大擾動時交流微電網的運行與控制研究綜述

沈 霞，帥智康，沈 超，葛 俊，黃 文

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學），湖南省長沙市 410082）

0 引言

交流微電網能夠有效整合多種分布式微源，是合理利用清潔能源解決能源危機、緩解環境問題的有效途徑［1-2］。交流微電網包含了風、光、柴、儲等多類型微源以及負荷，隨著電力電子技術的發展，各類分布式微源一般通過接口逆變器并網?；陔娏﹄娮蛹夹g的接口逆變器使得微源與網側的能量交互具備高效靈活的可控性［2］。

然而，微電網時常面臨故障、大負荷投切、離并網運行模式切換等大擾動問題。一方面，電力電子器件過流能力弱，易導致大擾動時電力電子裝備燒毀，嚴重影響裝備可靠性［2-3］。電力電子器件的高可控性使裝備響應速度快，單個逆變器的故障會引發大面積連鎖性反應。另一方面，交流微電網系統規模小、慣性弱、抗干擾能力差，大擾動時極易發生大范圍電壓、頻率波動，功率振蕩，甚至系統失穩等問題［2-5］。此外，微電網可以運行于孤島模式或并網模式，尤其在孤島模式下，微電網自身支撐能力有限，大擾動時更難以保證安全、可靠供電［4-6］。因此，研究大擾動時交流微電網的運行優化控制策略對其發展至關重要，也是近年來諸多學者致力研究的熱點。

截至目前，國內外許多高校及電力研究部門都已經取得了諸多相關研究成果，且現階段也有一些針對大擾動時交流微電網運行特性以及控制策略的綜述文獻。文獻［7］對比分析了微電網不同接口變換器微源遭遇對稱及不對稱擾動時的響應特性，但并未涉及對相關運行與控制的討論。文獻［8］總結了電流控制型接口變換器微源大擾動期間的控制策略，將其控制目標分為功率支撐定向控制和電壓支撐定向控制兩大類，并根據實際的正負序注入量需求，總結了多種組合控制方案。文獻［9-14］探討了不同拓撲及材料的故障限流器的優缺點、適用場景以及對電網安全穩定性的影響。文獻［15］論述了多源變換器微電網遭遇大擾動時的暫態穩定問題、分析方法以及穩定性提高措施等方面的相關研究進展。文獻［16］對比分析了不對稱擾動下并網逆變器的短路電流保護策略。

整體而言，雖然學術界在理論和工程技術上對大擾動時微電網的響應特性、影響機理以及控制策略進行了大量的研究，但是多集中于對某種特定控制的微源或者某類方法的總結討論，側重的問題和方法相對獨立，相互之間的聯系和區別尚不明確。目前尚未形成從網絡的物理拓撲、多樣性控制到受擾時微電網的運行特性、影響機理，再到應對措施的全面梳理框架，不利于下一階段的研究與發展。

本文首先總結了微電網的基本拓撲與主要特征。然后，闡述了微電網拓撲、擾動運行特性、擾動控制方案及控制目標之間的相互關系。基于此，詳細梳理了大擾動時微電網的運行特性、影響因素及影響機理，總結了現階段典型的大擾動限流應對策略與穩定性提升策略的適用場景及優缺點。最后，探討了大擾動時微電網運行控制研究所面臨的主要挑戰，并展望了微電網智能化、高可靠供電的發展前景。

1 交流微電網的基本拓撲及主要特征

交流微電網主要包含風、光、柴、儲等多類型分布式微源與負荷，且各分布式微源多以電力電子接口變換器并網。經離、并網切換裝置，微電網可靈活運行于孤島模式或并網模式。微電網運行于并網模式期間，可由配電網為其提供電壓/頻率（V/F）支撐；運行于孤島模式期間，必須由柴油發電機或其他電壓控制型單元提供V/F 支撐。

微電網的典型控制體系主要包含3 層控制結構［17］，如圖1 所示。第1 層負責電壓、電流及功率均分控制，具備微秒至毫秒級的響應時間尺度［17-19］。第2 層與第3 層分別實現微電網V/F 恢復及能量管理等功能，時間尺度為秒級以上［18］。因此，大擾動期間，微源及微電網系統的運行特性由第1 層控制主導，相關研究工作也主要基于第1 層控制展開。

圖1 微電網的分層控制結構Fig.1 Hierarchical control architecture of microgrid

根據各類分布式一次能源的特點以及網側需求，微源接口變換器的一次控制包含多種類型，不同控制決定各微源在微電網中的主要作用。因此，傳統電網特征由同步機主導，而微電網特征由逆變器主導［18-19］。由于逆變器與同步機特性不同，導致微電網呈現如下特征。

1）過流能力弱。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、絕緣柵型場效應晶體管（MOSFET）等全控型電力電子器件可以靈活地實現功率轉換。綜合考慮經濟性和可靠性，這些器件通?；? 倍額定電流選型［20］。然而，擾動的瞬間，基于電力電子器件的逆變器極易出現遠大于閾值的沖擊電流，導致裝備過流燒毀，嚴重影響供電可靠性［20］。

2）非線性強。電力電子裝備通過器件開斷實現電能變換，可控性高、響應速度快［1-3］。但隨著開關器件狀態的變化，其電路拓撲也在同時變化，使其具備較強的時變非線性，增加了微電網運行特性研究的復雜性［18］。此外，裝備的限幅控制極易導致閉環控制退化為開環響應。如果裝備運行于過調制狀態，負反饋退化為正反饋，更易導致系統失穩［19］。

