基于本地自適應調節的交直流混合微電網全局協調控制

符楊，王曉旭，米陽，張智泉

(上海電力大學 電氣工程學院，上海 200090)

0 引 言

可再生分布式電源(DG)具有環境友好性、可擴展性、靈活性等諸多優點，在現代電網中的滲透率逐步提升[1-3]。而微電網作為管理和消納DG的有效模式,一直是國內外專家的研究重點。目前已取得了一定的進展，建設了相應的示范性工程[4-6]。

而相比單一的交流微電網、直流微電網，交直流混合微電網可提供DG的交流接口、直流接口，方便交直流負荷即插即用，能夠有效減少光伏、儲能等DG以及電力電子負荷、變頻類負荷的功率變換環節，使系統更高效、更經濟、更穩定的運行[7-9]，是微電網技術未來的重要研究方向。

對微電網系統而言，有效且準確的功率分配始終是微電網控制的基本要求[10-11]。由于微電網中包含大量的可再生電源以及波動范圍較大的負荷，需要配置儲能設備來維持系統的穩定運行。在單個微電網中，下垂控制可工作于無通信的環境下并具有較高的可靠性與靈活性，所以功率分配能夠通過傳統下垂控制來實現。但也存在一些不足，如電壓、頻率偏差較大，功率分配的精度較低[12-13]。

目前關于微網系統功率分配的研究，主要分為兩類：一類側重于單個子微網內部功率分配精度的提高[14-15]，一類側重于微網間的功率協調[16-19]。文獻[14]通過引入電壓變化設計新型下垂控制，從而提高功率分配精度并維持電壓穩定。文獻[15]中加入線阻測量裝置，通過測量值改變下垂系數從而實現準確有效的功率分配。文獻[16]提出了基于互聯變換器的雙下垂控制，實現了直流微電網、交流微電網間的功率流動。文獻[17]首次設計了基于標幺化的雙向互聯變換器自治協調控制策略，使交流微電網、直流微電網的下垂曲線可共用同一坐標系，最后利用PI控制器實現各子微網按容量比輸出有功功率。文獻[18]針對AC/DC/DS三端口的交直流混合微電網，提出了包含本地功率控制(LPS)、全局功率控制(GPS)以及儲能功率控制(SPS)的分層控制策略，并設置了合理的激活條件避免不必要的LPS、GPS，但交流頻率、直流母線電壓均偏離額定值。文獻[19]對可控的分布式電源按不同的工作模式設計了分段下垂控制，與此同時制定功率交換控制規則，實現了無通信下子微網間功率的合理流動。但交流子微網、直流子微網，均在理想狀態下，沒有考慮不匹配線阻的影響。

通過以上分析，本文對孤島運行下的交直流混合微電網提出了一種基于本地自適應調節下的微網全局協調控制策略。首先考慮到線路參數的不確定性，對直流子微網內的分布式電源設計了模糊自適應下垂控制，通過自適應調節下垂系數提高子微網內部有功功率分配的精確性。對交流子微網內部的分布式電源設計了基于同步信號改進的本地下垂控制，通過調整參考電壓，實現子微網內部有功功率、無功功率的精確分配。接著在本地調節的基礎上，考慮儲能設備對交直流混合微電網采用全局協調控制策略，通過二次控制消除頻率/電壓偏差，恢復其至額定值。提出新的歸一化值實現頻率電壓穩定條件下的全局功率合理流動以及自主分配。針對全局功率協調策略提出了交換功率控制規則，避免不必要的功率交換，減少了互聯變換器上的損耗，延長了儲能壽命。

1 交直流混合微電網結構

交直流混合微電網的拓撲結構如圖1所示。相應的分布式電源以及負荷分別連接在交流母線、直流母線上，而交直流母線則通過雙向互聯變換器(Bidirectional Interlinking Converter，BIC)相連。BIC由一個雙向的AC/DC逆變器和一個雙向的DC/DC逆變器構成。為使系統的功率變換級數較低，可將儲能系統母線連接于BIC的直流側。DG分為可控型分布式電源(Controlled DG，CDG)和不可控型分布式電源(Uncontrolled DG，UDG)。輸出功率穩定且可調節系統頻率、電壓的DG稱為CDG，如蓄電池、微型燃氣輪機等；輸出功率易受自然條件影響、具有間歇性的DG稱為UDG，如風機、光伏等，通常采用MPPT控制[20-22]，在文中將其視作輸出功率為負值的負荷。

