大扰动时交流微电网的运行与控制研究综述

沈 霞，帅智康，沈 超，葛 俊，黄 文

（国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学），湖南省长沙市 410082）

0 引言

交流微电网能够有效整合多种分布式微源，是合理利用清洁能源解决能源危机、缓解环境问题的有效途径［1-2］。交流微电网包含了风、光、柴、储等多类型微源以及负荷，随着电力电子技术的发展，各类分布式微源一般通过接口逆变器并网。基于电力电子技术的接口逆变器使得微源与网侧的能量交互具备高效灵活的可控性［2］。

然而，微电网时常面临故障、大负荷投切、离并网运行模式切换等大扰动问题。一方面，电力电子器件过流能力弱，易导致大扰动时电力电子装备烧毁，严重影响装备可靠性［2-3］。电力电子器件的高可控性使装备响应速度快，单个逆变器的故障会引发大面积连锁性反应。另一方面，交流微电网系统规模小、惯性弱、抗干扰能力差，大扰动时极易发生大范围电压、频率波动，功率振荡，甚至系统失稳等问题［2-5］。此外，微电网可以运行于孤岛模式或并网模式，尤其在孤岛模式下，微电网自身支撑能力有限，大扰动时更难以保证安全、可靠供电［4-6］。因此，研究大扰动时交流微电网的运行优化控制策略对其发展至关重要，也是近年来诸多学者致力研究的热点。

截至目前，国内外许多高校及电力研究部门都已经取得了诸多相关研究成果，且现阶段也有一些针对大扰动时交流微电网运行特性以及控制策略的综述文献。文献［7］对比分析了微电网不同接口变换器微源遭遇对称及不对称扰动时的响应特性，但并未涉及对相关运行与控制的讨论。文献［8］总结了电流控制型接口变换器微源大扰动期间的控制策略，将其控制目标分为功率支撑定向控制和电压支撑定向控制两大类，并根据实际的正负序注入量需求，总结了多种组合控制方案。文献［9-14］探讨了不同拓扑及材料的故障限流器的优缺点、适用场景以及对电网安全稳定性的影响。文献［15］论述了多源变换器微电网遭遇大扰动时的暂态稳定问题、分析方法以及稳定性提高措施等方面的相关研究进展。文献［16］对比分析了不对称扰动下并网逆变器的短路电流保护策略。

整体而言，虽然学术界在理论和工程技术上对大扰动时微电网的响应特性、影响机理以及控制策略进行了大量的研究，但是多集中于对某种特定控制的微源或者某类方法的总结讨论，侧重的问题和方法相对独立，相互之间的联系和区别尚不明确。目前尚未形成从网络的物理拓扑、多样性控制到受扰时微电网的运行特性、影响机理，再到应对措施的全面梳理框架，不利于下一阶段的研究与发展。

本文首先总结了微电网的基本拓扑与主要特征。然后，阐述了微电网拓扑、扰动运行特性、扰动控制方案及控制目标之间的相互关系。基于此，详细梳理了大扰动时微电网的运行特性、影响因素及影响机理，总结了现阶段典型的大扰动限流应对策略与稳定性提升策略的适用场景及优缺点。最后，探讨了大扰动时微电网运行控制研究所面临的主要挑战，并展望了微电网智能化、高可靠供电的发展前景。

1 交流微电网的基本拓扑及主要特征

交流微电网主要包含风、光、柴、储等多类型分布式微源与负荷，且各分布式微源多以电力电子接口变换器并网。经离、并网切换装置，微电网可灵活运行于孤岛模式或并网模式。微电网运行于并网模式期间，可由配电网为其提供电压/频率（V/F）支撑；运行于孤岛模式期间，必须由柴油发电机或其他电压控制型单元提供V/F 支撑。

微电网的典型控制体系主要包含3 层控制结构［17］，如图1 所示。第1 层负责电压、电流及功率均分控制，具备微秒至毫秒级的响应时间尺度［17-19］。第2 层与第3 层分别实现微电网V/F 恢复及能量管理等功能，时间尺度为秒级以上［18］。因此，大扰动期间，微源及微电网系统的运行特性由第1 层控制主导，相关研究工作也主要基于第1 层控制展开。

图1 微电网的分层控制结构Fig.1 Hierarchical control architecture of microgrid

根据各类分布式一次能源的特点以及网侧需求，微源接口变换器的一次控制包含多种类型，不同控制决定各微源在微电网中的主要作用。因此，传统电网特征由同步机主导，而微电网特征由逆变器主导［18-19］。由于逆变器与同步机特性不同，导致微电网呈现如下特征。

1）过流能力弱。绝缘栅双极晶体管（IGBT）、绝缘栅型场效应晶体管（MOSFET）等全控型电力电子器件可以灵活地实现功率转换。综合考虑经济性和可靠性，这些器件通常基于2 倍额定电流选型［20］。然而，扰动的瞬间，基于电力电子器件的逆变器极易出现远大于阈值的冲击电流，导致装备过流烧毁，严重影响供电可靠性［20］。

2）非线性强。电力电子装备通过器件开断实现电能变换，可控性高、响应速度快［1-3］。但随着开关器件状态的变化，其电路拓扑也在同时变化，使其具备较强的时变非线性，增加了微电网运行特性研究的复杂性［18］。此外，装备的限幅控制极易导致闭环控制退化为开环响应。如果装备运行于过调制状态，负反馈退化为正反馈，更易导致系统失稳［19］。

