交直流混合微电网中互联变流器功率控制

谢文超，朱永强，杜少飞，夏瑞华

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

交直流混合微电网中互联变流器功率控制

谢文超，朱永强，杜少飞，夏瑞华

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

针对交直流混合微电网，分析了各子网的下垂特性以及并网和离网2种运行模式下的功率平衡关系。为避免互联变流器频繁动作，提高系统电能质量，提出了一种基于单位化处理的交直流混合微电网下垂控制方法，并设计了误差动作阈值，推导了误差与交换功率之间的数学关系，实现了互联变流器的分区段控制。在PSCAD/EMTDC搭建了交直流混合微电网仿真模型对控制策略进行仿真，结果表明，在并网和离网2种运行模式下，互联变流器在相应区间都能准确、快速地调节直流微电网与交流微电网之间的交换功率，实现交直流混合微电网的稳定运行，验证了控制策略的可行性。

交直流混合微电网；互联变流器；混合下垂控制；误差动作阈值；分区段

0 引 言

随着新能源发电技术的快速发展，现代电力网络开始向分布式、智能化和多样化的方向转变，电能的流动也从传统的单向流动变为双向甚至多向流动[1-2]。为实现大规模分布式电源接入，微电网成为目前有效的解决方案之一[3-5]。现有电力网络采用交流系统使得交流微电网得到了快速发展。相比于交流微电网，直流微电网所需变流器数量较少，无需考虑并网同期以及无功功率问题，但由于分布式电源和储能装置各自的特点不同以及负荷的供电需求不同，具备交流微电网和直流微电网各自优点的交直流混合微电网将会是未来微电网存在的主要形式[6-7]。

分布式电源具有间歇性，因此交直流子网间的功率协调问题显得尤为重要。文献[8]提出了离网模式下的混合功率下垂控制策略，以互联变流器直流侧电容的能量波动作为交流接口与直流接口功率传输差值，可以快速实现功率平衡，但并离网切换时需变换控制策略；文献[9]利用归一化处理，使交直流子网可以较好地按各自额定容量均分负荷，但未考虑负荷与随机能源小范围波动时引起互联变流器频繁动作与电流方向频繁切换问题；文献[10]提出了具备死区控制的交直流混合微电网功率平衡策略，但整个系统冗余复杂，并不能满足实际工程中所需的实时性。

本文主要研究交直流混合微电网在并网和离网2种模式下的运行特性，提出一种基于单位化处理的交直流混合微电网下垂控制方法。将互联变流器直流端口电压与交流端口频率进行单位化处理后，置于同一坐标系中，建立起直流电压、交流频率与互联变流器交换功率之间的数学联系；针对负荷与随机能源波动问题，设计误差动作阈值，实现交直流混合微电网的功率分区控制，有效避免互联变流器的不必要开关动作，提高系统电能质量。

1 交直流混合微电网结构及子网控制

1.1 交直流混合微电网结构

交直流混合微电网结构如图1所示，交流微电网系统中，各分布式电源通过DC/AC或AC/AC变流器与负荷共同接入交流母线，而对于无需逆变器接口的燃气轮机、柴油机等交流分布式电源则可以有选择性地直接接入交流微电网系统。直流微电网系统中，分布式电源、储能装置等通过AC/DC或DC/DC变流器与负荷共同连接至直流母线，构成直流微电网后，通过集中逆变装置，如互联变流器连接至公共电网。

图1 交直流混合微电网结构

1.2 交直流子网的控制

1.2.1 交流微电网下垂控制

交流微电网中各分布式电源的P-f与Q-U下垂特性如式(1)、(2)所示[11]：

(1)

(2)

由于交流微电网频率的唯一性，使得有功功率可以较好地在各分布式电源中进行分配；而受线路阻抗等影响，各分布式电源出口电压不尽相同，使得无功功率的分配会出现偏离，文献[12-13]提出的补偿方法可以较好地解决偏离问题。

1.2.2 直流微电网的下垂控制

与交流微电网相比，直流微电网中无需考虑无功功率以及频率问题，各分布式电源的P-U下垂特性如式(3)所示[11]：

(3)

与交流微电网的Q-U下垂特性类似，受线路阻抗等影响，直流微电网中各分布式电源出口电压也不尽相同，从而使得有功功率的分配会出现偏离现象，此问题也可借用文献[12-13]中的补偿方法解决。