3）多時間尺度。微電網可以快速靈活地實現功率轉換，與傳統電網相比，其動態響應特性具備較寬的頻率范圍。在物理電路方面，電力電子開關器件呈現微秒級響應特性，分布式能源（如光伏、風機、儲能等）呈現微秒至分鐘級響應特性；在控制系統層面，電壓、電流控制環呈現毫秒級響應特性，功率控制環呈現百毫秒至秒級響應特性，而第2、3 層的系統控制則為秒級響應特性［18-20］。大擾動時，不同短時間尺度下的物理環與控制環響應相互耦合，加深了微電網運行特性的復雜性。

4）抗干擾能力差。區別于傳統同步機，電力電子裝備缺乏物理旋轉單元，只能通過配置存儲系統（如飛輪存儲、超級電容器等）或改進控制策略（如虛擬同步發電機（VSG）控制等）來為系統提供有限的慣性和阻尼［21］。同時，相比于傳統電網，微電網規模小、網絡結構脆弱、源荷耦合強、投切影響大［22］。因此，大擾動時微電網系統易振蕩或失穩。

上述特征均嚴重影響大擾動時微電網的安全可靠運行。進一步總結微電網拓撲、擾動運行特性、擾動控制方案及控制目標的相互關系，如圖2 所示。大擾動時微電網的主要控制目標包括裝備的安全保護及系統的穩定維持，擾動運行特性是設計有效控制方案的重要依據，反之又受到控制方案的影響［21］。因此，本文將從微電網的擾動運行特性和控制方案2 個方面梳理現階段相關研究工作，為相關研究提供參考。

圖2 大擾動時微電網的運行特性與控制策略關系Fig.2 Relationship of operation characteristic and control strategy in microgrid under large disturbance

2 大擾動時交流微電網的運行特性

微源是微電網的重要組成部分，大擾動時微源的輸出電流特性決定逆變器需要的保護控制策略。同時，微電網大擾動下的穩定運行特性也決定了其暫態穩定控制目標與電能質量優化目標。本章分別從微源輸出電流及微電網穩定性兩方面，總結了大擾動時交流微電網的主要運行特性、影響因素及影響機理。

2.1 大擾動時微源逆變器輸出電流運行特性

依據輸出電壓、電流特征，基于電力電子逆變器接口的分布式微源（IIDG）主要分為電流控制型以及電壓控制型。如圖3 所示，不同控制型IIDG 與微電網的交互機理具備差異性，電流控制型IIDG 主要為微電網提供功率支撐，電壓控制型IIDG 則為微電網提供V/F 支撐。因此，大擾動時各類IIDG 的輸出電流規模、響應速度也各異。

圖3 IIDG 的典型控制方案Fig.3 Typical control schemes of IIDG

2.1.1 電流控制型IIDG 輸出電流運行特性

電流控制型IIDG 主要通過控制參考電流實現與網側的有功、無功功率交互，其控制環路簡單，無法單獨運行于孤島模式，需要外界提供電壓支撐。典型的電流控制包括恒定電流（constant current，CC）控制及有功、無功功率（PQ）控制等［7］。

1）大擾動時等效序網絡模型

如附錄A 圖A1 所示，根據不同場景需求，微電網逆變器的典型接線方式包含三相三線制與三相四線制。三相三線制接線結構簡單、無零序通道，而三相四線制直流側電容中點接入地線，相比于前者，增加了零序網絡，同時增加了一個控制自由度［22］。

當網側發生大擾動時，電流控制型IIDG 可以等效成一個受控的恒定電流源并聯一個濾波電容。對稱擾動時，系統只包含如圖4（a）所示的正序網絡。不對稱擾動時，若逆變器采取三相三線制，則無零序網絡，三相四線制下則增加零序網絡，如圖4（c）所示。圖4 中：Gi為包含控制內環及濾波電路的等效傳遞函數；為可調整的電流參考值；Zg、θg、Vg分別為網側等效阻抗的幅值、相位角、網側等效電壓；上標“+”“-”“0”分別表示正序、負序以及零序分量。

2）CC 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

電流控制型及電壓控制型逆變器在大擾動狀態下輸出電流模型如附錄A 表A1 式（A1）所示。對稱及不對稱擾動期間，CC 控制型IIDG 的輸出電流參考值保持不變，即圖4 中仍為常數［7］，實際輸出電流依然受控于內環參考值。若將逆變器橋等效為系數K，則實際電流大小近似為。附錄A 圖A2 給出了對稱或不對稱擾動電壓下CC 控制型IIDG 的輸出電流波形。由圖A2（c）可知，2 種擾動下其實際輸出電流始終保持對稱且無沖擊。此外，考慮到對器件的過流保護，IIDG 控制系統會增設各類限幅環節，CC 控制型IIDG 的內、外環輸出限幅器一般不作用［7］。

圖4 大擾動時電流控制型逆變器等效序網絡模型Fig.4 Equivalent sequence network model of current controlled inverter under large disturbance

3）PQ 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

2.1.2 電壓控制型IIDG 輸出電流運行特性

電壓控制型IIDG 通過控制輸出端口電壓實現各種并網功能，不同于電流控制型逆變器，其輸出電流無法直接控制，主要由微源自身及外部電路狀態同時決定。因此，大擾動時，其輸出電流特性影響因素更多，影響機理也更為復雜。典型的電壓控制包括V/F 控制、下垂控制、VSG 控制等［7，21］，均可獨立運行于孤島模式。

1）大擾動時等效序網絡模型

如圖5 所示，當網側發生大擾動時，電壓控制型IIDG 的橋臂中點電壓難以突變，因此均可以等效成一個受控的電壓源串聯一個等效阻抗。圖中：為與實際具體的控制相關的受控電壓參考值；Gv為包含控制環及濾波電路的傳遞函數；Zinv和θinv分別為逆變器等效阻抗的幅值和相位角。三相三線制下，大擾動時系統分為圖5（a）和（b）的正負序等效電路。三相四線制下，增加圖5（c）中的零序響應網絡［25］。

