考慮拓撲切換暫態波動的微電網群分布式協同控制策略

陳 哲，李山林，林 達，李志浩，張雪松

（1. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2. 東南大學 電氣工程學院，南京 210018）

0 引言

能源危機和環境污染問題迫使人們重新審視能源供給結構，實施可再生能源替代、建設清潔低碳的現代能源體系是世界能源革命的必然選擇［1］。相比新能源集中式發電，分布式發電具有就地消納、能源利用效率高、環境污染小等優勢，近年來呈現快速發展的態勢。微電網是由多種分布式電源、分布式儲能、負載以及相關的監控保護裝置構成的區域自治型電網系統。它為新能源分布式發電的使用提供了一種新的方式［2］。但單個微電網難以滿足故障場景下負荷的靈活轉供，抵御風險的能力較差。微電網群可在不同區域間協同管理，有助于新能源協調互補運行，提升供電質量和新能源消納率。同樣的，在配電網嚴重受損時，在高密度分布式電源接入的場景下也可劃分為多個微電網運行。但相比于單微電網，微電網群的主體構成、動態行為、協同運行更為復雜，因此深入研究微電網群控制策略是必要的。

目前關于微電網群間的能量管理控制，主要分為集中式控制、分布式控制兩類［3］。集中式分層控制將多個微電網中各控制單元進行統一管理，中央控制器負責系統信息的提取、控制指令的計算等［4］。但在實際應用中，集中式計算和通信功能不可避免地受到控制系統和通信系統性能的限制，對系統穩定性要求高，且系統拓展成本高昂。文獻［5］提出了一種微電網群分布式控制器，利用基于Q-Learning 算法的通信拓撲優化策略，給出了微電網群全局協同控制方案，每個子微電網通過與相鄰微電網的信息交互即可實現類全局信息的共享。支撐高比例分布式電源接入的微電網群，一般采用微電網群分層控制方法協調微電網間和微電網內部的功率，針對不同的控制層級，主要分為分布-集中式方式［6］和集中-分布式方式［7］兩種方式。文獻［8］提出一種微電網集群的分層分布式協同控制策略，將微電網群的控制分為本地控制層和集群控制層。

多微電網間通過聯絡線實現功率交互，為充分發揮微電網群間功率互補和協同互補特性，可通過聯絡開關動態調整微電網間電氣界限，即由拓撲變化實現源荷轉移和功率互濟。現有研究微電網群拓撲變化通常被表述為具有穩定性約束的0-1變量優化問題［9-10］，文獻［11］將微電網群拓撲的重構表述為一種徑向約束方法，該方法充分考慮了拓撲和分布式電源的靈活性，從而確保了可擴展性和最優性。文獻［12］中提出了模型預測控制器，根據本地分布式電源和負載需求優化功率分配，以滿足操作的靈活性。然而，上述文獻主要考慮經濟性等指標對微電網群進行拓撲優化，求得最優拓撲結構，并未關注指令下發后支路通斷狀態改變過程中引起的暫態波動。微電網群間拓撲的變化涉及穩定可靠的運行，分布式電源的接入使得此問題可從分布式電源潛能方面得以緩解，但目前考慮支路通斷過程中引起的暫態波動的研究較少。如果開關閉合時的電壓幅值和相位的不同步、開關斷開時支路上的功率流都將給多微電網系統帶來不希望的暫態過電流［13-14］。如果暫態過電流過大，分布式電源及部分負荷將退出運行［15］。在文獻［16］中，通過將補償控制項引入二級控制級來補償暫態沖擊，但調節在偏差發生后才生效，系統仍會在瞬間受到影響，導致電能質量惡化。

為解決上述問題，本文針對微電網群間拓撲切換時的暫態波動，提出了分布式電源間的協同控制策略。通過分布式電源預控制調節聯絡線功率流，降低開關兩側電壓相角差，以及緊急狀態下的轉供支路選擇，大大緩解了開關動作時的暫態沖擊。該策略不僅保證了各微電網的電壓、頻率穩定以及準確的功率分配，同時實現了微電網群拓撲無縫切換。該策略具有以下3個方面優勢：

