基于集成三端口的混合微網(wǎng)場(chǎng)景自適應(yīng)功率協(xié)同控制策略

李占凱，邴紹洋，張福民，檀世豪，何國(guó)杰，曹智勇

（1.河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)），天津 300401；2.省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)），天津 300401）

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日漸枯竭與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，對(duì)于清潔能源的需求不斷凸顯。風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式電源（distributed generations，DGs）得到廣泛利用，而微電網(wǎng)作為一種有效消納本地分布式電源的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到廣泛關(guān)注。微網(wǎng)［1-2］作為一個(gè)整體既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行也可以在大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)以離網(wǎng)狀態(tài)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷持續(xù)供電。根據(jù)母線供電電壓的類型，微電網(wǎng)可分為3 類［3-5］：交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)與交直流混合微電網(wǎng)。

與傳統(tǒng)單子網(wǎng)結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)相比，混合微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜。互聯(lián)接口變換器［6-7］（interlinking converter，ILC）是混合微網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上明顯區(qū)別于單子網(wǎng)結(jié)構(gòu)微網(wǎng)的標(biāo)志，其作為混合微網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備起到子網(wǎng)間功率傳遞和必要時(shí)子網(wǎng)電壓/頻率支撐的作用［8-9］。特別在混合微網(wǎng)處于離網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，互聯(lián)接口變換器的作用尤為顯著。

混合微網(wǎng)除了具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外也需要合理的控制策略以維持其穩(wěn)定安全運(yùn)行。根據(jù)對(duì)通信依賴程度可將微網(wǎng)控制框架分為3 類：集中式［10-12］、分布式［13-15］、分散式［16-19］。基于中央通信的方法通過(guò)高帶寬通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微網(wǎng)內(nèi)海量信息交換可實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)、減載和能量管理。然而，該方式存在單點(diǎn)故障問(wèn)題和顯著的計(jì)算負(fù)擔(dān)。隨著微網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)增長(zhǎng)，這很大程度上限制了系統(tǒng)規(guī)模并降低了系統(tǒng)可靠性。為避免集中式控制的缺點(diǎn)，克服集中式通信的弊端，提出了分布式通信方法，在此方式下代理間自主協(xié)作以實(shí)現(xiàn)全局控制目標(biāo)。但信息共享需要緊密的鄰近通信網(wǎng)絡(luò)，因此通信延遲、丟包和故障等問(wèn)題都降低了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

目前，對(duì)混合微網(wǎng)分散式控制方式的研究越來(lái)越多，該方式提供了一種無(wú)需通信鏈路即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微電網(wǎng)的良好管理的解決方案。文獻(xiàn)［16-17］針對(duì)混合微網(wǎng)提出了一種分散式自治功率共享策略。該策略利用交流母線頻率與直流母線電壓的偏差，通過(guò)將交流側(cè)頻率與直流側(cè)電壓分別歸一化來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間功率互濟(jì)。文獻(xiàn)［19］提出了一種分散的多時(shí)間尺度的功率控制策略，可使互聯(lián)子網(wǎng)在源荷波動(dòng)下協(xié)調(diào)運(yùn)行、相互支持。

此外，為解決可再生能源的波動(dòng)性、間歇性的問(wèn)題，儲(chǔ)能（energy storage system，ESS）作為一種有效手段被引入到混合微網(wǎng)中［16，20］。文獻(xiàn)［21］提出了一種具有中央儲(chǔ)能系統(tǒng)的交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)提出了一種中央儲(chǔ)能和互聯(lián)變流器之間的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)［22］在考慮直流子網(wǎng)中恒功率負(fù)載的影響后，提出一種改進(jìn)下垂控制。同時(shí)結(jié)合集中儲(chǔ)能控制，實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行的混合微網(wǎng)群的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［23］提出了一種AC/DC/DS 的混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一套分散式控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合微網(wǎng)的分層控制。

