主从控制混合微电网中互联变流器控制策略

2018-08-08朱永强王福源赵娜贾利虎

电力建设 2018年8期

朱永强, 王福源，赵娜，贾利虎

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市 102206；2. 国网天津市电力公司经济技术研究院，天津市 300171)

0 引言

为了解决可再生能源以及非常规电源的接入消纳问题，微电网的概念应运而生[1-3]。微电网又可以分为交流微电网、直流微电网以及交直流混合微电网[4-5]。交直流混合微电网通过互联变流器(interlinking converter，ILC)将交流微电网和直流微电网联系起来，融合了交流微电网和直流微电网各自的优点，在整合分布式微源和交、直流负载方面具有更高的效率和兼容性；且依靠ILC实现功率的相互支撑，可以提高系统的供电可靠性，因此成为近年来研究的热点[6-7]。

对互联变流器的灵活控制是交直流混合微电网稳定经济运行的关键。文献[8]将交流母线频率和直流母线电压作为输入量，控制流过ILC的有功功率；文献[9-10]通过标幺化的方法，将交流子网和直流子网各自的下垂曲线统一在一个坐标系下，将其差值作为输入，得到ILC的功率指令；文献[11-12]根据ILC直流侧电容的能量波动，控制ILC的功率传输。上述控制策略均基于对等控制实现，但是，由于ILC的耦合作用，一侧功率的小幅波动，将会传递至对侧，可能对整个系统的电压和频率造成扰动。文献[13-14]针对小范围功率波动导致的互联变流器的频繁动作，设计了误差动作阈值对其进行限制。文献[15-16]提出在孤岛模式下对ILC采用恒压恒频控制，来稳定交流侧的电压和频率，但是该控制方法只能使ILC工作在逆变状态，即直流侧向交流侧传输功率，当直流侧功率不足时，系统将失衡。

现有微电网示范工程基本都采用主从控制模式[17]，主控制单元可以稳定母线的电压和频率，从控制单元根据实际情况按照指令输出功率。但现有文献对混合微电网的主从控制研究较少。本文针对混合微电网中采用主从控制时网间功率交换难的问题，提出主控制单元容占比的概念，来反映两侧微网的运行状态，并据此设计ILC的分区段控制策略，调节子网间的功率流动，实现系统的功率平衡，针对可能出现的ILC运行模式频繁切换问题，设置滞回比较环节对其进行限制。

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[18]。混合微电网由交流子系统、直流子系统、互联变流系统以及检测通讯系统组成。交流子系统包括各微源(DG_Vf、DG_PQ)、交流负载(L_AC)以及线路阻抗(Z)；直流子系统包括各微源(DG_V、DG_P)、直流负载(L_DC)以及线路电阻(R)。互联变流系统由互联变流器ILC以及功率控制模块构成，检测通讯系统检测各微源和负荷的运行状态并将电气信息传递给功率控制模块，后者处理后控制ILC的运行。

1.2 交流侧的功率平衡关系

主控制单元DG_Vf 采用恒压恒频控制，稳定交流侧系统的电压和频率，输出功率可变，一般由具备一定容量的微型燃汽轮机或储能设备构成。从控制单元DG_PQ 采用定功率控制，可根据实际运行情况实现分布式电源有功和无功功率的控制[19]。

交流侧系统的功率平衡关系如式(1)所示：

图1 交直流混合微电网结构Fig.1 Structure of hybrid AC/DC microgrid

SDG_Vf+SDG_PQ+SILC-SL_AC=0

(1)

式中：SDG_Vf、SDG_PQ、SILC和SL_AC分别为DG_Vf、DG_PQ、ILC以及L_AC的视在功率。当ILC运行在逆变模式时SILC为正，直流侧向交流侧提供有功和无功功率；ILC运行在整流模式时SILC为负，交流侧向直流侧提供有功功率。

1.3 直流侧的功率平衡关系

主控制单元DG_V采用恒压控制，稳定直流侧系统的母线电压，一般由具备一定容量的设备构成，如储能装置。从控制单元DG_P采用定功率控制，其可以是风力发电机或者光伏发电设备。

直流侧系统的功率平衡关系如式(2)所示：

SDG_V+SDG_P-SILC-SL_DC=0

(2)

式中SDG_V、SDG_P和SL_DC分别为DG_V、DG_P以及L_DC的视在功率。

2 互联变流器分区段控制策略

2.1 主控制单元容占比

将主从控制策略运用于交直流混合微电网，关键问题就是如何建立2个子系统之间的联系，如何控制互联变流器的功率传输。其无法像下垂控制一样，通过检测两侧的电压和频率变化来进行调节，因为一旦微电网两侧的电压和频率发生变化，那么主从控制下的系统就处于过载状态。