圖5 大擾動時電壓控制型逆變器等效序網絡模型Fig.5 Equivalent sequence network model of voltage controlled inverter under large disturbance

由圖5 可得，大擾動時電壓控制型IIDG 的輸出電流模型如附錄A 表A1 式（A3）所示。不同于電流控制型IIDG，由于其輸出電壓是受控的，因而，大擾動期間電壓控制型IIDG 實際輸出電流為受擾點與其端口電壓差值除以2 點之間的等效阻抗（Z=Zinv+Zg），電流大小不直接可控，與微源本身及外部電路狀態均相關。微源控制決定了大擾動瞬間其端口電壓狀態（即v*abc），受擾點電壓由擾動類型與擾動時刻決定，兩者也決定了電壓差。當三相電壓差不對稱時，IIDG 輸出電流直接不對稱。同時，由于阻抗Z較小，因此微小的電壓差也會引起嚴重的過流。

2）V/F 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

V/F 控制直接根據固定電壓、頻率參考值維持微源輸出電壓、頻率的穩定。因而大擾動時內部比例積分器的輸出會增加，以補償網側電壓跌落，增加導致大擾動瞬間逆變器端口電壓增大。如附錄A 式（A3）所示，端口電壓與擾動點處電壓差越大，端點間阻抗越小，輸出沖擊電流越大，且很容易遠超其額定值。不考慮限幅時，V/F 控制型IIDG 的輸出電流響應特性如附錄A 圖A4 所示，對稱擾動下三相電流輸出對稱，近乎達到額定值的7 至8 倍。不對稱擾動下，擾動瞬間逆變器橋臂中點電壓不能突變且保持對稱，而外界電壓不對稱，依據表A1 中的數學模型，其輸出三相電流也跟隨電壓差呈現不對稱特性，且數值均遠遠大于逆變器的2 倍額定電流值。

此外，僅外環電流限幅作用時，其輸出電流直接限制為恒定的電流閾值，此時V/F 控制型IIDG 相當于恒定電流源，系統等值網絡近似為圖4。當內環調制限幅作用時，V/F 控制型IIDG 會被直接限定于固定電壓和相位閾值狀態，系統的閉環控制退化為開環控制。此時，輸出電流依然可直接由式（A3）表示，逆變器端口電壓鉗位于固定的幅值與相位，且系統的等效阻抗較小，因此即使增加限幅，依然可能有很大沖擊電流［7，26］。

3）下垂控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

下垂控制包含功率控制環、電壓控制環以及電流內環，其受控電壓信號v*abc由3 個控制環同時決定［27-28］。根據下垂控制型IIDG 的多環控制對的約束作用，由附錄A 式（A3）可知，其沖擊電流嚴重程度比V/F 控制略微緩和。不考慮限幅作用時，對稱及不對稱擾動下的下垂控制型IIDG 響應特性如附錄A 圖A5 所示。由于逆變器輸出電流不直接受控，對稱擾動下三相電流輸出對稱；不對稱擾動下，與V/F 控制類似，故障瞬間其橋臂中點電壓對稱，受擾點電壓不對稱，三相輸出電流不對稱，且幅值約為額定值的3 至4 倍。

僅考慮電流限幅作用時，其電流輸出特性也與V/F 控制型IIDG 近似［7］。此外，下垂控制型IIDG還存在外環功率限幅，以避免功率變化時引起電壓和頻率的過下垂響應。因此，其實際電流輸出會同時由3 個限幅環節的上限最小值及下限最大值決定，生成被鉗位的電壓參考值v*abc，且由于逆變器端口與受擾點之間的等效阻抗較小，仍然可能高于2 倍額定電流值。

4）VSG 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

VSG 控制模擬了傳統同步發電機的搖擺方程，可為微電網提供一定的慣性支撐［29-32］?，F階段，VSG 主要分為電壓控制型以及電流控制型，且前者應用更為廣泛。同步逆變器是電壓控制型的典型案例之一，沒有電流內環約束電壓參考值，與常規電壓控制型VSG 差別較大，因而大擾動時遭受的沖擊電流也最為嚴重［32］。同步逆變器的電流響應如附錄A 圖A6 所示，不考慮限幅作用時，對稱擾動下其沖擊電流可達到額定值的6 至7 倍［32］?？紤]調制限幅作用時，其響應狀態與V/F 調制限幅作用類似。

為形成更為直觀的對比，表1 總結了大擾動時典型電壓及電流控制型IIDG 的輸出電流特性。結合模型及仿真對比結果可知，大擾動期間電流控制型逆變器輸出電流的幅值及對稱情況依然均可控；而電壓控制型逆變器的輸出電流不直接可控，由逆變器端電壓與外界電壓差以及等效阻抗決定，其沖擊幅值較大，且不對稱與否直接由電壓差決定。因此，電壓控制型IIDG 的沖擊電流規模及速度通常會大于電流控制型IIDG。此外，對稱擾動時電流控制或電壓控制型IIDG 均只存在正序網絡，三相三線制或三相四線制對系統的輸電電流特性無影響。不對稱擾動時，電流控制型IIDG 三相三線制與三相四線制下仍將具有相同的正序網絡特性；但是電壓控制型IIDG 將存在差異，即電壓控制型IIDG 在三相三線制下存在正序和負序網絡的電流特征，而在四線制下存在正序、負序和零序網絡的電流特征。

表1 大擾動時典型接口逆變器控制的微源運行特性Table 1 Operation characteristics of micro-source controlled by typical interface inverter under large disturbance