2 互联变流器控制策略

交直流子网内部分布式电源采用如上所述的分散式下垂控制策略解决各自网内的功率分配问题，互联变流器联络交直流子网并按照本节所述控制策略实现网间功率平衡。根据交直流混合微电网是否并入公共电网，将其分为并网和离网2种运行模式。

2.1 并离网运行模式下功率平衡关系

2.1.1 并网模式功率平衡关系

并网模式的交直流混合微电网可以等效为一个“负载”或“电流源”[14]，主网为交流微电网提供频率和电压支撑，并通过互联变流器稳定直流微电网电压，负荷以及分布式电源的能量波动由主网提供缓冲，最大限度地利用可再生能源[15]。若忽略互联变流器的损耗，则此模式下的有功功率平衡关系如下所示。

直流微电网：

(4)

交流微电网：

(5)

2.1.2 离网模式功率平衡关系

对于离网模式的交直流混合微电网，所有的负荷需求、交流微电网的频率和电压稳定、直流微电网的电压稳定都需要由分布式电源提供保证，因此交直流子网中的接口变流器以及微电网间的互联变流器的控制策略对实现离网模式下交直流混合微电网的功率平衡尤为重要。若忽略互联变流器的损耗，则此模式下的有功功率平衡关系如式(6)、(7)所示

直流微电网：

(6)

交流微电网：

(7)

2.2 互联变流器控制策略

图2给出了交直流子网的综合下垂特性[13]，Pac_max为交流微电网输出最大功率；fmin、fmax分别为交流微电网频率允许最小值与最大值；Pdc_max为直流微电网电源输出最大功率；Udc_min、Udc_max分别为直流微电网电压允许最小值与最大值。

图2 交直流子网综合下垂特性

由于交直流子网综合下垂特性的纵坐标f与Udc具有不同的量纲，为了建立起互联变流器的参考交换功率Pref与f、Udc之间的数学联系，将f与Udc按式(8)、(9)单位化后置于同一坐标系中，如图3所示。

(8)

(9)

图3 单位化交直流子网下垂特性

根据交直流子网的运行情况，划分互联变流器运行状态如表1所示，当交流微电网最大输出功率Pac_max与直流微电网最大输出功率Pdc_max差异较大时，

表1 互联变流器运行状态

Table 1 Operating state of interlinking converter

当负荷小范围波动时，互联变流器的频繁动作及电流方向的频繁切换，对电力电子装置寿命及可靠性有着恶劣的影响，并影响电网的电能质量，特别是直流微电网并网点的电能质量，甚至会造成对大电网的冲击，影响整个电力系统的稳定运行[16]，为此设计误差动作阈值，将互联变流器工作区间分段。如图4所示，图中ΔH、ΔL分别为误差动作阈值上限、下限，ΔPic=Pref-Pic为互联变流器所需传输功率参考值与现有传输功率之间的差值，按互联变流器额定容量百分比取值，范围为-1至1。

图4 单位化交直流子网分区控制策略

三段式误差动作控制可用式(10)表示：

(10)

式中SN为互联变流器额定容量。

只考虑互联变流器传输有功功率的情况，即流向交流侧的无功功率参考值Qref=0，则根据式(11)与式(12)可得到互联变流器电流内环参考值：

(11)

(12)

基于单位化处理的交直流混合微电网下垂控制策略如图5所示，并离网运行状态下采用同一控制策略。

图5 单位化交直流微电网混合下垂控制策略

3 仿真分析

考虑图1所示交直流混合微电网结构，搭建了仿真电路，验证交直流混合微电网在直流负载或者交流负载出现不同变化时互联变流器的功率控制。直流微电网额定容量为0.8 MW，额定电压为600 V；交流微网额定容量为1 MV·A，额定电压为380 V；交直流微网中的分布式电源均采用下垂控制，交换功率以交流微网流向直流微网为正。

3.1 并网运行模式仿真

表2 并网模式下交直流混合微电网功率变化

Table 2 Power change of AC/DC hybrid microgrid in grid-connected mode

并网模式下，交流微电网由主网提供频率支撑，根据式(9)得f*=0.5，由下垂特性方程(1)可知，采用下垂控制的分布式电源输出功率恒定；0～1.0 s时直流侧轻载0.1 MW导致误差Δ位于图4区段I；由图6可以看出，此时互联变流器交换功率由直流侧流向交流侧，使误差Δ减小至区段II。