混合微網(wǎng)不同于常規(guī)單子網(wǎng)結(jié)構(gòu)微網(wǎng)，存在網(wǎng)間功率耦合，任意子網(wǎng)內(nèi)源荷大幅波動(dòng)都會(huì)影響混合微網(wǎng)整體運(yùn)行。為保障混合微網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行合理功率控制就顯得尤為重要。此外，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電壓、頻率由大電網(wǎng)支撐，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，故本文重點(diǎn)研究離網(wǎng)狀態(tài)下混合微網(wǎng)的功率控制。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于集成三端口的混合微網(wǎng)功率分散式協(xié)同控制策略，其包含3種底層控制策略，分別為子網(wǎng)內(nèi)功率平衡策略、子網(wǎng)間功率互濟(jì)策略與考慮儲(chǔ)能荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的改進(jìn)下垂控制策略。此外，為應(yīng)對(duì)微網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的功率需求，設(shè)計(jì)了一種微網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景自適應(yīng)的功率分段控制策略。在該策略的調(diào)度下可實(shí)現(xiàn)上述3 種針對(duì)子網(wǎng)級(jí)控制策略的協(xié)調(diào)控制，保證微網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

1 混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制原理

1.1 交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為傳統(tǒng)三端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 傳統(tǒng)三端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Traditional three-port topology structure

圖2 為基于集成三端口拓?fù)涞幕旌衔⒕W(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖［25］，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在一種傳統(tǒng)三端口基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。與圖1 相比，圖2 每相橋臂的上中兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成圖1 中的雙向AC/DC 換流器（bidirectional AC/DC converter，BADC）連接交流微網(wǎng)與儲(chǔ)能公共母線。圖2 中A 相橋臂的中、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)作為圖1 中的雙向DC/DC 換流器（bidirectional DC/DC converter，BDDC）連接直流微網(wǎng)與儲(chǔ)能公共母線。圖2 中B、C 兩相橋臂的中、下開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)于圖1 中的儲(chǔ)能BDDC，負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)能單元的控制。圖2 共包含4 個(gè)端口，分別為一個(gè)交流端口和3 個(gè)直流端口。BADC 和BDDC 一起構(gòu)成互聯(lián)交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的兩級(jí)式互聯(lián)變換器（interlinking converter，ILC）。儲(chǔ)能BDDC 靈活控制儲(chǔ)能單元的充放電。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢允笲ADC 與BDDC、儲(chǔ)能BDDC 共用每相橋臂的中間開(kāi)關(guān)。與傳統(tǒng)三端口相比，集成三端口提升了開(kāi)關(guān)的利用率，節(jié)省了成本，實(shí)現(xiàn)了緊湊的模塊化設(shè)計(jì)。

圖2 集成三端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topology structure diagram of integrated three-port

圖3為單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3 單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology structure diagram of single-phase bridge arm

1.2 集成三端口調(diào)制原理

根據(jù)1.1 節(jié)圖2 可知，集成三端口共包含3 個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂各包含3 個(gè)開(kāi)關(guān)。從1.1 節(jié)圖3 可知，單相橋臂兩個(gè)端口可以配置為直流或交流端口。本文中每相橋臂配有一個(gè)交流端口和一個(gè)直流端口，下面以一相橋臂為例說(shuō)明集成三端口的調(diào)制原理。表1為每相橋臂上開(kāi)關(guān)的動(dòng)作邏輯。

表1 異或門(mén)真值表Tab.1 XOR Gate truth table

根據(jù)表1，在切換過(guò)程中狀態(tài)2、3 和4 可用，狀態(tài)1 表示無(wú)效的狀態(tài)，所有的開(kāi)關(guān)都處于OFF 狀態(tài)。在正常操作期間，其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)處于ON狀態(tài)。開(kāi)關(guān)SA_1和SC_1決定了中間開(kāi)關(guān)SB_1的工作狀態(tài)，其數(shù)學(xué)公式可以表示為SB_1=SA_1異或SC_1。

2 交直流混合微網(wǎng)功率協(xié)同控制策略

2.1 子網(wǎng)下垂控制策略

微網(wǎng)中分布式電源可分為可調(diào)度型DGs和不可調(diào)度型DGs。其中可調(diào)度型DGs主要為可控的分布式電源，而如風(fēng)機(jī)和光伏等會(huì)因天氣等因素影響具有波動(dòng)性、間歇性，則稱為不可調(diào)度型DGs。關(guān)于微網(wǎng)中的不可調(diào)度型DGs的控制方法許多現(xiàn)有文獻(xiàn)已做詳細(xì)介紹，不是本文研究重點(diǎn)，本文主要研究微網(wǎng)內(nèi)可調(diào)度型DGs的控制策略。

2.1.1 交流子網(wǎng)的功率分擔(dān)控制

交流微網(wǎng)中的P-f下垂控制是通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的一次工頻特性曲線設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)DGs間的功率共享。交流子網(wǎng)中第n臺(tái)DGs 的下垂控制表達(dá)式為：