3）多时间尺度。微电网可以快速灵活地实现功率转换，与传统电网相比，其动态响应特性具备较宽的频率范围。在物理电路方面，电力电子开关器件呈现微秒级响应特性，分布式能源（如光伏、风机、储能等）呈现微秒至分钟级响应特性；在控制系统层面，电压、电流控制环呈现毫秒级响应特性，功率控制环呈现百毫秒至秒级响应特性，而第2、3 层的系统控制则为秒级响应特性［18-20］。大扰动时，不同短时间尺度下的物理环与控制环响应相互耦合，加深了微电网运行特性的复杂性。

4）抗干扰能力差。区别于传统同步机，电力电子装备缺乏物理旋转单元，只能通过配置存储系统（如飞轮存储、超级电容器等）或改进控制策略（如虚拟同步发电机（VSG）控制等）来为系统提供有限的惯性和阻尼［21］。同时，相比于传统电网，微电网规模小、网络结构脆弱、源荷耦合强、投切影响大［22］。因此，大扰动时微电网系统易振荡或失稳。

上述特征均严重影响大扰动时微电网的安全可靠运行。进一步总结微电网拓扑、扰动运行特性、扰动控制方案及控制目标的相互关系，如图2 所示。大扰动时微电网的主要控制目标包括装备的安全保护及系统的稳定维持，扰动运行特性是设计有效控制方案的重要依据，反之又受到控制方案的影响［21］。因此，本文将从微电网的扰动运行特性和控制方案2 个方面梳理现阶段相关研究工作，为相关研究提供参考。

图2 大扰动时微电网的运行特性与控制策略关系Fig.2 Relationship of operation characteristic and control strategy in microgrid under large disturbance

2 大扰动时交流微电网的运行特性

微源是微电网的重要组成部分，大扰动时微源的输出电流特性决定逆变器需要的保护控制策略。同时，微电网大扰动下的稳定运行特性也决定了其暂态稳定控制目标与电能质量优化目标。本章分别从微源输出电流及微电网稳定性两方面，总结了大扰动时交流微电网的主要运行特性、影响因素及影响机理。

2.1 大扰动时微源逆变器输出电流运行特性

依据输出电压、电流特征，基于电力电子逆变器接口的分布式微源（IIDG）主要分为电流控制型以及电压控制型。如图3 所示，不同控制型IIDG 与微电网的交互机理具备差异性，电流控制型IIDG 主要为微电网提供功率支撑，电压控制型IIDG 则为微电网提供V/F 支撑。因此，大扰动时各类IIDG 的输出电流规模、响应速度也各异。

图3 IIDG 的典型控制方案Fig.3 Typical control schemes of IIDG

2.1.1 电流控制型IIDG 输出电流运行特性

电流控制型IIDG 主要通过控制参考电流实现与网侧的有功、无功功率交互，其控制环路简单，无法单独运行于孤岛模式，需要外界提供电压支撑。典型的电流控制包括恒定电流（constant current，CC）控制及有功、无功功率（PQ）控制等［7］。

1）大扰动时等效序网络模型

如附录A 图A1 所示，根据不同场景需求，微电网逆变器的典型接线方式包含三相三线制与三相四线制。三相三线制接线结构简单、无零序通道，而三相四线制直流侧电容中点接入地线，相比于前者，增加了零序网络，同时增加了一个控制自由度［22］。

当网侧发生大扰动时，电流控制型IIDG 可以等效成一个受控的恒定电流源并联一个滤波电容。对称扰动时，系统只包含如图4（a）所示的正序网络。不对称扰动时，若逆变器采取三相三线制，则无零序网络，三相四线制下则增加零序网络，如图4（c）所示。图4 中：Gi为包含控制内环及滤波电路的等效传递函数；为可调整的电流参考值；Zg、θg、Vg分别为网侧等效阻抗的幅值、相位角、网侧等效电压；上标“+”“-”“0”分别表示正序、负序以及零序分量。

2）CC 控制型IIDG 输出电流特性及其影响因素

电流控制型及电压控制型逆变器在大扰动状态下输出电流模型如附录A 表A1 式（A1）所示。对称及不对称扰动期间，CC 控制型IIDG 的输出电流参考值保持不变，即图4 中仍为常数［7］，实际输出电流依然受控于内环参考值。若将逆变器桥等效为系数K，则实际电流大小近似为。附录A 图A2 给出了对称或不对称扰动电压下CC 控制型IIDG 的输出电流波形。由图A2（c）可知，2 种扰动下其实际输出电流始终保持对称且无冲击。此外，考虑到对器件的过流保护，IIDG 控制系统会增设各类限幅环节，CC 控制型IIDG 的内、外环输出限幅器一般不作用［7］。

图4 大扰动时电流控制型逆变器等效序网络模型Fig.4 Equivalent sequence network model of current controlled inverter under large disturbance

3）PQ 控制型IIDG 输出电流特性及其影响因素

2.1.2 电压控制型IIDG 输出电流运行特性

电压控制型IIDG 通过控制输出端口电压实现各种并网功能，不同于电流控制型逆变器，其输出电流无法直接控制，主要由微源自身及外部电路状态同时决定。因此，大扰动时，其输出电流特性影响因素更多，影响机理也更为复杂。典型的电压控制包括V/F 控制、下垂控制、VSG 控制等［7，21］，均可独立运行于孤岛模式。