2.2 大擾動時交流微電網穩定運行特性

大擾動時微電網穩定運行特性會受到多方面的影響，并且呈現非常復雜的時變特征。其主要影響因素包括系統的拓撲、微源與負荷的分布位置及數量、微源的控制方式、離并網運行模式、負荷性質和擾動程度、類型、位置、時刻等［32-34］。其典型特征如下。

1）節點電壓、頻率大幅偏移。大擾動時各微源輸出端與擾動點之間存在很大的電壓矢量差，微源向受擾點提供大量的能量支撐，導致微電網節點電壓、頻率的大幅偏移，且擾動點距離微源越近，各節點偏移越嚴重。文獻［33］基于單機并網結構，研究了微源輸出端以及公共連接點（PCC）電氣量變化特征，并指出大擾動時微電網運行特性區別于傳統電力系統，會受微源等主動發電單元的影響，呈現不斷變化的特征。文獻［35］指出電力電子化微電網慣性小，大擾動時系統的電壓、頻率極易發生大范圍波動，并提出基于耦合因子的非線性解耦方法來分析母線電壓、頻率突變對系統穩定性的影響。

2）電壓、電流畸變。大擾動時節點電壓、電流的不對稱會使控制系統引入非工頻擾動分量，通過脈寬調制（PWM）開關作用，逆變器輸出電壓、電流發生畸變。文獻［36］指出了不同接線方式及坐標系控制下，大擾動時微電網的電壓、電流都會產生二倍頻諧波分量。文獻［37］研究結果表明電力電子器件的非線性、不對稱故障及變壓器不同接線方式均會帶來多種諧波影響。文獻［38］指出微電網恒功率等非線性負荷在擾動時會加劇系統的電壓、電流畸變。

3）功率振蕩。并聯微源之間的特性差異會導致大擾動時并聯機組之間的瞬時能量分配不均衡，進而引發系統功率振蕩，且部分微源在微電網發生大擾動后易承擔過多的瞬時功率，導致逆變器的過載或運行模式切換。文獻［39］指出逆變器由于自身過流能力有限，在過載后將由組網運行切換至限流工作模式，無法持續支撐孤島微電網電壓。文獻［40］研究結果表明微源瞬時功率的突增還可能引發系統頻率失穩、儲能單元損毀等問題。

4）同步失穩。當擾動程度嚴重時，并聯微源之間無法維持同步，導致微電網直接失穩，造成大面積停電，此為大擾動最嚴重的后果。文獻［41-42］指出由于微電網容量小，大擾動時若存在微源非計劃性脫網，且脫網總容量超過微電網最大可接受的功率缺失范圍時，系統可能暫態失穩。文獻［6，43］指出功角失穩的本質為大擾動時微源參考功率與輸出功率的不平衡，即實際能量超過了最大允許能量值。文獻［6，44］進一步解釋，根據擴展等面積法則，當功角曲線中加速面積大于最大減速面積時，系統將失穩；當加速面積小于最大減速面積時，系統將恢復穩定；二者相等時，系統處于臨界穩定狀態。

近年來，隨著逆變器接口微源接入電網的比例逐漸增加，電網的暫態穩定性變得愈加復雜?；诘湫瓦\行特性分析可知，微電網抗干擾能力弱且規模小，導致微電網在經受大擾動時易發生V/F、功率的大范圍波動，甚至出現不可逆的暫態失穩現象，威脅微電網安全、穩定運行。由于微電網非線性耦合強、時間尺度寬、時變性強，造成微電網與傳統電網相比暫態穩定問題復雜且突出。IEEE 電力與能源協會在對微電網穩定性定義時，分析與建模工作組根據微電網的運行特性和失穩機理將微電網的穩定問題歸類為控制系統穩定問題和電能平衡穩定問題［45］，如圖6 所示。

圖6 交流微電網穩定問題歸類Fig.6 Classification of AC microgrid stability problems

與傳統電網的暫態穩定問題相比，由逆變器控制所引起的暫態穩定問題是微電網暫態穩定問題的重要內容［1］。微電網中的逆變器單元主要通過控制開關器件的開通和關斷進行電能變換，是微電網實現能量管理和穩定運行的物理基礎。當多個逆變器單元同時進行電能變換時，需要同步控制環節實現多個逆變器之間以及逆變器與微電網之間的同步，保證逆變器輸出功率穩定，因而同步控制環節廣泛存在于逆變器控制系統中。傳統電網中同步發電機在經受大擾動時易產生暫態同步穩定問題，微電網中同樣存在嚴重的暫態同步穩定問題［6］。不同于傳統同步發電機為主的強慣性電力系統，大量風機、光伏等新能源低慣性系統通過鎖相環與電網實現同步，其同步機理及運行模式與傳統電力系統存在較大差異。此外，近些年提出模擬同步發電機特性的逆變器控制策略，如下垂控制、VSG 控制等，在電網故障時需要限制輸出電流容量，使得其同步機理與同步發電機存在明顯差異［6，46-49］。因此，需要針對逆變器接口型微源的同步特性以及同步機與逆變器接口型微源的交互特性進行機理研究。以下將從單機同步機理以及同步機和逆變器多機交互機理的角度進行總結分析。

2.2.1 單機同步穩定機理

2.2.1.1 同步發電機

傳統電力系統中，同步發電機作為主要發電單元，對系統的穩定運行特性有著不可忽視的影響。同步發電機的同步原理依賴于原動機輸入功率和輸出電磁功率之間的平衡。針對同步發電機的同步穩定機理已有較為深入的研究結果［47］，本文不再贅述。

