直流互联群微网系统的协调控制策略

林艳艳，肖宏飞，刘光宇，叶林飞

（1.杭州电子科技大学信息工程学院，杭州 311305；2.杭州电子科技大学自动化学院，杭州 310018）

随着常规能源的急剧减少及环境问题的加剧，各国不断加强以可再生能源为主导的分布式发电技术研究。微网是分布式发电技术应用的重要途径之一，但单微网存在容量有限、调节能力相对薄弱、冗余度较低等问题[1-2]，而通过微网有机互连形成的群微网能够克服单微网的缺点，可以提高微网系统运行的稳定性、可靠性及经济性[3-4]。

群微网系统与配电网并联运行时，可同时进行子网间的能量交换及其与配电网间的能量交换；离网运行时，仅在子网间进行能量交换，满足子网内部用户的电能需求[5-6]。能量交互控制是群微网稳定、高效运行的关键所在，其复杂程度高，既涉及微网短期的优化调度，也涉及实时运行控制[7-8]；既与能量管理模式相关，也受子网的连接方式影响。

从目前的技术基础及应用情况来看，以交流微网构成的群微网系统较为普遍，交流群微网系统包括交流互联与直流互联两类。相同电压等级、频率的微网直接连到公共母线形成直接交流互联[9-10]，或通过电力电子变流器连接到公共母线形成可控交流互联[11-12]。交流互联微网系统的设计与运行控制相对容易实现[13]，不涉及或较少涉及互联换流器IC（interconnected converter），但其故障隔离效果略差，适宜互联微网初期发展模式或对电能交换控制要求不高的场合。

直流互联群微网系统通过互联换流器连接并进行能量交换[14-15]。子网与互联换流器的功率控制是能量管理的关键问题，目前子网内部的功率控制研究相对充分，IC控制则有待深入研究。在IC的实时功率控制方面，多数文献采用模拟虚拟发电机的下垂控制策略，利用P-f及Q-V下垂特性实时调整功率。文献[16]采用动态下垂控制实现子网间功率的有效分配，但并未考虑无功功率的控制，同时子网间无需交换功率时联络线功率出现波动；文献[17]提出基于直流下垂控制环节的虚拟同步电机控制策略，使交直流端口具备惯性和阻尼，提升系统接入不同类型分布式电源的稳定性，但并未考虑子网间的功率互济问题。采用下垂控制策略，联络线功率会发生频繁波动，为抑制功率的波动，部分文献采用定功率控制策略。文献[18]采用互联换流器两侧的频率生成定有功功率参考值，对无功功率并未进行有效控制，且在无需功率互济时联络线功率无法稳定在指定值；文献[19]通过导纳矩阵对称性的功率交换计算方法计算互联换流器的交换功率值，有效提高了互联系统频率稳定性，但无功控制效果较差，暂态响应慢；文献[20]提出在紧急情况下采用广义下垂控制策略，利用互联换流器两侧的频率与电压的偏差值生成互联换流器的功率参考值，实现功率共享恢复系统的稳定，但在非紧急情况下，联络线功率会发生不必要的波动。

综上，群微网的换流器功率控制方面，存在一定不足。其一，在微网运行的调度周期内，联络线功率频繁发生波动，不能按指定值进行功率输送，降低了微网系统运行的经济性；其二，IC参与子网无功调节的功能未充分调用，降低了子网的无功备用容量。

本文提出一种直流互联群微网系统的协调控制策略，旨在实时运行中通过对子网电源及IC的联合控制维持联络线有功功率为指定值，并利用IC的无功储备作用，维持交流母线电压稳定。

1 子网与IC的协调控制策略

1.1 子网与IC的功率平衡分析

群微网系统的能量管理包括子网间与子网内的能量协调控制。各子网运行于本网的频率电压控制策略下，微网间进行直流形式的能量交互。网间输送的有功功率计划值在经济调度中确定，该值为综合考虑负荷预测、电源出力预测、系统安全约束以及电力交易等因素的最优值，系统在该状态下具有最优的经济性及可靠性。因此，联络线功率计划值在运行中不宜频繁变化。若交换功率发生变化，系统的经济性偏离最佳值。从系统无功功率控制来看，子网内部发生无功功率不平衡时，互联换流器可通过调节无功功率输出，参与其所在子网的无功功率调节，协助子网完成电压控制。群微网系统功率协调控制的总体框架如图1所示。

