多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群一致性功率協(xié)同控制

楊天國，何 鵬，張 浩，周 倩，石 侃，丁元元

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局，德宏 678400；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650214；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局，瑞麗 678600）

由于微電網(wǎng)能夠高效靈活接納分布式新能源和儲(chǔ)能，并為需求側(cè)負(fù)荷提供可靠供電，得到了極大關(guān)注和發(fā)展[1-2]。若多個(gè)交、直流微電網(wǎng)地理位置鄰近，交、直流微電網(wǎng)間可經(jīng)多個(gè)雙向DC-AC互聯(lián)，直流微電網(wǎng)間可經(jīng)多個(gè)雙向DC-DC互聯(lián)，最終形成多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群。集群系統(tǒng)可發(fā)揮子系統(tǒng)間互動(dòng)協(xié)同能力，充分調(diào)動(dòng)所有分布式電源、儲(chǔ)能等的備用容量，共同應(yīng)對集群內(nèi)新能源出力的隨機(jī)性及負(fù)荷波動(dòng)性，以及單一子系統(tǒng)備用容量不足等復(fù)雜場景，提升全系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及供電靈活性[3-4]。

多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)通常采用分層控制架構(gòu)，包括就地控制層、上層協(xié)調(diào)及優(yōu)化層等[5-6]。協(xié)調(diào)及優(yōu)化層往往基于多子系統(tǒng)、多設(shè)備間信息交互及通信來實(shí)現(xiàn)二次恢復(fù)控制、協(xié)調(diào)和優(yōu)化等運(yùn)行目標(biāo)；就地控制層面，系統(tǒng)內(nèi)交、直流微電網(wǎng)及互聯(lián)變流器等僅通過就地量測信息實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定控制[7-8]。具備高可靠性及靈活性的就地控制層穩(wěn)定控制系統(tǒng)是多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)在復(fù)雜場景，特別是非計(jì)劃暫態(tài)沖擊下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，這也是本文的研究重點(diǎn)。多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群就地控制層面主要面臨子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式控制和多互聯(lián)變流器功率分配等控制問題。

在子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)方面，發(fā)展多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群，其目的在于充分利用子系統(tǒng)間功率互濟(jì)能力，減少新能源出力及負(fù)荷等功率擾動(dòng)對單一子系統(tǒng)的暫態(tài)沖擊，提升系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[9]提出一種DC-AC 互聯(lián)艦船交、直流配電系統(tǒng)分布式儲(chǔ)能協(xié)同控制方法，然而交、直流子系統(tǒng)中分布式儲(chǔ)能需通過快速通信獲取另一子系統(tǒng)的頻率或直流電壓信息，通信故障將影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；文獻(xiàn)[10]針對交直流微網(wǎng)群，提出一種基于多智能體系統(tǒng)的一致性協(xié)同控制，各設(shè)備利用鄰近通信實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率擾動(dòng)抑制，但所提控制策略仍須依賴通信網(wǎng)絡(luò)，影響系統(tǒng)非計(jì)劃暫態(tài)沖擊時(shí)系統(tǒng)性能；文獻(xiàn)[11-12]提出一種不依賴通信的交直流混合微電網(wǎng)自治運(yùn)行控制方法，使得互聯(lián)交、直流子系統(tǒng)頻率、直流電壓標(biāo)幺值相同，分布式電源、儲(chǔ)能按照其額定容量比進(jìn)行功率分配，然而互聯(lián)DC-AC采用電流源型控制，當(dāng)任一子系統(tǒng)因故障失去穩(wěn)定運(yùn)行能力時(shí)，另一正常子系統(tǒng)難以為其提供有效支撐，且無法實(shí)現(xiàn)所提功率分配控制目標(biāo)；文獻(xiàn)[13]提出一種互聯(lián)DC-AC 二階段改進(jìn)下垂控制，實(shí)現(xiàn)交直流微電網(wǎng)功率分配，然而所提互聯(lián)DC-AC控制本質(zhì)上屬于電流源型控制，只有在子系統(tǒng)均正常運(yùn)行時(shí)才能達(dá)到相應(yīng)控制目的。