1）大扰动时等效序网络模型

如图5 所示，当网侧发生大扰动时，电压控制型IIDG 的桥臂中点电压难以突变，因此均可以等效成一个受控的电压源串联一个等效阻抗。图中：为与实际具体的控制相关的受控电压参考值；Gv为包含控制环及滤波电路的传递函数；Zinv和θinv分别为逆变器等效阻抗的幅值和相位角。三相三线制下，大扰动时系统分为图5（a）和（b）的正负序等效电路。三相四线制下，增加图5（c）中的零序响应网络［25］。

图5 大扰动时电压控制型逆变器等效序网络模型Fig.5 Equivalent sequence network model of voltage controlled inverter under large disturbance

由图5 可得，大扰动时电压控制型IIDG 的输出电流模型如附录A 表A1 式（A3）所示。不同于电流控制型IIDG，由于其输出电压是受控的，因而，大扰动期间电压控制型IIDG 实际输出电流为受扰点与其端口电压差值除以2 点之间的等效阻抗（Z=Zinv+Zg），电流大小不直接可控，与微源本身及外部电路状态均相关。微源控制决定了大扰动瞬间其端口电压状态（即v*abc），受扰点电压由扰动类型与扰动时刻决定，两者也决定了电压差。当三相电压差不对称时，IIDG 输出电流直接不对称。同时，由于阻抗Z较小，因此微小的电压差也会引起严重的过流。

2）V/F 控制型IIDG 输出电流特性及其影响因素

V/F 控制直接根据固定电压、频率参考值维持微源输出电压、频率的稳定。因而大扰动时内部比例积分器的输出会增加，以补偿网侧电压跌落，增加导致大扰动瞬间逆变器端口电压增大。如附录A 式（A3）所示，端口电压与扰动点处电压差越大，端点间阻抗越小，输出冲击电流越大，且很容易远超其额定值。不考虑限幅时，V/F 控制型IIDG 的输出电流响应特性如附录A 图A4 所示，对称扰动下三相电流输出对称，近乎达到额定值的7 至8 倍。不对称扰动下，扰动瞬间逆变器桥臂中点电压不能突变且保持对称，而外界电压不对称，依据表A1 中的数学模型，其输出三相电流也跟随电压差呈现不对称特性，且数值均远远大于逆变器的2 倍额定电流值。

此外，仅外环电流限幅作用时，其输出电流直接限制为恒定的电流阈值，此时V/F 控制型IIDG 相当于恒定电流源，系统等值网络近似为图4。当内环调制限幅作用时，V/F 控制型IIDG 会被直接限定于固定电压和相位阈值状态，系统的闭环控制退化为开环控制。此时，输出电流依然可直接由式（A3）表示，逆变器端口电压钳位于固定的幅值与相位，且系统的等效阻抗较小，因此即使增加限幅，依然可能有很大冲击电流［7，26］。

3）下垂控制型IIDG 输出电流特性及其影响因素

下垂控制包含功率控制环、电压控制环以及电流内环，其受控电压信号v*abc由3 个控制环同时决定［27-28］。根据下垂控制型IIDG 的多环控制对的约束作用，由附录A 式（A3）可知，其冲击电流严重程度比V/F 控制略微缓和。不考虑限幅作用时，对称及不对称扰动下的下垂控制型IIDG 响应特性如附录A 图A5 所示。由于逆变器输出电流不直接受控，对称扰动下三相电流输出对称；不对称扰动下，与V/F 控制类似，故障瞬间其桥臂中点电压对称，受扰点电压不对称，三相输出电流不对称，且幅值约为额定值的3 至4 倍。

仅考虑电流限幅作用时，其电流输出特性也与V/F 控制型IIDG 近似［7］。此外，下垂控制型IIDG还存在外环功率限幅，以避免功率变化时引起电压和频率的过下垂响应。因此，其实际电流输出会同时由3 个限幅环节的上限最小值及下限最大值决定，生成被钳位的电压参考值v*abc，且由于逆变器端口与受扰点之间的等效阻抗较小，仍然可能高于2 倍额定电流值。

4）VSG 控制型IIDG 输出电流特性及其影响因素

VSG 控制模拟了传统同步发电机的摇摆方程，可为微电网提供一定的惯性支撑［29-32］。现阶段，VSG 主要分为电压控制型以及电流控制型，且前者应用更为广泛。同步逆变器是电压控制型的典型案例之一，没有电流内环约束电压参考值，与常规电压控制型VSG 差别较大，因而大扰动时遭受的冲击电流也最为严重［32］。同步逆变器的电流响应如附录A 图A6 所示，不考虑限幅作用时，对称扰动下其冲击电流可达到额定值的6 至7 倍［32］。考虑调制限幅作用时，其响应状态与V/F 调制限幅作用类似。

为形成更为直观的对比，表1 总结了大扰动时典型电压及电流控制型IIDG 的输出电流特性。结合模型及仿真对比结果可知，大扰动期间电流控制型逆变器输出电流的幅值及对称情况依然均可控；而电压控制型逆变器的输出电流不直接可控，由逆变器端电压与外界电压差以及等效阻抗决定，其冲击幅值较大，且不对称与否直接由电压差决定。因此，电压控制型IIDG 的冲击电流规模及速度通常会大于电流控制型IIDG。此外，对称扰动时电流控制或电压控制型IIDG 均只存在正序网络，三相三线制或三相四线制对系统的输电电流特性无影响。不对称扰动时，电流控制型IIDG 三相三线制与三相四线制下仍将具有相同的正序网络特性；但是电压控制型IIDG 将存在差异，即电压控制型IIDG 在三相三线制下存在正序和负序网络的电流特征，而在四线制下存在正序、负序和零序网络的电流特征。

表1 大扰动时典型接口逆变器控制的微源运行特性Table 1 Operation characteristics of micro-source controlled by typical interface inverter under large disturbance

