直流互聯群微網系統的協調控制策略

林艷艷，肖宏飛，劉光宇，葉林飛

（1.杭州電子科技大學信息工程學院，杭州 311305；2.杭州電子科技大學自動化學院，杭州 310018）

隨著常規能源的急劇減少及環境問題的加劇，各國不斷加強以可再生能源為主導的分布式發電技術研究。微網是分布式發電技術應用的重要途徑之一，但單微網存在容量有限、調節能力相對薄弱、冗余度較低等問題[1-2]，而通過微網有機互連形成的群微網能夠克服單微網的缺點，可以提高微網系統運行的穩定性、可靠性及經濟性[3-4]。

群微網系統與配電網并聯運行時，可同時進行子網間的能量交換及其與配電網間的能量交換；離網運行時，僅在子網間進行能量交換，滿足子網內部用戶的電能需求[5-6]。能量交互控制是群微網穩定、高效運行的關鍵所在，其復雜程度高，既涉及微網短期的優化調度，也涉及實時運行控制[7-8]；既與能量管理模式相關，也受子網的連接方式影響。

從目前的技術基礎及應用情況來看，以交流微網構成的群微網系統較為普遍，交流群微網系統包括交流互聯與直流互聯兩類。相同電壓等級、頻率的微網直接連到公共母線形成直接交流互聯[9-10]，或通過電力電子變流器連接到公共母線形成可控交流互聯[11-12]。交流互聯微網系統的設計與運行控制相對容易實現[13]，不涉及或較少涉及互聯換流器IC（interconnected converter），但其故障隔離效果略差，適宜互聯微網初期發展模式或對電能交換控制要求不高的場合。

直流互聯群微網系統通過互聯換流器連接并進行能量交換[14-15]。子網與互聯換流器的功率控制是能量管理的關鍵問題，目前子網內部的功率控制研究相對充分，IC控制則有待深入研究。在IC的實時功率控制方面，多數文獻采用模擬虛擬發電機的下垂控制策略，利用P-f及Q-V下垂特性實時調整功率。文獻[16]采用動態下垂控制實現子網間功率的有效分配，但并未考慮無功功率的控制，同時子網間無需交換功率時聯絡線功率出現波動；文獻[17]提出基于直流下垂控制環節的虛擬同步電機控制策略，使交直流端口具備慣性和阻尼，提升系統接入不同類型分布式電源的穩定性，但并未考慮子網間的功率互濟問題。采用下垂控制策略，聯絡線功率會發生頻繁波動，為抑制功率的波動，部分文獻采用定功率控制策略。文獻[18]采用互聯換流器兩側的頻率生成定有功功率參考值，對無功功率并未進行有效控制，且在無需功率互濟時聯絡線功率無法穩定在指定值；文獻[19]通過導納矩陣對稱性的功率交換計算方法計算互聯換流器的交換功率值，有效提高了互聯系統頻率穩定性，但無功控制效果較差，暫態響應慢；文獻[20]提出在緊急情況下采用廣義下垂控制策略，利用互聯換流器兩側的頻率與電壓的偏差值生成互聯換流器的功率參考值，實現功率共享恢復系統的穩定，但在非緊急情況下，聯絡線功率會發生不必要的波動。

綜上，群微網的換流器功率控制方面，存在一定不足。其一，在微網運行的調度周期內，聯絡線功率頻繁發生波動，不能按指定值進行功率輸送，降低了微網系統運行的經濟性；其二，IC參與子網無功調節的功能未充分調用，降低了子網的無功備用容量。

本文提出一種直流互聯群微網系統的協調控制策略，旨在實時運行中通過對子網電源及IC的聯合控制維持聯絡線有功功率為指定值，并利用IC的無功儲備作用，維持交流母線電壓穩定。

1 子網與IC的協調控制策略

1.1 子網與IC的功率平衡分析

群微網系統的能量管理包括子網間與子網內的能量協調控制。各子網運行于本網的頻率電壓控制策略下，微網間進行直流形式的能量交互。網間輸送的有功功率計劃值在經濟調度中確定，該值為綜合考慮負荷預測、電源出力預測、系統安全約束以及電力交易等因素的最優值，系統在該狀態下具有最優的經濟性及可靠性。因此，聯絡線功率計劃值在運行中不宜頻繁變化。若交換功率發生變化，系統的經濟性偏離最佳值。從系統無功功率控制來看，子網內部發生無功功率不平衡時，互聯換流器可通過調節無功功率輸出，參與其所在子網的無功功率調節，協助子網完成電壓控制。群微網系統功率協調控制的總體框架如圖1所示。