在多運(yùn)行模式控制方面，與交流系統(tǒng)只有并、離網(wǎng)等運(yùn)行模式不同，交、直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)主要有如下模式：①正常運(yùn)行模式，即系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)、裝置均正常工作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)；②交、直流微電網(wǎng)支撐模式，即交、直流微電網(wǎng)無法維持自身頻率或直流電壓穩(wěn)定時(shí)，集群系統(tǒng)其他正常子系統(tǒng)能夠?yàn)槠涮峁┙涣麟妷?、頻率或直流電壓支撐，維持故障子系統(tǒng)功率平衡。針對正常模式下子系統(tǒng)功率協(xié)同互濟(jì)研究，前文已有論述。對于交流微電網(wǎng)支撐模式，文獻(xiàn)[14]將虛擬阻抗添加到互聯(lián)DC-AC下垂控制，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)交流微電網(wǎng)電壓、頻率支撐及環(huán)流抑制；文獻(xiàn)[15]提出互聯(lián)接口變流器虛擬慣性控制，為交流系統(tǒng)提供交流電壓、頻率支撐。這一策略僅能在與之互聯(lián)的子系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)才能發(fā)揮作用，當(dāng)互聯(lián)子系統(tǒng)失去自身穩(wěn)定時(shí)，無法為故障交流微電網(wǎng)提供支撐。對于直流微電網(wǎng)支撐模式，文獻(xiàn)[16]在互聯(lián)DC-AC 直流電壓下垂控制中增加輔助頻率控制項(xiàng)，使互聯(lián)DC-AC不僅能為直流微電網(wǎng)提供支撐，還能為交流微電網(wǎng)提供功率支援；文獻(xiàn)[17-18]提出一種互聯(lián)變流器廣義直流電壓下垂控制，可工作于直流電壓控制、直流電壓下垂控制等模式，為直流系統(tǒng)提供直流電壓支撐。該策略僅能在與之互聯(lián)的子系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)才能發(fā)揮作用，當(dāng)互聯(lián)子系統(tǒng)失去自身穩(wěn)定時(shí)，難以為故障直流微電網(wǎng)進(jìn)行有效支撐。此外，文獻(xiàn)[19]提出考慮電動(dòng)汽車靈活儲(chǔ)能的交直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多運(yùn)行工況間切換，但所提控制采用基于中央控制器的分層控制架構(gòu)，在系統(tǒng)發(fā)生故障等場景下需要非計(jì)劃運(yùn)行模式切換時(shí)，系統(tǒng)控制模式切換必然受到狀態(tài)感知、通信延時(shí)及控制器切換等影響，無法實(shí)現(xiàn)多模式自適應(yīng)平滑切換。

在多互聯(lián)變流器功率分配方面，當(dāng)子系統(tǒng)間互聯(lián)傳輸功率較大時(shí)，往往通過多并聯(lián)變流器柔性互聯(lián)，共同分配傳輸功率。文獻(xiàn)[20]提出一種適用于交直流混合微電網(wǎng)多互聯(lián)DC-AC 變流器的統(tǒng)一控制策略，實(shí)現(xiàn)多互聯(lián)DC-AC變流器按照其額定容量承擔(dān)傳輸功率的目的；文獻(xiàn)[21]提出基于直流電壓下垂控制的分層控制，不僅實(shí)現(xiàn)了多互聯(lián)DC-AC變流器功率分配，還可為直流微電網(wǎng)提供直流電壓支撐。然而，上述研究僅僅考慮了交、直流子系統(tǒng)間多DC-AC變流器功率分配問題，多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群中互聯(lián)變流器類型更加多樣，還存在直流子系統(tǒng)間通過多DC-DC柔性互聯(lián)的問題。

綜上可知，針對多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)，解決多子系統(tǒng)功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式自適應(yīng)切換及多互聯(lián)變流器功率分配等問題，對于提升全系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性及供電靈活性十分關(guān)鍵。然而，當(dāng)發(fā)生新能源出力及負(fù)荷非計(jì)劃性暫態(tài)沖擊，或某一子系統(tǒng)失去自身交流電壓、頻率或者直流電壓支撐能力等工況時(shí)，現(xiàn)有研究往往是針對某一特定控制目標(biāo)提出相應(yīng)控制策略，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換及多互聯(lián)變流器功率分配等目標(biāo)，且往往依賴狀態(tài)感知及快速通信，同時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)故障將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

針對上述問題，本文提出一種適用于多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)的一致性功率協(xié)同控制。集群系統(tǒng)基于就地量測直流電壓和頻率等信息，在不依賴狀態(tài)感知及控制器切換等情況下對任一子微電網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)、支撐單元故障等復(fù)雜工況作出響應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多互聯(lián)變流器功率分配及多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換等目標(biāo)。從穩(wěn)態(tài)層面分析所提控制的可行性，并基于小信號模型研究控制參數(shù)對小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性的影響。最后，基于PSCAD/EMTDC 仿真模型驗(yàn)證了所提控制的有效性。

1 多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群

1.1 系統(tǒng)介紹

本文以如圖1 所示的多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群為對象進(jìn)行研究，集群包括2個(gè)直流微電網(wǎng)和1 個(gè)交流微電網(wǎng)，交流微電網(wǎng)通過2 個(gè)DC-AC 與直流微電網(wǎng)#1互聯(lián)，直流微電網(wǎng)#1和#2之間通過2個(gè)DC-DC 互聯(lián)。每個(gè)微電網(wǎng)均包含支撐單元和功率單元兩類，支撐單元用于控制微電網(wǎng)母線頻率或直流電壓穩(wěn)定；采用最大功率跟蹤控制的分布式新能源及具備恒功率運(yùn)行特性的電力電子設(shè)備、負(fù)荷等均可看作功率單元[22]。為方便理論研究，每個(gè)微電網(wǎng)只包含1個(gè)支撐單元和功率單元，均經(jīng)相應(yīng)電力電子設(shè)備與母線互聯(lián)。功率單元采用定功率控制，利用調(diào)整功率設(shè)定值模擬分布式電源或者負(fù)荷功率變化。值得指出的是，圖1中的拓?fù)淇梢酝卣沟礁嘟恢绷魑⒕W(wǎng)互聯(lián)的場景。

圖1 多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of AC/DC microgrid cluster system with multiple interconnected converters