式中：f和Vac分別為交流微網(wǎng)中第n臺(tái)DGs 輸出有功的頻率與交流輸出電壓；f*和分別為交流頻率與電壓額定值；fmax、fmin、Vmax、Vmin分別為頻率與交流電壓允許的最大值和最小值；an、cn分別為交流有功下垂特性曲線與交流無(wú)功功率下垂特性曲線的下垂系數(shù)；Pac_n、Qac_n分別為第n臺(tái)DGs 的輸出有功功率和無(wú)功功率；分別為第n臺(tái)DGs 允許輸出的最大有功功率與最大無(wú)功功率。交流微網(wǎng)中的所有源可以按其額定容量成比例分擔(dān)功率。

2.1.2 直流子網(wǎng)的功率分擔(dān)控制

直流子網(wǎng)中第m臺(tái)DGs的下垂控制表達(dá)式為：

式中：V為直流子網(wǎng)中第m臺(tái)DGs 輸出電壓；V*為輸出電壓額定值；Vmax、Vmin分別為輸出電壓允許的最大值和最小值；bm為直流下垂特性曲線的下垂系數(shù)；Pdc_m為第m臺(tái)DGs 的輸出有功功率；為第m臺(tái)DGs允許的最大輸出有功功率。

由于直流下垂控制固有的電壓偏差以及線路阻抗的原因，下垂控制輸出的電壓值不可避免地會(huì)偏離母線電壓額定值，因此需對(duì)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的下垂控制表達(dá)式為：

式中：V'=V*+ΔV為修正后的電壓值；ΔV為電壓補(bǔ)償值，其表達(dá)式為：

式中：Kpv、Kiv分別為電壓修正二次控制的比例和積分系數(shù)；Vdcbus為直流母線電壓的實(shí)際值。直流微網(wǎng)中的所有源可以按其額定容量成比例分擔(dān)功率。

通過(guò)上述交、直流子網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)針對(duì)微源設(shè)計(jì)的功率分擔(dān)策略可實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的“源-荷”功率協(xié)同控制。

2.2 網(wǎng)級(jí)功率協(xié)同控制策略

2.1節(jié)介紹了單個(gè)子網(wǎng)的功率控制策略。本小節(jié)將分析介紹子網(wǎng)級(jí)的功率協(xié)同控制策略。混合微網(wǎng)不同于單子網(wǎng)結(jié)構(gòu)微網(wǎng)，子網(wǎng)間存在功率耦合作用，控制更為復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)的功率控制策略來(lái)控制功率流，以提高混合微網(wǎng)的整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2.1 交直流子網(wǎng)間功率互濟(jì)控制

當(dāng)交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)容量近似且其中兩個(gè)子網(wǎng)的負(fù)載情況不同導(dǎo)致子網(wǎng)的功率盈虧存在差距時(shí)，網(wǎng)間功率互濟(jì)就應(yīng)動(dòng)作，將有功率盈余子網(wǎng)中的有功傳輸?shù)焦β嗜鳖~的子網(wǎng)中以避免單個(gè)子網(wǎng)發(fā)生崩潰。網(wǎng)間功率互濟(jì)控制將采集到的交流母線頻率值與直流母線電壓值進(jìn)行歸一化，然后進(jìn)行數(shù)值比較。若歸一化后的值相等則說(shuō)明子網(wǎng)內(nèi)功率控制可以完成子網(wǎng)內(nèi)的功率平衡，若歸一化后差值不為0 則將其差值輸入到PI 控制器以計(jì)算出重載微網(wǎng)所需的功率進(jìn)行功率輸送。

由于混合微網(wǎng)中子網(wǎng)的下垂控制參考系不同，為了方便比較需進(jìn)行歸一化。通過(guò)歸一化，將兩個(gè)子電網(wǎng)之間的負(fù)載差異與ILC 上輸送的功率流聯(lián)系起來(lái)。歸一化值定義為：

式中：Nf和分別為交流頻率和直流母線電壓的標(biāo)幺值；f為交流頻率；Vdc為直流母線電壓；fmax和Vmax分別為空載時(shí)交流頻率和直流母線電壓的最大值；fmin和Vmin分別為滿載時(shí)交流頻率和直流母線電壓的最小值。