考虑到当主控制单元的容量满足系统的需求时，主控制单元就能够实现对系统的稳定控制；因此，可以根据交直流两侧主控制单元的容量状态信息，来控制互联变流器的运行，保证主控制单元的容量状态正常，从而实现对系统的稳定控制。

主控制单元的输出功率占主控制单元额定容量的百分比称作容占比，其表达式如式(3)—(5)所示，反映了主控制单元的容量状态。

(3)

(5)

2.2 分区段控制策略

容占比能够实时反映主控制单元的出力状况，亦或是主控制单元的剩余可调度容量。为了判断主控机组的出力情况达到了何种程度(是否有富余的容量向对侧提供功率或是否需要对侧提供帮助来维持本侧的功率平衡)，需要设计一种指标，并据此计算ILC具体需要传递功率的数额。因此设计3级容占比限值η1、η2和100%对两侧的功率进行分区段调节，并满足0<η1<η2。

容占比限值的选取关系到混合微电网系统运行的可靠性和经济性，应当满足以下2点需求：(1)满足本侧的供电需求，优先保证本侧的供电可靠性；(2)减少功率在子网间的流动，实现系统运行的经济性。因此，应当考虑新能源出力波动及负荷功率预测误差的系统总功率波动概率，并根据其置信水平确定主控制单元应保留的剩余容量，进而确定容占比限值η1、η2。需要指出的是，由于交直流两侧的微源和负荷具有各自的特异性，因此两侧的容占比限值不一定相等。

显然，当交直流两侧主控制单元的容占比均小于η1时，表明两侧主控制单元的负载率并不高，自身有足够的剩余容量来维持本侧的功率平衡并应对分布式电源和负载的功率波动，此时ILC无须传递功率，处于待机状态。当交直流两侧主控制单元的容占比大于100%时，表明该交直流混合微电网整体处于过载状态下，两侧的主控制单元都没有多余的容量，此时则应该按照负荷的优先级进行负荷切除，直至达到各电源输出的总功率大于等于所有负载需要的功率，即SG_total≥SL_total。其中，SG_total为各电源输出的总功率，SL_total为所有负载需要的功率。

当一侧功率充足而另一侧功率不足时，需要控制ILC工作在整流或逆变模式，将充足侧的功率传递至不足侧，从而达到两侧功率共同平衡。下面着重讨论此类情况(ηrec>η1,ηpro<ηrec；其中，ηpro为供侧主控制单元的容占比，ηrec为受侧主控制单元的容占比)：

(1)当ηpro<η1时，有控制目标Ⅰ：使得供侧的容占比小于限值η1，受侧的容占比等于η1；若无法满足此情况，则进入控制目标Ⅱ：使供侧容占比等于限值η1，同时受侧容占比在区间[η1,η2)；若仍然无法满足，则继续增大供侧的出力，进入情况(2)；

(2)当η1≤ηpro<η2时，有控制目标Ⅲ：使供侧的容占比在区间[η1,η2)，受侧的容占比等于η2；若无法满足此情况，则进入控制目标Ⅳ：使供侧的容占比等于限值η2，同时受侧的容占比在区间[η2,1)；若仍然无法满足，则继续增大供侧的出力，进入情况(3)；

(3)当η2≤ηpro<1时，有控制目标Ⅴ：使供侧的容占比在区间[η2,1)，受侧的容占比等于1；若无法满足此情况，则进入控制目标Ⅵ：使供侧的容占比等于1，同时应当根据负荷的优先级进行负荷切除，使得SG=SL，则两侧的容占比均为1。

表1互联变流器各区段传递有功功率参考值
Table1ReferencevalueoftransmissionpowerbyILC

图2 ILC分区段控制示意图Fig.2 Schematic diagram of partitioning control

由于无功功率的分配仅在交流微电网的电源和负荷中进行，而直流微电网不存在无功功率消耗，因此，当ILC运行于整流模式时，其无功功率参考值应设置为0；当ILC运行于逆变模式时，直流微电网可以向交流微电网提供一些无功功率支援。考虑到，ILC的主要任务是进行有功功率传输，交流侧的无功缺额应当首先由本地的无功补偿设备承担，因此ILC的无功控制策略为：当无功容占比大于1(ηacQ>1)时，直流侧向交流侧提供无功功率，无功功率参考值为

(12)

此外，为了保证有功功率传输不受影响，ILC传递的无功功率最大值为

(13)