圖1中，udci為直流微電網(wǎng)#i的母線直流電壓，i=1，2；Psdci、Ppdci分別為直流微電網(wǎng)#i內(nèi)支撐單元和功率單元的輸出功率；ωac為交流微電網(wǎng)的母線頻率；Psac、Ppac分別為交流微電網(wǎng)內(nèi)支撐單元和功率單元的輸出功率；PICdcj為隔離雙向DCDC#j的傳輸功率，j= 1，2；PICack為隔離雙向DCAC#k的傳輸功率，k=1，2；箭頭方向?yàn)楣β柿鲃?dòng)的正方向。本文所有變量及控制策略均基于標(biāo)幺值系統(tǒng)。

1.2 運(yùn)行控制目標(biāo)

針對圖1 中的多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)，期望所提控制策略僅僅利用就地量測電氣信息，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)如下控制目標(biāo)。

（1）子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)。發(fā)展多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群，旨在充分利用系統(tǒng)內(nèi)所有分散支撐單元的相互支撐能力，減少新能源出力及負(fù)荷等功率擾動(dòng)對單一子系統(tǒng)的暫態(tài)沖擊。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，期望所提控制僅僅基于就地量測信息，使多變流器互聯(lián)直流、交直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)形成一有機(jī)整體，所有分散于各微電網(wǎng)中的支撐單元均能對局部子系統(tǒng)內(nèi)非計(jì)劃性暫態(tài)沖擊自動(dòng)響應(yīng)，并按照其下垂系數(shù)比合理承擔(dān)功率，提升單一子系統(tǒng)暫態(tài)沖擊下的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)。

（2）多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換。集群正常運(yùn)行時(shí)，各互聯(lián)變流器的控制作用是實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)。當(dāng)任一交流或直流微電網(wǎng)因支撐單元故障失去交流電壓、頻率或者直流電壓穩(wěn)定控制能力時(shí)，故障子系統(tǒng)內(nèi)不平衡功率使該子系統(tǒng)母線頻率或直流電壓異常，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。此時(shí)，期望所提控制能使相應(yīng)故障子網(wǎng)互聯(lián)變流器在不依賴通信、狀態(tài)感知及控制器切換的情況下實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式切換，使其他正常運(yùn)行的子系統(tǒng)為故障子網(wǎng)提供交流頻率或者直流電壓穩(wěn)定支撐。

（3）多互聯(lián)變流器功率分配。子系統(tǒng)間傳輸容量較大時(shí)，交、直流微電網(wǎng)間可通過多個(gè)雙向DC-AC互聯(lián)，直流微電網(wǎng)可通過多個(gè)雙向DC-DC變換器互聯(lián)。此時(shí)，期望所提控制策略使集群系統(tǒng)在滿足子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多互聯(lián)變流器按其額定容量比合理承擔(dān)子系統(tǒng)間傳輸功率。

2 一致性功率協(xié)同控制

為實(shí)現(xiàn)第1.2 節(jié)所述運(yùn)行控制目標(biāo)，本文提出多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群一致性功率協(xié)同控制策略，其基本控制框架如圖2所示。該框架主要包含互聯(lián)變流器（DC-DC、DC-AC）柔性控制和交、直流微電網(wǎng)下垂控制。

圖2 基本控制框架Fig.2 Basic control framework

2.1 交、直流微電網(wǎng)下垂控制

在交、直流微電網(wǎng)中，支撐單元均采用下垂控制，具體控制策略分別如圖3 所示。圖3 中，uacs、Cacs分別為交流微電網(wǎng)支撐單元直流側(cè)電源電壓和電容，kqac、Qsac分別為交流微電網(wǎng)支撐單元無功功率下垂控制環(huán)節(jié)的下垂系數(shù)和輸出功率，ωset、uacset分別為交流微電網(wǎng)支撐單元的頻率和電壓的設(shè)定值，θac、uacref分別為交流微電網(wǎng)支撐單元內(nèi)環(huán)電壓控制的輸入相位和電壓幅值，ωB、uacB分別為交流微電網(wǎng)的頻率和電壓的基值；udcsi、ildcsi分別為直流微電網(wǎng)支撐單元直流電源側(cè)電源電壓和電感電流，Ldcsi、Cdcsi分別為直流微電網(wǎng)#i支撐單元直流電壓源側(cè)電感和直流母線側(cè)電容，useti、urefi分別為直流微電網(wǎng)#i支撐單元電壓設(shè)定值和下垂控制生成的直流電壓參考，Gudci(s)、isrefi分別為直流微電網(wǎng)#i支撐單元直流電壓控制器和直流電壓控制生成的電流參考，kdci為直流微電網(wǎng)#i支撐單元下垂控制的下垂系數(shù)。由圖3 可知，交、直流微電網(wǎng)內(nèi)支撐單元穩(wěn)態(tài)輸出功率與其相應(yīng)頻率和直流電壓滿足的下垂特性可表示為

圖3 微電網(wǎng)支撐單元下垂控制Fig.3 Droop control of support units in microgrids

式中：ωset為交流微電網(wǎng)頻率設(shè)定值；kac為交流微電網(wǎng)支撐單元有功功率下垂控制的下垂系數(shù)；useti為直流微電網(wǎng)#i的直流電壓設(shè)定值。

由式（1）可知，按照各支撐單元額定容量比可設(shè)定下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)功率自主分配。然后將設(shè)計(jì)一個(gè)僅僅利用就地量測信息，使集群內(nèi)所有支撐單元按照其額定容量比承擔(dān)功率，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換及多互聯(lián)變流器功率分配等目標(biāo)的互聯(lián)變流器控制。