本文重點(diǎn)研究不同子網(wǎng)間的功率協(xié)同控制方案，故將交流和直流子網(wǎng)中基于下垂控制的可調(diào)度型DGs組合為交、直流子網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)交流主電壓源和一個(gè)直流主電壓源。交、直流子網(wǎng)中組合下垂特性曲線分別為：

式中：A和B分別為交、直流子網(wǎng)中的組合下垂系數(shù)；u和v分別為交、直流子網(wǎng)中DG 的數(shù)量；分別為交、直流子網(wǎng)中所有DG注入交流母線和直流母線的凈有功功率。

根據(jù)式（6）—（7）中歸一化值的定義，每個(gè)子網(wǎng)中DG 的有功功率的歸一化下垂特性可以分別從式（8）—（9）中推導(dǎo)出來(lái)。因此，子網(wǎng)中所有DG 的組合下垂特性曲線的歸一化表達(dá)式為：

式中：Nf'和分別為綜合下垂特性曲線下的交流頻率歸一化值和直流電壓歸一化值；m和n為中間變量。

基于歸一化Nf'和值，將y軸上的量統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下，將兩個(gè)子網(wǎng)的負(fù)載差異與BADC 與BDDC 上傳輸?shù)墓β事?lián)系起來(lái)，以確保所有源之間的比例功率共享。

設(shè)定由儲(chǔ)能公共母線流入子微網(wǎng)功率為正，則通過(guò)BADC與BDDC交換的基于PI控制的標(biāo)幺化功率為：

式中：Pba、Pbd分別為從交流、直流子網(wǎng)通過(guò)BADC 和BDDC 流入儲(chǔ)能公共母線的共享功率；Kp1、Ki1與Kp2、Ki2分別為相應(yīng)PI 控制的比例和積分系數(shù)；為儲(chǔ)能母線的標(biāo)幺值；s為積分算子。

交、直流子網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)間功率傳輸時(shí)有：

式中PT為交直流子網(wǎng)間傳遞的功率，設(shè)定由交流子網(wǎng)流向直流子網(wǎng)為正。

通過(guò)交直流子網(wǎng)的網(wǎng)間功率互濟(jì)平抑網(wǎng)內(nèi)“源-荷”協(xié)同控制難以解決的子網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)-網(wǎng)”功率協(xié)同控制，從而提高整個(gè)混合微網(wǎng)的可靠性。

2.2.2 儲(chǔ)能子網(wǎng)功率控制

本節(jié)主要研究?jī)?chǔ)能子網(wǎng)的控制策略，將分布于子網(wǎng)內(nèi)部的儲(chǔ)能單元組成儲(chǔ)能子網(wǎng)以達(dá)到簡(jiǎn)化控制復(fù)雜度的目的，文中取儲(chǔ)能放電時(shí)為功率正方向。儲(chǔ)能的控制思路為當(dāng)儲(chǔ)能單元SOC不同時(shí)首先平衡不同存儲(chǔ)的SOC，以避免過(guò)度使用某個(gè)儲(chǔ)能單元。當(dāng)所有儲(chǔ)能單元的SOC平衡時(shí)，它們可根據(jù)其自身容量共享功率流。

第j個(gè)儲(chǔ)能單元的基于SOC 的下垂控制的表達(dá)式為：

式中：j為第j個(gè)儲(chǔ)能單元；為外環(huán)輸出的內(nèi)環(huán)參考電壓，通過(guò)振幅限制元件將其鉗制在正常范圍［Vdsmin，Vdsmax］內(nèi)；分別為下垂控制和儲(chǔ)能荷電狀態(tài)控制的輸出；為額定儲(chǔ)能母線電壓，其允許的最大值和最小值分別為Vdsmax、Vdsmin；rε，j和rλ，j分別為下垂系數(shù)和增長(zhǎng)系數(shù)；ids，j為濾波后的儲(chǔ)能BDDC 輸出電流；為蓄電池的荷電狀態(tài)。

由庫(kù)倫公式可知第j個(gè)儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)計(jì)算為：

下垂系數(shù)rε，j表達(dá)式為：

式中imax，j、imin，j分別為第j個(gè)儲(chǔ)能所允許的最大輸出電流和最小輸出電流。

增長(zhǎng)系數(shù)rλ，j表達(dá)式為：

從式（18）可以看出所有儲(chǔ)能的增長(zhǎng)系數(shù)都是相同的。通過(guò)式（15）可得，儲(chǔ)能單元的輸出電壓同時(shí)由儲(chǔ)能荷電狀態(tài)和輸出電流調(diào)節(jié)。