考虑到可能会出现下面的情况：假设受侧的容占比ηrec>1，此时供侧通过ILC向其传递功率，经过功率调整后，受侧主控制单元的容占比降至稳定值，据此系统会认为受侧主控机组的状态可以满足本侧的需求，ILC将停止工作，导致受侧回到过载状态，从而发生功率调节频繁振荡的现象，对系统产生不良影响。因此，需要改变容占比的计算方法，通过其他微源的出力状况来侧面反映主控制单元的运行状态，达到消除上述功率调节振荡的目的。式(3)—(5)改为式(14)—(16)：

(14)

(15)

(16)

式中：PL_AC、QL_AC分别为交流侧负载消耗的有功功率和无功功率；QILC为ILC传递的无功功率；PDG_PQ、QDG_PQ分别为DG_PQ的有功功率、无功功率。

2.3 滞回比较环节

由于分布式电源出力与负荷波动的随机性，两侧容占比可能会在100%附近频繁波动，这将导致ILC在整流与逆变边缘频繁切换，影响电力电子装置的寿命及系统的稳定性。为此，在控制策略最后设置了一个滞回比较环节，来避免上述情况的发生。滞回比较环节的原理如图3所示。其中，横坐标为供侧主控制单元的本地容占比ηlp，纵坐标为ILC传递功率。

图3 滞回比较环节原理图Fig.3 Diagram of hysteresis comparison principle

容占比进入100%附近的产生原因有2种：(1)向对侧传递功率导致容占比升高而进入临界状态；(2)本侧重载导致容占比升高而进入临界状态。考虑到，频繁切换通常是由于小范围的功率频繁波动导致的，对于第1种情况，供侧和受侧的状态差异明显，不会在短时间内发生地位转换，因此无须进入滞回比较环节；对于第2种情况，供受两侧状态相近，可能在短时间内频繁发生地位转换，因此需要进入滞回比较环节进行限制。为了实现上述2种情况的判断，滞回比较环节中的供侧容占比ηlp采用本地容占比表示，由式(17)得到。式(17)能够正面反应本侧主控制单元对本侧的实际出力状况，实现2种情形的区分。

系统的控制流程如图4所示。在此，给出了交流侧功率充足、直流侧功率不足(“交足直亏”)时，ILC传递功率参考值计算过程流程，如图5所示。

2.4 控制器设计

本文的ILC采用电压型PWM变换器结构[20]，如图6所示。直流侧与直流微电网的母线连接，并联有储能电容；交流侧经过LC滤波器及线路阻抗，与交流微电网连接。

图4 系统控制流程框图Fig.4 Diagram of system control flow

本文的ILC采用功率外环、电流内环的双闭环控制策略。功率外环的功率参考值由上述控制策略计算得到，电流内环的电流参考值由功率外环得到，电流内环输出dq坐标系下的电压参考值，最后经过dq-abc变换以及空间矢量脉宽调制得到IGBT的触发脉冲。

3 仿真分析

针对图1所示的交直流混合微电网结构，搭建了仿真电路来验证所提分区段控制策略的可行性。特别地，验证了“交足直亏”和“直足交亏”2种情况下，ILC是否能够按照既定的控制策略分别工作在整流和逆变模式。交流微电网中，母线线电压有效值为380 V，主控制单元的额定容量为100 kW；直流微电网中，母线电压为800 V，主控制单元的额定容量为100 kW。容占比限值η1、η2分别设为70%和90%。滞回比较环节的验证见附录A。

3.1 情形1：“直足交亏”

此状态下，混合微电网的运行状态变化如表2所示(由于DG_Vf和DG_V采用恒压控制，其功率输出随系统状态的变化而改变，故未示出)。直流侧功率充足，交流侧功率缺额逐渐增加。交直流两侧的主控制单元及ILC的有功功率变化曲线如图7所示，两侧的电压和频率变化曲线如图8所示，两侧主控制单元容占比的变化如表3所示。

图5 “交足直亏”时ILC传递功率参考值计算过程流程Fig.5 Flow chart of calculation process of ILC transmission power reference value under sufficient AC and insufficient DC

图6 ILC控制系统原理图Fig.6 Principle diagram of ILC control system

图7 “直足交亏”下混合微电网有功功率变化曲线Fig.7 Active power change of hybrid microgrid in Case 1

图8 “直足交亏”下混合微电网电压频率变化曲线Fig.8 Voltage and frequency change of hybrid microgrid in Case 1

结合上述图表数据可知，在0～0.5 s时，两侧的容占比均小于70%，因此互联变流器处于待机状态，交直流两侧没有功率传递。在0.5 s时，交流侧负荷突然增大至145 kW，出现功率缺额，ILC工作于逆变模式下的区段Ⅰ，此时，直流侧ηdc<70%，交流侧ηacP=70%；随着交流侧负荷的继续增大，在1.0～2.5 s时，ILC工作在区段Ⅱ，直流侧ηdc=70%，交流侧70%≤ηacP<90%；在2.5～3.0 s时，负荷继续增大，ILC由区段Ⅱ进入区间Ⅲ，直流侧70%≤ηdc<90%，交流侧ηacP=90%。