2.2.1.2 逆變器接口

與傳統同步發電機通過物理轉子結構與電網實現同步的機理不同，逆變器根據其控制策略的不同，有多種與電網實現同步的方式［6，48］。其中，功率同步控制和鎖相環是實現逆變器同步電能變換的重要方式，其同步控制策略如附錄A 圖A7 所示。

1）功率同步控制

如附錄A 圖A7（a）所示，功率同步控制通過建立輸出有功功率與相角的閉環反饋，實現同步控制。VSG 和下垂控制逆變器等電壓控制型逆變器均采用功率同步控制，與電網實現同步以及功率均分。當輸出有功功率小于參考有功功率時，功率同步控制輸出相角將會增加，從而增大輸出有功功率并減小與參考有功功率的差值，完成負反饋并實現與微電網的同步控制。功率同步控制雖然從控制策略上能夠模擬同步發電機特性，但仍需要通過功率平衡實現。然而，逆變器在暫態過程中存在輸出功率限制，造成功率同步型逆變器與同步發電機在暫態同步機理上的本質差異［46］。

當電網發生大擾動時，逆變器輸出功率大幅變化，有功功率差值可能導致功率同步控制環節輸出相角與電網相角差超過90°。此時，增加相角反而會減小逆變器的輸出有功功率，使得其與參考有功功率的差值形成正反饋環，導致與微電網失步。功率同步型逆變器暫態失穩機理如圖7（a）所示，其穩定機理可通過擴展等面積定則解釋［49］。當S1=S2時，若δmax＜δu，則系統穩定；反之，系統則出現失穩。文獻［34］發現了功率同步型逆變器在電網大擾動時會出現暫態同步失穩問題，并通過相平面法分析失穩機理。文獻［6］指出無功功率-電壓下垂環會惡化VSG 的暫態穩定性，并提出一種考慮無功環特性的李雅普諾夫能量函數法定量評估暫態穩定域。文獻［50］揭示了電流限幅環節作用下，下垂控制變換器退化成電流源并出現暫態失穩的機理。文獻［51］總結了功率同步型逆變器暫態同步穩定由功率同步環的動態決定。

圖7 逆變器接口暫態同步機理Fig.7 Transient synchronization mechanism of inverter interface

2）鎖相環同步控制

鎖相環的工作原理如附錄A 圖A7（b）所示。鎖相環通過建立電壓反饋環，當鎖相環輸出相角小于檢測點的電壓相角時，其q軸電壓值將為正，從而增加鎖相環角頻率，減小與檢測點相角差直至相等；而當鎖相環相角大于檢測點電壓相角時，其q軸電壓值將為負，從而減小鎖相環角頻率和輸出相角，直到與檢測點相角相同。鎖相環同步依靠電壓的平衡實現同步，這與同步發電機和功率同步控制存在本質差異［52］。

鎖相環同步控制廣泛應用于風機、光伏等電流控制型逆變器與電網的同步。隨著鎖相環同步型逆變器接入電網比例的提升，系統的穩定運行區間會縮小。鎖相環同步型逆變器的暫態失穩機理如圖7（b）所示。當A1=A2時，若φmax＜φu，則系統穩定；反之，系統則出現失穩［53-54］。文獻［55］指出注入無功電流能夠提升系統的穩定性。根據最新的并網規范要求，當電網電壓跌落至50%以下時逆變器需要全部注入無功電流支撐電網［56］。然而，文獻［57］指出在電壓跌落程度較深的情況下，注入無功電流可能導致鎖相環出現失穩現象，并且以風電場為背景進行了時域仿真驗證。為了揭示鎖相環內在失穩機理，文獻［58］對鎖相環同步型逆變器進行模型降階，并建立與同步發電機轉動方程的數學關系，在此基礎上構造能量函數定量分析了控制參數的影響。文獻［59］發現，當注入電流角與線路等值阻抗角滿足一定關系時，逆變器的暫態穩定域最優。

2.2.2 多機交互穩定機理

上文分別以同步發電機、功率同步型逆變器和鎖相環同步型逆變器為研究對象，討論了其內在失穩機理。然而，實際微電網中是多種微源并存的狀態，同步發電機和不同同步控制逆變器之間的暫態交互變得尤為復雜。為此，需要討論同類同步控制逆變器間、不同同步控制逆變器間、逆變器接口與同步發電機間的同步穩定問題。

文獻［59］討論了多鎖相環同步型逆變器并聯系統的暫態穩定問題，而文獻［60-61］則針對多功率同步型逆變器并聯系統的暫態穩定開展研究，并提出了基于慣性中心等值的研究方法。針對不同同步控制逆變器之間的暫態交互問題，文獻［62］建立了鎖相環同步型和功率同步型逆變器并聯系統的暫態交互模型，并揭示了不同注入電流相角下功率同步型逆變器的暫態穩定問題。針對同步發電機并聯功率同步型逆變器系統，文獻［43］發現調速環差異會導致并聯系統更容易出現失穩現象。文獻［63］討論了鎖相環同步型逆變器接入對同步發電機暫態同步穩定性的影響機理。

考慮到微電網供電半徑較小、功率耦合較強的特性，研究微電網暫態同步穩定特性時還須考慮負荷特性和無功控制特性。這部分工作尚處于開始階段，是后續的研究重點。上述特征都是基于對微源以及微電網節點電氣量變化的研究總結。然而，現階段針對微電網系統級運行特性的研究較少，針對大擾動的機理研究主要集中于對單個微源或簡單并聯微源大擾動失穩機理的討論。多種系統失穩現象產生的原因以及影響機理尚不清晰，且由于微電網自身拓撲結構以及控制的復雜性與多變性，有效的數學分析工具亟待突破。

