混合微网孤岛模式下双向功率变换器控制研究

肖 莹

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

近年来，环境污染和能源危机已经成为全球性问题。为缓解该问题，分布式能源 (Distributed energy resources,DERs)受到了各国广泛关注[1,2]。由于目前大电网为交流电网而直流电网是未来的发展趋势，所以兼具直流网和交流网特点的混合微网是目前最具优势的微网结构。

针对交流微网或者直流微网的控制问题，目前已有很多人研究[3－5]。与单纯的交流微网或者直流微网控制相比，混合微网的控制要更为复杂，这与子网间的交互有关。混合微网的运行分为并网和孤岛2种模式。因此，对双向功率变换器而言，协调2个子网间的能量流动至关重要。在孤岛模式下这种控制更为复杂，混合微网失去大电网的支撑，微网负载由子网共同提供能量。在这种运行状态下，双向功率变换器必须对交流和直流功率进行管理，并且决定是由交流向直流注入功率还是由直流向交流注入功率。

许多研究者已经在这方面做了工作。文献 [6]通过将直流电压和交流频率进行等量处理，提出一种实现子网间能量交互的控制策略。文献 [7]提出一种新型的双向功率变换器拓扑，该拓扑分为前后2级，2级之间并联储能。并根据这种拓扑结构，设计了自治运行控制策略。但文献 [6]和 [7]都未考虑子网的容量。利用ω-Pac和Vdc2-Pdc的下垂特性，文献 [8]提出一种AC-DC下垂的功率控制策略。该策略使两个子网等同为一个微网，将负载需求功率协调分配给微网中可分布式电源，但需根据功率流动方向切换控制策略。文献 [9]提出一种并联双向功率变换器协调控制策略。无需控制策略的切换，即可实现混合微网在并网和孤岛的正常运行。然而，该文未考虑双向功率变换器的容量问题。

基于上述工作，针对混合微网的不同运行模式，本文提出一种双向功率变换器分散式下垂控制方法来实现子网功率的双向流动。通过测量交流子网电压频率、幅值以及直流子网电压，依据所提出的下垂特性可得到双向功率变换器的电压和电流参考量。本文所提控制方法可根据子网容量成比例调配交直流子网间的功率流动，并具有良好的直流动态响应效果。

1 混合微网的拓扑结构

在本文中，典型的混合微网拓扑如图1所示。混合微网包含一个交流子网和一个直流子网（包含储能）。双向功率变换器连接交流子网和直流子网，负责交直流网络间的功率转换，根据供需情况为交流子网或直流子网提供功率支撑。当交流子网重载时，对双向功率变换器而言，交流子网成为负载，能量由直流子网流向交流子网，反之亦然。

图1 混合微网典型拓扑结构

在正常运行状态下，混合微电网通过交流子网与主电网相连。当系统运行在并网模式时，交流子网由主电网提供功率支撑，维持系统稳定；直流子网则由双向功率变换器调节电压，维持功率平衡。当系统运行在孤岛模式下，交流子网和直流子网分别通过各自接入分布式电源平衡功率，维持系统稳定。此时，若系统出现功率缺额，则交流子网与直流子网间进行协调控制，相互提供功率支撑。本文针对系统的孤岛模式，提出一种基于下垂的双向功率变换器改进控制策略。

2 DERs控制策略

为了让不同类型分布式电源形成微网，最常采用的控制方式是下垂控制，使分布式电源接口输出模拟传统发电机特性运行。本文中的微源都采取下垂控制。

2.1 交流子网中DER的控制

交流分布式电源的控制采用P-f和Q-V多环反馈控制，由于下垂控制的输出量是频率和电压，应用颇为广泛。此控制方法主要是通过降低交流电压频率来增加输出有功功率，通过降低交流电压幅值来增加输出无功功率。其下垂特性数学表达式如下。

2.2 直流子网中DER的控制

图2 直流DERs下垂特性

3 孤岛模式下双向功率变换器控制策略

本文的双向功率变换器具体结构如图3所示。所提出的双向功率变换器策略主要由内环控制和外环控制构成。内环控制主要控制直流母线侧电压，外环控制主要实现子网间的功率交互决策。

图3 双向功率变换器拓扑结构

双向功率变换器在d-q-0旋转坐标系下的开关周期模型为

从a-b-c坐标到d-q-0坐标的变换公式为

双向功率变换器控制策略的内环控制如图4，在q轴上采用电压电流双闭环控制，电流环的响应速度要比电压环快。相比较传统的电压环，通过直流输出电压追踪直流电压参考值，这里采用代替vdc，线性度更好，提高了直流母线电压的稳定性。通过解耦控制，使控制有功功率，控制无功功率。