2.2 互聯(lián)變流器柔性控制

互聯(lián)變流器控制是集群在無互聯(lián)通信條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換及多互聯(lián)變流器功率分配的關(guān)鍵。為此，基于各微電網(wǎng)下垂特性，提出互聯(lián)DC-AC 和DC-DC柔性控制，如圖4所示。

圖4 互聯(lián)變流器柔性控制Fig.4 Flexible control of interconnected converters

對于互聯(lián)DC-AC#k，Cdck為直流側(cè)電容，Gs,ack(s)為互聯(lián)DC-AC#k功率分配控制器，Kpk、Hpk分別為有功控制環(huán)節(jié)的下垂系數(shù)和慣性系數(shù)，Psetack為外環(huán)功率設(shè)定值，Δωsetk為有功控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的頻率變化量，ωpll為鎖相得到的頻率，ωrefk為Δωsetk與通過鎖相得到的頻率ωpll相加的頻率參考，θk為ωrefk通過積分產(chǎn)生的相位；Qacrefk、QICack分別為無功功率設(shè)定值及實(shí)際值，Kqk、Hqk分別為無功控制環(huán)節(jié)的下垂系數(shù)與慣性系數(shù)，Esetk為無功控制環(huán)節(jié)電壓幅值設(shè)定值；vpwmk為交流電壓控制殘生的控制信號；Gc,ack(s)、Pacrefk分別為互聯(lián)DC-AC 一致性耦合控制的控制器和生成的功率參考值，Gc,ack(s)采用PI 控制。對于互聯(lián)DC-DC#j，Psetdcj為外環(huán)功率設(shè)定值，Gc,dcj(s)、Pdcrefj分別為互聯(lián)DC-DC 一致性耦合控制的控制器和生成的功率參考值，Gc,dcj(s)采用PI 控制；Gs,dcj(s)為互聯(lián)DC-DC#j功率分配控制器；Gpdcj(s)、dICdcj分別為移相控制器和生成的移相比；Cdc1_j、Cdc2_j分別為直流微電網(wǎng)#1 和#2 側(cè)的直流電容。

互聯(lián)DC-AC#k采用兩電平電壓源型變流器拓?fù)?，互?lián)DC-DC#j采用基于DAB的隔離雙向DC-DC變流器以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電氣隔離及功率靈活控制[23]?；ヂ?lián)DC-AC和互聯(lián)DC-DC控制系統(tǒng)均包含外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制兩部分，外環(huán)、內(nèi)環(huán)控制設(shè)計(jì)思路如下。

1）外環(huán)控制設(shè)計(jì)

外環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)集群子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)和多互聯(lián)變流器功率分配的關(guān)鍵。為此，互聯(lián)DCAC和互聯(lián)DC-DC外環(huán)采用圖4所示的互聯(lián)變流器柔性控制，均包含一致性耦合控制和功率分配控制環(huán)節(jié)。

（1）一致性耦合控制。由第2.1節(jié)可知，各交、直流微電網(wǎng)中支撐單元均采用下垂控制，因此支撐單元可通過自主感知相應(yīng)微網(wǎng)母線頻率，直流電壓動(dòng)態(tài)按下垂系數(shù)比合理分配微網(wǎng)內(nèi)部功率。若互聯(lián)變流器能將各微電網(wǎng)母線頻率、直流電壓進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)各交、直流微電網(wǎng)頻率和直流電壓標(biāo)幺值一致，則可實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)所有支撐單元間接自主聯(lián)動(dòng)，統(tǒng)一按照其下垂系數(shù)比分配功率，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)。依據(jù)上述思想，本文針對互聯(lián)DC-AC和互聯(lián)DC-DC，基于就地量測頻率或直流電壓等信息，設(shè)計(jì)一致性耦合控制，即

由式（2）可知，由于互聯(lián)DC-AC 和互聯(lián)DC-DC一致性耦合PI控制的無差控制特性，穩(wěn)態(tài)時(shí)，交、直流微電網(wǎng)頻率和直流電壓將滿足ωac=udc1=udc2，即集群系統(tǒng)內(nèi)所有微電網(wǎng)頻率和電壓標(biāo)幺值一致，進(jìn)而各微電網(wǎng)內(nèi)支撐單元依據(jù)式（1）的下垂特性，實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)所有支撐單元按其下垂系數(shù)比進(jìn)行功率分配，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)。

（2）功率分配控制。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多互聯(lián)變流器功率分配，在一致性耦合控制基礎(chǔ)上，增加圖4中的功率分配控制。

針對多互聯(lián)DC-AC，由于外環(huán)采用相同的一致性耦合控制環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上增加采用比例控制的功率分配控制器Gs,ack(s)，進(jìn)而生成內(nèi)環(huán)功率參考輸入Psetack。為使多互聯(lián)DC-AC 按照其額定容量分配互聯(lián)傳輸功率，Gs,ack(s)的比例系數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系為

式中：ε1、SDC-AC#1分別為互聯(lián)DC-AC#1 功率分配控制的比例分配系數(shù)和額定容量；ε2、SDC-AC#2分別為互聯(lián)DC-AC#2 功率分配控制的比例系數(shù)和額定容量。

