交直流微电网集群柔性控制及稳定性分析

李霞林, 李志旺, 郭力, 黄迪, 李鹏飞, 朱介北, 王成山

DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.181950

1、项目背景

本文考虑如图1(a)所示基于电力电子装置柔性互联的交直流微电网集群结构示意图，交流微电网与直流微电网之间通过双向DC-AC互联，不同电压等级的直流微电网间则可通过隔离双向DC-DC装置互联以实现电气隔离、功率灵活控制等目标。大扰动下，就地层控制是保证系统暂态稳定、提升系统韧性的基础和关键，因此本文所关注的便是此类柔性互联交直流微电网集群分层多尺度协调控制框架(如图1(b))中的就地控制稳定控制问题。

图1 交直流微电网集群柔性互联示意结构

针对柔性互联交直流微电网集群的就地控制，目前主要采用的是一类随运行模式而定的确定性控制策略，即根据确定性的微电网集群系统运行模式，选择确定性的各子系统(包括微电网和柔性互联装置)的控制方式。多微电网以集群的形式互联运行，便是希望能够充分发挥系统内多分散式平衡单元的相互支撑作用，使之能够稀释大规模分布式电源或负荷(即功率单元)对单一微电网的功率扰动或冲击。在现有的确定性就地控制模式下，通常需要通过多微电网控制系统之间的快速通信和协调控制才能实现该目标。此外，在集群系统遇到紧急状况时，如某个微电网平衡单元（即主电源系统）发生故障，需要其他微电网对该子网进行支撑，在无快速互联通信下，难以实现控制模式的平滑切换来保证系统暂态稳定，进而为上层协调控制赢得时间。是否能有更合适的控制方法，能从根本上解决上述问题，是本文的主要研究动机。

2、论文所解决的问题及意义 

本文提出了一种仅依靠就地量测的电气量信息的交直流微电网集群柔性控制方法。应用该柔性控制方法，能够充分发挥分布式可控单元的集群控制能力，能更高效应对高比例可再生能源接入、不确定负荷的输出功率随机性和波动性，以及运行模式平滑切换等挑战，实现大扰动下的暂态稳定控制，为交直流微电网集群运行控制提供了一种新的思路。

3、论文重点内容  

(1) 交直流微电网集群柔性控制策略

本文所提出的交直流微电网集群柔性控制策略由各微电网的下垂控制和交直流微电网接口变流器柔性控制构成，可在无通信情况下实现微电网集群系统的多微电网间功率协调控制及运行模式平滑切换两个主要功能。

交直流微电网内平衡单元采用下垂控制，其中图2所示为一类常用的下垂控制具体实现。

图2 交直流微电网平衡单元下垂控制

假定直流微电网1、直流微电网2和交流微电网中平衡单元额定容量分别为Pdcs,1、Pdcs,2和Pacs，且其容量比满足Pdcs,1:Pdcs,2:Pacs = α:1: β。当各微电网中的平衡单元均处于正常工作状态时，期望通过DC-DC和DC-AC互联装置控制实现3个微电网内平衡单元的实际输出功率Ps,1、Ps,2 和Ps,ac 能够按照其容量比(即α:1: β)来运行，以充分提高微电网群内平衡单元利用效率，能有效减小各自微电网中备用容量，能有效应对微电网内大功率扰动。在无互联通信情况下，如何实现上述微电网集群系统的多微电网间功率协调控制目标及运行模式平滑切换，DC-DC 和DC-AC互联装置就地控制系统设计是关键。为此，本文提出如图3、4所示DC-AC 和DC-DC 互联装置柔性控制方法。

基于微电网下垂运行特性，DC-DC和DC-AC柔性互联装置通过就地量测的电压或频率信息，即可计算得到此时微电网内平衡单元出力情况。在获得式(3)所示互联功率增量后，DC-DC和DC-AC外环控制通过PI控制器对该增量进行处理，进而得到实际的传输功率参考值Pref,dc 和Pref,ac。由PI控制特性可知，稳态情况下，式(3)中互联功率增量ΔPs,dc 和ΔPs,ac 均应为零，从而达到了本文所期望的多微电网间平衡单元功率协调控制目的。

(2) 交直流微电网集群柔性控制下的小信号建模

大功率波动、运行模式切换等暂态工况不仅容易对系统内直流电压、交流频率等造成冲击，且当控制参数选择不当时，还可能导致系统出现功率振荡等稳定性问题。为此，本文接下来将首先建立交直流微电网集群多运行模式下的小信号稳定性分析模型进行稳定性分析，为后续深入研究系统功率振荡稳定机理分析及控制器参数优化设计提供基础。基于模块化小信号建模思路，可得交直流微电网集群在正常运行模式下的完整小信号稳定性分析模型如下图所示。

图5 微电网集群正常运行模式下的小信号模型

(3) 仿真验证

本文采用图1(a)所示的交直流微电网集群结构，对本文所提出的控制策略进行仿真验证并与小信号建模的结果(黑色曲线为电磁暂态仿真结果，红色为小信号模型仿真结果)进行比对。本文进行了正常模式运行、直流微电网支撑模式及交流微电网支撑模式三种工况下的仿真测试，并对比了详细电磁暂态仿真及利用小信号模型所获得的仿真结果（即图中带Δ标识的电气量仿真波形），三种工况下波形如下图6所示，(a)、(b)、(c)对应三种不同模式。从图中可看出详细电磁暂态和小信号模型仿真结果基本吻合，有效验证了小信号模型的准确性；此外，通过多种工况仿真测试验证了本文方法在应对正常大功率扰动及运行模式无缝切换等工况下的有效性。

图6 仿真结果(黑色为开关模型，红色为数学模型)

4、结论 

本文提出了针对交直流微电网集群结构系统的柔性控制策略，理论分析与仿真结果均表明该策略能够实现所期望的控制目标，满足多种运行模式的平滑切换，在保持控制策略不变的情况下维持多种工况下的稳定运行，并且能够自适应系统的功率变化，实现多子网间的功率协调控制。在各种工况下的小信号模型也都能够基本吻合系统电磁暂态仿真的结果，并通过该小信号模型对系统的稳定性分析能够指导系统的参数优化。

引文信息

李霞林, 李志旺, 郭力, 黄迪, 李鹏飞, 朱介北, 王成山. 交直流微电网集群柔性控制及稳定性分析[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(20): 5948-5961.

LI Xialin, LI Zhiwang, GUO Li, HUANG Di, LI Pengfei, ZHU Jiebei, WANG Chengshan. Flexible Control and Stability Analysis of AC/DC Microgrids Clusters. Proceeding of the CSEE, 2019, 39(20): 5948-5961.