1）通過分布式控制緩解拓撲切換時的波動，有效發揮分布式電源利用潛能和故障下微網群供電可靠性。

2）考慮了恒功率和下垂并存的微電網群結構與，并提出了相應的控制策略，擴大了策略的適用范圍。

3）基于局部信息交互的分布式一致性算法搭建分布式通信網絡，有利于微電網群的拓展，且提高了通信的可靠性。

1 微電網群分層協同控制架構

區域微電網群系統中，當各微電網產能過剩/不足，或某線路故障時，可通過互相之間的聯絡線開關動作更改微電網拓撲結構，進行能量交互，提供電力支撐，保證供電可靠性［17］。針對高比例分布式電源的接入使系統運行狀態更加復雜的問題，微電網群中分布式電源協同控制可采用如圖1所示的控制結構。微電網之間通過各區域的主導節點進行分布式通信，依照經濟運行、改善電壓分布、故障下快速恢復供電等控制目標達成各微電網功率調控的參考指令，稱為主導協同控制。微電網區域內則各分布式電源通過分布式信息交互，實現有功、無功功率分配，全局電壓偏移協同恢復，頻率恢復等。基礎控制則無需進行通信，各分布式電源通過Droop、恒功率控制等策略保持系統的穩定運行，包括主從和對等兩種控制模式［18］。

圖1 微電網群協同控制結構Fig.1 Cooperative control structure of microgrid cluster

本文側重于微電網群內分布式電源的協同控制，微電網間聯絡線功率傳輸控制量下發給各微電網的主導節點，微電網內部其余節點在與主導節點分布式信息共享的基礎上實現有功、無功功率的協同增發。

式中：和分別為區域X、區域Y之間聯絡線根據控制目標得到的將傳輸的有功、無功功率大小；kp和ki分別為相應控制器的控制參數；PXY和QXY則為當前實際的功率大小；和為下發至區域X主導節點的增發/減少的有功功率和無功功率指令信息。

2 基于聯絡線功率協調的多微電網協同控制策略

現有的網絡重構未曾考慮開關動作時對微電網系統的暫態影響，因此還需要關注指令下發后分布式電源的控制問題，如何在高密度分布式電源接入配電網協調控制使重構過程波動最小，過渡平滑。以圖2所示的微電網群為例，各微電網之間均存在聯絡線，最開始微電網1與微電網2聯合運行，微電網3獨立運行，然后根據指令需求更改為微電網2與微電網3聯合運行。此時需先斷開已連接的聯絡開關使微電網2獨立運行，之后再閉合聯絡線開關將微電網2連接至微電網3。因此整個拓撲切換過程運行需求包括：系統電壓和頻率穩定，同時在拓撲改變前后微電網區域內部保證分布式電源間的功率按容量均分；當連接的微電網之間的開關需要斷開時，在動作前將通過該開關的功率流降為零，以此減少開關斷開對原區域的影響；當微電網之間的開關需要閉合時，開關兩側的電壓應在動作前保持同步，以此降低開關閉合時的沖擊。

圖2 計及聯絡線功率的微網群拓撲切換Fig.2 MGC topology switching considering tie-line power

2.1 分布式協同增發

此時，通過計算即將斷開線路上流動的有功、無功功率Pl、Ql，將其作為將獨立運行部分的分布式電源出力缺額，通過分布式一致性信息交互方法將其按比例劃分給其中的分布式電源。

微電網內分布式電源可控制輸出功率的控制模式主要為恒功率控制和Droop 下垂控制，對于恒功率控制模式下的分布式電源，僅需要通過分布式平均一致性信息交互方法［19］交互有功、無功功率輸出的參考值并達成一致即可，控制框圖如圖3 所示，相應的有功、無功功率參考值改變如下：

圖3 微電網群拓撲切換過程中恒功率模式控制框圖Fig.3 Block diagram of constant power mode control during MGC topology switching