同理，針對多互聯(lián)DC-DC，為實(shí)現(xiàn)多DC-DC 按照其額定容量分配互聯(lián)傳輸功率，功率分配控制器Gs,dcj(s)的比例系數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系為

式中：μ1、SDC-DC#1分別為互聯(lián)DC-DC#1 功率分配控制的比例分配系數(shù)和額定容量；μ2、SDC-DC#2分別為互聯(lián)DC-DC#2 功率分配控制的比例系數(shù)和額定容量。

綜上可知，當(dāng)集群系統(tǒng)內(nèi)互聯(lián)DC-AC 和互聯(lián)DC-DC采用上述外環(huán)控制時(shí)，可僅基于就地量測電氣信息，使各交、直流微電網(wǎng)頻率、直流電壓標(biāo)幺值一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)所有支撐單元間接自主聯(lián)動(dòng)按照其下垂系數(shù)比分配功率，且子網(wǎng)間多互聯(lián)變流器能按照其額定容量合理分配傳輸功率。

2）內(nèi)環(huán)控制設(shè)計(jì)

在外環(huán)控制基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)控制，使互聯(lián)DC-AC 和互聯(lián)DC-DC 不僅能夠準(zhǔn)確快速跟蹤外環(huán)控制生成的功率設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率互濟(jì)及多互聯(lián)變流器功率分配，還能實(shí)現(xiàn)多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換，。為此，互聯(lián)DC-AC和互聯(lián)DC-DC分別采用圖4中的內(nèi)環(huán)控制。

針對互聯(lián)DC-AC#k，內(nèi)環(huán)采用圖4（a）中的電壓源型虛擬同步控制，包括有功控制、無功控制及交流電壓控制等環(huán)節(jié)。有功控制環(huán)節(jié)將外環(huán)功率設(shè)定值Psetack與就地量測傳輸有功PICack之差作為輸入，并通過下垂控制產(chǎn)生頻率變化量Δωsetk。為使互聯(lián)DC-AC能準(zhǔn)確跟蹤外環(huán)功率設(shè)定值，Δωsetk與通過鎖相得到的頻率ωpll相加獲取頻率參考ωrefk，進(jìn)而通過積分產(chǎn)生交流電壓控制的相位θk，穩(wěn)態(tài)時(shí)ωpll和ωac相等。無功控制環(huán)節(jié)將無功功率設(shè)定值Qacrefk與傳輸無功功率實(shí)際值QICack之差作為輸入，并通過具備模擬慣性的下垂控制產(chǎn)生電壓幅值參考Erefk。

針對互聯(lián)DC-DC#j，內(nèi)環(huán)采用圖4（b）中的移相控制，將外環(huán)功率設(shè)定值Psetdcj與就地量測傳輸有功功率PICdcj之差作為移相控制器Gpdcj(s)的輸入，生成移相比dICdcj。其中，移相控制器Gpdcj(s)采用PI控制器。

2.3 一致性功率協(xié)同控制策略工作原理

本節(jié)將從穩(wěn)態(tài)運(yùn)行層面分析所提控制策略實(shí)現(xiàn)集群子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換及多互聯(lián)變流器功率分配等控制目標(biāo)的工作原理。

1）正常運(yùn)行模式

由圖4 中的互聯(lián)DC-AC 和DC-DC 外環(huán)一致性耦合PI 控制的無差控制特性，可得穩(wěn)態(tài)時(shí)各交、直流微電網(wǎng)母線頻率及直流電壓滿足的關(guān)系為

由各交、直流微電網(wǎng)母線處功率平衡可得

由互聯(lián)DC-AC、DC-DC 功率分配控制及式（1）交、直流微電網(wǎng)支撐單元下垂特性，可得各支撐單元穩(wěn)態(tài)輸出功率分別為

互聯(lián)DC-AC、DC-DC傳輸功率穩(wěn)態(tài)值分別為

由式（7）、式（8）可知，采用所提控制正常運(yùn)行模式，集群可在無互聯(lián)通信下實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)，多互聯(lián)變流器能按照其額定容量承擔(dān)互聯(lián)傳輸功率。

2）直流微電網(wǎng)支撐模式

以直流微電網(wǎng)#1 支撐單元故障退出為例進(jìn)行分析。假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，直流微電網(wǎng)#1支撐單元突然退出運(yùn)行，即支撐單元輸出功率Psdc1=0，互聯(lián)DC-AC 及DC-DC 仍然采用所提控制（無需任何通信、狀態(tài)檢測及控制策略切換），由于外環(huán)一致性耦合PI 控制無差調(diào)節(jié)作用，仍會(huì)使各母線直流電壓、頻率趨于相等，穩(wěn)態(tài)時(shí)仍滿足式（5）關(guān)系。

由各交、直流微電網(wǎng)母線處功率平衡可得

由式（1）和交、直流微電網(wǎng)支撐單元下垂控制特性，以及互聯(lián)DC-AC、DC-DC功率分配關(guān)系，可推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)下正常運(yùn)行的支撐單元輸出功率分別為

互聯(lián)DC-AC及DC-DC傳輸功率穩(wěn)態(tài)值分別為

各微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)直流電壓和頻率分別為

由式（10）～（12）可知，采用所提控制，當(dāng)直流微電網(wǎng)#1支撐單元退出后，集群系統(tǒng)仍能夠重新回到新的平衡點(diǎn)，故障直流微電網(wǎng)#1的母線電壓得到有效支撐，且其他正常運(yùn)行的支撐單元仍能按照其下垂比合理承擔(dān)功率。

