面向微電網集群的多端口能量路由器及其分布式控制策略

郁家麟，肖龍海，胡舟，趙玉勇，聶建波，謝曄源，段軍

（1.國網浙江海寧市供電有限公司，浙江海寧 314400；2.國網浙江綜合能源服務有限公司，浙江杭州 310014；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102）

隨著新能源發電和微電網技術的迅速發展，微電網（micro-grid，MG）的集群化問題已逐漸成為新的研究熱點。微電網集群化是將鄰近位置的微電網、獨立的分布式電源、儲能及負荷等相互連接，通過合理的協調控制策略實現多微電網之間的功率交互，提高新能源發電的利用率。在微電網集群中，各微電網可互為支撐，增大系統的等效容量，從而增強系統的抗風險能力，提高供電可靠性[1-6]。

能量路由器（energy router，ER）是微電網集群化的核心設備，它是一個開放的多端口的電力電子化能量載體，為不同的發電或用電單位提供靈活的標準化接口[6-8]。

目前，能量路由器主要有電力電子變壓器結構和多端口電力電子系統結構等。文獻[9]介紹了戶用級微電網的常見結構，重點以多端口的共直流母線ER 為對象，總結了端口變換器的不同控制方法及系統的通信調度策略。文獻[10]在綜合當前ER 應用類型和現有技術基礎上，設計了3層樹形架構的分布式能源網絡，并從配網、微電網和用戶層論述了ER 系統架構、能源接入、運行控制及通信調度的技術類型及實現方式。文獻[11]對能量路由器的發展現狀進行了詳細的論述，重點針對基于電力電子變壓器的主干網ER的電路拓撲、核心指標及關鍵技術等進行了總結，并從功率變換和信息技術的角度分析了電能路由器的技術要求。

一般而言，基于電力電子變壓器的ER 多用于主干網，而基于多端口變換系統的ER 多用于配電網或家庭微電網。本文主要針對低壓配電網絡，所設計的ER 為共直流母線的多端口變換器結構。

從控制方式的角度，目前的能量路由器多采用集中式控制方法。文獻[12]通過分析ER 的能量模型和能量支路，從能量的角度進行ER 控制。該策略通過能量調節器控制總的級聯電壓，利用電流調節器控制網側電流。其余各子單元各司其職，實現功率平衡并改善瞬態性能。文獻[13]構建了共直流母線的ER 結構，并基于母線電壓提出了分層協調控制策略實現功率調度，同時改善光伏控制策略切換引入的不穩定因素。文獻[14]提出一種基于固態變壓器的多LAN 端口ER，并從混雜系統的切換系統理論角度進行分析，將鏈路層控制分為三層實現功率調度。文獻[15]同樣采用基于電力電子變壓器的ER 結構，并將控制體系分為三層：功能訂制層、能量管理層和執行層。進一步分并網和離網模式分別進行控制設計，實現電能的有效管理。

一般而言，集中式控制多依賴于中央控制器通信或者鄰近微電網通信，需要針對不同的微電網集群設計特定的控制策略及信道。當新單元介入或切除時，中央控制器需要識別變動并重新對系統進行評估以調整控制策略，降低了系統的靈活性和可擴展性，不利于熱拔插應用。此外，單點故障的發生容易導致系統性停機，可靠性較低。

本文采用多端口變換器ER 結構構建微電網集群，同時納入配電網（distribution network，DN）作為功率交換單元，并在此基礎上提出一種無需中央控制器的分布式控制策略。各微電網僅與所連接的ER 端口通信，上報功率需求申請和緊需度，ER 端口則以直流母線電壓為公共信息，自主設定折扣率，從而實現電能交易。該分布式控制策略提高了微電網集群的可靠性和靈活性，同時實現了并離網無縫切換，各微電網和大電網之間可相互支撐，在最大化利用新能源的同時，提高系統的抗風險能力。最后，通過仿真驗證了本策略的有效性。

1 多端口能量路由器

本文所采用的能量路由器結構如圖1 所示，其含有多個端口用于連接各鄰近的微電網以及配電網。ER 的各端口均為單獨的電壓源型變流器（voltage source converter，VSC）[3]，所有的VSC采用共直流母線接法。連接微電網的各端口VSC 定義為VSC_#1～ VSC_#N，連接配電網的端口VSC定義為G_VSC。

本文中的各微電網均為自主子系統，可根據自身能量狀態獨立決定功率需求以及是否接入或切除。通信信道僅存在于各微電網MG_#1～MG_#N與ER 的端口變換器VSC_#1～VSC_#N之間。通信的內容主要包含：1）微電網的功率需求P0_#1～P0_#N；2）電能需求的緊需度h。功率需求是微電網根據內部發電曲線、儲能狀態及負載量等信息，通過一定的優化方法計算得出的凈功率或凈負荷需求。緊需度是微電網根據自身的吞吐潛力所確定的功率需求的緊要程度。這兩個方面的信息由微電網傳送給ER端口的VSC。

