎng)的功率比例分配。文獻(xiàn)［5］針對(duì)船舶綜合動(dòng)力系統(tǒng)中交直流混合區(qū)的協(xié)調(diào)運(yùn)行問(wèn)題，提出了一種靈活的功率控制策略。根據(jù)交直流子微電網(wǎng)的交互影響提出了一種新型電壓-頻率下垂原理，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域支持功率的合理分配。文獻(xiàn)［6］提出了孤島運(yùn)行模式下交、直流混合微電網(wǎng)中雙向AC／DC 變換器外環(huán)功率控制策略，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡和自主分配。文獻(xiàn)［7］提出了一種適用于交直流混合微電網(wǎng)的多模式功率協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)源荷功率平衡以及微電網(wǎng)間荷電狀態(tài)的均衡分配，提高了交直流混合微電網(wǎng)的可靠性和儲(chǔ)能利用效率。文獻(xiàn)［8］利用交直流混合微電網(wǎng)中交流頻率與直流電壓之間的線性耦合關(guān)系設(shè)計(jì)了互聯(lián)變換器功率流動(dòng)的柔性控制策略，實(shí)現(xiàn)了交直流微電網(wǎng)兩側(cè)功率的相互支撐。值得注意的是，上述文獻(xiàn)的控制策略僅適用于單一交直流混合微電網(wǎng)。當(dāng)交直流混合微電網(wǎng)兩側(cè)同時(shí)含有多個(gè)（2個(gè)或2個(gè)以上）子微電網(wǎng)時(shí)，子微電網(wǎng)間的相互影響使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性與功率管理控制更加復(fù)雜，上述文獻(xiàn)所提控制策略的性能及有效性有待進(jìn)一步考究。

文獻(xiàn)［9］針對(duì)孤島交直流混合微電網(wǎng)群系統(tǒng)提出了一種多級(jí)功率管理策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率的分散管理，設(shè)計(jì)了事件觸發(fā)控制器，降低了系統(tǒng)功率分配對(duì)功率的要求，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。文獻(xiàn)［10］針對(duì)多個(gè)交、直流子微電網(wǎng)的互聯(lián)系統(tǒng)提出了一種自主協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)系統(tǒng)的功率自主協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了補(bǔ)償?shù)南麓箍刂茖?shí)現(xiàn)交直流子微電網(wǎng)間功率互助。文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)基于多時(shí)間尺度的孤島混合微電網(wǎng)群功率互動(dòng)管理策略，實(shí)現(xiàn)不同子微電網(wǎng)間的功率支撐。文獻(xiàn)［13］提出了一種網(wǎng)絡(luò)化交直流混合微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)，提出了自適應(yīng)虛擬慣性控制以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是，上述文獻(xiàn)中的混合微電網(wǎng)群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是將儲(chǔ)能系統(tǒng)集中配置在公共直流母線上，功率自主分配與電壓、頻率支撐過(guò)度依賴集中儲(chǔ)能系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。另外，由于子微電網(wǎng)內(nèi)沒(méi)有配置儲(chǔ)能單元，故上述文獻(xiàn)提及的功率控制策略較難實(shí)現(xiàn)子微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)自治運(yùn)行?；诖耍疚尼槍?duì)多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)提出了一種靈活功率控制策略。推導(dǎo)出多個(gè)交流子微電網(wǎng)與多個(gè)直流子微電網(wǎng)之間的頻率、電壓變化量關(guān)系，定義頻率虛擬變化量和電壓虛擬變化量，并將其引入交直流子微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元下垂控制中進(jìn)行控制器的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)功率分配以及交直流子微電網(wǎng)間的功率互助，有效維持了交、直流子微電網(wǎng)電壓與公共直流母線電壓的穩(wěn)定。另外，針對(duì)交流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)引起的擾動(dòng)電流給雙向AC／DC 變換器輸出電壓帶來(lái)的沖擊問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了線性自抗擾控制器對(duì)擾動(dòng)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并將其引入雙向AC／DC 變換器電流內(nèi)環(huán)控制中進(jìn)行補(bǔ)償消除，有效抑制了交流子微電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。