图4 双向功率变换器内环控制

双向功率变换器控制策略的外环控制如图5。当混合微网处于孤岛模式下，在不影响子网正常运行的前提下，子网间发出或接受的功率需要确定。

图5 双向功率变换器外环控制

忽略开关损耗，直流子网所需有功功率[8]可以表示为

根据P－Vdc下垂控制可得电压变化量参考值为

合并式 (5)和式 (6)得

式中：r＝k1k2。

同时，交流子网所需有功功率为

根据P－Vac下垂控制可得电压变化量参考值为

合并式 (8)和式 (9)得

式中：m＝kp，ack2。

最终可得直流母线电压参考值为

本文中假设交流子网与直流子网容量相同，所以负载功率分配也相同，若2个子网的容量不相等，可按照容量比设置下垂参数r和m，实现按比例分配负载。

由于直流子网不需无功，所以无功只由直流子网向交流子网传输。交流子网所需无功功率为

电流参考之idref可通过计算得

利用双向功率变换器为交流子网提供无功支撑，需要合理利用双向功率变换器的容量，双向功率变换器输出的无功功率应满足如下条件。

式中，Qmax为双向功率变换器的最大输出无功功率，Srate为双向功率变换器的额定视在功率。

混合微电网运行在孤岛模式时，双向功率变换器可以分为4种运行状态，如表1所示。

表1 孤网模式下双向功率变换器运行模式

模式1：当2个子网都处于轻载时，此时子网运行正常，无需功率交换，双向变换器不动作。

模式2：当交流子网重载，直流子网轻载时，此时 ΔV-δV＜0，所以能量由直流子网流向交流子网。

模式3：当直流子网重载，交流子网轻载时，此时 ΔV-δV＞0，所以能量由交流子网流向直流子网。

模式4：当2个子网都处于重载时，此时仅凭子网间的能量传递已无法满足供电质量，需要启动储能设备供电或者去负荷来保障供电质量，本文不涉及此部分。

4 仿真验证

为了验证所提控制策略的可行性，在Simulink平台上搭建了相关仿真。

交流子网的额定有功和无功功率分别为20 kW和5 kvar，直流子网的额定功率为20 kW，双向功率变换器的视在功率为10 kW。由于2个子网的有功容量相同，所以过量负载分配比也设为1:1。直流母线额定电压设定为800 V，交流电压设定为三相 220 V （RMS），50 Hz。

仿真验证了从模式1到模式2以及模式2到模式3的过渡过程。

4.1 案例1：从模式1切换到模式2

开始时交流负载设定为有功20 kW和无功5 kvar，直流负载设定为20 kW，双向功率变换器工作在模式1。在1 s时，交流负载有功增加5 kW，无功增加5 kvar。

如图6所示，在0～1 s，交流子网输出有功20 kW和无功5 kvar，处在额定状态，此时交流母线的电压也稳定在额定值220 V，50 Hz。同时，直流子网输出有功20 kW，同样处于额定状态，直流母线的电压也稳定在额定值800 V。此时，双向功率变换器不动作。

在1 s，交流侧负载增加了5 kW和5 kvar。当功率传输稳定时，可以看出交流子网输出有功22.5 kW和无功7.5 kvar，直流子网输出有功22.5 kW，双向功率变换器输出有功2.5 kW和无功2.5 kvar。

图6 案例1：功率传输和直流母线电压

图7 案例2：功率传输和直流母线电压

4.2 案例2：从模式2切换到模式3

开始时交流负载设定为有功25 kW和无功10 kvar，直流负载设定为20 kW，双向功率变换器工作在模式2。在1 s时，交流负载有功较少5 kW、无功减少5 kvar，直流负载增加6.4 kW。

如图7所示，在0～1 s，交流子网输出有功22.5 kW和无功7.5 kvar，直流子网输出有功22.5 kW，双向功率变换器输出有功2.5 kW和无功2.5 kvar。直流母线的电压低于额定值800 V。

在1 s，交流负载有功较少5 kW、无功减少5 kvar，直流负载增加6.4 kW。当功率传输稳定时，可以看出交流子网输出有功23.2 kW和无功5 kvar，直流子网输出有功23.2 kW，双向功率变换器输出有功-3.2 kW和无功0 kvar。

从上述结果可以看出，所提策略可实现根据子网容量成比例调配交直流子网间的功率流动，并且直流母线电压具有良好的动态响应效果。

5 结论

本文在分析交直流微源运行的基础上，提出一种基于下垂的双向功率变换器改进控制策略。与传统控制方法相比，改进型的策略可通过设置交流下垂系数、直流下垂系数实现负载功率的成比例分配。另外，采用作为内环参考值的控制也使直流母线电压具有良好的动态响应效果。仿真结果验证了所提策略的可行性。

参考文献：

[1] M.Edmonds and T.Miller.The next 50 years—What’s next for the grid[J].IEEE Power Energy Mag.,2014，12 （2）： 92－96.

[2] P.T.Baboli,M.Shahparasti,M.P.Moghaddam,M.R.Haghifam and M.Mohamadian .Energymanagementand operation modelling of hybridAC–DC microgrid[J] .IET Gener.Transm.Distrib,2014，8 （10）：1700-1711.

[3] 陈宇豪,王磊,杨宇,等.风储直流微网孤岛运行控制研究 [J].分布式能源,2016,1(01):40-46.

[4] 孟润泉,刘家赢,文波,等.直流微网混合储能控制及系统分层协调控制策略 [J].高电压技术,2015,41(07):2186-2193.

[5] 秦文萍,柳雪松,韩肖清,等.直流微电网储能系统自动充放电改进控制策略 [J].电网技术,2014,38(07):1827-1834.

[6] P.C.Loh,D.Li,Y.K.Chai and F.Blaabjerg.Autonomous Operation of Hybrid Microgrid With AC and DC Subgrids[J].IEEE Trans.Power Electron,2013，28:（5）.2214-2223.

[7] P.C.Loh,D.Li,Y.K.Chai and F.Blaabjerg.Autonomous Control of Interlinking Converter With Energy Storage in Hybrid AC DC Microgrid[J].IEEE Trans.Ind.Appl,2013，49 （3）：1374-1382.

[8] N.Eghtedarpour and E.Farjah.Power Control and Management in a Hybrid AC/DC Microgrid[J].IEEE Trans.Smart Grid,2014，5（3）：1494-1505.

[9] Y.Xia,Y.Peng,P.Yang,M.Yu and W.Wei.Distributed Coordination Control for Multiple Bidirectional Power Converters in a Hybrid AC/DC Microgrid[J].in IEEE Transactions on Power Electronics,2017，32（6）： 494-495.