電力電子變壓器對交直流混合微網功率控制的研究

蘭征涂春鳴肖凡葛俊熊誦輝

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）長沙410082）

電力電子變壓器對交直流混合微網功率控制的研究

蘭征涂春鳴肖凡葛俊熊誦輝

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）長沙410082）

針對應用于交直流混合微網的電力電子變壓器（PET），分析了并網和離網兩種運行模式，并設計了相應的控制策略。并網模式下，控制PET輸入接口使交直流混合微網等效為“阻性負載”或“電流源”，同時控制交流和直流輸出接口都等效為恒定的電壓源。對于離網模式，提出了混合功率下垂控制，能根據接口處頻率和電壓信息，結合混合微網下垂特性得到微網間需交換的功率。搭建了交直流微網系統和電力電子變壓器仿真模型，仿真結果表明，在分布式能源功率波動情況下，PET能準確快速地調節主網、交流微網和直流微網三者間功率的流動，實現交直流混合微網的穩定運行，驗證了控制策略的可靠性。

電力電子變壓器交直流混合微網功率流動控制混合功率下垂控制

0　引言

分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）的入網需求推動電力系統不斷發展，微網是實現大規模間歇式DER接入的有效解決方案［1-3］。DER采用直流形式接入，可節省大量的換流環節，且不需進行相位和頻率跟蹤，可控性和可靠性大大提高。直流是DER理想的接入形式，近年來直流微網逐漸得到了人們的重視［4-6］。然而，交流微網仍是現階段微網的主要形式，交流接入仍是DER并網的主要形式，故交直流共存的混合微網會是將來長期存在的微網結構［7，8］。

DER運行受制于自然條件，發電具有間歇性，大量DER的接入會使網絡上產生雙向功率流。公共聯結點（Point of Common Coupling，PCC）是配電網、交流微網和直流微網三者之間能量流動的中轉站，PCC處的能量協調管理至關重要，而實現功率的準確協調，需要一臺可靠的“能量路由器”。

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）由高頻變壓器和電力電子變換電路組成，由于具備高低壓交流接口和直流接口，具有變壓、隔離和能量傳輸功能，可以成為“能量路由器”［9］，實現對PCC處的能量協調管理。目前，對電力電子變壓器的控制方法研究僅在于其基本控制，未涉及和微網的協調運行［9-11］，微網下垂控制方法也只考慮交流或直流一側的電壓信號，未同時考慮到兩側信號對交直流微網工作狀況的影響［12］。文獻［13，14］提出了兩種近似的電力電子變換器的雙向下垂控制方法，但控制環節冗余，降低了系統的可靠性。

本文主要研究了電力電子變壓器在交直流混合微網中的應用及混合微網并網與離網兩種模式下的運行策略。并網模式下控制PET主網接口處電流與電壓同相位，而交直流輸出接口則都控制為恒定的電壓源。對于離網模式，提出混合功率下垂（hybrid droop）控制，能根據交直流微網接口處的頻率和電壓信息，結合交直流微網的下垂特性，得到交直流微網間需交換的功率。提出的控制策略能準確控制PET接口間功率的雙向流動，調節主網、交流微網和直流微網三者間的功率分配，實現交直流混合微網的穩定運行。

1　PET及交直流混合微網結構

1.1 PET結構

PET主電路基于三級結構，分別為輸入級、隔離變換級和輸出級，如圖1所示。輸入級采用級聯H橋多電平（Cascade H-bridge Multi-level，CHM）拓撲，每相由數量為n的H橋鏈節模塊（H-bridge Module，HM）級聯組成，三相Y聯結，將高壓工頻交流轉換為數量為3n的懸浮直流，級聯多電平結構使得輸入級功率器件能以較小的電壓應力和開關頻率應用于高壓大功率。隔離變換級采用雙主動橋（Dual Active Bridge，DAB）拓撲，控制能量雙向流動。DAB總數量為3n，前級分別與HM的直流電容相連，后級并聯組成直流母線。輸出級采用電壓源型四橋臂逆變（4-leg Voltage Source Inverter，VSI）拓撲，采用LC輸出濾波器，連接直流母線，將直流逆變成三相交流輸出。