1 交直流子微電網(wǎng)電壓與公共直流母線電壓的關(guān)系

系統(tǒng)由多個(gè)交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)組成。交、直流子微電網(wǎng)通過(guò)雙向AC／DC 變換器、雙向DC／DC變換器與公共直流母線相連。在每個(gè)交、直流子微電網(wǎng)中含有分布式電源（如光伏、風(fēng)機(jī)）、儲(chǔ)能單元與交、直流負(fù)載，其中分布式電源工作在最大功率點(diǎn)跟蹤模式，以最大化利用能源。儲(chǔ)能單元采用下垂控制實(shí)現(xiàn)子微電網(wǎng)母線電壓與頻率的支撐。多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)見(jiàn)附錄中圖A1。

1.1 單個(gè)交流子微電網(wǎng)頻率與公共直流母線電壓的關(guān)系

交流子微電網(wǎng)通過(guò)雙向AC／DC 變換器與公共直流母線進(jìn)行有功功率傳輸，當(dāng)有功功率從交流子微電網(wǎng)流向公共直流母線時(shí)，雙向AC／DC 變換器可看作是虛擬電容器；當(dāng)有功功率從公共直流母線流向交流子微電網(wǎng)時(shí)，雙向AC／DC 變換器可看作是虛擬發(fā)電機(jī)［5］。圖1為雙向AC／DC變換器并網(wǎng)示意圖。圖中，L、R、C分別為雙向AC／DC變換器的濾波器電感、電阻、電容；iLx（x=a，b，c）為雙向AC／DC變換器輸出的三相電流；ix為交流子微電網(wǎng)母線電流；Ux為雙向AC／DC 變換器橋臂三相電壓；VDCB為公共直流母線電壓；EAC為交流子微電網(wǎng)母線電壓；CB為雙向AC／DC 變換器直流側(cè)電容。根據(jù)功率平衡原理，可得：

圖1 雙向AC／DC變換器并網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bidirectional AC／DC converter grid connection

其中，HVSG為虛擬發(fā)電機(jī)慣性常數(shù)；f和f0分別為交流子微電網(wǎng)母線電壓頻率及其額定值；SB為雙向AC／DC變換器的額定功率。

對(duì)式（1）取積分并經(jīng)過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可得交流子微電網(wǎng)母線頻率變化量與公共直流母線電壓變化量之間的關(guān)系，如式（2）所示［5］。

其中，M為交流子微電網(wǎng)母線頻率變化量與公共母線電壓變化量的關(guān)系系數(shù)；VDCB0為公共直流母線電壓額定值；Δf=f-f0為交流子微電網(wǎng)母線頻率變化量；ΔVDCB=VDCB-VDCB0為公共直流母線電壓變化量。

1.2 單個(gè)直流子微電網(wǎng)電壓與公共直流母線電壓的關(guān)系

對(duì)雙向DC／DC 變換器施加慣性控制，在公共直流母線電壓變化或直流子微電網(wǎng)電壓變化時(shí)提供虛擬功率以維持電壓穩(wěn)定［14］。施加慣性控制后的雙向DC／DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。圖中，PDCB為公共直流母線功率；PDC、VDC分別為直流子微電網(wǎng)母線功率、電壓；CDC、CvirDC分別為雙向DC／DC變換器在公共直流母線側(cè)的電容與虛擬慣性常數(shù)；Cdc、Cvirdc分別為雙向DC／DC 變換器在直流子微電網(wǎng)側(cè)的電容與虛擬慣性常數(shù)；ΔPCDC、ΔPCdc分別為CDC、Cdc功率；ΔPvirDC、ΔPvirdc分別為施加慣性控制后雙向DC／DC 變換器向公共直流母線側(cè)、直流子微電網(wǎng)側(cè)輸出的虛擬慣性功率；Pout1、Pout2分別為雙向DC／DC 變換器流向直流子微電網(wǎng)及公共直流母線的功率。

圖2 基于慣性控制的雙向DC／DC變換器并網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of bidirectional DC／DC converter grid connection based on inertia control

施加慣性控制后，雙向DC／DC 變換器電容兩側(cè)的功率表達(dá)式為：

根據(jù)雙向DC／DC變換器兩側(cè)功率平衡可得：

其中，N為直流子微電網(wǎng)母線電壓變化量與公共直流母線電壓變化量的關(guān)系系數(shù)。

2 交直流子微電網(wǎng)群之間的關(guān)系

在交流子微電網(wǎng)中，當(dāng)分布式能源由于其間歇性、故障停機(jī)造成功率波動(dòng)，或由大功率負(fù)載投切造成交流子微電網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)時(shí)，交流子微電網(wǎng)頻率將會(huì)變化。由式（2）可計(jì)算交流子微電網(wǎng)頻率變化量對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的公共直流母線電壓變化量。當(dāng)交流側(cè)含有m個(gè)交流子微電網(wǎng)時(shí)，交流子微電網(wǎng)頻率變化量與公共直流母線電壓變化量的關(guān)系變?yōu)椋?/p>