图6 并网模式下交直流混合微电网功率变化曲线

图7 并网模式下交直流混合微电网频率、电压变化曲线

1.0～1.5 s时直流侧轻载0.15 MW，从图7可以看出，由于直流微电网的P-U下垂特性，此时直流母线电压出现跌落，但未能使误差Δ越出区段II；如图6所示，此时互联变流器在1.0～1.5 s时的交换功率不变。

1.5～2.0 s时直流侧重载0.6 MW，从图7可以看出，由于直流微电网的P-U下垂特性使直流母线电压再次出现跌落，使得误差Δ越出区段II进入区段III；如图6所示，此时互联变流器交换功率由交流侧流向直流侧，直流母线电压也由此得到提升，从而使误差Δ重新进入区段II。

3.2 离网运行模式仿真

表3 离网模式下交直流混合微电网功率变化

Table 3 Power change of AC/DC hybrid microgrid in off-grid mode

图8 离网模式下交直流混合微电网功率变化曲线

图9 离网模式下交直流混合微电网频率、电压变化曲线

0～1.0 s时直流侧轻载0.1 MW，而交流侧带载0.4 MW使得误差Δ位于图4区段I；如图8所示，此时互联变流器交换功率由直流侧流向交流侧，从而使误差Δ减小至区段II。

1.0～1.5 s时直流侧轻载0.15 MW，从图9可以看出，由于直流微电网的P-U下垂特性，直流母线电压出现跌落，但未能使误差Δ越出区段II；如图8所示，此时互联变流器在1.0～1.5 s时的交换功率不变。

1.5～2.0 s时直流侧负载增至0.6 MW，从图9可以看出，由于直流微电网的P-U下垂特性使直流母线电压再次出现跌落，使得误差Δ越出区段II进入区段III；如图8所示，此时互联变流器交换功率由交流侧流向直流侧，同时交流侧频率出现下降而直流母线电压得到提升，如图9所示，使得误差Δ重新进入区段II。

4 结 语

本文分析了交直流混合微电网在并网和离网2种模式下的运行特性，以各子网的功率平衡关系为基础：

(1)提出了基于单位化处理的交直流微电网混合下垂控制方法，使各子网按额定容量成比例分担负荷，保证交直流混合微电网中电压与频率的稳定；

(2)将互联变流器工作区间分段，并设计了误差动作阈值，减少了互联变流器电流方向的频繁切换，保证互联变流器在各个区间的准确调节与高效运行。

随着微电网的普及，交流微网与直流微网互联也是未来的一种发展趋势。交直流微电网之间的功率交换是非常值得关注的问题。互联变流器的功率控制对混合微电网的稳定运行具有重要意义，本文研究成果在未来的交直流混合微电网的发展中具有很好的应用前景。

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(编辑 张小飞)

Power Control of Interlinking Converter in AC/DC Hybrid Microgrid

XIE Wenchao，ZHU Yongqiang，DU Shaofei，XIA Ruihua

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

According to the AC/DC hybrid microgrid, this paper analyzes the droop characteristics of the subgrid in AC/DC hybrid microgrid as well as the power balance relationship between the grid-connected mode and off-grid mode. To avoid the frequency action of the converters and improve the power quality, this paper proposes a droop control method for AC/DC hybrid microgrid based on unitized processing, designs the error action threshold, derives the mathematic relationship between the unitized error and the exchange power, and realizes the partial control of the interlinking converter. The simulation model of AC/DC hybrid microgrid built in PSCAD/EMTDC shows that, in both the grid-connected mode and the off-grid mode, the interlinking converter can quickly and accurately regulate the exchange power between DC microgrid and AC microgrid, and guarantee the stable operation of AC/DC hybrid microgrid, which verifies the feasibility of the control strategy.

AC/DC hybrid microgrid; interlinking converter; hybrid droop control; error action threshold; partial

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)；新能源电力系统国家重点实验室自主研究项目(LAPS2016-14)

TM 46

A

1000-7229(2016)10-0009-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.002

2016-06-11

谢文超(1991)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电与交直流混合微电网技术；

朱永强(1975)，男，副教授，硕士生导师，研究方向为为新能源并网与发电；

杜少飞(1989)，男，硕士研究生，研究方向为微电网结构与控制策略；

夏瑞华(1969)，男，硕士，副教授，研究方向为微机保护与变电站综合自动化。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)