圖1　PET拓撲結構圖Fig.1 Topology of the PET

1.2交直流混合微網結構

基于電力電子變壓器的典型交直流混合微網系統如圖2所示，主網為10 kV配網，通過PET聯接形成直流微網和交流微網，直流微網中的DER主要通過DC-DC變換器并網，交流微網中DER主要通過DC-AC、AC-DC-AC等變換器并網。DER根據自身特性、接入成本和運行效率等因素，選擇直流或交流接入。光伏和風機等分布式能源既有直流接入方式，也有交流接入方式。蓄電池、超級電容和燃料電池等不受地理條件限制的分布式能源，選擇直流接入。

2　PET運行模式

圖2　交直流混合微網系統Fig.2 System structure of hybrid AC-DCmicrogrid

由于DER輸出功率受天氣因素影響，不同時間段負荷功率也存在起伏，直流微網和交流微網中能量波動頻繁。PET充當“能量路由器”，能很好地協調網絡間能量流動。為了滿足DER的功率輸出，實現功率的合理分配，保持混合系統的穩定運行，網絡接口間能量的流動必須是雙向的，并能根據接口處特征信號的變化進行快速準確的功率調節。根據PET是否并入主網，分為并網和離網兩種工作模式。并網模式下，混合微網分為功率消耗和功率回饋兩種工作狀態。離網模式下，根據交直流微網間的負荷情況和功率流向分為4種工作狀態，PET運行狀態劃分如表1所示。

表1　PET運行狀態Tab.1 The operating state of PET

表1中，Phv表示主網接口處流動的功率，流入PET為正向，流出PET為負向；Pac表示交流微網接口處流動的功率；Pdc表示直流微網接口處流動的功率，流入微網為正向，流出微網為負向。

PET協調主網、交流微網和直流微網間能量的流動，三處接口能量都是雙向流動的，如圖3所示。同一時刻，PET既可充當某個網絡的能量提供者，又可視為另一個網絡的負載，在網絡間按需傳輸能量。

圖3PET功率流動圖Fig.3 The power flow of PET

2.1并網模式

并網模式下，交流微網和直流微網均與主網相連。從主網看，經過PET的高電能質量調制，整個交直流混合微網在功率消耗時相當于一個阻性負載（狀態1），在功率回饋時相當于電流源（狀態2）。工作于狀態1時，主電網能給交直流混合微網任何的功率不平衡提供緩沖。工作于狀態2時，在保證負荷消耗的情況下，由DER發出的盈余功率流向主網。該模式下，PET根據微網功率需求，控制主網提供或吸收能量，實現功率平衡調節，而交直流微網間不進行能量交換。同時，PET支撐直流微網母線電壓、交流微網頻率和電壓，保證微網中的分布式能源輸出最大功率。

忽略PET的損耗，對于并網模式下的狀態1和狀態2，接口處流動功率大小及各微網的功率組成如式（1）～式（3）所示。

2.2離網模式

離網模式下，交流微網和直流微網都與主網斷開連接，功率僅在交直流微網間雙向流動。該模式下，運行狀態復雜，對PET控制的要求也更高。離網模式下所有負載的功率需求需由交流微網和直流微網中的DER提供，這就要求DER具備靈活的有功無功控制策略，PET具備快速的功率協調策略，從而減小微網的運行波動。PET根據交直流微網的運行狀態和能量需求，判斷功率流動方向和大小，維持交直流微網穩定運行。為了使各DER合理分擔負荷，目前微網運行策略為對各DER進行分散的下垂控制，從而滿足直流微網內部和交流微網內部功率的合理分配。

根據交直流微網不同的運行情況，將離網模式分為4種狀態。

狀態3：混合微網輕載運行，交流微網和直流微網自治運行，獨立管理各自網絡內的負荷功率供應。各自網絡內的DER能調節功率滿足負載所需功率。PET不需傳輸功率，僅為交流微網提供無功調節功能。