忽略線路電阻上的壓降，各儲(chǔ)能單元輸出電壓近似相等，可得出式（19）。

式中i、j分別為不同的存儲(chǔ)單元。將內(nèi)環(huán)視為“1”，即，結(jié)合式（15），可得：

根據(jù)式（20）可知，若儲(chǔ)能單元間的SOC 不平衡，荷電狀態(tài)高的儲(chǔ)能單元可以增加放電功率或降低充電功率，而荷電狀態(tài)低的儲(chǔ)能單元可以降低放電功率或增加充電功率。最終，不同儲(chǔ)能單元的SOC可以在穩(wěn)態(tài)下平衡。

當(dāng)所有儲(chǔ)能單元的SOC平衡時(shí)結(jié)合式（18），可知不同儲(chǔ)能單元的值相同。因此，基于儲(chǔ)能單元SOC的改進(jìn)下垂控制退化為常規(guī)下垂控制，即：

當(dāng)控制策略退化為傳統(tǒng)下垂控制后，儲(chǔ)能單元間可以根據(jù)下垂系數(shù)rε，j共享功率。含3 種底層控制的整體控制策略控制框圖如圖4所示。

圖4 整體控制策略框圖Fig.4 Block diagram of the overall control strategy

2.3 混合微網(wǎng)場(chǎng)景自適應(yīng)功率分段控制

混合微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)可劃分為以下5種場(chǎng)景。

1）運(yùn)行場(chǎng)景1：混合微網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電單元輸出功率略微超出或低于子網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求，但對(duì)混合微網(wǎng)整體運(yùn)行的影響是在可接受范圍內(nèi)。子網(wǎng)內(nèi)部功率自治，此時(shí)設(shè)置動(dòng)作死區(qū)，避免不必要的網(wǎng)間功率互濟(jì)與儲(chǔ)能子網(wǎng)的啟用。

式中Pess，c和Pess，d分別為儲(chǔ)能子網(wǎng)的充電功率與放電功率。

2）運(yùn)行場(chǎng)景2：混合微網(wǎng)直流子網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電單元不足以滿足子網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求，此時(shí)根據(jù)交流子網(wǎng)剩余容量情況，啟用交直流子網(wǎng)間功率傳遞或啟用儲(chǔ)能以補(bǔ)足功率缺額。

式中：Pac，sub和Pac，load分別為交流子網(wǎng)內(nèi)各分布式電源的總輸出功率和子網(wǎng)內(nèi)負(fù)載總需求功率；Pdc，sub和Pdc，load分別為直流子網(wǎng)內(nèi)各分布式電源總輸出功率和直流子網(wǎng)內(nèi)負(fù)載總需求功率；α為網(wǎng)級(jí)功率協(xié)同控制策略的啟用系數(shù)。

3）運(yùn)行場(chǎng)景3：混合微網(wǎng)交流子網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電單元不足以滿足子網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求，此時(shí)根據(jù)直流子網(wǎng)剩余容量情況，啟用交直流子網(wǎng)間功率傳遞或啟用儲(chǔ)能以補(bǔ)足功率缺額。

4）運(yùn)行場(chǎng)景4：交直流子網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷都出現(xiàn)一定程度的功率缺額，則網(wǎng)間功率傳輸不動(dòng)作，僅儲(chǔ)能子網(wǎng)發(fā)出功率給子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)功率平衡。

5）運(yùn)行場(chǎng)景5：場(chǎng)景為混合微網(wǎng)內(nèi)部子網(wǎng)均輕載，不僅可實(shí)現(xiàn)功率自足且有剩余功率，則儲(chǔ)能動(dòng)作剩余能量由儲(chǔ)能子網(wǎng)吸收。

式中θ1和θ2分別為網(wǎng)間功率傳輸與儲(chǔ)能子網(wǎng)動(dòng)作的啟用值。

通過(guò)引入啟用系數(shù)α，可協(xié)調(diào)控制網(wǎng)間功率互濟(jì)和儲(chǔ)能子網(wǎng)的啟動(dòng)順序，同時(shí)避免網(wǎng)級(jí)功率控制策略不必要的頻繁啟用。

