施静容;李勇;王姿雅;贺悝;曹一家
【摘 要】针对交直流混合微电网系统间功率动态平衡以及分布式电源利用率不高的问题,提出一种适用于混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略,所提策略无需通信且可灵活分配功率.首先,对交流子微电网与直流子微电网所连分布式电源采用的下垂控制方式进行详细的分析.然后,针对互联变换器需维持交流微电网侧频率与直流母线电压的稳定以及功率双向传输的特点,对混合微电网交直流接口的虚拟惯性进行分析,推导出交流频率与直流电压之间的线性耦合关系,以实现交直流两侧功率的相互支撑.最后,在DIg-SILENT软件上建立典型的交直流混合微电网模型,验证了所提互联变换器功率控制方法的有效性.仿真结果表明,在离网情况下采用所提控制策略时,互联变换器可较好地维持交直流两侧功率平衡并提升电能质量,充分利用了分布式电源的功率调节能力. 【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2018(038)011
珍妃之印
【总页数】7页(P107-113)
【关键词】交直流混合微电网;互联变换器;功率控制;下垂控制;虚拟惯性
【作 者】施静容;李勇;王姿雅;贺悝;曹一家
【作者单位】湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082
【正文语种】中 文
【中图分类】TM727;TM761
0 引言
由于分布式电源DG(Distributed Generation)大多为清洁、可再生能源，满足目前社会对环境保护的需求，所以越来越多的DG被广泛应用，且DG更多以微电网的形式接入配电网[1-2]。微电网的结构主要分为交流微电网、直流微电网、交直流混合微电网(下文中简称混合
微网)。其中混合微网综合了不同类型微电网的优势，可以满足各类交直流负荷的要求，实现系统间功率双向流动，运行于并网或孤岛模式。因此，混合微网将成为未来DG接入配电网的主要形式[3- 4]。
混合微网从架构上看主要由交流微电网、直流微电网以及互联变换器IC(Interlinking Converter)组成。IC在维持两侧交直流子网的功率平衡中有着十分重要的作用，其不仅要管理两侧子网的功率流动，协调控制交直流子网的能量传输，而且对于两侧子网而言，IC在某一时刻可同时呈现电源与负荷特性，当离网运行时还需要维持系统电压与频率的稳定[5-8]。
目前，针对IC的控制大多采用以下的传统变换器控制方式：恒功率控制、下垂控制、电压-频率控制[9-10]等。此类控制方式简单但仅考虑了直流微电网侧电压波动对混合微网的影响，并未考虑交流侧频率变化对系统稳定性的影响。为了综合考虑两侧交直流子网的电网特性，对于IC的控制，文献[11-12]基于典型的混合微网结构，利用标幺化思想将交流侧与直流侧的下垂特性统一起来对IC进行控制，且文献[12]对IC的工作区间进行分段，设置误差动作阈值，减少了IC的频繁切换。但对于多台IC并联的情况，该策略存在一定的局限性，
此外有名值单位化再到有名值转化的过程，所要求的计算量较大。为了实现直流微电网并网时功率的双向流动，文献[13]设定了直流母线电压变化范围上下界以实现直流电压的分段控制，进而控制IC的工作模式。文献[14]提出双下垂控制策略，组成Vdc-f-P的下垂特性，但该策略下IC对于直流负荷波动响应不明显，不具备调节直流侧电网功率的能力。此外，为了较好地维持交流侧电压、频率稳定以及直流侧电压稳定，文献[15-16]均采用前向欧拉逼近法，推导出交流网侧与直流网侧的下垂关系，实现对IC的控制。但两者不同之处在于前者考虑逆变器输出阻抗与线路阻抗都呈现阻性状态，建立了关于交流微电网电压与有功(Vac-P)，频率与无功(f-Q)的下垂特性；后者考虑逆变器输出阻抗和线路阻抗都为感性状态，建立了交流微电网频率与有功(f-P)，电压与无功(Vac-Q)的下垂特性。
上述文献在对IC进行控制时，从控制器或能量管理的角度实现了交直流微电网之间功率的双向流动，但未综合考虑交/直流系统各自的功率运行特征。基于此，本文对混合微网IC交直流接口的虚拟惯性、虚拟电容特性进行分析，推导出交流网侧频率与直流网侧电压的数学关系，使得交直流微电网间可以实现功率的相互支撑，提升混合微网整体运行鲁棒性。该策略无需通信，在实现功率互补的同时，可使得交流网侧频率与直流网侧电压变化在允许范围内，且最大化利用DG的功率调节能力。
1 混合微网的结构以及子网的控制
1.1 混合微网的结构
典型的混合微网结构拓扑如图1所示，其由交流微电网、直流微电网以及IC组成。
图1混合微网结构图Fig.1Structure diagram of AC/DC hybrid microgrid
由图1可以看出，交流微电网、直流微电网由交直流负荷与常规DG组成，各DG分别通过DC/AC、AC/DC或DC/DC接口变换器连接到交/直流母线。混合微网经交流侧的电力变压器接入公共交流电网。本文采用电压源型换流器VSC(Voltage Source Converter)作为混合微网的IC[17]，其主要作用是连接不同类型的微电网，并为交直流微电网间的功率双向流动提供通道。
1.2 交流子网运行控制策略