狀態4：交流微網重載運行，直流微網輕載運行，交流微網中所有DER的輸出功率不足以承擔交流負荷，而此時直流微網中功率過剩。因此，交流微網差額的功率需由直流微網補充，PET傳輸直流微網能量至交流微網。

式中Pdc-ac為直流微網流向交流微網的功率大小。

狀態5：該狀態與狀態4類似，只是功率差額出現在直流微網，而功率盈余出現在交流微網，因此PET將交流DER的過剩功率傳輸至直流微網。

式中Pac-dc為直流微網流向交流微網的功率大小。

狀態6：混合微網重載運行，該狀態下，無論是交流微網還是直流微網，負載功率需求均大于DER的最大輸出功率，即超載狀態。此時PET停止功率傳輸，且網絡中需要切除一定的非重要負荷，才能使網絡穩定運行。

3　PET控制策略

PET根據各接口處特征信號的變化，控制各接口處的輸出波形，從而實現對微網的控制和接口間功率的流動。特征信號包括主網電壓、直流微網母線電壓、交流微網電壓及頻率。由于在不同工作模式下，PET充當不同的角色，實現不同的功能，故控制策略分為并網模式下的控制策略和離網模式下的控制策略。

3.1并網模式控制策略

并網模式下，PET提供微網全部的功率缺口或吸收微網全部的功率盈余，從而實現對交流微網頻率和直流微網母線電壓的支撐。該工作模式下，在PET控制主網輸入接口處電流與電壓同相位，使交直流混合微網看起來為“阻性負載”或“電流源”。而在輸出接口處，PET控制交流微網接口處電壓在額定功率范圍內恒壓恒頻，控制直流微網接口處電壓在額定功率范圍內恒壓，使PET看起來為恒定的電壓源。主網與交直流混合微網功率交換通過電容完成，功率的交換會引起級聯H橋電容CH和直流母線電容CL電壓波動，故通過控制電容電壓的恒定，則間接控制了主網輸入或吸收的功率。

級聯H橋電容電壓的恒定控制由輸入級完成，輸入級三相控制對稱，某相控制策略如圖4所示，鎖相環節輸出的相位信號用于提供電壓矢量定向控制和觸發生成所需的基準相位。外環電壓控制根據所測量的電容電壓來穩定全部電容的電壓之和。內環電流控制器實現換流器交流側電流波形的直接控制，以快速跟蹤參考電流。

圖4　輸入級級聯H橋控制框圖Fig.4 Control block diagram of cascaded H bridge in input stage

直流母線電容CL電壓的恒定控制由中間隔離級DAB完成，控制策略如圖5所示，根據直流母線電容電壓偏差值實時調節DAB一、二次側移向角φ，控制功率流動，從而實現母線電容電壓的恒定。

圖5　中間隔離級DAB控制框圖Fig.5 Control block diagram of DAB in middle stage

3.2離網模式下的控制策略

不同于并網模式，離網模式下PET需控制交流微網和直流微網的功率交換，由于缺少了主網對功率的支撐，功率協調尤為重要，故網絡間快速準確的功率傳輸是PET控制的核心。由于PET無法通過主網實現對交流微網頻率的支撐，交流微網中PET和DER有功功率的輸出基于ω-P下垂特性，當頻率下降時，增加有功輸出，反之減小，如圖6a所示。同樣，無功功率輸出根據網絡上的母線電壓判斷，PET和DER根據各自V-Q下垂曲線輸出相應的無功，如圖6b所示。

圖6　交流微網下垂特性圖Fig.6 Droop characteristics of ACmicgrid

ω-P和V-Q特性的數學描述如式（17）～式（20）。

而在直流微網中，PET同樣無法通過主網實現對母線電壓的支撐，PET和DER功率的輸出根據直流母線電壓判斷，根據各自的Vdc-P下垂特性輸出相應的功率，如圖7所示，數學描述為