3）交流微電網(wǎng)支撐模式

以交流微電網(wǎng)支撐單元故障退出為例，闡述所提一致性功率協(xié)同控制策略如何實(shí)現(xiàn)由正常運(yùn)行模式無縫切換到交流微電網(wǎng)支撐模式。

假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，交流微電網(wǎng)支撐單元突然退出運(yùn)行，即支撐單元輸出功率Psac=0 ，互聯(lián)DC-AC 及DC-DC 仍然采用所提控制（無需任何通信、狀態(tài)檢測及控制策略切換），由于外環(huán)一致性耦合PI 控制無差調(diào)節(jié)作用，仍會(huì)使各母線直流電壓、頻率趨于相等，穩(wěn)態(tài)時(shí)仍滿足式（5）關(guān)系。

由各交、直流微電網(wǎng)母線處功率平衡可得

由式（1）和交、直流微電網(wǎng)支撐單元下垂控制特性，以及多互聯(lián)DC-AC、DC-DC功率分配關(guān)系，可推導(dǎo)得到穩(wěn)態(tài)下正常運(yùn)行的支撐單元輸出功率分別為

互聯(lián)DC-AC、DC-DC傳輸功率穩(wěn)態(tài)值分別為

各微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)直流電壓和頻率分別為

由式（14）～（16）可知，采用所提控制策略，當(dāng)交流微電網(wǎng)支撐單元退出后，集群系統(tǒng)仍能夠重新回到新的平衡點(diǎn)，故障交流微電網(wǎng)的母線頻率得到有效支撐，且其他正常運(yùn)行的支撐單元仍能按照其下垂比合理承擔(dān)功率。

3 多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群小信號建模

采用模塊化建模，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行線性化處理，建立正常運(yùn)行模式集群系統(tǒng)小信號模型，包括交、直流微電網(wǎng)小信號建模、互聯(lián)DC-AC 小信號建模及互聯(lián)DC-DC小信號建模等。

1）交、直流微電網(wǎng)建模

結(jié)合交、直流微電網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂撇呗?，可得正常運(yùn)行模式下，各交、直流微電網(wǎng)小信號模型分別如圖5所示。

圖5 交、直流微電網(wǎng)小信號模型Fig.5 Small-signal models of AC/DC microgrids

由圖5（a）并結(jié)合交流微電網(wǎng)支撐單元下垂控制特性及功率單元控制動(dòng)態(tài)，可將交流微電網(wǎng)母線頻率動(dòng)態(tài)表示為

式中：“Δ”為相應(yīng)變量的小擾動(dòng)變化量；Gcc(s)為交流微電網(wǎng)功率單電流PI控制閉環(huán)傳遞函數(shù)。

結(jié)合直流微電網(wǎng)支撐單元下垂控制、直流電壓控制、電流內(nèi)環(huán)控制動(dòng)態(tài)和功率單元控制動(dòng)態(tài)，以及直流微電網(wǎng)母線電壓動(dòng)態(tài)，可將直流微電網(wǎng)母線直流電壓動(dòng)態(tài)表示為

式中：Gpdc1(s)、Gpdc2(s)分別為直流微電網(wǎng)#1和#2功率單元電流控制內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)；K1=分別為直流微電網(wǎng)#1 和#2 母線處的等效電容；udc1B、udc2B分別為直流微電網(wǎng)#1和#2的直流電壓基準(zhǔn)值；PB為功率基值。等效傳遞函數(shù)Geq1(s)和Geq2(s)的具體形式可分別表示為

式中，Gidc1(s)、Gidc2(s)分別為直流微電網(wǎng)#1 和#2 支撐單元電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

2）互聯(lián)DC-AC建模

互聯(lián)DC-AC#k及鎖相環(huán)控制的小信號模型如圖6所示。由圖6（b）可得鎖相頻率變化量Δωpll為

圖6 互聯(lián)DC-AC 及鎖相環(huán)小信號模型Fig.6 Small-signal models of interconnected DC-AC converter and PLL

式中：Geqpll(s)為鎖相環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)；Gpll(s)為鎖相環(huán)PI 控制器；θ0為穩(wěn)態(tài)時(shí)的鎖相相位角與實(shí)際相位角的角度差，穩(wěn)態(tài)值為0。

由圖6 及式（20）并結(jié)合互聯(lián)DC-AC 一致性耦合控制、功率分配控制、虛擬同步控制和鎖相環(huán)控制等動(dòng)態(tài)，可將互聯(lián)DC-AC#k的傳輸功率變化量ΔPICack表示為

式中，Guωk(s)、Gωωk(s)為等效傳遞函數(shù)，其具體形式可表示為

式中：Seqack為描述ΔPICack與功角Δδk間的數(shù)學(xué)關(guān)系；ω0為角速度基值。

3）互聯(lián)DC-DC建模

互聯(lián)DC-AC#j的小信號模型如圖7所示。由圖7 結(jié)合一致性耦合控制、功率分配控制及移相控制等動(dòng)態(tài)，互聯(lián)DC-DC#j傳輸功率變化量ΔPICdcj可表示為