圖1 混合微電網的典型結構Fig.1 Typical structure of a hybrid AC/DC micro-grid

2 本地下垂控制

根據直流子微網、交流子微網的網架結構與運行特點，對各子微網內的CDG分別設計本地下垂控制。

2.1 直流子微網內模糊下垂控制

在直流子微網中，單個直流單元通過DC/DC換流器(DC/DC Converter，DDC)與直流母線相連，直流子微網的等效電路如圖2所示。其中Udci(i= 1,2,…,N)是DGi的輸出電壓，Ii是DGi的輸出電流，Rlinei為第i個DC/DC換流器到直流母線的線路電阻。

圖2 直流子微網等效電路Fig.2 Equivalent circuit of DC sub-microgrid

直流子微網內的功率分配常采用P-U下垂或I-U下垂，為了更加直觀的反映輸出功率與電壓的關系，本文采用P-U下垂。傳統的P-U下垂表達式如下：

(1)

針對實際微網中潮流參數的不確定性，設計了基于模糊自適應下垂系數的改進下垂控制策略。基于采樣定理，合理調整離散模糊系統的采樣時間，使其充分接近微網連續系統運行時間。同時利用模糊控制魯棒性較強，響應速度較快這一特點，在極短時間內動態地調整下垂系數從而調節各DG的輸出功率。

DG下垂系數與輸出功率正相關[16]。將DG發出的有功功率作為模糊控制器的輸入，制定模糊規則自適應地調節下垂系數，從而實現子微網內部有功功率的精確分配：

(2)

模糊控制器主要包含模糊化、模糊推理機制以及清晰化。根據式(2)，將單個DG的實際輸出功率與期望的輸出功率值作差，所得的(Pdci)′作為模糊控制器的輸入，模糊控制器根據輸入量自適應的調節下垂系數mi。輸入輸出變量的模糊子集如下：

(3)

其中，NB、NL、NS、Z、PS、PL、PB分別代表負大、負中、負小、零、正小，正中，正大。具體模糊規則制定如表1所示。

當DG的輸出功率大于預期輸出功率時，需增大下垂系數mi以減小其輸出功率；當DG的輸出功率小于預期輸出功率時，需減小下垂系數mi以增大其輸出功率，最終實現各DG根據自身額定容量進行功率的精確分配。

圖3為模糊下垂控制下的雙DG功率分配圖。如圖3所示，原始狀態下，由于線路阻抗不匹配(假設Rline1>Rline2)，額定容量相同的兩臺DG存在輸出功率差值ΔP。運用模糊下垂控制器動態地調節下垂系數mi，使得DG1的下垂系數減小，DG2的下垂系數增大，最終實現兩臺DG按額定容量輸出有功功率，Pdc1:Pdc2=1:1。

圖3 模糊下垂控制下的雙DG功率分配Fig.3 Power allocation of two DG units based on fuzzy droop control

2.2 基于同步信號的交流子微網改進下垂控制

在交流子微網中，分布式電源(DG)通過電力電子接口、饋線與交流母線相連。等效電路如圖4所示。

圖4 交流子微網的等效結構Fig.4 Equivalent structure of AC sub-microgrid

其中,Uac是交流母線電壓幅值，Uaci(i=1,2,…n)是DGi的輸出電壓，Paci為DGi輸出的有功功率，Qaci為DGi輸出的無功功率。所提策略主要針對高壓交流微電網，因此線路電阻可以忽略。因此Paci、Qaci分別為：

(4)

(5)

式中Xi是DGi的輸出電抗，δi是Uaci與Uac的相角差。由于相角差δi非常小，所以sinδi可近似為δi，cosδi可近似為1。

傳統的下垂控制如下：

(6)

(7)

針對該問題，提出了基于同步信號的改進下垂控制，在傳統下垂控制的基礎上增加無功補償，自適應地修改下垂控制曲線的參考電壓，從而提高各DG無功均分的精度。

改進下垂控制如下所示：

(8)

式中Uaci(t+1)代表DGi第t+1個采樣周期所對應的輸出電壓，Qaci(t)代表在第t次同步信號到來時采樣并保存的無功穩態值，用于第t+1次的無功偏差消除，KQ代表補償系數。

圖5是相鄰同步信號下DG的改進下垂控制運行過程。該控制策略只需知道上一同步信號對應的無功功率，對通信帶寬要求很低。

圖5 相鄰同步信號下DG的控制圖Fig.5 Control block diagram of DG between the adjacent synchronizing signals