3 大擾動時交流微電網的控制策略

3.1 大擾動時交流微電網的控制目標分析

基于大擾動時微電網運行特性可知，分布式微源尤其是電壓控制型接口逆變器微源極易產生大于2 倍額定值的沖擊電流，威脅裝置安全。此外，系統電壓、頻率大幅偏移及功率振蕩等較為嚴重時，均易導致系統失穩。因而，大擾動時微電網的控制目標主要包括保護裝備的安全運行及維持系統的穩定。

針對上述需求，目前微電網大擾動時的控制策略主要分成2 類：微電網限流保護控制及暫態穩定性控制。前者是為確保整個物理網絡的安全，如避免裝備過流燒毀、提供必要的分布式有功和無功注入以及V/F 支撐等。后者是為避免大擾動時電氣量突變等引起的系統失穩問題。系統性梳理現階段2 種控制的研究現狀，如圖8 所示。

圖8 大擾動時微電網的控制目標Fig.8 Control targets of microgrid under large disturbance

3.2 大擾動時交流微電網限流保護控制策略

基于電壓控制型接口逆變器微源和電流控制型接口逆變器微源的擾動響應特性，可以從微源級和系統級采取不同的應對方案對裝置進行保護，實現逆變器的沖擊電流抑制、有功和無功波動抑制以及對網側節點的V/F 支撐?，F有的典型限流保護方案主要包括增加物理限流裝置以及改進控制策略等。

1）物理硬件限流

增加硬件限流的方案旨在于逆變器輸出端口、線路首末端以及微電網與主網連接點處等關鍵位置增加物理限流裝置，以抑制大擾動時系統的沖擊電流規模［5］。物理硬件限流器可以分為被動型與主動型。

被動型限流裝置（passive fault current limiter，FCL）依靠無源元件的物理特性達到限流目的，包括阻抗限流器、超導限流器（superconducting fault current limiter，SFCL）等。阻抗限流器由傳統的電感線圈、電阻等元件組成，成本低且穩態下損耗大［5］。SFCL 充分結合了超導材料的優勢，主要原理為當流經超導體的電流小于臨界值時，SFCL 呈零阻抗超導狀態；當電流超過臨界值時，SFCL 會立即轉變為失超狀態，阻抗突增［64］。SFCL 既可以在大擾動時保護裝備不燒毀，同時也可避免常態下限流裝置產生的額外損耗，但是存在恢復時間長的缺點。文獻［65］對比分析了SFCL 應用于微電網不同位置時對系統大擾動的限流效果。結果表明：當被動限流器配置于擾動點所在線路首端時，可以較好抑制線路以及微源的沖擊電流，性能最佳。

主動型限流器以電力電子開關器件的快速開關控制為核心，結合電阻、電感等元件實現限流阻抗的快速切換，從而達到限流的目的［66］。文獻［67］提出一種基于IGBT 和二極管的微電網故障限流器。該限流裝置連接于微電網與主網之間，采集PCC 電壓進行相關控制，能在一個周期內完成故障檢測及啟動，以隔離主網故障對微電網的干擾，同時幫助穩定PCC 電壓。類似地，文獻［68］提出一種基于常通型門極可關斷晶閘管（GTO）器件的微電網限流裝置，穩態工況下可運行于電壓控制或有功、無功控制模式，促進其與系統間的友好互聯。大擾動時，能夠依據對網側電壓幅值以及頻率變化率的判斷，主動啟動限流功能。

增加物理限流的方案實施簡單、適應性強，可根據系統線路及關鍵裝備保護的需求合理設計安放位置。然而，正常工況下會存在一定的損耗，同時也會增加硬件成本，經濟性和靈活性差?，F階段許多學者仍在探索各類新型材料、改進型結構和控制下的物理限流裝備，同時也在往低損耗、多功能的方向發展。

2）改進控制方案限流

改進控制方案實現限流的方式根據接口逆變器靈活可控的優勢，可以分為被動型和主動型。

被動型限流控制即在逆變器控制環增加限幅器，如功率外環增加功率或V/F 限幅、電壓控制環增加電流限幅、電流控制內環增加調制限幅等。這類限幅方法實施簡單，幾乎可應用于所有類型逆變器。但是，為避免正常運行時的限幅飽和問題，限幅上、下限不宜過小，因此，存在限幅效果差且不對稱擾動下電壓電流畸變率高等問題。文獻［26］對比研究了被動型限幅器在dq同步坐標系、αβ坐標系、abc 坐標系以及三相三線制與三相四線制下的限幅效果，并分析了多種誘因。文獻［7，27］討論了限幅器在不同電流、電壓控制型IIDG 中的作用，并指出某些特殊場景下限幅器反而易導致逆變器沖擊電流增加的問題。

被動型限流器通過簡單的算法限制實現，限流效果和精度難以保障，尤其是對于電壓控制型IIDG，一方面，其輸出電流受外界阻抗影響，限幅器不足以抑制；另一方面，由于功率、電壓、電流等多個限幅環節相互耦合作用，反而會加劇大擾動時系統運行特性的復雜性。因此，學者們更關注于主動型限流控制策略的研究。主動型限流控制策略包含模式切換控制、虛擬阻抗控制、調整參考值控制等。

模式切換控制是在擾動期間通過將電壓控制型逆變器切換成電流控制型，并對電流幅值采取一定限制措施來避免逆變器瞬間的電流沖擊。文獻［21，69］分別提出擾動期間將逆變器VSG 控制模式切換為滯環控制以及準比例諧振（proportionalresonant，PR）控制的限流方案。該類方法動作速度快、限流效果好。然而，如果基于全電力電子接口微源構成的微電網運行于孤島模式時，若其中電壓控制型逆變器同時切換至電流控制模式，系統將缺乏穩壓、穩頻的單元。此時，微電網的供電質量難以保證，電壓、頻率的大幅偏移也可能會導致系統失穩。