2.2 大扰动时交流微电网稳定运行特性

大扰动时微电网稳定运行特性会受到多方面的影响，并且呈现非常复杂的时变特征。其主要影响因素包括系统的拓扑、微源与负荷的分布位置及数量、微源的控制方式、离并网运行模式、负荷性质和扰动程度、类型、位置、时刻等［32-34］。其典型特征如下。

1）节点电压、频率大幅偏移。大扰动时各微源输出端与扰动点之间存在很大的电压矢量差，微源向受扰点提供大量的能量支撑，导致微电网节点电压、频率的大幅偏移，且扰动点距离微源越近，各节点偏移越严重。文献［33］基于单机并网结构，研究了微源输出端以及公共连接点（PCC）电气量变化特征，并指出大扰动时微电网运行特性区别于传统电力系统，会受微源等主动发电单元的影响，呈现不断变化的特征。文献［35］指出电力电子化微电网惯性小，大扰动时系统的电压、频率极易发生大范围波动，并提出基于耦合因子的非线性解耦方法来分析母线电压、频率突变对系统稳定性的影响。

2）电压、电流畸变。大扰动时节点电压、电流的不对称会使控制系统引入非工频扰动分量，通过脉宽调制（PWM）开关作用，逆变器输出电压、电流发生畸变。文献［36］指出了不同接线方式及坐标系控制下，大扰动时微电网的电压、电流都会产生二倍频谐波分量。文献［37］研究结果表明电力电子器件的非线性、不对称故障及变压器不同接线方式均会带来多种谐波影响。文献［38］指出微电网恒功率等非线性负荷在扰动时会加剧系统的电压、电流畸变。

3）功率振荡。并联微源之间的特性差异会导致大扰动时并联机组之间的瞬时能量分配不均衡，进而引发系统功率振荡，且部分微源在微电网发生大扰动后易承担过多的瞬时功率，导致逆变器的过载或运行模式切换。文献［39］指出逆变器由于自身过流能力有限，在过载后将由组网运行切换至限流工作模式，无法持续支撑孤岛微电网电压。文献［40］研究结果表明微源瞬时功率的突增还可能引发系统频率失稳、储能单元损毁等问题。

4）同步失稳。当扰动程度严重时，并联微源之间无法维持同步，导致微电网直接失稳，造成大面积停电，此为大扰动最严重的后果。文献［41-42］指出由于微电网容量小，大扰动时若存在微源非计划性脱网，且脱网总容量超过微电网最大可接受的功率缺失范围时，系统可能暂态失稳。文献［6，43］指出功角失稳的本质为大扰动时微源参考功率与输出功率的不平衡，即实际能量超过了最大允许能量值。文献［6，44］进一步解释，根据扩展等面积法则，当功角曲线中加速面积大于最大减速面积时，系统将失稳；当加速面积小于最大减速面积时，系统将恢复稳定；二者相等时，系统处于临界稳定状态。

近年来，随着逆变器接口微源接入电网的比例逐渐增加，电网的暂态稳定性变得愈加复杂。基于典型运行特性分析可知，微电网抗干扰能力弱且规模小，导致微电网在经受大扰动时易发生V/F、功率的大范围波动，甚至出现不可逆的暂态失稳现象，威胁微电网安全、稳定运行。由于微电网非线性耦合强、时间尺度宽、时变性强，造成微电网与传统电网相比暂态稳定问题复杂且突出。IEEE 电力与能源协会在对微电网稳定性定义时，分析与建模工作组根据微电网的运行特性和失稳机理将微电网的稳定问题归类为控制系统稳定问题和电能平衡稳定问题［45］，如图6 所示。

图6 交流微电网稳定问题归类Fig.6 Classification of AC microgrid stability problems

与传统电网的暂态稳定问题相比，由逆变器控制所引起的暂态稳定问题是微电网暂态稳定问题的重要内容［1］。微电网中的逆变器单元主要通过控制开关器件的开通和关断进行电能变换，是微电网实现能量管理和稳定运行的物理基础。当多个逆变器单元同时进行电能变换时，需要同步控制环节实现多个逆变器之间以及逆变器与微电网之间的同步，保证逆变器输出功率稳定，因而同步控制环节广泛存在于逆变器控制系统中。传统电网中同步发电机在经受大扰动时易产生暂态同步稳定问题，微电网中同样存在严重的暂态同步稳定问题［6］。不同于传统同步发电机为主的强惯性电力系统，大量风机、光伏等新能源低惯性系统通过锁相环与电网实现同步，其同步机理及运行模式与传统电力系统存在较大差异。此外，近些年提出模拟同步发电机特性的逆变器控制策略，如下垂控制、VSG 控制等，在电网故障时需要限制输出电流容量，使得其同步机理与同步发电机存在明显差异［6，46-49］。因此，需要针对逆变器接口型微源的同步特性以及同步机与逆变器接口型微源的交互特性进行机理研究。以下将从单机同步机理以及同步机和逆变器多机交互机理的角度进行总结分析。

2.2.1 单机同步稳定机理

2.2.1.1 同步发电机

传统电力系统中，同步发电机作为主要发电单元，对系统的稳定运行特性有着不可忽视的影响。同步发电机的同步原理依赖于原动机输入功率和输出电磁功率之间的平衡。针对同步发电机的同步稳定机理已有较为深入的研究结果［47］，本文不再赘述。