圖7　直流微網下垂特性圖Fig.7 Droop characteristics of DCmicgrid

如第2節所述，PET根據接口處的特征信號（交流接口頻率和直流接口電壓）判斷交流微網和直流微網的工作狀態。針對功率協調，提出混合功率下垂控制，功率傳輸大小由交直流微網狀態共同決定。

PET中直流母線電容CL儲存的能量Wdc為

忽略PET內部的開關損耗，動態過程中直流母線電容CL能量的波動值是交流接口和直流接口功率傳輸的差值。因此

另一方面，考慮到交流微網的ω-P下垂特性

式中kω為下垂系數。

根據式（24）和式（25），假設一個采樣周期Ts內交流微網頻率不變，用前向歐拉逼近法，則可得到本文提出的混合功率下垂數學表達式為

由于PET傳輸的功率影響交流微網的頻率調節，同時影響直流微網的電壓調節，所以混合功率下垂調節得到的交流頻率參考值ωref和直流母線電壓參考值反饋至接口的V-P和ω-P下垂控制器，得到交直dc流微網間傳輸的有功功率參考值Pref，如圖8所示。

圖8　混合功率下垂控制框圖Fig.8 Control block diagram of Hybrid power droop

數學描述為

聯合式（28）～式（30）得到

交直流微網間傳輸的有功功率參考值Pref通過控制VSI實現，控制框圖如圖9所示。有功功率通過閉環控制，得到VSI交流接口輸出的有功電流參考指令，而VSI交流接口需輸出的無功分量指令通過無功功率閉環控制得到，無功功率參考值Qref根據式（18）描述的V-Q下垂特性得到。再通過電流的閉環解耦控制，得到VSI的PWM調制信號，控制VSI輸出。

圖9　離網模式VSI控制框圖Fig.9 Control block diagram of VSI in islanded mode

3　仿真分析

為驗證所提運行策略及混合功率下垂控制的有效性，建立了混合微網和PET的PSCAD/EMTDC仿真模型，分析了并網和離網兩種模式下PET對網絡間功率協調的控制性能，仿真的部分參數如表2所示。

表2　仿真參數Tab.2 Simulation parameters

4.1并網模式仿真

PET工作于并網模式時，交直流微網運行狀態如表3所示。交流負荷和直流負荷均為150 kW，交流微網中DER在0.2～0.5 s輸出功率為100 kW，在0.5 s時為200 kW，并保持到1.5 s；而直流微網中DER在0.2～1.0 s時輸出功率為50 kW，1.0 s時為200 kW。

1）在0.2～0.5 s時，交流微網中，交流DER輸出功率100 kW，故PET交流接口還需輸出功率50 kW；直流微網中，直流DER輸出功率50 kW，故直流接口還需輸出功率100 kW；交直流微網合計的150 kW功率缺額由輸入接口從主網吸收。

2）在0.5～1.0 s時，交流微網中，交流DER輸出功率200 kW，故PET交流接口吸收盈余功率50 kW；直流微網中，直流DER輸出功率50 kW，故直流接口還需輸出功率100 kW；交直流微網合計的50 kW功率缺額由輸入接口從主網吸收。

表3　并網時各單元功率變化表Tab.3 Power of eachmodule in grid-connected mode（單位：kW）

3）在1.0～1.5 s時，交流微網中，交流DER輸出功率200 kW，故PET交流接口吸收盈余功率50 kW；直流微網中，直流DER輸出功率200 kW，故直流接口吸收盈余功率50 kW；交直流微網合計的100 kW功率盈余由輸入接口回饋至主網。

整個仿真過程中各單元功率曲線如圖10所示，從仿真波形可以看出，并網模式下，在DER功率波動時，PET能很好地完成各接口處功率轉換，調節主網、交流微網和直流微網三者間的功率分配。