圖7 互聯(lián)DC-DC 小信號模型Fig.7 Small-signal model of interconnected DC-DC converter

式中，Seqdcj為描述ΔPICdcj與移相比ΔdICdcj間的數(shù)學(xué)關(guān)系，具體形式可表示為

式中：n為隔離雙向DC-DC 變比；DICDCj為穩(wěn)態(tài)時(shí)占空比；udc10、udc20為兩側(cè)電壓的穩(wěn)態(tài)值。

4）全系統(tǒng)小信號建模

基于交、直流微電網(wǎng)小信號模型、互聯(lián)DC-AC小信號模型及互聯(lián)DC-DC小信號模型，可建立多變流器互聯(lián)交、直流微網(wǎng)集群全系統(tǒng)小信號模型，如圖8所示?；趫D8所示的全系統(tǒng)小信號模型，可用于分析所提控制策略對系統(tǒng)小擾動(dòng)特性的影響。

圖8 全系統(tǒng)小信號模型Fig.8 Small-signal model of whole system

4 仿真驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)配置

基于PSCAD/EMTDC 建立圖1中的集群仿真模型。仿真模型中，開關(guān)頻率為10 kHz，基準(zhǔn)功率為100 kW，交、直流微電網(wǎng)直流電壓和頻率的基準(zhǔn)值分別為750 V 及50 Hz；交、直流微電網(wǎng)支撐單元額定容量比為1∶1∶2，并按照此比例設(shè)定各支撐單元下垂系數(shù)；互聯(lián)DC-AC 額定容量比為2∶1，各互聯(lián)DC-AC 或者DC-DC 按照上述比例設(shè)置其功率分配控制的比例分配系數(shù)；各微電網(wǎng)、互聯(lián)DC-AC 及DC-DC 基本參數(shù)分別如表1～7 所示。在交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)功率擾動(dòng)等變化時(shí)進(jìn)行仿真，對圖8中所建小信號模型及小擾動(dòng)特性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

表1 交流微電網(wǎng)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of AC microgrid

表2 直流微電網(wǎng)#1 基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of No.1 DC microgrid

表3 直流微電網(wǎng)#2 基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of No.2 DC microgrid

表4 互聯(lián)DC-DC#1 基本參數(shù)Tab.4 Basic parameters of No.1 interconnected DC-DC converter

表5 互聯(lián)DC-DC#2 基本參數(shù)Tab.5 Basic parameters of No.2 interconnected DC-DC converter

表6 互聯(lián)DC-AC#1 基本參數(shù)Tab.6 Basic parameters of No.1 interconnected DC-AC converter

表7 互聯(lián)DC-AC#2 基本參數(shù)Tab.7 Basic parameters of No.2 interconnected DC-AC converter

4.2 場景1 交流微電網(wǎng)發(fā)生變化。

當(dāng)交流微電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)，采用所提控制時(shí)仿真結(jié)果如圖9所示。具體場景描述如下：前5 s交、直流微電網(wǎng)功率單元輸出功率分別為Ppac=-0.8 p.u.、Ppdc1=-0.4 p.u.、Ppdc2=-0.2 p.u.；第5 s時(shí)，交流微電網(wǎng)功率單元輸出功率由-0.8 p.u.變化到-1.0 p.u.；第7 s時(shí)交流微電網(wǎng)支撐單元退出運(yùn)行。

圖9 交流微電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results when AC microgrid changes

由圖9可知，采用所提控制，第3～5 s各交、直流微電網(wǎng)支撐單元功率輸出分別約為0.35 p.u.、0.35 p.u.和0.70 p.u.，與式（7）理論計(jì)算結(jié)果基本一致，集群內(nèi)所有支撐單元按照其額定容量比分配功率，各互聯(lián)DC-AC、DC-DC 功率輸出分別約為0.300 p.u.、0.150 p.u.、0.165 p.u.和0.332 p.u.，與式（8）理論計(jì)算結(jié)果幾乎吻合；第5 s 交流微電網(wǎng)發(fā)生功率擾動(dòng)后，經(jīng)過短暫動(dòng)態(tài)調(diào)整，各交、直流微電網(wǎng)支撐單元功率輸出分別約為0.4 p.u.、0.4 p.u.和0.8 p.u.，與式（7）理論計(jì)算結(jié)果基本一致，集群內(nèi)所有支撐單元按照其額定容量比分配功率，各互聯(lián)DC-AC、DCDC 功率輸出分別約為0.4 p.u.、0.2 p.u.、0.4 p.u.和0.2 p.u.，與式（8）理論計(jì)算結(jié)果基本一致；第7 s 交流微電網(wǎng)支撐單元退出運(yùn)行后，故障交流微電網(wǎng)頻率得到有效支撐，經(jīng)過暫態(tài)調(diào)整后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)頻率值約為0.989 p.u.，與式（16）理論計(jì)算結(jié)果幾乎一致。2 個(gè)直流微電網(wǎng)直流電壓動(dòng)態(tài)基本一致，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文理論分析的有效性。

綜上，當(dāng)交流微電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可在不依賴通信、狀態(tài)感知及控制器切換等情況下實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多互聯(lián)變流器功率分配，以及運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換，即由正常運(yùn)行模式平滑過渡到交流微電網(wǎng)支撐模式，為故障交流微電網(wǎng)提供頻率支撐。