圖1 群微網的功率協調控制框架Fig.1 Coordinated control framework for groupmicrogrid

微網主控制器MMC（microgrid master control?ler）監控子網電壓、頻率及負荷等運行狀態以及聯絡線功率，進行協調控制并發送指令至互聯換流器的控制器ICC（interconnected converter controller）及子網中央控制器MCC（microgrid central control?ler）。ICC接收指令后根據端口特性進行功率調節或電壓調節，子網MCC根據接收的指令在子網內進行電壓與頻率調節。關于子網內部的電壓與頻率控制，現有研究較為充分，不再贅述。本文重點對子網與IC的功率協調控制及IC的控制策略進行研究。

群微網系統的功率傳輸如圖2所示。

圖2 群微網的功率傳輸Fig.2 Power transmission in group-microgrid

有功功率在直流聯絡線、互聯換流器及交流子網間進行雙向傳輸，實現互聯系統的有功功率互濟，傳輸方向及功率大小在經濟調度中確定。無功功率僅在互聯換流器及其所在子網內傳輸，參與本網的無功平衡控制，實現無功負荷就地消納。根據交流電力系統特性，子網內的潮流方程為

式中：Pn,G和Qn,G為子網n內電源有功功率和無功功率；Pn,L和Qn,L為子網n的有功負荷和無功負荷；為子網n中第i個IC的有功功率和無功功率，整流狀態時功率為正，逆變狀態時功率為負；I?為n網中互聯換流器的集合。

1.2 子網與IC的協調功率控制

1.2.1 有功功率控制

子網及聯絡線交換功率的控制如圖3所示。其中判斷模塊將輸入信號①與②進行比較，當滿足不等式信號①≥信號②時，輸出結果為1，反之為0。控制框圖中對輸入的系統不平衡功率、子網有功備用容量及鄰網總支援容量進行邏輯判斷，根據實際狀態得到判斷結果，并計算子網及聯絡線有功功率。

圖3 有功功率協調控制Fig.3 Coordinated control of active power

1.2.2 無功功率控制

無功功率控制的關鍵在于子網無功不平衡功率與子網無功備用容量存在不同關系時，子網電源輸出無功功率與IC輸出無功功率的確定。

圖4 無功功率協調控制Fig.4 Coordinated control of reactive power

2 互聯換流器的控制

群微網中的互聯換流器承擔穩定直流母線電壓及輸送網間交互功率的任務[21]。本研究中送端換流器 SEIC（sending end interconnected converter）承擔直流電壓控制功能，受端換流器REIC（receiv?ing end interconnected converter）承擔功率控制功能。在運行中，根據子網的實時功率平衡及網間交易計劃可確定子網交互功率流向。子網通過聯絡線輸入有功功率時，其互聯換流器為受端換流器；輸出有功功率時，其互聯換流器為送端換流器。

受端換流器承擔功率控制任務，實現網間有功功率的交互控制，并為所在子網輸出無功功率，參與子網內部的無功功率平衡控制。受端換流器采用定功率控制策略，如圖5所示。定功率控制主要包括功率控制環與電流控制環，其中功率控制環接收協調控制策略所確定的聯絡線功率及換流器無功功率信號，二者與d軸電壓ud的比值作為d、q軸的電流參考值idref及iqref；電流控制為內環，根據電流實際值與參考值的偏差進行調節，生成送端換流器的d、q軸電壓驅動信號。

圖5 受端換流器控制策略Fig.5 Control strategy for REIC

結合圖5分析，可得受端換流器的電壓驅動信號控制方程為

式中：vdref、vqref分別為換流器的d、q軸電壓驅動信號；ud、uq為d、q軸電壓；id、iq分別為d、q軸電流；Lf為濾波電感；kP,d、kI,d分別為電流控制器d軸PI調節器的比例、積分系數；kP,q、kI,q為電流控制器q軸PI調節器的比例、積分系數。

考慮到d軸和q軸對稱，以d軸為例對控制策略進行設計分析，得到的閉環傳遞函數為

式中，kPWM為PWM的固定放大系數。

由式（16）可見，控制策略穩定性與比例、電感等參數有關。微網系統參數如表1所示，系統的伯德圖如圖6所示。

表1 電源及負荷參數Tab.1 Parameters of generators and loads

圖6 頻域響應曲線Fig.6 Response curves in frequency domain

由圖6可知，電感越小響應速度越快，但相對穩定性越小；而比例系統取值越大響應速度越快，但相對穩定性較差。

為穩定直流母線電壓，送端換流器采用定直流電壓控制策略，如圖7所示。圖中，外環為電壓控制環，其輸入量為直流母線電壓參考值udc,ref與實際值udc，輸出量為d軸電流參考值，作為電流控制內環的輸入量，用以實現聯絡線有功功率的輸送控制。PLL是鎖相環，為三相電壓生成提供角度信號。