圖10　并網模式功率曲線Fig.10 Power curve in grid-connected mode

4.2離網模式仿真

PET工作于離網模式時，交直流微網運行狀態如表4所示，交流負荷和直流負荷均為150 kW，交流微網中DER在0.2～0.5 s輸出功率為150 kW，在0.5 s時變為250 kW，并保持到1.0 s，1.5 s時變為50 kW；而直流微網中DER在0.2～0.5 s時輸出功率為150 kW，0.5 s時變為50 kW，并保持到1.0 s，在1.5 s時變為250 kW。

表4　離網時各單元功率變化表Tab.4 power of each module in islanded mode（單位：kW）

1）在0.2～0.5 s時，交流微網中，交流DER輸出功率150 kW；直流微網中，直流DER輸出功率150 kW。故交直流微網都能維持自治運行，網絡間無需交換功率。

2）在0.5～1.0 s時，直流微網中，直流DER輸出功率50 kW，缺額功率100 kW，故需交流微網提供功率，PET交流接口吸收交流微網盈余功率100 kW，交流DER根據網絡頻率變化輸出匹配的功率。

3）在1.0～1.5 s時，交流微網中，交流DER輸出功率50 kW，缺額功率100 kW，故需直流微網提供功率，PET直流接口吸收直流微網盈余功率100 kW，直流DER根據母線電壓變化輸出匹配的功率。

整個動態過程中各單元功率曲線如圖11所示，可以看出，離網模式下DER功率波動時，PET能快速準確的控制交直流微網間傳輸的功率，實現網絡間能量的雙向流動。

圖11　離網模式功率曲線Fig.11 Power curve in islanded mode

3　結論

本文針對應用于交直流混合微網的電力電子變壓器，分析了并網和離網兩種運行模式，并設計了相應的運行策略。并網模式下，控制輸入接口PET，使交直流混合微網看起來為“阻性負載”或“電流源”；而在輸出接口處，使PET看起來為恒定的電壓源。對離網模式提出混合功率下垂控制，協調交直流微網間功率，準確快速地控制功率流動。搭建了仿真分析模型，仿真結果表明在微網分布式能源功率波動情況下，PET能準確快速的調節主網、交流微網和直流微網三者間功率的流動，實現交直流混合微網的穩定運行，證明了本文所提控制策略的可靠性。

本文僅對DER功率變化的情況進行了仿真，對動態過程中交流微網頻率和直流微網母線電壓變化未進行深入分析，也未對DER離并網時PET和微網的穩定性進行分析，這是今后研究工作需解決的問題。

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The Power Control of Power Electronic Transformer in Hybrid AC-DC M icrogrid

Lan Zheng Tu Chunming Xiao Fan Ge Jun Xiong Songhui
（National Electric Power Conversion Control Engineering Technology Research Center Hunan University Changsha 410082 China）

The power electronic transformer（PET），which is applied in a hybrid AC-DC microgrid，is analyzed including grid-connected mode and islanded mode.Appropriate power control strategies are designed accordingly.In grid-connected mode，by controlling the input of PET，the hybrid AC-DCmicrogrid is equivalent to the resistive load or the current source，and the AC and DC output of PET is equivalent to the voltage sources.In islanded mode，a hybrid power droop control method is presented.The required exchange power between the AC and DCmicrogrid can be obtained with the frequency and voltage at the interface considering the droop features of hybrid AC-DCmicrogrid.The simulationmodel of AC-DCmicrogrid and PET are built to analyze the power fluctuations of the distributed energy in microgrid.The results show that the power flow can be coordinated by PET amongmain grid，ACmicrogrid，and DCmicrogrid with the proposed control strategy.The stability of AC-DCmicrogrid has been ensured and thus the validity of the suggested method has been proved.

Power electronic transformer，hybrid AC-DCmicrogrid，power flow control，hybrid droop control

TM76

蘭征男，1985年生，博士研究生，研究方向為分布式發電及配網電力電子技術。（通信作者）

涂春鳴男，1976年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電能質量與控制、電力電子技術在電力系統中的應用等。

國家自然科學基金（51577055）資助項目。

2015-05-31改稿日期2015-08-29