图1 群微网的功率协调控制框架Fig.1 Coordinated control framework for groupmicrogrid

微网主控制器MMC（microgrid master control⁃ler）监控子网电压、频率及负荷等运行状态以及联络线功率，进行协调控制并发送指令至互联换流器的控制器ICC（interconnected converter controller）及子网中央控制器MCC（microgrid central control⁃ler）。ICC接收指令后根据端口特性进行功率调节或电压调节，子网MCC根据接收的指令在子网内进行电压与频率调节。关于子网内部的电压与频率控制，现有研究较为充分，不再赘述。本文重点对子网与IC的功率协调控制及IC的控制策略进行研究。

群微网系统的功率传输如图2所示。

图2 群微网的功率传输Fig.2 Power transmission in group-microgrid

有功功率在直流联络线、互联换流器及交流子网间进行双向传输，实现互联系统的有功功率互济，传输方向及功率大小在经济调度中确定。无功功率仅在互联换流器及其所在子网内传输，参与本网的无功平衡控制，实现无功负荷就地消纳。根据交流电力系统特性，子网内的潮流方程为

式中：Pn,G和Qn,G为子网n内电源有功功率和无功功率；Pn,L和Qn,L为子网n的有功负荷和无功负荷；为子网n中第i个IC的有功功率和无功功率，整流状态时功率为正，逆变状态时功率为负；I͂为n网中互联换流器的集合。

1.2 子网与IC的协调功率控制

1.2.1 有功功率控制

子网及联络线交换功率的控制如图3所示。其中判断模块将输入信号①与②进行比较，当满足不等式信号①≥信号②时，输出结果为1，反之为0。控制框图中对输入的系统不平衡功率、子网有功备用容量及邻网总支援容量进行逻辑判断，根据实际状态得到判断结果，并计算子网及联络线有功功率。

图3 有功功率协调控制Fig.3 Coordinated control of active power

1.2.2 无功功率控制

无功功率控制的关键在于子网无功不平衡功率与子网无功备用容量存在不同关系时，子网电源输出无功功率与IC输出无功功率的确定。

图4 无功功率协调控制Fig.4 Coordinated control of reactive power

2 互联换流器的控制

群微网中的互联换流器承担稳定直流母线电压及输送网间交互功率的任务[21]。本研究中送端换流器 SEIC（sending end interconnected converter）承担直流电压控制功能，受端换流器REIC（receiv⁃ing end interconnected converter）承担功率控制功能。在运行中，根据子网的实时功率平衡及网间交易计划可确定子网交互功率流向。子网通过联络线输入有功功率时，其互联换流器为受端换流器；输出有功功率时，其互联换流器为送端换流器。

受端换流器承担功率控制任务，实现网间有功功率的交互控制，并为所在子网输出无功功率，参与子网内部的无功功率平衡控制。受端换流器采用定功率控制策略，如图5所示。定功率控制主要包括功率控制环与电流控制环，其中功率控制环接收协调控制策略所确定的联络线功率及换流器无功功率信号，二者与d轴电压ud的比值作为d、q轴的电流参考值idref及iqref；电流控制为内环，根据电流实际值与参考值的偏差进行调节，生成送端换流器的d、q轴电压驱动信号。

图5 受端换流器控制策略Fig.5 Control strategy for REIC

结合图5分析，可得受端换流器的电压驱动信号控制方程为

式中：vdref、vqref分别为换流器的d、q轴电压驱动信号；ud、uq为d、q轴电压；id、iq分别为d、q轴电流；Lf为滤波电感；kP,d、kI,d分别为电流控制器d轴PI调节器的比例、积分系数；kP,q、kI,q为电流控制器q轴PI调节器的比例、积分系数。

考虑到d轴和q轴对称，以d轴为例对控制策略进行设计分析，得到的闭环传递函数为

式中，kPWM为PWM的固定放大系数。

由式（16）可见，控制策略稳定性与比例、电感等参数有关。微网系统参数如表1所示，系统的伯德图如图6所示。

表1 电源及负荷参数Tab.1 Parameters of generators and loads

图6 频域响应曲线Fig.6 Response curves in frequency domain

由图6可知，电感越小响应速度越快，但相对稳定性越小；而比例系统取值越大响应速度越快，但相对稳定性较差。

为稳定直流母线电压，送端换流器采用定直流电压控制策略，如图7所示。图中，外环为电压控制环，其输入量为直流母线电压参考值udc,ref与实际值udc，输出量为d轴电流参考值，作为电流控制内环的输入量，用以实现联络线有功功率的输送控制。PLL是锁相环，为三相电压生成提供角度信号。

