混合微电网协调运行优化控制研究

国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司 孟凡亮 张婧楠 王宏道

1 概述

1.1 交直流混合微电网的研究现状

当前根据母线的特性，微电网的拓扑结构可以分为直流微电网、交流微电网以及交直流混合微电网[1]。其中，交直流混合微电网的结构如图1所示，主要包括交直流母线、分布式电源、交直流负荷以及接口变换器等。

图1 交直流混合微电网的结构

图1中，并网与离网的切换通过公共接入点实现，混合微电网系统离网运行时稳定性会下降，但相比于交流或直流微电网的稳定性普遍提升，当一侧子网负载变化时，另一侧依靠子网接口变换器的功率传输支撑。

我国逐步开展了一系列对混合微电网协调运行优化控制的研究，研发了虚拟同步发电机技术，在控制策略方面研究初见成效。虚拟同步发电机技术解决了微电网逆变器下垂控制缺乏惯性的问题，但这种技术忽略了系统调节的快速性和直流侧电压信号的变化[2]。混合微电网协调运行控制策略需要进一步改进完善。

1.2 本研究的主要内容

针对虚拟同步发电机技术存在的问题，改进混合微电网协调运行控制策略中的局限与不足，提出了交直流混合微电网系统在不同运行模式下的功率协调控制策略，提出了具体的判断公式及协调策略，该策略可行性高、覆盖面广。

2 混合微电网的结构和运行模式

2.1 混合微电网的拓扑结构

交直流混合微电网的拓扑结构如图2所示，此结构中双向接口变换器将交流子网和直流子网整合为一个混合电力系统，负载依据需求和经济性考虑安置在交流子网或直流子网，可以灵活地组建微电网；混合微电网系统也能够提高能源的利用率，系统中的变换器在供电功率或用电功率变化时能够对子网的功率需求作出判断，同时合理分配交、直流子网间的功率[3]。

图2 交直流混合微电网的拓扑结构

2.2 混合微电网的运行模式

2.2.1 孤岛运行

孤岛运行模式的主要优势包括：孤岛运行时，双向接口变换器能够判断两侧的功率需求，为两侧母线电压或频率提供支持与调节，实现交、直流子网间的功率共享，交、直流子网内部的供电源在接口变换器只传输功率时保障母线的稳定性，内部能源系统按/Q-V下垂控制工作电压保证交流母线可靠运行；直流母线的电压稳定由储能装置按照下垂控制得到保障；另一方面，孤岛运行模式能够保证母线的稳定性。当变换器承担维持交流子网可靠运行时，直流子网母线的内部电源按下垂控制，交流子网的内部电源可以只传输功率；当直流子网的稳定需接口变换器支撑时，交流子网内部储能系统按/Q-V下垂控制，直流子网内部的储能装置可以只判断功率并传输，也可和接口变换器协调工作保证母线电压持续供电。

2.2.2 并网运行

并网运行中，混合微电网与大电网的连接或在直流子网侧或在交流子网侧。当设置在直流子网侧时，大电网经过AC/DC变换器保障直流子网稳定运行，交流母线的稳定性由交流子网内部储能系统等供电装置协同控制；当设置在交流子网侧时，大电网直接保障子网的可靠性，直流母线电压的可靠性由双向接口器和其内部储能系统、分布式电源协同控制保证。

2.2.3 离并网切换

混合微电网在并网运行和孤岛运行模式之间平滑切换之为离/并网切换模式。例如，当大电网出现突发状况时切换到孤岛运行方式以保障外界的扰动不会影响稳定运转，消除孤岛运行方式需求后再综合考虑是否满足并网条件，满足条件时连接大电网。

2.3 互联换流器的控制策略

2.3.1 基于下垂控制策略的虚拟同步电机技术

混合微电网直流与交流部分功率传输的核心器件是互联换流器，混合微电网的协调控制情况取决于互联换流器的控制策略，当前采用较多且策略是基于下垂控制策略的虚拟同步电机技术。