圖7 送端換流器的控制策略Fig.7 Control strategy for SEIC

結合圖7分析，可得送端換流器的電壓驅動信號控制方程為

式中：ω為微網角頻率；kP,u和kI,u為電壓控制環PI調節器的比例和積分系數；kP,id和kI,id分別為電流控制環d軸PI調節器的比例和積分系數；kP,iq和kI,iq為電流控制環q軸PI調節器的比例和積分系數。

以d軸為例對電流內環及電壓外環進行設計，將電流內環簡化成慣性環節，電壓電流雙閉環的傳遞函數為

式中：Cf為濾波電容；Teu=Tu+3Ts，Tu為電壓外環采樣周期，Ts為電流內環慣性時間常數；τu=kP,u/kI,u。

由式（19）可知，系統的穩定性和傳遞函數中的電容、比例積分等參數有關，根據表1微網系統參數，選取不同電容、比例系數時系統的伯德圖如圖8所示。

圖8 頻域響應曲線Fig.8 Response curves in frequency domain

由圖8可知，電容取值越小響應速度越快，但相對穩定性越小；而比例系統取值越大響應速度越快，但相對穩定性較差。

3 算例分析

3.1 雙微網系統仿真研究

在PSCAD環境下構建如圖9所示結構的直流互聯微網系統，各電源均以理想電壓源模擬，經逆變器、濾波器及饋線接入本網PCC母線。G1采用PQ控制，用以模擬不可調度單元；其他單元采用下垂控制，用以模擬可調度單元。各交流子網額定頻率均為50 Hz，額定電壓均為380 V；直流聯絡線額定電壓為800 V。系統其他參數如表1所示。

圖9 群微網系統結構Fig.9 Structure of group-microgrid system

在初始運行狀態下，負荷L2,1、L4,1不投入；聯絡線功率為30 kW，由A網流向B網，兩網互聯換流器無功輸出功率均為0；各子網頻率均為49.99 Hz，交流母線電壓為380 V；A網有功及無功備用容量分別為36.5 kW和108.5 kvar，B網有功及無功備用容量分別為67.2 kW和43.5 kvar。根據穩定性分析，本文選取Lf=0.000 8 H、Cf=4 700 μF、kP,d=15，kP,u=20、kI,u=1 000、Teu=0.000 8 s。

因互聯微網運行狀態較多，本文選取阻感負荷波動、無功負荷波動、電源故障3種情形下驗證所提策略的有效性。仿真中，協調控制策略在發生擾動后即時啟動。

情形1：阻感負荷擾動。2 s時A網負荷L2,1投入，4 s時切除。直流聯絡線功率Pdc及換流器無功功率QA,T和QB,T、A和B網系統頻率fA和fB以及母線電壓UA和UB的仿真結果如圖10所示。

圖10 情形1的仿真結果Fig.10 Simulation results in Case 1

根據式（4）可知，投入L2,1后A網有功及無功缺額分別為30.5 kW、11.5 kvar，小于A網當前的有功及無功備用容量，A網處于有功輕載、無功輕載狀態。由圖10可見，由于同時發生有功及無功功率缺額，頻率及PCC母線電壓降低；協調控制策略啟動后，A網頻率及交流母線電壓迅速恢復，約2.2 s趨于穩定；4 s切除負荷后，A網頻率及PCC母線電壓出現短時波動，經協調控制后均恢復至參考值；擾動持續過程中，聯絡線功率保持30 kW不發生變化，送/受端換流器無功功率均為0 kvar，B網頻率及PCC母線電壓未發生瞬時波動。

可見，在有功輕載、無功輕載狀態下，缺額功率由本網電源提供，子網內部功率進行重新調度，聯絡線功率及互聯換流器功率不變。

情形2：無功負荷擾動。恢復系統初始運行條件，2 s時投入B網無功負荷L4,1，4 s切除。聯絡線功率和IC無功功率、A和B網內電源無功輸出QA,G和QB,G及無功負荷QA,L和QB,L，母線電壓變化如圖11所示。

圖11 情形2的仿真結果Fig.11 Simulation results in Case 2

可以發現，L4，1投入后B網的無功負載到達72.4 kvar，B網處于無功重載狀態，網內微源均滿發，IC的無功備用投入，其輸出功率為13.0 kvar。A網IC輸出的無功功率為0 kvar，聯絡線功率保持在計劃值。導致上述現象的原因在于B網發生大功率缺額時，根據協調控制策略，充分發揮IC的無功備用，參與子網的無功功率調節，投入13.0 kvar，網內的電壓快速恢復至額定值。由于直流環節的隔離功能，A網電壓、無功不發生暫態及穩態變化，聯絡線有功功率保持不變。