图7 送端换流器的控制策略Fig.7 Control strategy for SEIC

结合图7分析，可得送端换流器的电压驱动信号控制方程为

式中：ω为微网角频率；kP,u和kI,u为电压控制环PI调节器的比例和积分系数；kP,id和kI,id分别为电流控制环d轴PI调节器的比例和积分系数；kP,iq和kI,iq为电流控制环q轴PI调节器的比例和积分系数。

以d轴为例对电流内环及电压外环进行设计，将电流内环简化成惯性环节，电压电流双闭环的传递函数为

式中：Cf为滤波电容；Teu=Tu+3Ts，Tu为电压外环采样周期，Ts为电流内环惯性时间常数；τu=kP,u/kI,u。

由式（19）可知，系统的稳定性和传递函数中的电容、比例积分等参数有关，根据表1微网系统参数，选取不同电容、比例系数时系统的伯德图如图8所示。

图8 频域响应曲线Fig.8 Response curves in frequency domain

由图8可知，电容取值越小响应速度越快，但相对稳定性越小；而比例系统取值越大响应速度越快，但相对稳定性较差。

3 算例分析

3.1 双微网系统仿真研究

在PSCAD环境下构建如图9所示结构的直流互联微网系统，各电源均以理想电压源模拟，经逆变器、滤波器及馈线接入本网PCC母线。G1采用PQ控制，用以模拟不可调度单元；其他单元采用下垂控制，用以模拟可调度单元。各交流子网额定频率均为50 Hz，额定电压均为380 V；直流联络线额定电压为800 V。系统其他参数如表1所示。

图9 群微网系统结构Fig.9 Structure of group-microgrid system

在初始运行状态下，负荷L2,1、L4,1不投入；联络线功率为30 kW，由A网流向B网，两网互联换流器无功输出功率均为0；各子网频率均为49.99 Hz，交流母线电压为380 V；A网有功及无功备用容量分别为36.5 kW和108.5 kvar，B网有功及无功备用容量分别为67.2 kW和43.5 kvar。根据稳定性分析，本文选取Lf=0.000 8 H、Cf=4 700 μF、kP,d=15，kP,u=20、kI,u=1 000、Teu=0.000 8 s。

因互联微网运行状态较多，本文选取阻感负荷波动、无功负荷波动、电源故障3种情形下验证所提策略的有效性。仿真中，协调控制策略在发生扰动后即时启动。

情形1：阻感负荷扰动。2 s时A网负荷L2,1投入，4 s时切除。直流联络线功率Pdc及换流器无功功率QA,T和QB,T、A和B网系统频率fA和fB以及母线电压UA和UB的仿真结果如图10所示。

图10 情形1的仿真结果Fig.10 Simulation results in Case 1

根据式（4）可知，投入L2,1后A网有功及无功缺额分别为30.5 kW、11.5 kvar，小于A网当前的有功及无功备用容量，A网处于有功轻载、无功轻载状态。由图10可见，由于同时发生有功及无功功率缺额，频率及PCC母线电压降低；协调控制策略启动后，A网频率及交流母线电压迅速恢复，约2.2 s趋于稳定；4 s切除负荷后，A网频率及PCC母线电压出现短时波动，经协调控制后均恢复至参考值；扰动持续过程中，联络线功率保持30 kW不发生变化，送/受端换流器无功功率均为0 kvar，B网频率及PCC母线电压未发生瞬时波动。

可见，在有功轻载、无功轻载状态下，缺额功率由本网电源提供，子网内部功率进行重新调度，联络线功率及互联换流器功率不变。

情形2：无功负荷扰动。恢复系统初始运行条件，2 s时投入B网无功负荷L4,1，4 s切除。联络线功率和IC无功功率、A和B网内电源无功输出QA,G和QB,G及无功负荷QA,L和QB,L，母线电压变化如图11所示。

图11 情形2的仿真结果Fig.11 Simulation results in Case 2

可以发现，L4，1投入后B网的无功负载到达72.4 kvar，B网处于无功重载状态，网内微源均满发，IC的无功备用投入，其输出功率为13.0 kvar。A网IC输出的无功功率为0 kvar，联络线功率保持在计划值。导致上述现象的原因在于B网发生大功率缺额时，根据协调控制策略，充分发挥IC的无功备用，参与子网的无功功率调节，投入13.0 kvar，网内的电压快速恢复至额定值。由于直流环节的隔离功能，A网电压、无功不发生暂态及稳态变化，联络线有功功率保持不变。

