基于本地自适应调节的交直流混合微电网全局协调控制

符杨，王晓旭，米阳，张智泉

(上海电力大学 电气工程学院，上海 200090)

0 引 言

可再生分布式电源(DG)具有环境友好性、可扩展性、灵活性等诸多优点，在现代电网中的渗透率逐步提升[1-3]。而微电网作为管理和消纳DG的有效模式,一直是国内外专家的研究重点。目前已取得了一定的进展，建设了相应的示范性工程[4-6]。

而相比单一的交流微电网、直流微电网，交直流混合微电网可提供DG的交流接口、直流接口，方便交直流负荷即插即用，能够有效减少光伏、储能等DG以及电力电子负荷、变频类负荷的功率变换环节，使系统更高效、更经济、更稳定的运行[7-9]，是微电网技术未来的重要研究方向。

对微电网系统而言，有效且准确的功率分配始终是微电网控制的基本要求[10-11]。由于微电网中包含大量的可再生电源以及波动范围较大的负荷，需要配置储能设备来维持系统的稳定运行。在单个微电网中，下垂控制可工作于无通信的环境下并具有较高的可靠性与灵活性，所以功率分配能够通过传统下垂控制来实现。但也存在一些不足，如电压、频率偏差较大，功率分配的精度较低[12-13]。

目前关于微网系统功率分配的研究，主要分为两类：一类侧重于单个子微网内部功率分配精度的提高[14-15]，一类侧重于微网间的功率协调[16-19]。文献[14]通过引入电压变化设计新型下垂控制，从而提高功率分配精度并维持电压稳定。文献[15]中加入线阻测量装置，通过测量值改变下垂系数从而实现准确有效的功率分配。文献[16]提出了基于互联变换器的双下垂控制，实现了直流微电网、交流微电网间的功率流动。文献[17]首次设计了基于标幺化的双向互联变换器自治协调控制策略，使交流微电网、直流微电网的下垂曲线可共用同一坐标系，最后利用PI控制器实现各子微网按容量比输出有功功率。文献[18]针对AC/DC/DS三端口的交直流混合微电网，提出了包含本地功率控制(LPS)、全局功率控制(GPS)以及储能功率控制(SPS)的分层控制策略，并设置了合理的激活条件避免不必要的LPS、GPS，但交流频率、直流母线电压均偏离额定值。文献[19]对可控的分布式电源按不同的工作模式设计了分段下垂控制，与此同时制定功率交换控制规则，实现了无通信下子微网间功率的合理流动。但交流子微网、直流子微网，均在理想状态下，没有考虑不匹配线阻的影响。

通过以上分析，本文对孤岛运行下的交直流混合微电网提出了一种基于本地自适应调节下的微网全局协调控制策略。首先考虑到线路参数的不确定性，对直流子微网内的分布式电源设计了模糊自适应下垂控制，通过自适应调节下垂系数提高子微网内部有功功率分配的精确性。对交流子微网内部的分布式电源设计了基于同步信号改进的本地下垂控制，通过调整参考电压，实现子微网内部有功功率、无功功率的精确分配。接着在本地调节的基础上，考虑储能设备对交直流混合微电网采用全局协调控制策略，通过二次控制消除频率/电压偏差，恢复其至额定值。提出新的归一化值实现频率电压稳定条件下的全局功率合理流动以及自主分配。针对全局功率协调策略提出了交换功率控制规则，避免不必要的功率交换，减少了互联变换器上的损耗，延长了储能寿命。

1 交直流混合微电网结构

交直流混合微电网的拓扑结构如图1所示。相应的分布式电源以及负荷分别连接在交流母线、直流母线上，而交直流母线则通过双向互联变换器(Bidirectional Interlinking Converter，BIC)相连。BIC由一个双向的AC/DC逆变器和一个双向的DC/DC逆变器构成。为使系统的功率变换级数较低，可将储能系统母线连接于BIC的直流侧。DG分为可控型分布式电源(Controlled DG，CDG)和不可控型分布式电源(Uncontrolled DG，UDG)。输出功率稳定且可调节系统频率、电压的DG称为CDG，如蓄电池、微型燃气轮机等；输出功率易受自然条件影响、具有间歇性的DG称为UDG，如风机、光伏等，通常采用MPPT控制[20-22]，在文中将其视作输出功率为负值的负荷。