式中：ΔPi和ΔQi分別為分布式電源i與鄰居節點交互后產生的有功、無功功率輸出偏差；CP和CQ為控制器增益；A=［aij］表示分布式信息交互矩陣，其中若節點j向節點i傳遞信息，則aij≠0，反之aij=0；Ni表示與分布式電源i相連的節點的集合；Pi和Qi則為分布式電源i實時輸出的有功、無功功率；ci是與分布式電源i容量成反比的系數，通過該系數與功率相乘保證各分布式電源能按照容量進行功率的分配；和為輸出功率參考值的補償量；和則為輸出功率實時的參考值；kPp、kPi、kQp、kQi為相應PI 控制器的控制參數。

然后，通過即將斷開線路上流動的有功、無功功率Pl、Ql，計算將獨立運行部分分布式電源的出力增發量：

式中：ΔP'i和ΔQ'i為保證將該線路傳輸的有功、無功功率控制到目標值的補償量。、的值越接近0，越能完全斷絕該支路上的功率流動，從而斷開相應開關的時候不引起暫態波動。具體的目標參考值與增發區域內分布式電源容量相關，在容量允許范圍內可靈活設置目標值，盡可能地抑制聯絡線功率流，從而大幅降低該支路上流通的功率，大幅降低開關斷開時的暫態波動。因此，恒功率模式下分布式電源i的有功、無功出力參考值應更新為：

對于Droop 控制則是通過Pl、Ql和計算分布式電源輸出角頻率和電壓幅值的修正量并添加至二次控制環路中：

2.2 預同步控制

恒功率控制模式下的分布式電源無維持并調節系統電壓、頻率的能力，因此通過下垂控制的電壓源型分布式電源來進行系統平均電壓、頻率恢復，以及調節聯絡線兩端電壓、相角差，具體的控制策略如圖4所示。

圖4 微電網群拓撲切換過程中下垂模式控制框圖Fig.4 Block diagram of sag mode control during MGC topology switching

分布式電源下垂控制策略設計如下：

式中：ω*和E*代表了系統的額定頻率和電壓幅值；ωi和Ei分別為分布式電源輸出電壓的角頻率和電壓幅值；Pi和Qi分別為分布式電源產生的有功和無功功率；mi和ni分別為有功和無功下垂系數。

考慮到下垂控制的有差調節特性以及各分布式電源輸出阻抗間的不匹配，在下垂控制的作用下輸出電壓將偏離額定值，且無功功率無法準確分配，在極端情況下甚至會產生功率環流。因此，為保障系統的高效運行，提高電能質量，需引入分布式二次控制實現各分布式單元間的協同運行。但各分布式電源輸出電壓恢復和無功功率均分存在矛盾性。本文考慮了一種折中方案，即以微電網系統平均電壓恢復和無功按比例均分為控制目標。如果考慮動態收斂或通信延遲，可以調整控制增益。在子區域中，節點之間的通信關系可以建模為一個網絡，可用連通無向圖GD表示。AX=｛aij｝為相應的連接矩陣，因此二次控制器被設計為：

式中：Δωi和ΔEi分別為分布式電源輸出角頻率和電壓幅值的修正量；k?i、kPi、kEi、kQi表示P-f調節和Q-U調節的控制增益；ei用于將平均電壓恢復到額定值；βi為調節無功按容量均分和電壓恢復的權重系數。

此外，為了實現該區域連接至新區域的無縫重構，降低開關閉合時的暫態波動，還需要確保在開關閉合前兩側的相角、電壓同步：

3 緊急情況下計及開關沖擊電流的轉供策略

若微網群中某線路突發故障，需要對所波及的節點及負荷進行快速轉移，保證供電可靠性。此時難以進行預先的聯絡線功率降低、電壓相角同步等操作，同時短時間內難以考慮經濟化的轉供策略，只能在可轉供的線路中盡可能地選擇引起波動最小的節點進行源荷轉供。

開關閉合操作瞬間會在網絡中產生較大的沖擊電流，沖擊電流對微電網運行安全性也有重要影響。通過戴維南等值電路可得到開關閉合時聯絡線上沖擊電流表達式為［20］：

式中：Im為沖擊電流的穩態周期分量幅值，由兩側等效的電壓幅值差和線路阻抗計算得到；φ為開關閉合時配電網網絡的阻抗角；Ta為聯絡線上沖擊電流的衰減時間常數，且Ta=L/R。