综上，系统处于无功重载状态时，采用所提协调控制策略可利用互联换流器对子网进行无功支援，协助子网内部无功功率平衡控制。该过程不影响相邻子网的电压稳定及无功功率平衡。

情形3：单一电源故障。恢复系统初始运行状态。2 s时A网G1发生故障退出运行，3 s切除L3,1，4 s切除L3,2。联络线功率及IC无功功率、系统频率及PCC母线电压变化如图12所示。

考察图12可知，故障电源退出运行后，频率降至49.94 Hz。切除负荷L3，1后，A网频率回升至49.96 Hz，切除L3，2后频率回升至额定值附近。A网交流母线电压只发生瞬时波动；功率协调控制过程中联络线功率始终保持30 kW，送、受端换流器无功功率不变。

可见，在大功率缺额状态下，经有效的电源增发及减负荷措施可将联络线功率控制维持在指定值，不影响相邻子网的有功功率平衡及频率稳定。

3.2 三微网系统仿真研究

在PSCAD环境下构建如图13所示结构的三微网互联仿真模型。系统参数如表2所示。

表2 电源及负荷参数Tab.2 Parameters of generators and loads

初始状态时，互联开关S1断开，S2及S3闭合。A、B的联络线功率为10 kW，由网A流向网B，网B与网C无有功功率交换，各网互联换流器无功输出功率均为0。2 s时A网中微源GA1发生故障退出运行。联络线功率、IC无功功率、系统频率及母线电压变化仿真结果如图14所示。

图14 三微网系统仿真结果Fig.14 Simulation results of three-microgrid system

由图可见，2 s时A、B网之间的有功交换功率Pdc,AB由10 kW变成-18 kW，无功功率瞬时增加后恢复到0 kvar。B、C网之间的有功功率Pdc,BC，无功功率均稳定在计划值。A网频率发生短暂跌落、B网频率瞬时增大后快速恢复至额定值，C网的频率fC维持在额定值。A、B网电压发生波动后快速会恢复至稳定，C网电压UC维持在额定值。

导致上述变化的原因在于A网的电源发生故障退出运行，网内发生大功率缺额，系统处于过载状态，相比于原有的32 kW的备用容量，子网仍需18 kW的功率方可保持系统平衡。因此在2 s后B网对A网返送18 kW的有功功率。系统达到平衡后，电压及频率快速恢复到额定状态。

可见，在子网发生功率缺额，备用容量及联络线功率无法满足其缺额时，经有效的功率互济，可达到系统的功率平衡。

3.3 对比分析

为更加验证所提策略有效性，与文献[18]所提多频定功率控制策略进行比较分析，初始条件与情形1相同，仿真结果如图15所示。可以发现，采用多频控制策略，未发生负荷波动的子网无功功率、电压能稳定在指定值，但发生负荷波动的子网无功功率产生瞬时波动，且联络线有功功率、频率、电压无法稳定在稳态值。

图15 直流互联模型的仿真结果Fig.15 Simulation results of DC interconnected model

造成这些现象的原因在于采用多频控制是通过换流器两侧的频率生成有功联络线参考值，当一侧子网出现频率波动，联络线功率随之改变，最终影响邻网的频率平衡，且策略只针对有功功率/频率进行控制，并未充分利用换流器的无功功率，导致电压的控制效果不佳。

对比图10可知，本文所提策略保持子网稳定，具有更好的频率与电压特性，联络线输送的功率也具有更好的稳定性。

表3为本文协调控制与文献[18]多频控制方法下的超调量与调节时间，可知无论从超调量还是调节时间，本文所提策略效果较好。

表3 不同控制策略的暂态参数比较Tab.1 Comparison of transient parameters under different control strategies

4 结论

（1）所提策略通过子网电源与互联换流器的联合调度，可实现子网间的能量互济；各子网可维持本网频率与公共交流母线电压稳定，在发生功率穿越时，不影响其他网的频率与电压。

（2）在负荷投切、电源故障等多种工况下，采用所提策略均可将联络线功率维持指定值，实现了优化调度与实时运行的有机结合，有利于提高系统运行的经济性。

（3）将互联换流器的无功容量作为微网备用，参与子网的电压控制，充分利用互联换流器，减少子网本身无功备用容量，有利于提高电压稳定性。