以額定容量一致，下垂系數相同的雙DG交流子微網為例(假設X1>X2)。在第1次采樣周期時，由式(8)可得：

(9)

Uac1(0)、Uac2(0)分別為DG1、DG2的原始輸出電壓。

(10)

又因為Qac1(0)X2,根據式(10)得出:ΔQac2_1(1)-ΔQac2_1(0)<0，進一步得到ΔQac2_1(1)<ΔQ2_1(0)，無功偏差逐漸減小，最后趨近于0。

圖6是改進下垂控制的雙DG無功功率分配示意圖。原始狀態下，由于線路阻抗不匹配(假設X1>X2)，導致額定容量相同的兩臺DG輸出的無功功率不一致。采用基于同步信號改進的下垂控制，運用上一時刻同步信號對應的無功功率，不斷調整下垂控制中的參考電壓值，使無功偏差不斷減小，最終實現無功均分。

圖6 改進下垂控制下的雙DG無功功率分配Fig.6 Reactive power allocation of two DG units based on an improved droop control

3 交直流混合微電網全局協調控制

3.1 電壓、頻率恢復設計

2節所提出的本地下垂控制會引起電壓偏差、頻率偏差。針對該問題，本節進一步設計了二次控制策略，使電壓、頻率穩定至額定值。通過測量直流母線電壓、交流頻率并通過低速通信網絡傳至二次控制層，通過PI控制器使電壓、頻率追蹤其額定值，即：

(11)

式中ΔVdcrate、frated分別為直流母線電壓額定值、頻率額定值。kpv、kiv、kpf、kif為PI控制器的控制參數。

PI控制器的輸出將被傳送本地下垂控制，并對其進行修正，修正后的直流子微網本地下垂控制、交流子微網本地下垂控制如下：

(12)

由此可見，通過二次控制，在實現直流母線電壓、頻率穩定于額定值的同時，實現了子微網內有功功率、無功功率的精確分配。

3.2 交直流混合微電網網間功率協調

為了實現交直流網間的功率互濟，需要將頻率、直流母線電壓值進行歸一化，在無量綱的情況下進行統一處理，進而實現全局的功率協調[17]。具體歸一化方法如下所示：

(13)

式中γ可表示頻率、直流母線電壓，(γ)′表示γ歸一化后的值，區間為[-1,1]，γmax和γmin分別表示γ的最大、最小值。

但借助(γ)′值表示子微網內部的功率情況(輕載/重載)存在固有的局限性，當使用二次控制使頻率、直流母線電壓恢復至額定值后，其歸一化后的值始終為零，這將導致(γ)′值無法表示子微網內部及子微網之間的供需關系，嚴重影響網間的功率協調。

(14)

對式(14)進行簡化，可以進一步得到：

(15)

(16)

其中kp、ki為PI控制器的控制參數。通過PI控制器使得RU=Rf后，根據式(15)可以得到：

(17)

由式(17)可以推出，交流子微網、直流子微網可以根據微網容量按比例地進行功率分配。而子微網內的DG在本地自適應下垂控制下進行有功功率的精確分配，最終整個系統的功率分配滿足：

將BIC上的傳輸功率帶入式(15)可以得到：

(18)

因此，可以通過RU、Rf以及BIC上的傳輸功率值判斷直流子微網、交流子微網的負載水平。

3.3 基于全局功率協調的交換功率控制規則

通過3.2小節所提出的功率協調控制策略，可以在二次控制恢復交流頻率、直流母線電壓的條件下，仍實現系統中功率的自主分配。但該控制策略下任意功率波動都可能引起整個系統進行功率流動，造成不必要的功率損耗，影響儲能壽命。

通過以上分析，制定基于全局功率協調的交換功率控制規則。首先設計Rg、Rs(0

模式一：子微網內部實現功率平衡

當0<|RU|∪|Rf|≤Rg時，直流子微網、交流子微網均可以在系統限額內實現各自的功率平衡。功率交換不啟動。

模式二：交直流微網間進行功率交換。

當Rg<|RU|∪|Rf|≤Rs時，子微網功率波動較大，需要子微網間功率交換實現系統功率平衡。

模式三：子微網與儲能系統間進行功率交換。

當Rs<|RU|∪|Rf|≤1時，直流子微網、交流子微網的輸出功率均接近限值，此時需要儲能參與調節，共同維持混合微電網的功率平衡。

為了防止輕微的負載波動觸發子微網間功率交換、微網與儲能間功率交換，區間[0,Rg]、[Rg,Rs]、[Rs,1]的范圍必須足夠大。因此本文在參考RU、Rf的基礎上，進一步考慮了BIC上的傳輸功率，從而確保全局功率交換的觸發精度。據此制定了交換功率控制規則，具體設計如下:

(1)啟動子微網間功率交換。

為了研究子微網間進行功率交換的觸發條件，定義了RUbic、Rfbic這兩個量。在此基礎上，定義事件A、事件B判斷直流子微網、交流子微網的負荷水平。

A：|RU+RUbic|>Rg

(19)

B：|Rf+Rfbic|>Rg

(20)

其中，RUbic、Rfbic分別代表雙向互聯變換器的功率流經過歸一化后的值。

(21)

(22)

當子微網內部可以實現功率平衡，并無子微網間功率交換時，雙向互聯變換器上的流動功率值為0，即RUbic、Rfbic為0，因此事件A、B同樣適用于由子微網內部功率平衡到子微網間進行功率互濟的切換判斷。

基于以上分析，子微網間功率交換的啟動以及交流子微網、直流子微網之間的互助功率如下：

(23)

式中 ∪表示邏輯或，kp、ki為PI控制器對應的控制參數。

(2)儲能系統與子微網間交換功率控制。

定義事件C作為儲能系統與子微網間進行功率交換的觸發條件：

C：|(RU+RUbic)+(Rf+Rfbic)|/2>Rs

(24)

根據前文可知，RU+RUbic可反映直流子微網的負載水平，Rf+Rfbic可反映交流子微網的負載水平。因此，事件C可作為子微網間功率互濟切換至儲能參與實現交直流混合微電網功率平衡的切換條件儲能系統吸收或發出的功率如下：

(25)

(26)

SOC代表儲能的荷電狀態，SOCmin、SOCmax分別表示儲能荷電狀態的最小值、最大值。

當系統的負載水平較低時，事件A、B、C均為假，此時僅需進行子微網本地下垂控制即可實現供需平衡，微網間的功率互濟并未啟動。因此減少了雙向互聯變換器上的功率損耗。當任何一個子微網過載時，事件A與事件B的并集變為1，此時子微網間的功率互濟會啟動，從而避免混合微電網中任何一個分布式電源過載。當兩個子微網同時處于極端重載或輕載的情況下，事件C變為1，此時需要儲能的參與才能在不切負荷的情況下滿足混合微電網系統的供需平衡。

4 仿真驗證

本文按照圖1在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建混合微電網模型并進行分析，以驗證所提控制策略的有效性。模型具體參數見表2。交直流混合微電網的負荷變化參見表3。

表2 仿真參數Tab.2 Simulation parameters

表3 交直流混合微電網的負荷Tab.3 Load of hybrid AC/DC micro-grid

針對交直流混合微電網，設計了3個算例。算例一驗證了模糊改進的本地下垂控制的有效性。算例二驗證了基于同步信號的本地下垂控制的有效性。算例三驗證了全局協調控制下，交直流微網間、子微網與儲能間的功率互濟、頻率/電壓的恢復情況以及子微網內部功率的精確分配。

4.1 直流子微網內部功率協調驗證

在本算例中，直流子微網單獨運行。該微網由3個DG構成，DG1、DG2、DG3的容量之比為1∶2∶2。直流子微網內存在不匹配線阻，Rline1=0.1 Ω，Rline2=0.2 Ω，Rline3=0.3 Ω。若采用傳統的下垂控制策略，可得到3個DG的下垂系數分別為m1=0.04,m2=0.02,m3=0.02。

運用文中所設計的模糊改進下垂控制，直流子微網內部功率情況分配如圖8所示。觀察圖8可以得到，模糊改進下垂控制可以消除不匹配線阻的影響，使三個DG的輸出功率滿足1:2:2，實現直流子微網內部精確的功率分配。

傳統下垂控制策略下的直流子微網內部功率分配如圖7所示。觀察該圖可以發現由于線阻不匹配，直流子微網內功率分配的精度較低，并不符合1:2:2。

圖7 傳統下垂控制下各DG輸出功率波形Fig.7 Output power waveform of DG in conventional droop control

4.2 交流子微網內部功率協調驗證

本算例中，交流子微網單獨運行。該微網由3個DG構成，各DG的容量滿足1:1:1。交流子微網內部存在不匹配阻抗，X1=1 mH,X2=2 mH,X3=3 mH。無功負載Qload=3 000 W，補償系數KQ=1e-6。