4.3 場景2 直流微電網(wǎng)發(fā)生變化。

以直流微電網(wǎng)#1發(fā)生變化為例進(jìn)行驗(yàn)證，采用所提控制策略時(shí)仿真結(jié)果如圖10 所示。工況具體描述如下：前5 s交、直流微電網(wǎng)功率單元輸出功率分別為Ppac=-0.8 p.u.、Ppdc1=-0.4 p.u.、Ppdc2= -0.2 p.u.；第5 s 時(shí)，直流微電網(wǎng)#1 功率單元輸出功率由-0.4 p.u.變化到-0.6 p.u.；第7 s時(shí)直流微電網(wǎng)#1支撐單元退出運(yùn)行。

圖10 直流微電網(wǎng)#1 發(fā)生變化時(shí)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results when No.1 DC microgrid changes

由圖10 可知，第5 s 直流微電網(wǎng)#1 發(fā)生功率擾動(dòng)后，各交、直流微電網(wǎng)支撐單元功率輸出分別約為0.4 p.u.、0.4 p.u.和0.8 p.u.，與式（7）理論計(jì)算結(jié)果基本一致；集群內(nèi)所有支撐單元按照其額定容量比分配功率，各互聯(lián)DC-AC、DC-DC 功率輸出分別約為0.267 p.u.、0.135 p.u.、0.400 p.u.和0.200 p.u.，與式（8）理論計(jì)算結(jié)果幾乎吻合；第7 s直流微電網(wǎng)#1支撐單元退出運(yùn)行后，故障直流微電網(wǎng)#1直流電壓得到有效支撐，經(jīng)過暫態(tài)調(diào)整后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)頻率值約為0.989 p.u.，與式（12）理論計(jì)算結(jié)果幾乎一致。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文理論分析的有效性。

綜上，當(dāng)直流微電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可在不依賴通信、狀態(tài)感知及控制器切換等情況下實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多互聯(lián)變流器功率分配，且能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的自適應(yīng)平滑切換，即由正常運(yùn)行模式平滑過渡到直流微電網(wǎng)支撐模式，為故障直流微電網(wǎng)提供有效直流電壓支撐。

4.4 小擾動(dòng)模型仿真驗(yàn)證及特性分析

基于圖8 所示集群小信號模型，分析所提控制策略對系統(tǒng)小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)的影響。為驗(yàn)證所建小信號模型的正確性，在PSCAD/EMTDC 中搭建圖1 中的集群詳細(xì)模型及小信號模型。第5 s 時(shí)，直流微電網(wǎng)#1功率單元輸出功率由-0.4 p.u.變化到-0.6 p.u.，詳細(xì)模型與小信號模型仿真結(jié)果對比如圖11所示。由圖11 可知，所建小信號模型與詳細(xì)模型基本吻合，驗(yàn)證了小信號模型的準(zhǔn)確性。

圖11 詳細(xì)模型與小信號模型仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of detailed model and smallsignal model

以互聯(lián)DC-AC虛擬同步控制為例，研究系統(tǒng)控制參數(shù)的影響，在互聯(lián)DC-AC#1虛擬同步控制的有功控制環(huán)路下垂系數(shù)Kp1分別取50、300 和600 時(shí)，所建小信號模型的仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 虛擬同步控制有功控制環(huán)路下垂系數(shù)的影響Fig.12 Influence of droop coefficient of active power control loop in virtual synchronous generator control

由圖12 可知，Kp1較小時(shí)，互聯(lián)DC-AC#1 輸出功率波動(dòng)較大；隨著Kp1增大，互聯(lián)DC-AC#1 輸出功率動(dòng)態(tài)偏差減小，因此可通過增大互聯(lián)DC-AC#1虛擬同步控制的有功控制環(huán)路下垂系數(shù)改善互聯(lián)DC-AC#1輸出功率動(dòng)態(tài)性能。值得指出的是，采用圖8可中的全系統(tǒng)小信號模型，可研究其他控制參數(shù)的影響，進(jìn)而指導(dǎo)控制參數(shù)優(yōu)化，改善系統(tǒng)小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié) 論

本文提出一種適用于多變流器互聯(lián)交、直流微網(wǎng)集群系統(tǒng)的一致性功率協(xié)同控制策略，提升全系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性及控制靈活性，主要貢獻(xiàn)和結(jié)論如下。

（1）采用所提控制，集群系統(tǒng)僅僅基于就地量測直流電壓、頻率等電氣信息，可在不依賴狀態(tài)感知及控制器切換等情況下對任一子微電網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)、支撐單元故障等復(fù)雜工況做出響應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間功率協(xié)同互濟(jì)、多互聯(lián)變流器功率分配及多運(yùn)行模式自適應(yīng)平滑切換等目標(biāo)。

（2）從穩(wěn)態(tài)層面分析所提一致性控制策略在正常運(yùn)行、交流微電網(wǎng)支撐及直流微電網(wǎng)支撐等模式下的可行性。建立集群系統(tǒng)小信號模型，可從小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)層面分析控制參數(shù)對集群系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)而可指導(dǎo)控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）在PSCAD/EMTDC 軟件中搭建多變流器互聯(lián)交直流微網(wǎng)集群仿真模型，通過仿真對所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果和理論分析均驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。