由式（14）可知，聯絡線沖擊電流i（t）由周期分量與非周期分量組成。當聯絡開關閉合時α-φ=90°非周期分量將達到最大值，聯絡線上將出現較大的沖擊電流。因此，開關閉合時沖擊電流的大小與聯絡線兩側電壓幅值差、相角差和穩態電流幅值有關，可通過分布式通信網絡對以上影響因素進行快速比較，從而選擇沖擊最小的轉供路徑。

首先，需要明確故障波及區域所需功率和可轉供的微電網功率可調范圍，若該微電網功率可調范圍大于所需，即可轉供。

微電網功率可調范圍與集群內可控設備當前出力及其出力限值有關。用于表達微電網所能提供的有功功率和無功功率可增發或可削減額度。其中，有功功率的增減額度僅受可控分布式電源的出力及限值影響：

式中：ΔPmax和ΔPmin分別為目標微電網有功可調節范圍的上、下限；和分別為DGn有功出力的最大值和最小值；Pn為DGn當前時刻的有功出力；N為集群中可控DG的總數。無功可調范圍同理可得。

開關閉合時兩側的相角差是重要的影響因素，需要精確提取兩側相角。如圖5 所示，可使用DSOGI（雙二階廣義積分器）代替傳統PLL（鎖相環）提取該節點三相電壓的正序分量，避免諧波和不平衡分量等對相角提取的影響。

圖5 基于DSOGI精確提取電壓相角Fig.5 Accurate voltage phase angle extraction based on DSOGI

通過上述分析，聯絡線開關閉合后的穩態電流大小也會對開關閉合時的暫態波動產生影響，同時聯絡線上將出現的電流大小難以知曉。但故障區域內的分布式電源并入其他區域后，通過分布式通信網絡將獲得新的一致性功率出力安排。因此，可通過預估該故障區域內各分布式電源加入不同區域后的功率變化量來代替即將通過聯絡線傳輸的功率大小。

式中：Y和X分別為故障區域Y和將轉供區域X分布式電源的集合；ci為與分布式電源i容量成反比的比例系數；Pi和Qi為分布電源i實時的有功和無功出力；nY和nX分別為故障區域Y和將轉供區域X分布式電源的數量。

綜上，只有滿足了功率容量需求的微電網才可進行轉供。后述的3種因素會影響開關閉合時的暫態波動，需要盡可能地選擇引起波動最小的聯絡線進行轉供。在系統規模、線路結構不是很龐大的微網群系統中，故障節點只需獲知與此區域相連線路的信息，采用較為精確的PLL、電壓電流數據采集裝置和分布式通信網絡配合即可得到較好的控制效果。但隨著微網群規模的不斷擴大，區域間距離不斷增加將對信息的實時性有著更高的要求，此時可考慮在關鍵節點部署同步相量測量裝置保障信息的同步性。

4 算例分析

本章增加含可控分布式電源的浙江寧波某線路實際系統參數來驗證所提控制策略的有效性。將該線路劃分為了3個微電網，并在微電網之間設置了多條聯絡線，詳細拓撲結構如圖6所示。為直觀展示均分效果，在此微電網群系統中認為8臺分布式電源的容量相同。

圖6 微電網群結構Fig.6 MGC structure

4.1 基于聯絡線功率協同控制

一開始微電網1和微電網2聯合運行，考慮到經濟性或安全性目標，下發了網絡拓撲重構的指令，需要斷開支路3-4，閉合支路5-12 的開關，即將微電網2與微電網3聯合運行。整體的仿真流程包括t=4 s 時分布式電源4 和分布式電源5 進行功率增發，將支路3-4 上傳輸的功率降低為零；t=6 s 時正式斷開支路3—4 上的開關；t=7 s 時開始進行節點5與節點12之間的相角、電壓預同步，降低開關兩側差異；t=8 s 時正式閉合支路5—12上的開關。仿真結果如圖7—9所示。