將式（9）代入式（10）中，結(jié)合式（11）可得到交流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的直流子微電網(wǎng)電壓虛擬變化量，如式（12）所示。

同理，在直流子微電網(wǎng)中，當(dāng)分布式能源由于其間歇性、故障停機(jī)造成功率波動(dòng)，或由大功率負(fù)載投切造成微電網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)時(shí)，微電網(wǎng)電壓將會(huì)變化。根據(jù)式（8）可計(jì)算出直流子微電網(wǎng)電壓變化對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的公共直流母線電壓變化量為：

基于上述分析，當(dāng)混合微電網(wǎng)兩側(cè)同時(shí)含有多個(gè)子微電網(wǎng)時(shí)，交流子微電網(wǎng)頻率虛擬變化量與各直流子微電網(wǎng)電壓變化量有關(guān)，直流子微電網(wǎng)電壓虛擬變化量與各交流子微電網(wǎng)頻率變化相關(guān)，這使得含多子微電網(wǎng)群的交直流混合配電系統(tǒng)的功率管理控制較單一交直流混合微電網(wǎng)而言更加復(fù)雜。

3 儲(chǔ)能單元的功率響應(yīng)

交、直流子微電網(wǎng)內(nèi)通常配置儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能單元采用下垂控制維持交流子微電網(wǎng)電壓、頻率及直流子微電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。交流子微電網(wǎng)i的儲(chǔ)能單元ESAC，i所采用的下垂控制表達(dá)式為：

其中，PESAC，i、PESAC0，i分別為ESAC，i發(fā)出的功率及其額定值；kESAC，i為下垂系數(shù)。

對(duì)交流子微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元的控制特性做出如下期望：①利用儲(chǔ)能單元的下垂控制特性調(diào)節(jié)其所在交流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)；②根據(jù)直流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)交流子微電網(wǎng)產(chǎn)生的虛擬頻率變化量（式（15）），交流子微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元采用下垂控制對(duì)直流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)進(jìn)行互助補(bǔ)償。對(duì)ESAC，i下垂控制進(jìn)行改進(jìn)：

同樣地，直流子微電網(wǎng)j的儲(chǔ)能單元ESDC，j所采用的下垂控制表達(dá)式為：

4 雙向AC／DC 變換器與雙向DC／DC 變換器的控制策略

當(dāng)交、直流子微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生功率不平衡時(shí)，交、直流子微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元可以通過(guò)輸出補(bǔ)償功率使交、直流子微電網(wǎng)更快地獲得功率支撐，加快交流子微電網(wǎng)頻率波動(dòng)的恢復(fù)過(guò)程以及改善直流子微電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)性能。因此，雙向AC／DC 變換器與雙向DC／DC變換器的參考功率為：

由式（22）給出的參考功率經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制表達(dá)式，可得雙向AC／DC 變換器與雙向DC／DC變換器的輸入電壓參考值。對(duì)于雙向AC／DC 變換器而言，當(dāng)交、直流子微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生功率頻繁波動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的擾動(dòng)電流將會(huì)對(duì)雙向AC／DC 變換器輸出電壓造成沖擊，嚴(yán)重情況下會(huì)使該交流子微電網(wǎng)脫網(wǎng)。因此需要改進(jìn)雙向AC／DC 變換器的電流內(nèi)環(huán)控制，使其具備維持交流子微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定能力。對(duì)圖2所示的雙向AC／DC變換器進(jìn)行建模［6］：

其中，ω為交流子微電網(wǎng)角頻率；Ed（s）、Eq（s）分別為交流子微電網(wǎng)母線電壓的d、q軸分量；id（s）、iq（s）分別為擾動(dòng)電流的d、q軸分量；irefLd（s）、irefLq（s）分別為雙向AC／DC 變換器輸出電流的d、q軸分量參考值；GiLd、GiLq分別為雙向AC／DC 變換器電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的d、q軸分量，其表達(dá)式如式（24）所示。

其中，i?Ld、i?Ld分別為雙向AC／DC 變換器輸出電流d軸分量的二階與一階導(dǎo)數(shù)；i?Lq為雙向AC／DC 變換器輸出電流q軸分量的一階導(dǎo)數(shù)；U?d為雙向AC／DC變換器橋臂電壓d軸分量的一階導(dǎo)數(shù)。