增加虛擬阻抗的方案可以根據電壓跌落程度、自適應選擇加入控制外環的虛擬阻抗大小來加快擾動期間電流非周期分量的衰減速度，同時限制周期分量的幅值［70］，可適用于多種控制型逆變器。然而，采用虛擬阻抗限流時，為保證系統的穩定以及功率傳輸水平，虛擬阻抗的取值會存在上限［71-72］，且當網側電壓跌幅較大時，該類方案很難達到理想的作用。因此，只適用于擾動程度較小的情況。

調整參考值控制是指通過檢測電壓電路信號等電氣信號對控制系統參考值反饋修正，實現擾動瞬間的沖擊電流抑制以及向網側的注入功率及V/F支撐等功能。文獻［73-75］討論了通過對網側電流正、負、零序注入分量的組合控制，可以分別實現有功和無功功率波動抑制、零序電流和負序電流抑制等單一或多種組合功能功率，適用于PQ 等電流控制型逆變器。文獻［76］針對傳統電流控制方法的不足，提出一種考慮電網阻抗比的控制策略，可以根據網側實際需求調整電流dq軸參考值，靈活注入有功、無功功率。文獻［77］根據擾動期間系統的等效阻抗以及允許注入的最大電流幅值，直接求取逆變器的電壓參考值，同時減小節點電壓的不對稱度，適用于V/F 等可以直接通過電壓、頻率參考值控制的逆變器。然而，由于擾動時系統的等效阻抗值難以準確預知，限流效果與及時性均難以保證。

鑒于上述幾種典型方案各有優缺點與適用場景，為多方位提升微源的安全性及優化運行性能，開展了多種方案相結合的研究。文獻［78］提出一種結合虛擬阻抗和切換控制的改進型保護策略，克服了兩者的不足。文獻［79］提出一種虛擬阻抗和切換控制，改進參考值結合的限流控制策略。穩態時運行于普通的電流下垂特性，大擾動時下垂外環的有功分量控制主動切換為功角控制，維持功角仍在額定工作點附近，無功下垂分量控制根據逆變器最大允許輸出電流，向電網注入無功支撐。文獻［26］針對傳統電壓控制型IIDG 外環限流控制方案電能質量差、不同坐標系下限流不準確、非故障相易過電壓等問題，提出了一種通過限制電感、電流來間接限制輸出電壓、改善電能質量的多功能限流控制，其同時適用于abc 坐標系控制、dq坐標系控制、αβ坐標系控制以及三相三線制和三相四線制的拓撲結構。

現階段，也有學者針對微源的協同保護控制進行了研究。文獻［80-83］提出結合通信進行自適應協同控制的方案，通過集中通信或者分布式通信采集微電網的拓撲信息、微源大擾動期間運行狀態、節點電壓電流信息等，進行微源出力的均衡協調，以最大化增強系統應對擾動的能力，提升可靠性。文獻［84］提出一種并網模式下微電網分層限流控制策略：第1 層控制利用準PR 控制實現電流的無差跟蹤；第2 層控制利用本地微源控制實現微源輸出電流負序分量與零序分量的消除以及峰值電流的限制；第3 層控制經鎖相環鎖定微電網與主網之間的相位差，再基于該相位差利用微源的移相控制，使得微電網注入擾動點總電流近似為0；第4 層控制經通信系統將網側的有功、無功注入需求均分給并聯微源，可以提升大擾動時微電網整體的可靠運行能力。

然而，目前針對大擾動時微源協同控制保護的研究還處于初級階段，已有研究大多提倡結合通信對微源進行迅速配合控制，對于協同限流效果、通信的及時性與可靠性以及方法對于微電網拓撲及運行模式的適應性還缺乏深入研究。

3.3 大擾動時交流微電網暫態穩定控制策略

針對不同的暫態穩定問題，以分析失穩機理為基礎，改進控制策略是提升微電網暫態穩定性的重要思路。逆變器接口微源及逆變器接口微源與同步發電機交互的暫態同步失穩機理已在2.2 節中給出。同步發電機的同步穩定性由原動機輸入機械功率與電磁輸出功率之間的平衡決定；功率同步型逆變器的暫態同步穩定性取決于參考功率及輸出功率的平衡；而鎖相環同步型逆變器通過采樣電壓信號與電網實現同步。基于上述機理分析所得結論，下文將給出暫態穩定性提升控制策略。同步發電機的穩定控制方法已有深入研究［47］，本文不再贅述。逆變器接口型微源穩定提升控制總結如圖8 所示。

1）功率同步控制型逆變器暫態穩定控制

功率同步控制產生同步失穩的根本原因是逆變器輸入與輸出功率的不平衡，與有功控制環密切相關。目前提高其同步穩定性的措施主要分為2 類：一是改善有功控制環參數；二是改變控制結構。第1 類主要改善的控制參數是慣性常數、阻尼系數和輸入功率參考值。文獻［44］采用粒子群算法對VSG 有功控制環的慣性常數和阻尼系數進行優化，提升系統的暫態穩定性。文獻［43］通過增加大擾動期間虛擬機的阻尼系數來增強系統的暫態穩定性。文獻［6］通過降低大擾動期間虛擬機的輸入功率參考值，從而提升系統的同步穩定性。第2 類通過引入前饋/反饋環節或李雅普諾夫法改變控制結構，或者僅改變大擾動期間的控制結構來提高系統穩定性。文獻［59］通過引入反饋環節來改變系統大擾動期間的慣性和阻尼系數，從而改善多機系統的同步穩定性。文獻［85］采用李雅普諾夫法，一方面可以改善系統的暫態穩定性，另一方面能有效地限制故障電流。文獻［86］在大擾動期間將虛擬機有功控制環的二階變為一階，保證大擾動期間系統存在平衡點，從而增強系統的同步穩定性。