圖7 分布式電源輸出功率波形Fig.7 Output power waveforms of distributed generation（DG）

圖7 展示了分布式電源4—8 的有功和無功功率輸出情況。從中可以看出在t=4 s時分布式電源4、分布式電源5 協同增發了有功和無功，二者增發的趨勢相同且依然保持著功率的均分；在t=6 s斷開支路開關時，分布式電源4、分布式電源5輸出僅有微小的波動；t=7 s進行的相角、電壓預同步操作對功率的輸出基本沒有影響；最后在t=8 s閉合支路開關時分布式電源4—8 構成新的交互網絡，分布式電源4、分布式電源5高于其它分布式電源的出力得到了合理的分配，5個分布式電源最終出力按容量統一，且趨于統一的過程中沒有劇烈的波動，整體波形十分平滑。

圖8 展示了分布式電源5 和分布式電源6 的輸出頻率變化波形，可以看到在t=4 s時因為功率的增發，分布式電源5的輸出頻率產生波動，但也僅有0.07 Hz，遠遠低于安全標準；在t=6 s 支路開關正式斷開時，所引發的頻率波動也微乎其微；在t=7 s 分布式電源4、分布式電源5 進行相角預同步，同樣產生了部分波動；在t=8 s 合上開關時，可以看到此時波動也極小。

圖9展示了節點5和節點12之間的相角差，一開始節點5的相角滯后于節點12，在t=4 s分布式電源功率協同增發后相角反而超前不少；在該區域斷開后相角差略有降低；在t=7 s時預同步控制器得以啟用，從圖9可以看出此時節點5和節點12之間的相角差降至為0；在t=8 s 并網后，因為線路上的功率傳輸二者再次產生了相角差。綜上所述，驗證了所提基于聯絡線功率的分布式電源控制策略對于降低開關切換過程中暫態波動的有效性。

4.2 緊急情況下轉供路徑選擇

在電力系統中最常出現且影響最大的故障為單相接地故障，因此，本節以A 相短路故障為例驗證所提轉供路徑選擇策略的有效性。一開始各微電網獨立運行，設置在支路2—3之間于t=1.95 s發生單相接地故障，繼電保護裝置的檢測和動作時間約為0.05 s，設置t=2 s 時斷開支路2-3，此時節點3 的源荷存在3 條轉供路徑：支路3-4、支路3-9和支路3-7，基于所述的轉供策略選擇閉合相應的聯絡線開關。仿真結果如圖10—12所示。

圖10 不同轉供路徑下節點的相角差Fig.10 Phase angle differences of nodes under different transfer paths

在預先判斷條轉供路徑容量均達標的情況下，本次仿真以相角差為關鍵因素進行轉供，根據多條支路兩端的相角差對比，如圖10 所示，在t=1.95 s故障發生之前節點3與節點4的相角差最小，但由于故障的發生，微電網1中的分布式電源產生短時間的較大沖擊改變了實時的相角差，在t=2 s轉供時節點3與節點9的相角差最小，因此選擇了支路3—9進行源荷的轉供，轉供時節點3和節點9產生的頻率波動如圖11 所示。同時在該轉供場景下微電網1、微電網2 中各分布式電源輸出的有功、無功功率波形如圖12 所示，在t=1.95 s 突發接地故障時微電網1內的分布式電源產生了較大的功率波動，在t=2 s轉供開始后各分布式電源能很快且平滑地按新的區域實現功率的分配。通過上述分析，所提轉供路徑選擇的策略有效性已得到驗證。

圖11 節點頻率波動波形Fig.11 Waveforms of node frequencies

圖12 轉供場景下分布式電源輸出功率波形Fig.12 Output power waveforms of DG under the transfer supply scenario

5 結語

本文所提的分布式電源協同控制策略適用于恒功率和下垂控制的微電網群系統，且只需要滿足通信網絡結構為連通圖的條件，降低成本的同時提高了系統可拓展性。本文的關注點在于拓撲切換時引發的暫態波動，通過分布式電源間的協同控制對聯絡線功率、聯絡線兩端相角、電壓差進行預調節，同時在緊急情況下計及開關沖擊電流進行轉供路徑選擇，有效緩解了開關切換過程中的暫態沖擊。