图1 混合微电网的典型结构Fig.1 Typical structure of a hybrid AC/DC micro-grid

2 本地下垂控制

根据直流子微网、交流子微网的网架结构与运行特点，对各子微网内的CDG分别设计本地下垂控制。

2.1 直流子微网内模糊下垂控制

在直流子微网中，单个直流单元通过DC/DC换流器(DC/DC Converter，DDC)与直流母线相连，直流子微网的等效电路如图2所示。其中Udci(i= 1,2,…,N)是DGi的输出电压，Ii是DGi的输出电流，Rlinei为第i个DC/DC换流器到直流母线的线路电阻。

图2 直流子微网等效电路Fig.2 Equivalent circuit of DC sub-microgrid

直流子微网内的功率分配常采用P-U下垂或I-U下垂，为了更加直观的反映输出功率与电压的关系，本文采用P-U下垂。传统的P-U下垂表达式如下：

(1)

针对实际微网中潮流参数的不确定性，设计了基于模糊自适应下垂系数的改进下垂控制策略。基于采样定理，合理调整离散模糊系统的采样时间，使其充分接近微网连续系统运行时间。同时利用模糊控制鲁棒性较强，响应速度较快这一特点，在极短时间内动态地调整下垂系数从而调节各DG的输出功率。

DG下垂系数与输出功率正相关[16]。将DG发出的有功功率作为模糊控制器的输入，制定模糊规则自适应地调节下垂系数，从而实现子微网内部有功功率的精确分配：

(2)

模糊控制器主要包含模糊化、模糊推理机制以及清晰化。根据式(2)，将单个DG的实际输出功率与期望的输出功率值作差，所得的(Pdci)′作为模糊控制器的输入，模糊控制器根据输入量自适应的调节下垂系数mi。输入输出变量的模糊子集如下：

(3)

其中，NB、NL、NS、Z、PS、PL、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小，正中，正大。具体模糊规则制定如表1所示。

当DG的输出功率大于预期输出功率时，需增大下垂系数mi以减小其输出功率；当DG的输出功率小于预期输出功率时，需减小下垂系数mi以增大其输出功率，最终实现各DG根据自身额定容量进行功率的精确分配。

图3为模糊下垂控制下的双DG功率分配图。如图3所示，原始状态下，由于线路阻抗不匹配(假设Rline1>Rline2)，额定容量相同的两台DG存在输出功率差值ΔP。运用模糊下垂控制器动态地调节下垂系数mi，使得DG1的下垂系数减小，DG2的下垂系数增大，最终实现两台DG按额定容量输出有功功率，Pdc1:Pdc2=1:1。

图3 模糊下垂控制下的双DG功率分配Fig.3 Power allocation of two DG units based on fuzzy droop control

2.2 基于同步信号的交流子微网改进下垂控制

在交流子微网中，分布式电源(DG)通过电力电子接口、馈线与交流母线相连。等效电路如图4所示。

图4 交流子微网的等效结构Fig.4 Equivalent structure of AC sub-microgrid

其中,Uac是交流母线电压幅值，Uaci(i=1,2,…n)是DGi的输出电压，Paci为DGi输出的有功功率，Qaci为DGi输出的无功功率。所提策略主要针对高压交流微电网，因此线路电阻可以忽略。因此Paci、Qaci分别为：

(4)

(5)

式中Xi是DGi的输出电抗，δi是Uaci与Uac的相角差。由于相角差δi非常小，所以sinδi可近似为δi，cosδi可近似为1。

传统的下垂控制如下：

(6)

(7)

针对该问题，提出了基于同步信号的改进下垂控制，在传统下垂控制的基础上增加无功补偿，自适应地修改下垂控制曲线的参考电压，从而提高各DG无功均分的精度。

改进下垂控制如下所示：

(8)

式中Uaci(t+1)代表DGi第t+1个采样周期所对应的输出电压，Qaci(t)代表在第t次同步信号到来时采样并保存的无功稳态值，用于第t+1次的无功偏差消除，KQ代表补偿系数。

图5是相邻同步信号下DG的改进下垂控制运行过程。该控制策略只需知道上一同步信号对应的无功功率，对通信带宽要求很低。

图5 相邻同步信号下DG的控制图Fig.5 Control block diagram of DG between the adjacent synchronizing signals