設(shè)fdist為d軸總擾動(dòng)，其表達(dá)式為：

其中，z1、z2、z3和z?1、z?2、z?3分別為觀測(cè)器狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)；λ1、λ2、λ3為觀測(cè)器增益；u為控制律的輸入變量。

設(shè)計(jì)線性誤差反饋控制律，其表達(dá)式為：

其中，kdp、kdd為誤差增益。

根據(jù)極點(diǎn)配置法則［15-18］，對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定：

其中，ωod為觀測(cè)器帶寬；ωcd為控制器帶寬。

同理，對(duì)q軸進(jìn)行擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、線性誤差反饋控制律的設(shè)計(jì)，最終可得總擾動(dòng)d、q軸分量的表達(dá)式為：

其中，Mdist為q軸總擾動(dòng)；Z2、Z3分別為d、q軸總擾動(dòng)的觀測(cè)狀態(tài)量。

由式（30）可以看出，實(shí)時(shí)觀測(cè)的總擾動(dòng)中含有擾動(dòng)電流分量，故可將其引入原有電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)路中進(jìn)行補(bǔ)償，消除擾動(dòng)電流對(duì)雙向AC／DC 變換器輸出電壓的影響。此時(shí)，式（23）可改寫為：

加入擾動(dòng)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)的改進(jìn)電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of improved inner-loop current control

交直流子微電網(wǎng)間的功率互助可以更好地維持交流子微電網(wǎng)頻率、公共直流母線電壓、直流子微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。另外，對(duì)雙向AC／DC 變換器電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，將補(bǔ)償環(huán)節(jié)引入原電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)路中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，減小微電網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)交流子微電網(wǎng)母線電壓的沖擊，更好地維持電壓穩(wěn)定。所提控制算法的整體控制框圖見(jiàn)附錄中圖A2。

本文功率的靈活控制方法通過(guò)利用交流子網(wǎng)、直流子網(wǎng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)與直流公共母線電壓的關(guān)系，計(jì)算交流子微電網(wǎng)頻率變化量產(chǎn)生的直流子網(wǎng)電壓虛擬變化量，以及直流子微電網(wǎng)電壓變化量產(chǎn)生的交流子網(wǎng)頻率虛擬變化量。進(jìn)一步地，將這2個(gè)虛擬變化量分別應(yīng)用于各子微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)下垂控制中。這種靈活功率控制的控制效果體現(xiàn)在：當(dāng)系統(tǒng)中任何1 個(gè)子微電網(wǎng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不僅該子微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率平滑系統(tǒng)功率波動(dòng)，其他子微電網(wǎng)也會(huì)根據(jù)虛擬變化量靈活輸出部分功率，使系統(tǒng)能夠更快地進(jìn)入下個(gè)穩(wěn)態(tài)。

5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的控制算法的有效性，在MATLAB／Simulink 中搭建了孤島型交直流混合微電網(wǎng)群系統(tǒng)，系統(tǒng)包含2個(gè)交流子微電網(wǎng)和2個(gè)直流子微電網(wǎng)，以及2 臺(tái)雙向AC／DC 變換器和2 臺(tái)雙向DC／DC 變換器。其中1 號(hào)交流子微電網(wǎng)與2 號(hào)交流子微電網(wǎng)額定頻率為50 Hz，額定線電壓為380 V，額定有功功率為20 kW，額定無(wú)功功率為10 kvar，且分別含有儲(chǔ)能單元ESAC1、ESAC2；公共直流母線額定電壓為1000 V；1號(hào)直流子微電網(wǎng)與2號(hào)直流子微電網(wǎng)的額定電壓為700 V，額定功率為20 kW，分別含有儲(chǔ)能單元ESDC1、ESDC2；2 臺(tái)雙向AC／DC 變換器的額定容量為40 kV·A；2 臺(tái)雙向DC／DC 變換器的額定功率為40 kW?？刂葡到y(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)附錄中表A1。

5.1 工況1：交流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)

圖4 工況1中PESAC1、PESAC2、PESDC1、PESDC2、PBADC1、PBADC2、PBDDC1及PBDDC2波形Fig.4 Waveforms of PESAC1，PESAC2，PESDC1，PESDC2，PBADC1，PBADC2，PBDDC1 and PBDDC2 in Case 1