2.2.1.2 逆变器接口

与传统同步发电机通过物理转子结构与电网实现同步的机理不同，逆变器根据其控制策略的不同，有多种与电网实现同步的方式［6，48］。其中，功率同步控制和锁相环是实现逆变器同步电能变换的重要方式，其同步控制策略如附录A 图A7 所示。

1）功率同步控制

如附录A 图A7（a）所示，功率同步控制通过建立输出有功功率与相角的闭环反馈，实现同步控制。VSG 和下垂控制逆变器等电压控制型逆变器均采用功率同步控制，与电网实现同步以及功率均分。当输出有功功率小于参考有功功率时，功率同步控制输出相角将会增加，从而增大输出有功功率并减小与参考有功功率的差值，完成负反馈并实现与微电网的同步控制。功率同步控制虽然从控制策略上能够模拟同步发电机特性，但仍需要通过功率平衡实现。然而，逆变器在暂态过程中存在输出功率限制，造成功率同步型逆变器与同步发电机在暂态同步机理上的本质差异［46］。

当电网发生大扰动时，逆变器输出功率大幅变化，有功功率差值可能导致功率同步控制环节输出相角与电网相角差超过90°。此时，增加相角反而会减小逆变器的输出有功功率，使得其与参考有功功率的差值形成正反馈环，导致与微电网失步。功率同步型逆变器暂态失稳机理如图7（a）所示，其稳定机理可通过扩展等面积定则解释［49］。当S1=S2时，若δmax＜δu，则系统稳定；反之，系统则出现失稳。文献［34］发现了功率同步型逆变器在电网大扰动时会出现暂态同步失稳问题，并通过相平面法分析失稳机理。文献［6］指出无功功率-电压下垂环会恶化VSG 的暂态稳定性，并提出一种考虑无功环特性的李雅普诺夫能量函数法定量评估暂态稳定域。文献［50］揭示了电流限幅环节作用下，下垂控制变换器退化成电流源并出现暂态失稳的机理。文献［51］总结了功率同步型逆变器暂态同步稳定由功率同步环的动态决定。

图7 逆变器接口暂态同步机理Fig.7 Transient synchronization mechanism of inverter interface

2）锁相环同步控制

锁相环的工作原理如附录A 图A7（b）所示。锁相环通过建立电压反馈环，当锁相环输出相角小于检测点的电压相角时，其q轴电压值将为正，从而增加锁相环角频率，减小与检测点相角差直至相等；而当锁相环相角大于检测点电压相角时，其q轴电压值将为负，从而减小锁相环角频率和输出相角，直到与检测点相角相同。锁相环同步依靠电压的平衡实现同步，这与同步发电机和功率同步控制存在本质差异［52］。

锁相环同步控制广泛应用于风机、光伏等电流控制型逆变器与电网的同步。随着锁相环同步型逆变器接入电网比例的提升，系统的稳定运行区间会缩小。锁相环同步型逆变器的暂态失稳机理如图7（b）所示。当A1=A2时，若φmax＜φu，则系统稳定；反之，系统则出现失稳［53-54］。文献［55］指出注入无功电流能够提升系统的稳定性。根据最新的并网规范要求，当电网电压跌落至50%以下时逆变器需要全部注入无功电流支撑电网［56］。然而，文献［57］指出在电压跌落程度较深的情况下，注入无功电流可能导致锁相环出现失稳现象，并且以风电场为背景进行了时域仿真验证。为了揭示锁相环内在失稳机理，文献［58］对锁相环同步型逆变器进行模型降阶，并建立与同步发电机转动方程的数学关系，在此基础上构造能量函数定量分析了控制参数的影响。文献［59］发现，当注入电流角与线路等值阻抗角满足一定关系时，逆变器的暂态稳定域最优。

2.2.2 多机交互稳定机理

上文分别以同步发电机、功率同步型逆变器和锁相环同步型逆变器为研究对象，讨论了其内在失稳机理。然而，实际微电网中是多种微源并存的状态，同步发电机和不同同步控制逆变器之间的暂态交互变得尤为复杂。为此，需要讨论同类同步控制逆变器间、不同同步控制逆变器间、逆变器接口与同步发电机间的同步稳定问题。

文献［59］讨论了多锁相环同步型逆变器并联系统的暂态稳定问题，而文献［60-61］则针对多功率同步型逆变器并联系统的暂态稳定开展研究，并提出了基于惯性中心等值的研究方法。针对不同同步控制逆变器之间的暂态交互问题，文献［62］建立了锁相环同步型和功率同步型逆变器并联系统的暂态交互模型，并揭示了不同注入电流相角下功率同步型逆变器的暂态稳定问题。针对同步发电机并联功率同步型逆变器系统，文献［43］发现调速环差异会导致并联系统更容易出现失稳现象。文献［63］讨论了锁相环同步型逆变器接入对同步发电机暂态同步稳定性的影响机理。

考虑到微电网供电半径较小、功率耦合较强的特性，研究微电网暂态同步稳定特性时还须考虑负荷特性和无功控制特性。这部分工作尚处于开始阶段，是后续的研究重点。上述特征都是基于对微源以及微电网节点电气量变化的研究总结。然而，现阶段针对微电网系统级运行特性的研究较少，针对大扰动的机理研究主要集中于对单个微源或简单并联微源大扰动失稳机理的讨论。多种系统失稳现象产生的原因以及影响机理尚不清晰，且由于微电网自身拓扑结构以及控制的复杂性与多变性，有效的数学分析工具亟待突破。