以额定容量一致，下垂系数相同的双DG交流子微网为例(假设X1>X2)。在第1次采样周期时，由式(8)可得：

(9)

Uac1(0)、Uac2(0)分别为DG1、DG2的原始输出电压。

(10)

又因为Qac1(0)X2,根据式(10)得出:ΔQac2_1(1)-ΔQac2_1(0)<0，进一步得到ΔQac2_1(1)<ΔQ2_1(0)，无功偏差逐渐减小，最后趋近于0。

图6是改进下垂控制的双DG无功功率分配示意图。原始状态下，由于线路阻抗不匹配(假设X1>X2)，导致额定容量相同的两台DG输出的无功功率不一致。采用基于同步信号改进的下垂控制，运用上一时刻同步信号对应的无功功率，不断调整下垂控制中的参考电压值，使无功偏差不断减小，最终实现无功均分。

图6 改进下垂控制下的双DG无功功率分配Fig.6 Reactive power allocation of two DG units based on an improved droop control

3 交直流混合微电网全局协调控制

3.1 电压、频率恢复设计

2节所提出的本地下垂控制会引起电压偏差、频率偏差。针对该问题，本节进一步设计了二次控制策略，使电压、频率稳定至额定值。通过测量直流母线电压、交流频率并通过低速通信网络传至二次控制层，通过PI控制器使电压、频率追踪其额定值，即：

(11)

式中ΔVdcrate、frated分别为直流母线电压额定值、频率额定值。kpv、kiv、kpf、kif为PI控制器的控制参数。

PI控制器的输出将被传送本地下垂控制，并对其进行修正，修正后的直流子微网本地下垂控制、交流子微网本地下垂控制如下：

(12)

由此可见，通过二次控制，在实现直流母线电压、频率稳定于额定值的同时，实现了子微网内有功功率、无功功率的精确分配。

3.2 交直流混合微电网网间功率协调

为了实现交直流网间的功率互济，需要将频率、直流母线电压值进行归一化，在无量纲的情况下进行统一处理，进而实现全局的功率协调[17]。具体归一化方法如下所示：

(13)

式中γ可表示频率、直流母线电压，(γ)′表示γ归一化后的值，区间为[-1,1]，γmax和γmin分别表示γ的最大、最小值。

但借助(γ)′值表示子微网内部的功率情况(轻载/重载)存在固有的局限性，当使用二次控制使频率、直流母线电压恢复至额定值后，其归一化后的值始终为零，这将导致(γ)′值无法表示子微网内部及子微网之间的供需关系，严重影响网间的功率协调。

(14)

对式(14)进行简化，可以进一步得到：

(15)

(16)

其中kp、ki为PI控制器的控制参数。通过PI控制器使得RU=Rf后，根据式(15)可以得到：

(17)

由式(17)可以推出，交流子微网、直流子微网可以根据微网容量按比例地进行功率分配。而子微网内的DG在本地自适应下垂控制下进行有功功率的精确分配，最终整个系统的功率分配满足：

将BIC上的传输功率带入式(15)可以得到：

(18)

因此，可以通过RU、Rf以及BIC上的传输功率值判断直流子微网、交流子微网的负载水平。

3.3 基于全局功率协调的交换功率控制规则

通过3.2小节所提出的功率协调控制策略，可以在二次控制恢复交流频率、直流母线电压的条件下，仍实现系统中功率的自主分配。但该控制策略下任意功率波动都可能引起整个系统进行功率流动，造成不必要的功率损耗，影响储能寿命。

通过以上分析，制定基于全局功率协调的交换功率控制规则。首先设计Rg、Rs(0

模式一：子微网内部实现功率平衡

当0<|RU|∪|Rf|≤Rg时，直流子微网、交流子微网均可以在系统限额内实现各自的功率平衡。功率交换不启动。

模式二：交直流微网间进行功率交换。

当Rg<|RU|∪|Rf|≤Rs时，子微网功率波动较大，需要子微网间功率交换实现系统功率平衡。

模式三：子微网与储能系统间进行功率交换。

当Rs<|RU|∪|Rf|≤1时，直流子微网、交流子微网的输出功率均接近限值，此时需要储能参与调节，共同维持混合微电网的功率平衡。

为了防止轻微的负载波动触发子微网间功率交换、微网与储能间功率交换，区间[0,Rg]、[Rg,Rs]、[Rs,1]的范围必须足够大。因此本文在参考RU、Rf的基础上，进一步考虑了BIC上的传输功率，从而确保全局功率交换的触发精度。据此制定了交换功率控制规则，具体设计如下:

(1)启动子微网间功率交换。

为了研究子微网间进行功率交换的触发条件，定义了RUbic、Rfbic这两个量。在此基础上，定义事件A、事件B判断直流子微网、交流子微网的负荷水平。

A：|RU+RUbic|>Rg

(19)

B：|Rf+Rfbic|>Rg

(20)

其中，RUbic、Rfbic分别代表双向互联变换器的功率流经过归一化后的值。

(21)

(22)

当子微网内部可以实现功率平衡，并无子微网间功率交换时，双向互联变换器上的流动功率值为0，即RUbic、Rfbic为0，因此事件A、B同样适用于由子微网内部功率平衡到子微网间进行功率互济的切换判断。

基于以上分析，子微网间功率交换的启动以及交流子微网、直流子微网之间的互助功率如下：

(23)

式中 ∪表示逻辑或，kp、ki为PI控制器对应的控制参数。

(2)储能系统与子微网间交换功率控制。

定义事件C作为储能系统与子微网间进行功率交换的触发条件：

C：|(RU+RUbic)+(Rf+Rfbic)|/2>Rs

(24)

根据前文可知，RU+RUbic可反映直流子微网的负载水平，Rf+Rfbic可反映交流子微网的负载水平。因此，事件C可作为子微网间功率互济切换至储能参与实现交直流混合微电网功率平衡的切换条件储能系统吸收或发出的功率如下：

(25)

(26)

SOC代表储能的荷电状态，SOCmin、SOCmax分别表示储能荷电状态的最小值、最大值。

当系统的负载水平较低时，事件A、B、C均为假，此时仅需进行子微网本地下垂控制即可实现供需平衡，微网间的功率互济并未启动。因此减少了双向互联变换器上的功率损耗。当任何一个子微网过载时，事件A与事件B的并集变为1，此时子微网间的功率互济会启动，从而避免混合微电网中任何一个分布式电源过载。当两个子微网同时处于极端重载或轻载的情况下，事件C变为1，此时需要储能的参与才能在不切负荷的情况下满足混合微电网系统的供需平衡。

4 仿真验证

本文按照图1在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建混合微电网模型并进行分析，以验证所提控制策略的有效性。模型具体参数见表2。交直流混合微电网的负荷变化参见表3。

表2 仿真参数Tab.2 Simulation parameters

表3 交直流混合微电网的负荷Tab.3 Load of hybrid AC/DC micro-grid

针对交直流混合微电网，设计了3个算例。算例一验证了模糊改进的本地下垂控制的有效性。算例二验证了基于同步信号的本地下垂控制的有效性。算例三验证了全局协调控制下，交直流微网间、子微网与储能间的功率互济、频率/电压的恢复情况以及子微网内部功率的精确分配。

4.1 直流子微网内部功率协调验证

在本算例中，直流子微网单独运行。该微网由3个DG构成，DG1、DG2、DG3的容量之比为1∶2∶2。直流子微网内存在不匹配线阻，Rline1=0.1 Ω，Rline2=0.2 Ω，Rline3=0.3 Ω。若采用传统的下垂控制策略，可得到3个DG的下垂系数分别为m1=0.04,m2=0.02,m3=0.02。

运用文中所设计的模糊改进下垂控制，直流子微网内部功率情况分配如图8所示。观察图8可以得到，模糊改进下垂控制可以消除不匹配线阻的影响，使三个DG的输出功率满足1:2:2，实现直流子微网内部精确的功率分配。

传统下垂控制策略下的直流子微网内部功率分配如图7所示。观察该图可以发现由于线阻不匹配，直流子微网内功率分配的精度较低，并不符合1:2:2。

图7 传统下垂控制下各DG输出功率波形Fig.7 Output power waveform of DG in conventional droop control

4.2 交流子微网内部功率协调验证

本算例中，交流子微网单独运行。该微网由3个DG构成，各DG的容量满足1:1:1。交流子微网内部存在不匹配阻抗，X1=1 mH,X2=2 mH,X3=3 mH。无功负载Qload=3 000 W，补偿系数KQ=1e-6。