設(shè)功率從直流子微電網(wǎng)流向交流子微電網(wǎng)為正方向，后同。當(dāng)交流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)時(shí)，ESAC1、ESAC2、ESDC1、ESDC2的 輸 出 功 率PESAC1、PESAC2、PESDC1、PESDC2及1 號(hào)、2 號(hào)雙向AC／DC 變換器和1 號(hào)、2 號(hào)雙向DC／DC 變換器的傳輸功率PBADC1、PBADC2和PBDDC1、PBDDC2如圖4所示。［0，1）s時(shí)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，4個(gè)子微電網(wǎng)中負(fù)載為4 kW 且分別由各自子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元提供功率支撐，即PESAC1=PESAC2=PESDC1=PESDC2=4 kW。此時(shí)，1 號(hào)、2 號(hào)雙向AC／DC 變換器以及1號(hào)、2號(hào)雙向DC／DC變換器的傳輸功率為0，以保持系統(tǒng)功率平衡，即PBADC1=PBADC2=PBDDC1=PBDDC2=0。1 s時(shí)，1 號(hào)交流子微電網(wǎng)中負(fù)載功率增加8 kW，在靈活功率控制的作用下，子微電網(wǎng)間會(huì)進(jìn)行功率互助。此時(shí)，子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元輸出功率增加2 kW，即PESAC1=PESAC2=PESDC1=PESDC2=6 kW。增加的功率由雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器傳輸至波動(dòng)的1號(hào)交流子微電網(wǎng)中，即PBADC1=6 kW，PBADC2=-2 kW，PBDDC1=PBDDC2=2 kW。2 s 時(shí)，2 號(hào)交流子微電網(wǎng)的負(fù)載功率增加6 kW。此時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)功率平衡與互助，子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元輸出功率增加至7.5 kW，雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器的傳輸功率為PBADC1=4.5 kW，PBADC2=2.5 kW，PBDDC1=PBDDC2=3.5 kW。3 s 時(shí)，1 號(hào)交流子微電網(wǎng)與2 號(hào)交流子微電網(wǎng)的負(fù)載功率同時(shí)減少4 kW 和6 kW，此時(shí)，子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元輸出功率輸出減少至5 kW，雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器的傳輸功率為PBADC1=3 kW，PBADC2=-1 kW，PBDDC1=PBDDC2=1 kW。

1號(hào)、2號(hào)直流子微電網(wǎng)的電壓VDC，1、VDC，2與公共直流母線電壓VDCB的變化情況如圖5 所示?？梢钥闯觯瑸榱藢?shí)現(xiàn)子微電網(wǎng)間的功率互助，直流子微電網(wǎng)增大了電壓變化量，但是其依然穩(wěn)定在允許電壓偏差范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。通過(guò)本文提出的靈活功率控制策略，公共直流母線電壓可較好地維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

圖5 工況1中VDC，1、VDC，2及VDCB的波形Fig.5 Waveforms of VDC，1，VDC，2 and VDCB in Case 1

采用本文控制策略及傳統(tǒng)的比例積分控制下1號(hào)、2 號(hào)交流子微電網(wǎng)的電壓與頻率變化情況見(jiàn)附錄中圖A3。由于得到了直流子微電網(wǎng)的功率支撐，交流子微電網(wǎng)頻率具有較好的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在交流子微電網(wǎng)電壓波動(dòng)抑制方面，較傳統(tǒng)的比例積分控制而言，本文提出的電壓抑制策略可較好地維持交流子微電網(wǎng)電壓恒定。

5.2 工況2：直流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)

附錄中圖A4為直流子微電網(wǎng)功率波動(dòng)時(shí)，各子微電網(wǎng)儲(chǔ)能元輸出功率與每臺(tái)雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器的傳輸功率情況。［0，1）s的初始狀態(tài)與工況1 相同（后同）。1 s 時(shí)，1 號(hào)直流子微電網(wǎng)負(fù)載功率增加6 kW，此時(shí)，子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元輸出功率增加至5.5 kW 以維持系統(tǒng)功率平衡，雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器的傳輸功率為PBDDC1=-4.5 kW，PBDDC2=1.5 kW，PBADC1=PBADC2=-1.5 kW。2 s 時(shí)，2 號(hào)直流子微電網(wǎng)負(fù)載功率增加8 kW，同理，子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元輸出功率增加至7.5 kW，雙向AC／DC變換器和雙向DC／DC變換器的傳輸功率為PBDDC1=-2.5 kW，PBDDC2=-4.5 kW，PBADC1=PBADC2=-3.5 kW。3 s 時(shí)，2 個(gè)直流子微電網(wǎng)負(fù)載功率同時(shí)增加2 kW 和4 kW，此時(shí)，子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元輸出功率增加至9 kW，雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器的傳輸功率為PBDDC1=-3 kW，PBDDC2=-7 kW，PBADC1=PBADC2=-5 kW。