3 大扰动时交流微电网的控制策略

3.1 大扰动时交流微电网的控制目标分析

基于大扰动时微电网运行特性可知，分布式微源尤其是电压控制型接口逆变器微源极易产生大于2 倍额定值的冲击电流，威胁装置安全。此外，系统电压、频率大幅偏移及功率振荡等较为严重时，均易导致系统失稳。因而，大扰动时微电网的控制目标主要包括保护装备的安全运行及维持系统的稳定。

针对上述需求，目前微电网大扰动时的控制策略主要分成2 类：微电网限流保护控制及暂态稳定性控制。前者是为确保整个物理网络的安全，如避免装备过流烧毁、提供必要的分布式有功和无功注入以及V/F 支撑等。后者是为避免大扰动时电气量突变等引起的系统失稳问题。系统性梳理现阶段2 种控制的研究现状，如图8 所示。

图8 大扰动时微电网的控制目标Fig.8 Control targets of microgrid under large disturbance

3.2 大扰动时交流微电网限流保护控制策略

基于电压控制型接口逆变器微源和电流控制型接口逆变器微源的扰动响应特性，可以从微源级和系统级采取不同的应对方案对装置进行保护，实现逆变器的冲击电流抑制、有功和无功波动抑制以及对网侧节点的V/F 支撑。现有的典型限流保护方案主要包括增加物理限流装置以及改进控制策略等。

1）物理硬件限流

增加硬件限流的方案旨在于逆变器输出端口、线路首末端以及微电网与主网连接点处等关键位置增加物理限流装置，以抑制大扰动时系统的冲击电流规模［5］。物理硬件限流器可以分为被动型与主动型。

被动型限流装置（passive fault current limiter，FCL）依靠无源元件的物理特性达到限流目的，包括阻抗限流器、超导限流器（superconducting fault current limiter，SFCL）等。阻抗限流器由传统的电感线圈、电阻等元件组成，成本低且稳态下损耗大［5］。SFCL 充分结合了超导材料的优势，主要原理为当流经超导体的电流小于临界值时，SFCL 呈零阻抗超导状态；当电流超过临界值时，SFCL 会立即转变为失超状态，阻抗突增［64］。SFCL 既可以在大扰动时保护装备不烧毁，同时也可避免常态下限流装置产生的额外损耗，但是存在恢复时间长的缺点。文献［65］对比分析了SFCL 应用于微电网不同位置时对系统大扰动的限流效果。结果表明：当被动限流器配置于扰动点所在线路首端时，可以较好抑制线路以及微源的冲击电流，性能最佳。

主动型限流器以电力电子开关器件的快速开关控制为核心，结合电阻、电感等元件实现限流阻抗的快速切换，从而达到限流的目的［66］。文献［67］提出一种基于IGBT 和二极管的微电网故障限流器。该限流装置连接于微电网与主网之间，采集PCC 电压进行相关控制，能在一个周期内完成故障检测及启动，以隔离主网故障对微电网的干扰，同时帮助稳定PCC 电压。类似地，文献［68］提出一种基于常通型门极可关断晶闸管（GTO）器件的微电网限流装置，稳态工况下可运行于电压控制或有功、无功控制模式，促进其与系统间的友好互联。大扰动时，能够依据对网侧电压幅值以及频率变化率的判断，主动启动限流功能。

增加物理限流的方案实施简单、适应性强，可根据系统线路及关键装备保护的需求合理设计安放位置。然而，正常工况下会存在一定的损耗，同时也会增加硬件成本，经济性和灵活性差。现阶段许多学者仍在探索各类新型材料、改进型结构和控制下的物理限流装备，同时也在往低损耗、多功能的方向发展。

2）改进控制方案限流

改进控制方案实现限流的方式根据接口逆变器灵活可控的优势，可以分为被动型和主动型。

被动型限流控制即在逆变器控制环增加限幅器，如功率外环增加功率或V/F 限幅、电压控制环增加电流限幅、电流控制内环增加调制限幅等。这类限幅方法实施简单，几乎可应用于所有类型逆变器。但是，为避免正常运行时的限幅饱和问题，限幅上、下限不宜过小，因此，存在限幅效果差且不对称扰动下电压电流畸变率高等问题。文献［26］对比研究了被动型限幅器在dq同步坐标系、αβ坐标系、abc 坐标系以及三相三线制与三相四线制下的限幅效果，并分析了多种诱因。文献［7，27］讨论了限幅器在不同电流、电压控制型IIDG 中的作用，并指出某些特殊场景下限幅器反而易导致逆变器冲击电流增加的问题。

被动型限流器通过简单的算法限制实现，限流效果和精度难以保障，尤其是对于电压控制型IIDG，一方面，其输出电流受外界阻抗影响，限幅器不足以抑制；另一方面，由于功率、电压、电流等多个限幅环节相互耦合作用，反而会加剧大扰动时系统运行特性的复杂性。因此，学者们更关注于主动型限流控制策略的研究。主动型限流控制策略包含模式切换控制、虚拟阻抗控制、调整参考值控制等。

模式切换控制是在扰动期间通过将电压控制型逆变器切换成电流控制型，并对电流幅值采取一定限制措施来避免逆变器瞬间的电流冲击。文献［21，69］分别提出扰动期间将逆变器VSG 控制模式切换为滞环控制以及准比例谐振（proportionalresonant，PR）控制的限流方案。该类方法动作速度快、限流效果好。然而，如果基于全电力电子接口微源构成的微电网运行于孤岛模式时，若其中电压控制型逆变器同时切换至电流控制模式，系统将缺乏稳压、稳频的单元。此时，微电网的供电质量难以保证，电压、频率的大幅偏移也可能会导致系统失稳。