根據圖1 中功率需求P0的方向，將P0>0 定義為正，對應的微電網成為“正”型微電網；相應的將P0<0定義為負，對應的微電網成為“負”型微電網。對于緊需度h，其取值范圍為0≤h≤1，其中“1”表示緊需度高，需要ER 進行優先調控；“0”表示可無需ER進行功率調節，優先級放低。

圖1 多端口能量路由器結構Fig.1 Structure of the multi-terminal energy router

2 能量路由器分布式控制

2.1 VSC_#N功率控制

ER 的端口VSC_#N接收到微電網的功率需求P0和緊需度h信息后，首先計算其真實功率需求：

進一步根據直流母線的狀態計算得出折扣率k，將折扣后的值作為最終接受的功率，即

式中：k為端口VSC_#N所施加的折扣率，0≤k≤1。

定義“正”型微電網折扣率為kp，“負”型微電網折扣率kn。折扣率k是關于直流母線電壓vDC的函數，具體的設計如圖2 所示。定義直流母線電壓vDC的額定值為Vrated，其正常工作的電壓范圍為[Vn，Vp]，最大工作范圍為[Vlow，Vup]。

圖2 不同類型微電網的折扣率曲線Fig.2 Discount rate k for the micro-grids

當直流母線電壓vDC在[Vn，Vp]區間波動時，各微電網根據自身功率需求自由交易，無需打折；當直流母線電壓vDC上升到[Vp，Vup]區間內，意味著有額外的功率注入到直流母線中，“負”型微電網功率需求不打折，而“正”型微電網功率需求進行線性折扣，直至在Vup點降為0，此時將不再有功率注入母線；當直流母線電壓vDC下降到[Vlow，Vn]區間內，意味著有額外的功率從直流母線抽取，“正”型微電網功率需求不打折，而“負”型微電網功率需求進行線性折扣，直至在Vlow點降為0，此時將不再有功率從母線輸出。

根據上述折扣過程，折扣率的計算公式如下：

對于“正”型微電網：

2.2 G_VSC并/離網切換及功率控制

并網端口G_VSC 將微電網集群與配電網相連通，在進行功率平衡的同時保證并/離網模式平滑切換。G_VSC 并網前首先檢測電網側電壓，如果滿足要求則直接閉合PCC 開關，然后啟動控制算法。并網后的VSC工作在二極管整流狀態，只要保證并網前直流母線電壓vD高于自然整流電壓，便不會出現電流沖擊，實現并網過程的平滑過渡。

并網后，G_VSC的控制策略如圖3所示，其基本架構為d-q-0坐標系下的雙閉環整流器控制[3]。本文此基礎上對電壓環進行了改進，提出了基于限幅的G_VSC 控制方法，使其根據母線電壓自動調整并網功率，滿足微電網集群在并網條件下的相互支撐要求，提高系統的彈性和抗干擾能力。

圖3 G_VSC的控制策略Fig.3 Control scheme of the G_VSC

首先通過文獻[16-17]中的算法捕獲電網電壓的相位φ；然后對電感電流[ia，ib，ic]進行坐標變換得到[id，iq]，坐標變換矩陣為

進一步可在d-q-0 坐標系下設計d通道與q通道的電流閉環控制。

對于改進后的電壓外環，如圖3所示，其反饋通道為直流母線電壓vDC，但其給定通道vref并非常數，而是同樣來自vDC，中間加入了限幅環節。限幅的上限為Vp，下限為Vn，于是可以得到vref的計算公式為

電壓環不采用PI控制器，僅采用比例調節器K，不存在退飽和問題。

當直流母線電壓vDC在[Vn，Vp]區間波動時，電壓環的給定值vref與反饋值均為vDC，二者差值為零，比例控制器的輸出（）亦為零，G_VSC 不進行功率調控，各微電網進行自由交易；當直流母線電壓vDC上升至[Vp，Vup]區間時，由于限幅環節的作用，電壓環的給定值vref變為Vp，由于比例控制器K的作用，母線電壓vDC被控制在Vp附近，此時由大電網負責吸收各微電網注入的額外功率，維持母線電壓不變；當直流母線電壓vDC下降至[Vn，Vlow]區間時，由于限幅環節的作用，電壓環的給定值vref變為Vn，由于比例控制器K的作用，母線電壓vDC被控制在Vn附近，此時由大電網注入功率，滿足各微電網的用電需求，維持母線電壓不變。

根據上述分析，在并網模式下，各微電網優先進行自由交易，保證電能本地消耗；當凈功率或凈負荷超出預定范圍時，即母線電壓超出[Vn，Vp]區間時，由配電網負責平抑額外功率，為微電網集群提供強有力的支撐。