綜上，系統處于無功重載狀態時，采用所提協調控制策略可利用互聯換流器對子網進行無功支援，協助子網內部無功功率平衡控制。該過程不影響相鄰子網的電壓穩定及無功功率平衡。

情形3：單一電源故障。恢復系統初始運行狀態。2 s時A網G1發生故障退出運行，3 s切除L3,1，4 s切除L3,2。聯絡線功率及IC無功功率、系統頻率及PCC母線電壓變化如圖12所示。

考察圖12可知，故障電源退出運行后，頻率降至49.94 Hz。切除負荷L3，1后，A網頻率回升至49.96 Hz，切除L3，2后頻率回升至額定值附近。A網交流母線電壓只發生瞬時波動；功率協調控制過程中聯絡線功率始終保持30 kW，送、受端換流器無功功率不變。

可見，在大功率缺額狀態下，經有效的電源增發及減負荷措施可將聯絡線功率控制維持在指定值，不影響相鄰子網的有功功率平衡及頻率穩定。

3.2 三微網系統仿真研究

在PSCAD環境下構建如圖13所示結構的三微網互聯仿真模型。系統參數如表2所示。

表2 電源及負荷參數Tab.2 Parameters of generators and loads

初始狀態時，互聯開關S1斷開，S2及S3閉合。A、B的聯絡線功率為10 kW，由網A流向網B，網B與網C無有功功率交換，各網互聯換流器無功輸出功率均為0。2 s時A網中微源GA1發生故障退出運行。聯絡線功率、IC無功功率、系統頻率及母線電壓變化仿真結果如圖14所示。

圖14 三微網系統仿真結果Fig.14 Simulation results of three-microgrid system

由圖可見，2 s時A、B網之間的有功交換功率Pdc,AB由10 kW變成-18 kW，無功功率瞬時增加后恢復到0 kvar。B、C網之間的有功功率Pdc,BC，無功功率均穩定在計劃值。A網頻率發生短暫跌落、B網頻率瞬時增大后快速恢復至額定值，C網的頻率fC維持在額定值。A、B網電壓發生波動后快速會恢復至穩定，C網電壓UC維持在額定值。

導致上述變化的原因在于A網的電源發生故障退出運行，網內發生大功率缺額，系統處于過載狀態，相比于原有的32 kW的備用容量，子網仍需18 kW的功率方可保持系統平衡。因此在2 s后B網對A網返送18 kW的有功功率。系統達到平衡后，電壓及頻率快速恢復到額定狀態。

可見，在子網發生功率缺額，備用容量及聯絡線功率無法滿足其缺額時，經有效的功率互濟，可達到系統的功率平衡。

3.3 對比分析

為更加驗證所提策略有效性，與文獻[18]所提多頻定功率控制策略進行比較分析，初始條件與情形1相同，仿真結果如圖15所示。可以發現，采用多頻控制策略，未發生負荷波動的子網無功功率、電壓能穩定在指定值，但發生負荷波動的子網無功功率產生瞬時波動，且聯絡線有功功率、頻率、電壓無法穩定在穩態值。

圖15 直流互聯模型的仿真結果Fig.15 Simulation results of DC interconnected model

造成這些現象的原因在于采用多頻控制是通過換流器兩側的頻率生成有功聯絡線參考值，當一側子網出現頻率波動，聯絡線功率隨之改變，最終影響鄰網的頻率平衡，且策略只針對有功功率/頻率進行控制，并未充分利用換流器的無功功率，導致電壓的控制效果不佳。

對比圖10可知，本文所提策略保持子網穩定，具有更好的頻率與電壓特性，聯絡線輸送的功率也具有更好的穩定性。

表3為本文協調控制與文獻[18]多頻控制方法下的超調量與調節時間，可知無論從超調量還是調節時間，本文所提策略效果較好。

表3 不同控制策略的暫態參數比較Tab.1 Comparison of transient parameters under different control strategies

4 結論

（1）所提策略通過子網電源與互聯換流器的聯合調度，可實現子網間的能量互濟；各子網可維持本網頻率與公共交流母線電壓穩定，在發生功率穿越時，不影響其他網的頻率與電壓。

（2）在負荷投切、電源故障等多種工況下，采用所提策略均可將聯絡線功率維持指定值，實現了優化調度與實時運行的有機結合，有利于提高系統運行的經濟性。

（3）將互聯換流器的無功容量作為微網備用，參與子網的電壓控制，充分利用互聯換流器，減少子網本身無功備用容量，有利于提高電壓穩定性。