增加虚拟阻抗的方案可以根据电压跌落程度、自适应选择加入控制外环的虚拟阻抗大小来加快扰动期间电流非周期分量的衰减速度，同时限制周期分量的幅值［70］，可适用于多种控制型逆变器。然而，采用虚拟阻抗限流时，为保证系统的稳定以及功率传输水平，虚拟阻抗的取值会存在上限［71-72］，且当网侧电压跌幅较大时，该类方案很难达到理想的作用。因此，只适用于扰动程度较小的情况。

调整参考值控制是指通过检测电压电路信号等电气信号对控制系统参考值反馈修正，实现扰动瞬间的冲击电流抑制以及向网侧的注入功率及V/F支撑等功能。文献［73-75］讨论了通过对网侧电流正、负、零序注入分量的组合控制，可以分别实现有功和无功功率波动抑制、零序电流和负序电流抑制等单一或多种组合功能功率，适用于PQ 等电流控制型逆变器。文献［76］针对传统电流控制方法的不足，提出一种考虑电网阻抗比的控制策略，可以根据网侧实际需求调整电流dq轴参考值，灵活注入有功、无功功率。文献［77］根据扰动期间系统的等效阻抗以及允许注入的最大电流幅值，直接求取逆变器的电压参考值，同时减小节点电压的不对称度，适用于V/F 等可以直接通过电压、频率参考值控制的逆变器。然而，由于扰动时系统的等效阻抗值难以准确预知，限流效果与及时性均难以保证。

鉴于上述几种典型方案各有优缺点与适用场景，为多方位提升微源的安全性及优化运行性能，开展了多种方案相结合的研究。文献［78］提出一种结合虚拟阻抗和切换控制的改进型保护策略，克服了两者的不足。文献［79］提出一种虚拟阻抗和切换控制，改进参考值结合的限流控制策略。稳态时运行于普通的电流下垂特性，大扰动时下垂外环的有功分量控制主动切换为功角控制，维持功角仍在额定工作点附近，无功下垂分量控制根据逆变器最大允许输出电流，向电网注入无功支撑。文献［26］针对传统电压控制型IIDG 外环限流控制方案电能质量差、不同坐标系下限流不准确、非故障相易过电压等问题，提出了一种通过限制电感、电流来间接限制输出电压、改善电能质量的多功能限流控制，其同时适用于abc 坐标系控制、dq坐标系控制、αβ坐标系控制以及三相三线制和三相四线制的拓扑结构。

现阶段，也有学者针对微源的协同保护控制进行了研究。文献［80-83］提出结合通信进行自适应协同控制的方案，通过集中通信或者分布式通信采集微电网的拓扑信息、微源大扰动期间运行状态、节点电压电流信息等，进行微源出力的均衡协调，以最大化增强系统应对扰动的能力，提升可靠性。文献［84］提出一种并网模式下微电网分层限流控制策略：第1 层控制利用准PR 控制实现电流的无差跟踪；第2 层控制利用本地微源控制实现微源输出电流负序分量与零序分量的消除以及峰值电流的限制；第3 层控制经锁相环锁定微电网与主网之间的相位差，再基于该相位差利用微源的移相控制，使得微电网注入扰动点总电流近似为0；第4 层控制经通信系统将网侧的有功、无功注入需求均分给并联微源，可以提升大扰动时微电网整体的可靠运行能力。

然而，目前针对大扰动时微源协同控制保护的研究还处于初级阶段，已有研究大多提倡结合通信对微源进行迅速配合控制，对于协同限流效果、通信的及时性与可靠性以及方法对于微电网拓扑及运行模式的适应性还缺乏深入研究。

3.3 大扰动时交流微电网暂态稳定控制策略

针对不同的暂态稳定问题，以分析失稳机理为基础，改进控制策略是提升微电网暂态稳定性的重要思路。逆变器接口微源及逆变器接口微源与同步发电机交互的暂态同步失稳机理已在2.2 节中给出。同步发电机的同步稳定性由原动机输入机械功率与电磁输出功率之间的平衡决定；功率同步型逆变器的暂态同步稳定性取决于参考功率及输出功率的平衡；而锁相环同步型逆变器通过采样电压信号与电网实现同步。基于上述机理分析所得结论，下文将给出暂态稳定性提升控制策略。同步发电机的稳定控制方法已有深入研究［47］，本文不再赘述。逆变器接口型微源稳定提升控制总结如图8 所示。

1）功率同步控制型逆变器暂态稳定控制

功率同步控制产生同步失稳的根本原因是逆变器输入与输出功率的不平衡，与有功控制环密切相关。目前提高其同步稳定性的措施主要分为2 类：一是改善有功控制环参数；二是改变控制结构。第1 类主要改善的控制参数是惯性常数、阻尼系数和输入功率参考值。文献［44］采用粒子群算法对VSG 有功控制环的惯性常数和阻尼系数进行优化，提升系统的暂态稳定性。文献［43］通过增加大扰动期间虚拟机的阻尼系数来增强系统的暂态稳定性。文献［6］通过降低大扰动期间虚拟机的输入功率参考值，从而提升系统的同步稳定性。第2 类通过引入前馈/反馈环节或李雅普诺夫法改变控制结构，或者仅改变大扰动期间的控制结构来提高系统稳定性。文献［59］通过引入反馈环节来改变系统大扰动期间的惯性和阻尼系数，从而改善多机系统的同步稳定性。文献［85］采用李雅普诺夫法，一方面可以改善系统的暂态稳定性，另一方面能有效地限制故障电流。文献［86］在大扰动期间将虚拟机有功控制环的二阶变为一阶，保证大扰动期间系统存在平衡点，从而增强系统的同步稳定性。