當配電網發生故障，G_VSC 自主進行檢測并斷開PCC 開關。此時G_VSC 失去了供電電源，整流控制算法無法提供持續電能，進而退出工作。微電網集群再次進入離網狀態，進行功率自平衡，離網過程平滑過渡，不存在沖擊。

綜上所示，本文所提出的分布式控制策略無需中央控制器進行統一調度，鄰近微電網之間也不必相互通信。ER 各端口變換器VSC_#N以及G_VSC 僅根據本地信息進行控制，實現了微電網的集群化控制。

3 仿真驗證

本文基于Matlab/Simulink 搭建了圖1 所示的ER 系統的仿真模型，該系統具有四個端口，其中VSC_#1～VSC_#3 連接微電網，G_VSC 連接配電網，每個端口加入了隔離變壓器。此外，每個端口加入了一定的線路阻抗，模擬不同的連接線長度。

具體的參數設定為：Vlow=650 V，Vn=700 V，Vrared=750 V，Vp=800 V，Vup=850 V。設計的直流母線電容為3 F。根據以上參數和式（3）、式（4）可計算得到不同類型微電網的折扣率kp和kn。

仿真總時長設計為20 s，其中微電網MG_#1為“正”型，功率需求為P0_#1=50 kW；微電網MG_#2為“負”型，功率需求為P0_#2=-50 kW；微電網MG_#3在0～10 s期間為“正”型，功率需求為P0_#3=50 kW，在10～20 s 期間為“負”型，功率需求為P0_#3=-70 kW。，三個微電網的功率緊需度均設為h=1。初始母線電壓設定為vDC=Vn=700 V，在0～10 s 期間ER 的凈功率為50 kW，直流母線電壓將持續上升，在10～20 s 期間ER 的凈功率為-70 kW，直流母線電壓將下降。

3.1 并網模式

首先在并網模式下進行仿真驗證，結果如圖4 所示，子圖分別為直流母線電壓vDC以及各微電網的實際功率輸出情況。圖4a 中，母線電壓vDC從0 s 開始上升，到4.4 s 達到800 V 并維持不變；10 s 時刻，母線電壓開始下降，到13.3 s 達到700 V并維持不變。可以看出，在并網模式下，母線電壓被控制在[Vn，Vp]區間，折扣機制并不會發揮作用，各微電網的實際輸出功率與功率申請相等，意味著ER 可滿足各微電網的全部功率需求，凈功率或凈負荷由配電網補償。

圖4 并網模式運行結果Fig.4 Performances of the MGs in the ER system under grid?connected mode

G_VSC的運行結果如圖5所示。

圖5 G_VSC的運行結果Fig.5 Performances of the G_VSC

如圖5 所示，當母線電壓vDC在4.4 s左右達到Vp時，G_VSC開始發揮作用，將系統的凈功率Pgrid=-50 kW 輸出到配電網；當母線電壓vDC在13.3 s左右降至Vn時，G_VSC 從配電網吸收Pgrid=70 kW 的功率，支撐系統內的微電網運行。從圖5b中可以看到G_VSC 電流變化的包絡線，顯示出了良好的跟蹤效果。

3.2 離網模式

在離網模式下的仿真結果如圖6 所示。圖6中，母線電壓vDC在4.3 s 達到800 V 并繼續上升到825 V；vDC從10 s 開始下降，在13.8 s 左右降至700 V，并繼續下降到675 V。根據所設計的電壓區間，此變化過程共經歷了“自由交易Ⅰ—折扣Ⅰ—自由交易Ⅱ—折扣Ⅱ”四個階段。

圖6 離網模式運行結果Fig.6 Performances of the MGs in the ER system under islanded mode

1）自由交易Ⅰ：從0～4.3 s 期間，母線電壓上升但未超過Vp，各微電網按申請額與ER 進行功率交換；

2）折扣Ⅰ：從4.3 s 到10.8 s，母線電壓上升至825 V 又回落到Vp，期間“正”型微電網MG_#1和MG_#3的功率輸出被線性降額；“負”型微電網MG_#2保持P#2=-50 kW的輸出；

3）自由交易Ⅱ：從10.8 s到13.8 s母線電壓進一步下降但未超過Vn，各微電網按申請額與ER進行功率交換；

4）折扣Ⅱ：從13.8 s 到20 s，母線電壓下降Vn并進一步降至625 V。期間“正”型微電網MG_#1保持P#2=50 kW 的輸出，“負”型微電網MG_#2 和MG_#3的功率輸出被線性打折。

4 結論

重點利用多端口能量路由器解決微電網的集群化問題。為了使各微電網及配電網可通過交換功率提供相互支撐，同時保證系統的可靠性和“即插即用”的靈活性，提出了一種無需中央控制器的分布式控制策略。該策略中，能量路由器各端口分別與所連接微電網通信，根據母線電壓自主決定功率傳輸量。仿真結果表明，該策略有效實現了系統高效集成，為微電網集群的發展提供了一定的理論支撐，具有實際的應用價值和理論價值。