為了準(zhǔn)確識(shí)別以上各種微網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景變化時(shí)及時(shí)的場(chǎng)景切換過(guò)渡，本文提出了一種基于混合微網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景的功率自適應(yīng)分段控制。該控制策略如表2 所示，首先將交流母線頻率與直流母線電壓允許范圍的歸一化值劃分為3段，并劃分兩個(gè)不同的邊界值|θ1|和|θ2|。其中|θ1|、|θ2|可根據(jù)實(shí)際工程需要取值，本文中|θ1|取0.2，|θ2|取0.6，0＜|θ1|＜|θ2|＜1。通過(guò)該分段控制策略可協(xié)調(diào)控制前述3 種功率控制策略可應(yīng)對(duì)微網(wǎng)不同運(yùn)行場(chǎng)景下功率波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的功率協(xié)同控制，提高整體運(yùn)行可靠性。該控制策略可避免不必要的網(wǎng)間功率輸送與儲(chǔ)能的頻繁充放電。該上層控制框圖如圖4 所示，首先將交、直流功率特征量進(jìn)行歸一化處理，隨后將功率特征量分別與邊界值|θ1|和|θ2|作比較判斷，根據(jù)交、直流功率特征量所屬區(qū)間查表2，獲得底層控制的啟用信號(hào)。

表2 交直流混合微網(wǎng)場(chǎng)景自適應(yīng)功率分段控制策略Tab.2 Adaptive power segmentation control strategy of AC/DC hybrid microgrid scenarios

3 仿真分析

本文搭建了圖4所示的MATLAB/Simulink 交直流混合微網(wǎng)模型，對(duì)交直流混合微網(wǎng)功率協(xié)同控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表3所示。

表3 混合微網(wǎng)仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters of hybrid microgrid

根據(jù)上述系統(tǒng)本文設(shè)計(jì)了7 種工況來(lái)驗(yàn)證所提控制策略的有效性，仿真分析了子網(wǎng)由輕載狀態(tài)到重載狀態(tài)再回到輕載狀態(tài)過(guò)程中分布式電源出力、網(wǎng)間功率輸送與儲(chǔ)能子網(wǎng)出力情況。其仿真波形如圖5—6 所示。其中PBADC、PBDDC分別為交流子網(wǎng)傳輸功率和直流子網(wǎng)傳輸功率，PDS、PDS_n分別為儲(chǔ)能子網(wǎng)總輸出功率和儲(chǔ)能單元輸出功率。子網(wǎng)傳輸功率取由儲(chǔ)能母線流入子網(wǎng)為正方向，儲(chǔ)能單元設(shè)定功率輸出為正方向。

圖5 0—4 s混合微網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of 0—4 s hybrid microgrid

圖6 3—7 s混合微網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of 3—7 s hybrid microgrid

工況1：初始時(shí)刻t=0 s 時(shí)，交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)初始負(fù)載分別設(shè)定為180 kW 和150 kW。此時(shí)Nf與分別為0.05 和0.02。根據(jù)表2 判斷條件可知，網(wǎng)間功率傳輸與儲(chǔ)能子網(wǎng)均不動(dòng)作，子網(wǎng)間不存在任何功率交互。僅由交直流子網(wǎng)內(nèi)的分布式電源提供負(fù)載所需功率。此時(shí)交流微源總輸出功率為182 kW，直流微源總輸出功率為151 kW。

工況2：在t=1 s 時(shí)，交流負(fù)載由180 kW 增加到220 kW，直流負(fù)載保持不變。此時(shí)Nf由0.05 變?yōu)?0.07，因直流負(fù)載不變，故仍維持為0.02。此時(shí)|Nf|與均小于|θ1|，由表2 判斷得交直流子網(wǎng)仍可維持功率自治，子網(wǎng)內(nèi)負(fù)載仍僅由子網(wǎng)內(nèi)微源提供所需功率。此時(shí)交流微源總輸出功率為223 kW，直流微源總輸出功率保持不變。

工況3：在t=2 s 時(shí)，交流負(fù)載由220 kW 增加到370 kW，直流負(fù)載仍保持不變。此時(shí)Nf由-0.07變?yōu)?0.35，在突加負(fù)載時(shí)維持不變。由于小于|θ1|但|Nf|大于|θ1|且小于|θ2|，根據(jù)表2 故交直流子網(wǎng)間傳輸功率進(jìn)行功率互濟(jì)。此時(shí)交流微源總輸出功率為272 kW，直流微源總輸出功率為253 kW，直流子網(wǎng)向交流子網(wǎng)通過(guò)BADC 與BDDC 傳輸功率約為100 kW，穩(wěn)態(tài)后變?yōu)?0.13。