圖8 模糊下垂控制下各DG輸出功率波形Fig.8 Output power waveform of DG in fuzzy droop control

由于頻率為全局變量，所以不匹配阻抗并不會影響交流子微網內部的有功功率分配。分配情況如圖9所示。

圖9 各DG輸出的有功功率波形Fig.9 Active power waveform of DG output

但對交流子微網采用傳統的下垂控制時，DG1、DG2、DG3輸出的無功功率不同，如圖10所示。

圖10 傳統下垂控制下各DG輸出的無功功率波形Fig.10 Reactive power of DG output in conventional droop control

運用本文所設計的基于同步思想的改進下垂控制，交流子微網內無功功率的分配情況如圖11所示。觀察圖11可以得到，該控制策略可以消除各DG間不匹配阻抗的影響，從而實現無功功率均分。

圖11 改進下垂控制下各DG輸出的無功功率波形Fig.11 Reactive power waveform of DG output based on an improved droop control

4.3 交直流混合微電網全局協調控制驗證

為了驗證全局協調控制下帶儲能的交直流混合微電網可以進行合理的功率互濟并證實功率交換控制策略的有效性，研究了各負載條件下的管理方案，仿真情況如圖12所示。

圖12 交直流混合微電網輸出的有功功率波形Fig.12 Active power waveform of output of AC/DC hybrid micro-grid

在t=0～2 s內，交流負荷大致為2 890 W，直流負荷大致為2 400 W。此時，交流子微網輸出的總的有功功率大致為2 900 W, 直流子微網輸出的總的有功功率大致為2 430 W。

在t=2 s時，交流負荷不變，直流負荷增至4 570 W。交流子微網向直流子微網傳輸功率，承擔一部分直流負荷。此時，交流子微網輸出的總的有功功率大致為4 050 W, 直流子微網輸出的總的有功功率大致為3 410 W ,基本符合6:5。

在t=4 s時，直流負荷不變，交流負荷增至6 010 W。此時，儲能系統與子微網間進行功率互濟控制啟動。儲能1輸出有功功率950 W，儲能2輸出有功功率1 470 W。儲能1輸出的有功功率少于儲能2，這是由于儲能1的SOC比儲能2的SOC小。

在t=6 s，直流負荷不變，交流負荷減至290 W。此時，交流子微網、直流子微網間仍進行功率互濟。交流子微網輸出的總的有功功率大致為2 750 W, 直流子微網輸出的總的有功功率大致為2 330 W,基本符合6:5。

在t=8 s時，交流負荷不變，直流負荷減至1 150 W。此時，儲能系統與子微網間進行功率互濟控制啟動。儲能1吸收有功功率1 700 W，儲能2吸收有功功率480 W，1700/480>3/2，這是因為儲能1的SOC比儲能2的SOC小，因此在充電模式下儲能1吸收的功率更多。

如圖13、圖14以及圖15所示，各工況下，直流子微網內部DG1、DG2、DG3的輸出功率之比始終為1:2:2，交流子微網內3個DG的輸出功率之比始終滿足1:1:1且能實現無功均分。

圖13 直流子微網中各DG輸出的有功功率波形Fig.13 Active power waveform of DG output in DC sub-microgrid

圖15 改進下垂控制下各DG輸出的無功功率波形Fig.15 Reactive power waveform of DG output based on an improved droop control

如圖16、圖17所示，由于二次控制的設計，頻率、直流母線電壓可以恢復至額定值。

圖16 直流子微網內功率波動時的直流母線電壓波形Fig.16 DC bus voltage waveforms when DC sub-microgrid power fluctuates

圖17 交流子微網內功率波動時的頻率波形Fig.17 Frequency waveforms when AC sub-microgrid power fluctuates

5 結束語

本文針對孤島運行下的交直流混合微電網，提出了一種基于本地自適應調節的全局協調控制策略。通過理論分析以及仿真驗證得出如下結論：

(1)對直流子微網內的DG運用模糊下垂控制，可通過自適應調節下垂系數消除線路阻抗的影響，提高子微網內部有功功率分配的精確性；對交流子微網內的DG采用基于同步理論的改進下垂控制，可消除線路阻抗的影響，保證有功功率均分、無功功率的精確分配;

(2)對包含儲能設備的交直流混合微網運用全局協調控制：對頻率/電壓進行二次調整，使頻率/電壓恢復至額定值；實現交直流子微網間、子微網與儲能間功率的合理流動與自主分配;

(3)設計了功率交換控制規則，可以根據負載水平切換至相應的工作模式，降低交換功率損耗，延長儲能壽命。