施工设计一体化本文中交流子微电网功率控制采用经典的下垂控制策略，其无需通信系统，在给定的下垂系数作用下，可实现功率在DG间的按比例分配，满足微电网电源即插即用的需求。对于交
流微电网系统，DG有功出力基于f-P下垂特性，当频率增大(减小)时，减少(增加)DG的出力。无功分配基于Vac-Q下垂特性，DG的无功出力由系统负载变化引起的母线电压偏差值决定。将上述f-P、Vac-Q数学特性描述如下：
(1)
(2)
其中，和分别为有功、无功功率参考值和有功、无功功率额定值；f、Vac和分别为交流母线频率、电压实际值和交流母线频率、电压额定值；kac、kq分别为频率、电压的下垂系数，其计算公式如式(3)所示。
(3)
其中，分别为频率下降到允许的最小值fmin时DG允许输出的最大有功功率、电压下降到允许的最小值时DG允许输出的最大无功功率。
1.3 直流子网运行控制策略
与交流微电网相比，直流微电网不需要考虑频率以及无功功率的问题，DG的Vdc-P下垂特性为：
(4)
其中，分别为DG有功功率参考值、额定值；分别为直流母线电压额定值、实际值；kdc为下垂系数，其计算公式如式(5)所示。
(5)
其中，为直流母线电压下降到允许最小电压时，DG允许输出的最大有功功率。
交/直流子网运行控制中频率-有功功率、交流电压-无功功率和直流电压-有功功率的下垂特性曲线如图2所示。
图2下垂特性曲线Fig.2Curves of droop characteristic
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2 IC的柔性控制策略
2.1 交直流断面功率平衡特性分析
对于交流系统，其功率平衡由发电机组的机械-电磁功率特性方程表征[18]：
(6)
(7)
将式(7)代入式(6)得：
(8)
其中，WK为额定转速时转子动能；SB为功率基准值；TJ为发电机的惯性时间常数； PT为原动机输入的机械功率；PE为发电机输出的电磁功率。
对于直流系统，其功率平衡由母线电容电压变化表征：
(9)
其中，Cdc为直流侧电容；SVSC为IC的额定容量；P1、P2分别为直流电容等效输入功率、输出功率，其计算均采用标幺值。
当功率由直流微电网经IC流入交流微电网时，此时直流微电网相当于交流微电网的电源端，同时IC工作于逆变状态，为交流系统提供功率及惯量支撑，相当于虚拟同步发电机[19]，如图3(a)所示；当功率由交流微电网经IC流入直流微电网时，此时交流微电网相当于直流微电网的电源端，同时IC工作于整流状态，为直流系统提供功率及电压支撑，相当于虚拟电容器，如图3(b)所示。由以上分析可见，IC可根据需要改变自身运行状态及功率方向，由功率平衡可联立式(8)和式(9)得到：
(10)
其中，TJ,vir、Cvir分别为虚拟惯性时间常数、虚拟电容值。由物理特征可知，TJ,vir表征了IC作为虚拟同步发电机的调频支撑能力，而Cvir则表征了IC作为直流微电网侧虚拟电容器维持直流母线电压的能力。
图3交直流断面功率等效关系Fig.3Equivalent relationship of AC/DC interface power
对式(10)两边同时积分得：
(11)
(12)
(13)
其中，Vdc,ref为直流侧电压参考值；式(12)表示IC交流网侧频率与直流网侧电压耦合变化的关系。对式(12)进行泰勒展开，考虑到交流电网频率变化一般较小，故舍弃频率变化量的高次项，可得：
Vdc=Vdc,ref+kβ(f-fn)
(14)
(15)
式(14)给出了基于虚拟惯量与虚拟电容特性的交流频率与直流电压的线性耦合关系。由式(14)可知，通过耦合映射关系，当交流频率发生波动时，其可等效生成虚拟直流电压变化量，控制直流微电网输出功率对交流微电网的功率波动进行补偿；当直流微电网发生电压波动时，可对应生成虚拟交流频率变化量，从而控制交流微电网输出功率补偿直流微电网的功率需求。2.2节将基于此详细阐述本文所提控制策略。
2.2 IC柔性功率控制策略
2.2.1 交流微电网频率波动
本节将分析考虑交流微电网发生频率波动时，直流微电网进行功率支撑的情况。
当交流微电网侧功率不足时，交流频率将持续跌落。通过采集交流频率，由式(14)得到虚拟直流电压变化量则直流电压参考值为：
(16)
将式(16)代入式(4)，得到直流微电网需向交流微电网补偿的有功功率Pdc,ref为：
Pdc,ref=
(17)
由式(17)及β的定义可知，当交流微电网频率发生波动时，直流微电网需向交流微电网补偿的功率Pdc,ref与虚拟惯量TJ,vir的大小及交流频率变化量Δ f有关，三者之间的关系如图4所
示。可见，随着交流侧频率变化量的增加，直流微电网通过IC对交流微电网的功率支撑量相应变大。此时，IC工作于逆变模式，相当于虚拟同步发电机；随着惯性系数增大，直流微电网向交流侧补偿的功率增加。
图4直流补偿交流功率与虚拟惯量、交流频率变化量的关系Fig.4Curve of DC compensation AC power vs. virtual inertia and AC frequency variation
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