2）锁相环同步控制型逆变器暂态稳定控制

锁相环同步控制产生同步失稳的根本原因是锁相环电压量的不平衡，根据其失稳机理，目前提升其同步稳定性的措施主要分为2 类：一是改变锁相环控制结构；二是减小电压偏移量。在第1 类控制研究中，文献［87］在大扰动期间闭锁锁相环，避免电压不平衡带来锁相环输出失稳。文献［88］将典型二阶锁相环结构改变为一阶结构，在大扰动程度较浅且存在稳定平衡点的情况下实现锁相环的稳定控制。然而，当电网发生电压相角跳变及电网深度故障发生时，所提控制的鲁棒性不足。第2 类是从减小电压偏移量的角度来修正大扰动期间逆变器的注入电流。文献［89］在大扰动期间不注入电流，从而避免出现暂态失稳问题。然而这一方法不符合电网并网准则。文献［90］提出基于线路阻感比比值的自适应注入电流，然而实时检测线路阻感比难以实现。文献［57，59］提出基于锁相环输出频率的自适应注入电流。然而，该类方法均针对单个电流源并网的情况，并未考虑多机（如VSG 和电流源并联并网）时电流源在大扰动期间应如何注入电流，来提高系统同步稳定性。

目前，针对大扰动时稳定性提升方案的研究，多从控制角度对单机系统或简单并联系统进行优化设计。针对电力电子接口型微源多机并联系统、同步机与电力电子接口微源多机并联系统的稳定性提升方面仍缺乏有效措施。

4 大扰动时交流微电网运行与控制的挑战及展望

大扰动时具备安全可靠运行能力是交流微电网进一步发展的重要前提。现阶段，针对大扰动时交流微电网运行与控制的研究主要基于简单的物理场景。然而，交流微电网的结构与组成日益复杂，规模日益增加，且与传统电网所面临的同类型问题及解决方案存在差异，依然存在许多亟待解决的难题。简要阐述相关挑战及可能的解决思路如下。

1）基于多物理场耦合特性的微电网装备安全分析与设计问题。微电网变换器、电感、变压器等常用电力电子装备通常工作在“电-磁-热-流体”等多物理场耦合环境［91］。大扰动时，多物理场耦合媒介多样、作用机理复杂、多学科问题交叉，仅关注单一的电流特性已不能完全保障大扰动时微电网的装备安全。例如：装备的冲击电流峰值会决定母排等元件的电应力范围；电感等杂散参数会影响器件的开关特性与装置的安全工作区［92］。因此，微电网装备的多物理场耦合建模分析与优化设计对实际工程的指导至关重要。

2）电力电子化微电网的多时间尺度交互与协调控制问题。电力电子化导致过流能力差、响应速度快等特征会给继电保护设计及电网安全运行标准带来严峻挑战［18，20，44］，而微源的多样性与分布化则增加了变换器之间多时间尺度交互影响的复杂性与协调难度，导致大扰动时微电网运行控制与暂态保护困难［5，33-34］。探索新型器件、新的变换器结构等物理优化方案，以及更灵活、更自主的微源与负荷本地智能化管理技术，是从根本上解决微电网电力电子化和分布化趋势下大扰动问题的有效途径。

3）微电网大扰动稳定运行特性与稳定判据研究。目前针对暂态稳定性的研究多集中于单个变换器或简单并联系统，且主要基于时域仿真法及李亚普诺夫能量函数法。然而，微电网模型阶数高、复杂性强，导致基于迭代运算的仿真软件运行时间长、效率低，仿真精度和仿真步长相矛盾，不利于大扰动问题的研究［18］。基于李亚普诺夫函数的分析方法也难以构建复杂微电网的数学描述［15，52］。此外，限幅单元、非线性调制环节、恒功率负荷及时变的控制等均会增加大扰动时稳定性分析难度［93］。因此，研究新的大扰动稳定性分析工具是值得探索的前沿课题。

4）微电网信息物理安全问题。微电网的数据采集、协调控制等均需要大量信息交互，随着系统规模不断增加，通信网络也日益复杂，传统电力网络已拓展成为信息-物理强耦合系统。仅单一考虑电磁与机械层面的大扰动问题已难以确保系统的安全性。文献［94］指出，2015 年乌克兰电网大停电事件是第1 起恶意网络攻击案例。文献［95］报道，2018 年美国能源及其他关键系统遭受黑客攻击，攻击者实际已获得网络开关的闭合能力。相比于传统电网，微电网对分布式微源及负荷的自由接纳性，更增加了信息网络安全隐患。因此，深度研究微电网信息物理安全问题是未来数字化微电网建设的必经之路。

5 结语

微电网是解决能源危机、环境问题的有效途径，本文针对大扰动时交流微电网的运行与控制问题，首先，分别从输出电流层面与稳定性层面总结了大扰动时微电网的重要运行特征。然后，详细梳理了现阶段微电网典型限流控制策略与稳定性提升控制方案。最后，对该方向下交流微电网未来可能面临的关键难题和研究思路进行了展望。本文探讨的内容仅是在国内外学者现有的研究基础上的概括和思考，以期能对未来微电网的安全可靠运行提供一些思路和借鉴。微电网的进一步发展乃至大范围普及，仍需更加深入、更为本质的理论探索与技术创新。

本文在撰写过程中受到湖南省研究生科研创新项目（CX20200433）资助，特此感谢！

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