该技术能够提高系统的抗扰能力，保证交直流互联换流器的稳定性和动态特性，理想状态下，该技术中交、直流电源输出功率，互联换流器总传输功率计算公式为：

2.3.2 基于下垂控制的并联逆变器控制策略

当前，部分混合微电网中采用基于下垂控制的并联逆变器控制策略。该策略中，外部功率回路所需的逆变器输出电压由内部逆变器控制回路产生，逆变器的下垂控制功能使电压与频率处于稳定状态，每个单独的逆变器获得比例负载。此策略中，换流器输出有用功率P、无用功率Q、所需有功及无功功率的系数计算公式分别为：

3 混合微电网的功率协调控制

3.1 运行状态与功率平衡分析

本研究所讨论的协调运行策略主要依据各子网备用容量盈余与换流器运行模式的对应关系，系统运行状态见表1，各容量关系所对应的具体运行状态是具体分析系统功率平衡状态的重要参考。

表1 系统运行状态

微电网功率协调控制框架如图3所示。系统中主控制器（MMC）负责监控并协调控制子网的频率、电压、负荷和联络线功率，向互联换流器控制器（ICC）和子网中央控制器（MCC）发送功率、电压、频率调节指令，ICC、MCC接收指令并调节参数[4]。

图3 微电网功率协调控制框架

3.2 系统离网运行功率协调控制策略

3.2.1 自主运行状态

自主运行状态下，各个子网新增负荷的功率通过自身电源功率的余额即可提供，达到自主运行。判断依据为：

当微电网电源有功容量能满足本网直、交流有功负荷增长时，各部分有功功率如果满足公式，则系统处于自主运行状态，可通过设定系统换流器功率、准确调配各部分功率实现协调控制[5]。

3.2.2 联合调配状态

联合调配状态各子网的电源功率余量不能满足自身新增负荷的需求，即需要其他子网提供功率余量才能达到两网间的功率平衡，要考虑以下两种情况。

情况一，直流子网负荷增加。交流子网功率有盈余，AC/DC互联换流器切换为整流模式，通过吸收交流子网的有功功率调配混合微电网的功率。判断方法为：

当DC侧容量无法满足负荷增长需求，即初始负荷功率与增加负荷功率两者之和大于此侧功率容量，同时两侧子网也出现同样状态时，各直流子网负荷需要通过互联换流器传输功率正常运转，以实现功率平衡，这是整流状态下的运行策略。该策略也适应于DG退出运行导致直流子网功率缺额的情况。

情况二，交流子网负荷增加。直流子网功率有盈余，AC/DC互联换流器切换为逆变模式，将有功功率传输到交流子网。判断方法为：

当DC侧容量不能满足交流侧负荷增长需求时，即初始负荷功率与增加负荷功率两者之和大于AC侧功率容量时，两侧子网容量之和大于初始总负荷和负荷增量相加值，交流子网需要直流子网通过互联换流器传输功率，以此保证交流侧子网各负荷功率平衡，这是逆变状态下的运行策略。

3.2.3 减载状态

当交、直流子网总容量不能满足新负荷增量达到饱和状态时，需要启动系统减载状态满足新需求，系统电源是否达到饱和态，由公式（6）进行判断：

减载状态下向中央控制器发送各功率及负荷切除信息等相关指令，中央控制器取指令后分析：负荷切除功率量若满足负荷总需求量，则符合系统运行条件，实现混合微电网电压及频率等相关稳定控制。

4 结语

本研究探析了混合微电网的运行控制研究现状，围绕混合微电网运行模式、协调运行控制展开相关研究，针对每一种运行模式分别提出了混合微电网功率协调控制策略即自主运行、联合调配、减载状态，提出了各个状态的判断公式、传输指令和控制结果，这种混合微电网系统协调运行控制策略可以提高运行的灵活性、可靠性和经济性。