2）鎖相環同步控制型逆變器暫態穩定控制

鎖相環同步控制產生同步失穩的根本原因是鎖相環電壓量的不平衡，根據其失穩機理，目前提升其同步穩定性的措施主要分為2 類：一是改變鎖相環控制結構；二是減小電壓偏移量。在第1 類控制研究中，文獻［87］在大擾動期間閉鎖鎖相環，避免電壓不平衡帶來鎖相環輸出失穩。文獻［88］將典型二階鎖相環結構改變為一階結構，在大擾動程度較淺且存在穩定平衡點的情況下實現鎖相環的穩定控制。然而，當電網發生電壓相角跳變及電網深度故障發生時，所提控制的魯棒性不足。第2 類是從減小電壓偏移量的角度來修正大擾動期間逆變器的注入電流。文獻［89］在大擾動期間不注入電流，從而避免出現暫態失穩問題。然而這一方法不符合電網并網準則。文獻［90］提出基于線路阻感比比值的自適應注入電流，然而實時檢測線路阻感比難以實現。文獻［57，59］提出基于鎖相環輸出頻率的自適應注入電流。然而，該類方法均針對單個電流源并網的情況，并未考慮多機（如VSG 和電流源并聯并網）時電流源在大擾動期間應如何注入電流，來提高系統同步穩定性。

目前，針對大擾動時穩定性提升方案的研究，多從控制角度對單機系統或簡單并聯系統進行優化設計。針對電力電子接口型微源多機并聯系統、同步機與電力電子接口微源多機并聯系統的穩定性提升方面仍缺乏有效措施。

4 大擾動時交流微電網運行與控制的挑戰及展望

大擾動時具備安全可靠運行能力是交流微電網進一步發展的重要前提。現階段，針對大擾動時交流微電網運行與控制的研究主要基于簡單的物理場景。然而，交流微電網的結構與組成日益復雜，規模日益增加，且與傳統電網所面臨的同類型問題及解決方案存在差異，依然存在許多亟待解決的難題。簡要闡述相關挑戰及可能的解決思路如下。

1）基于多物理場耦合特性的微電網裝備安全分析與設計問題。微電網變換器、電感、變壓器等常用電力電子裝備通常工作在“電-磁-熱-流體”等多物理場耦合環境［91］。大擾動時，多物理場耦合媒介多樣、作用機理復雜、多學科問題交叉，僅關注單一的電流特性已不能完全保障大擾動時微電網的裝備安全。例如：裝備的沖擊電流峰值會決定母排等元件的電應力范圍；電感等雜散參數會影響器件的開關特性與裝置的安全工作區［92］。因此，微電網裝備的多物理場耦合建模分析與優化設計對實際工程的指導至關重要。

2）電力電子化微電網的多時間尺度交互與協調控制問題。電力電子化導致過流能力差、響應速度快等特征會給繼電保護設計及電網安全運行標準帶來嚴峻挑戰［18，20，44］，而微源的多樣性與分布化則增加了變換器之間多時間尺度交互影響的復雜性與協調難度，導致大擾動時微電網運行控制與暫態保護困難［5，33-34］。探索新型器件、新的變換器結構等物理優化方案，以及更靈活、更自主的微源與負荷本地智能化管理技術，是從根本上解決微電網電力電子化和分布化趨勢下大擾動問題的有效途徑。

3）微電網大擾動穩定運行特性與穩定判據研究。目前針對暫態穩定性的研究多集中于單個變換器或簡單并聯系統，且主要基于時域仿真法及李亞普諾夫能量函數法。然而，微電網模型階數高、復雜性強，導致基于迭代運算的仿真軟件運行時間長、效率低，仿真精度和仿真步長相矛盾，不利于大擾動問題的研究［18］?；诶顏喥罩Z夫函數的分析方法也難以構建復雜微電網的數學描述［15，52］。此外，限幅單元、非線性調制環節、恒功率負荷及時變的控制等均會增加大擾動時穩定性分析難度［93］。因此，研究新的大擾動穩定性分析工具是值得探索的前沿課題。

4）微電網信息物理安全問題。微電網的數據采集、協調控制等均需要大量信息交互，隨著系統規模不斷增加，通信網絡也日益復雜，傳統電力網絡已拓展成為信息-物理強耦合系統。僅單一考慮電磁與機械層面的大擾動問題已難以確保系統的安全性。文獻［94］指出，2015 年烏克蘭電網大停電事件是第1 起惡意網絡攻擊案例。文獻［95］報道，2018 年美國能源及其他關鍵系統遭受黑客攻擊，攻擊者實際已獲得網絡開關的閉合能力。相比于傳統電網，微電網對分布式微源及負荷的自由接納性，更增加了信息網絡安全隱患。因此，深度研究微電網信息物理安全問題是未來數字化微電網建設的必經之路。

5 結語

微電網是解決能源危機、環境問題的有效途徑，本文針對大擾動時交流微電網的運行與控制問題，首先，分別從輸出電流層面與穩定性層面總結了大擾動時微電網的重要運行特征。然后，詳細梳理了現階段微電網典型限流控制策略與穩定性提升控制方案。最后，對該方向下交流微電網未來可能面臨的關鍵難題和研究思路進行了展望。本文探討的內容僅是在國內外學者現有的研究基礎上的概括和思考，以期能對未來微電網的安全可靠運行提供一些思路和借鑒。微電網的進一步發展乃至大范圍普及，仍需更加深入、更為本質的理論探索與技術創新。

本文在撰寫過程中受到湖南省研究生科研創新項目（CX20200433）資助，特此感謝！

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