同时，交流侧母线电压能够稳定维持在额定值附近，系统频率的波动小于±0.1 Hz；直流侧母线电压也能够维持在800 V。

3.2 情形2：“交足直亏”

此状态下，混合微电网的运行状态变化如表4所示。交流侧功率充足，直流侧功率缺额逐渐增加。两侧的主控制单元及ILC的有功功率变化曲线如图9所示，两侧的电压和频率变化曲线如图10所示，两侧主控制单元容占比的变化如表5所示。

表4“交足直亏”下混合微电网功率变化
Table4PowerchangeofhybridmicrogridinCase2

图9 “交足直亏”下混合微电网有功功率变化曲线Fig.9 Active power change of hybrid microgrid in Case 2

结合图和表中数据可知，在0～0.5 s时，两侧的容占比均小于70%，因此互联变流器处于待机状态，交直流两侧没有功率传递。在0.5 s时，直流侧负荷突然增大至150 kW，出现功率缺额，ILC工作于整流模式下的区段Ⅱ，此时，交流侧ηacP=70%，直流侧70%≤ηdc<90%；随着直流侧负荷的继续增加，在1.0～1.5 s时，直流侧负荷的增大由DG_V承担，交流侧70%≤ηacP<90%，直流侧ηdc=90%，因此ILC工作在区段Ⅲ；在1.5～2.5 s时，负荷的增大改由DG_Vf承担，ILC仍工作在区间Ⅲ，交流侧70%≤ηacP<90%，直流侧ηdc=90%；在2.5～3 s时，负荷继续增大，ILC进入区间Ⅳ，交流侧ηacP=90%，直流侧90%≤ηdc<1。

图10 “交足直亏”下混合微电网频率电压变化曲线Fig.10 Voltage and frequency change of hybrid AC/DC microgrid in Case 2

同时，交流侧母线电压能够稳定维持在额定值附近，系统频率的波动小于±0.1 Hz；直流侧母线电压也能够维持在800 V。

4 结论

本文分析了基于主从控制的交直流混合微电网离网模式下的运行特性，提出了主控单元容占比的概念，建立了交直流两侧的数学联系，据此设计了互联变流器的分区段控制策略。仿真结果表明，离网模式下该策略能够按照既定目标，控制ILC灵活运行于整流和逆变模式，维持混合微电网系统的功率平衡；滞回比较环节能够有效避免ILC运行模式的频繁切换，提高系统设备的使用寿命。

附录A

此处验证滞回比较环节的可行性。混合微电网的运行状态变化如表A1所示(由于DG_Vf和DG_V采用恒压控制，其功率输出随系统状态的变化而改变，故未示出)。微电网运行于整流和逆变2种状态，其中经历了滞回比较环节。交直流两侧的主控制单元及ILC的有功功率变化曲线如图A1所示，两侧的电压和频率变化曲线如图A2所示，两侧主控制单元容占比的变化如表A2所示。

在0～0.5 s，两侧功率充足，ILC处于待机状态。0.5～1.0 s，交直流两侧负载增加，交直流两侧主控制单元在ILC未出力时的容占比分别为ηacP=108%、ηdc=90%，此时功率由直流侧流向交流侧(逆变)，ILC传递有功功率 8 kW，调节后的主控制单元容占比为ηacP=100%、ηdc=98%，此时运行于控制区段Ⅴ。1～1.5 s，直流侧从控制单元出力减少，需要ILC传递的功率增加，导致交流侧主控制单元进入滞回比较环节，交直流两侧主控制单元的容占比为ηacP=95%、ηdc=105%；理论上，此时ILC应运行于整流状态的控制区段Ⅵ，交流侧向直流侧传递有功功率 5 kW，但由于交流侧主控制单元处于滞回比较环节当中，为了限制ILC的运行状态频繁切换，此时其不具备向直流侧输送功率的能力。1.5～2.0 s，由于交流侧从控制单元的出力增多，主控制单元的容占比下降至ηacP=55%，退出了滞回比较环节，从而又恢复了向直流侧输送功率的能力，在分区段策略的控制下，ILC传递功率PILC=-15 kW，此时交直流两侧主控单元的容占比为ηacP=70%、ηdc=90%，运行于控制区段Ⅳ。

同时，交直流两侧系统母线的电压和频率都能维持在额定值附近。

表A1滞回比较下混合微电网功率变化
TableA1PowerchangeofhybridAC/DCmicrogridinhystersiscomparison