1 號(hào)、2 號(hào)直流子微電網(wǎng)的電壓變化與公共直流母線電壓變化情況見(jiàn)附錄中圖A5。由于得到了交流子微電網(wǎng)的功率支撐，直流子微電網(wǎng)電壓較好地維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。通過(guò)本文提出的靈活功率控制策略，公共直流母線電壓可較好地維持在穩(wěn)定范圍［983，1 003］V 內(nèi)。采用本文控制策略及傳統(tǒng)的比例積分控制下1號(hào)、2號(hào)交流子微電網(wǎng)的電壓與頻率變化情況見(jiàn)附錄中圖A6。交流子微電網(wǎng)增大了頻率變化量以維持子微電網(wǎng)間功率互助，但是其依然穩(wěn)定在允許頻率范圍［49.84，50.03］Hz 內(nèi)。由于交流子微電網(wǎng)中沒(méi)有負(fù)載功率波動(dòng)，在電壓抑制方面，本文控制方法與傳統(tǒng)比例積分控制相差不大。

5.3 工況3：交、直流子微電網(wǎng)功率同時(shí)波動(dòng)

本文提出的控制策略考慮了系統(tǒng)中交直流兩側(cè)同時(shí)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)交流側(cè)頻率與直流側(cè)電壓同時(shí)變化及相互作用。仿真設(shè)置的交、直流子微電網(wǎng)功率同時(shí)波動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)可以更好地驗(yàn)證所提控制算法的有效性。

在此工況運(yùn)行狀態(tài)下，各子微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元輸出功率及每臺(tái)雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC變換器的傳輸功率見(jiàn)附錄中圖A7。1 s時(shí)，1 號(hào)、2 號(hào)直流子微電網(wǎng)與1號(hào)、2交流子微電網(wǎng)負(fù)載功率波動(dòng)依次為：增加4 kW、不變、不變、增加6 kW。此時(shí)雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC 變換器的傳輸功率為PBADC1=-2.5 kW，PBADC2=3.5 kW，PBDDC1=-1.5 kW，PBDDC2=2.5 kW，以維持系統(tǒng)功率平衡。2 s 時(shí)，1 號(hào)、2號(hào)直流子微電網(wǎng)與1號(hào)、2號(hào)交流子微電網(wǎng)負(fù)載功率波動(dòng)依次為：增加2 kW、增加2 kW、減少3 kW、減少7 kW。此時(shí)，雙向AC／DC 變換器和雙向DC／DC變換器的傳輸功率為PBADC1=-4 kW，PBADC2=-2 kW，PBDDC1=-5 kW，PBDDC2=-1 kW，以維持系統(tǒng)功率平衡。附錄中圖A8 為1 號(hào)、2 號(hào)直流子微電網(wǎng)的電壓變化與公共直流母線電壓變化情況。附錄中圖A9 為采用本文控制策略及傳統(tǒng)的比例積分控制下1號(hào)、2號(hào)交流子微電網(wǎng)的電壓與頻率變化情況。

從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的靈活功率控制與電壓波動(dòng)抑制策略可較好地維持直流子微電網(wǎng)電壓、公共直流母線電壓、交流子微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功率分配。

6 結(jié)論

本文針對(duì)多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)提出一種靈活功率控制與電壓抑制策略。分別推導(dǎo)了交、直流子微電網(wǎng)頻率與公共直流母線電壓的關(guān)系以及直流子微電網(wǎng)電壓與交流子微電網(wǎng)頻率的關(guān)系，對(duì)各子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元下垂控制進(jìn)行改進(jìn)。另外，在雙向AC／DC 變換器電流內(nèi)環(huán)引入擾動(dòng)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)，消除交流子微電網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)引起的母線電壓波動(dòng)問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提出的控制方法可較好地維持直流子微電網(wǎng)電壓、公共直流母線電壓、交流子微電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)多子微電網(wǎng)型交直流混合配電系統(tǒng)中子網(wǎng)間功率互助及分配。在此基礎(chǔ)上，考慮交流子微電網(wǎng)出現(xiàn)故障對(duì)直流子微電網(wǎng)的影響以及整個(gè)系統(tǒng)的功率分配是下一步的研究工作。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。