图8 模糊下垂控制下各DG输出功率波形Fig.8 Output power waveform of DG in fuzzy droop control

由于频率为全局变量，所以不匹配阻抗并不会影响交流子微网内部的有功功率分配。分配情况如图9所示。

图9 各DG输出的有功功率波形Fig.9 Active power waveform of DG output

但对交流子微网采用传统的下垂控制时，DG1、DG2、DG3输出的无功功率不同，如图10所示。

图10 传统下垂控制下各DG输出的无功功率波形Fig.10 Reactive power of DG output in conventional droop control

运用本文所设计的基于同步思想的改进下垂控制，交流子微网内无功功率的分配情况如图11所示。观察图11可以得到，该控制策略可以消除各DG间不匹配阻抗的影响，从而实现无功功率均分。

图11 改进下垂控制下各DG输出的无功功率波形Fig.11 Reactive power waveform of DG output based on an improved droop control

4.3 交直流混合微电网全局协调控制验证

为了验证全局协调控制下带储能的交直流混合微电网可以进行合理的功率互济并证实功率交换控制策略的有效性，研究了各负载条件下的管理方案，仿真情况如图12所示。

图12 交直流混合微电网输出的有功功率波形Fig.12 Active power waveform of output of AC/DC hybrid micro-grid

在t=0～2 s内，交流负荷大致为2 890 W，直流负荷大致为2 400 W。此时，交流子微网输出的总的有功功率大致为2 900 W, 直流子微网输出的总的有功功率大致为2 430 W。

在t=2 s时，交流负荷不变，直流负荷增至4 570 W。交流子微网向直流子微网传输功率，承担一部分直流负荷。此时，交流子微网输出的总的有功功率大致为4 050 W, 直流子微网输出的总的有功功率大致为3 410 W ,基本符合6:5。

在t=4 s时，直流负荷不变，交流负荷增至6 010 W。此时，储能系统与子微网间进行功率互济控制启动。储能1输出有功功率950 W，储能2输出有功功率1 470 W。储能1输出的有功功率少于储能2，这是由于储能1的SOC比储能2的SOC小。

在t=6 s，直流负荷不变，交流负荷减至290 W。此时，交流子微网、直流子微网间仍进行功率互济。交流子微网输出的总的有功功率大致为2 750 W, 直流子微网输出的总的有功功率大致为2 330 W,基本符合6:5。

在t=8 s时，交流负荷不变，直流负荷减至1 150 W。此时，储能系统与子微网间进行功率互济控制启动。储能1吸收有功功率1 700 W，储能2吸收有功功率480 W，1700/480>3/2，这是因为储能1的SOC比储能2的SOC小，因此在充电模式下储能1吸收的功率更多。

如图13、图14以及图15所示，各工况下，直流子微网内部DG1、DG2、DG3的输出功率之比始终为1:2:2，交流子微网内3个DG的输出功率之比始终满足1:1:1且能实现无功均分。

图13 直流子微网中各DG输出的有功功率波形Fig.13 Active power waveform of DG output in DC sub-microgrid

图15 改进下垂控制下各DG输出的无功功率波形Fig.15 Reactive power waveform of DG output based on an improved droop control

如图16、图17所示，由于二次控制的设计，频率、直流母线电压可以恢复至额定值。

图16 直流子微网内功率波动时的直流母线电压波形Fig.16 DC bus voltage waveforms when DC sub-microgrid power fluctuates

图17 交流子微网内功率波动时的频率波形Fig.17 Frequency waveforms when AC sub-microgrid power fluctuates

5 结束语

本文针对孤岛运行下的交直流混合微电网，提出了一种基于本地自适应调节的全局协调控制策略。通过理论分析以及仿真验证得出如下结论：

(1)对直流子微网内的DG运用模糊下垂控制，可通过自适应调节下垂系数消除线路阻抗的影响，提高子微网内部有功功率分配的精确性；对交流子微网内的DG采用基于同步理论的改进下垂控制，可消除线路阻抗的影响，保证有功功率均分、无功功率的精确分配;

(2)对包含储能设备的交直流混合微网运用全局协调控制：对频率/电压进行二次调整，使频率/电压恢复至额定值；实现交直流子微网间、子微网与储能间功率的合理流动与自主分配;

(3)设计了功率交换控制规则，可以根据负载水平切换至相应的工作模式，降低交换功率损耗，延长储能寿命。