工況4：在t=3 s 時(shí)，直流子網(wǎng)負(fù)載由150 kW增加到350 kW，交流子網(wǎng)負(fù)載保持不變。此時(shí)由-0.13變?yōu)?0.57，Nf保持不變。此時(shí)與|Nf|均大于|θ1|且和Nf均小于0。由表2得，交直流子網(wǎng)間不進(jìn)行網(wǎng)間功率傳輸，儲(chǔ)能子網(wǎng)動(dòng)作輸出功率。此時(shí)交流微源總輸出功率為275 kW，直流微源總輸出功率為284 kW，儲(chǔ)能子網(wǎng)總輸出功率為161 kW，BADC 與BDDC 分別傳輸95 kW 和66 kW 的功率。儲(chǔ)能單元1 輸出功率為70 kW，儲(chǔ)能單元2輸出功率為90 kW。儲(chǔ)能單元的輸出功率不同于其額定放電功率之比，這主要是因?yàn)閮?chǔ)能單元1 的初始荷電狀態(tài)比儲(chǔ)能單元2 的初始荷電狀態(tài)低所導(dǎo)致的。儲(chǔ)能單元2 的輸出功率比儲(chǔ)能單元1 高也證明了所提出的結(jié)合荷電狀態(tài)的改進(jìn)下垂控制的有效性。

工況5：在t=4 s 時(shí)，交流負(fù)載由370 kW 增加至600 kW，直流負(fù)載由350 kW 增加至490 kW。此時(shí)，Nf由-0.35 變?yōu)?0.87，由-0.57 變?yōu)?0.92。由于與|Nf|均大于|θ1|且和Nf均小于0，則根據(jù)表2 判斷得，直接由儲(chǔ)能子網(wǎng)提供功率支持，網(wǎng)間功率傳輸不動(dòng)作。此時(shí)交流子網(wǎng)微源總輸出功率為474 kW，直流子網(wǎng)微源總輸出功率為386 kW，儲(chǔ)能子網(wǎng)總輸出功率為230 kW。其中儲(chǔ)能單元1 與儲(chǔ)能單元2 分別輸出100 kW 與130 kW的功率。BADC 和BDDC 分別傳輸126 kW 和104 kW。此種工況下也證明了考慮儲(chǔ)能荷電狀態(tài)的改進(jìn)下垂控制策略的有效性。

工況6：t=5 s 時(shí)，交流負(fù)載由600 kW 減小到200 kW，直流負(fù)載由490 kW 變?yōu)?50 kW。此時(shí)Nf由-0.87 變到0.13，由-0.92 減小到-0.58。由于|Nf|小于|θ1|且小于|θ2|，則根據(jù)表2可得，交直流子網(wǎng)網(wǎng)間功率傳輸動(dòng)作，儲(chǔ)能子網(wǎng)不動(dòng)作。通過(guò)BADC 與BDDC 從交流子網(wǎng)向支流子網(wǎng)傳輸52 kW的有功。此時(shí)交流微源總輸出功率為252 kW，直流微源總輸出功率為298 kW。

工況7：t=6 s 時(shí)，交流負(fù)載由200 kW 減小至40 kW，直流負(fù)載由350 kW 減小至80 kW。此時(shí)Nf由0.13 變?yōu)?.73，由-0.58 變?yōu)?.65。由于|Nf|與均大于|θ1|，則根據(jù)表2 可得，儲(chǔ)能子網(wǎng)動(dòng)作吸收子網(wǎng)多余的功率，交直流子網(wǎng)間不進(jìn)行功率交換。此時(shí)交流微源總輸出功率為153 kW，直流微源總輸出功率為137 kW。BADC 與BDDC 分別輸送-113 kW 和-67 kW 的有功。儲(chǔ)能子網(wǎng)共吸收180 kW 有功功率，儲(chǔ)能單元1 與儲(chǔ)能單元2 分別吸收130 kW 和50 kW 的有功。儲(chǔ)能單元吸收功率的差異體現(xiàn)出考慮荷電狀態(tài)的改進(jìn)下垂控制的有效性。

仿真中上述7 種工況表明基于集成三端口的交直流混合微網(wǎng)，通過(guò)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的劃分與準(zhǔn)確識(shí)別，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)功率共享、網(wǎng)間功率互濟(jì)與儲(chǔ)能子網(wǎng)的動(dòng)作的協(xié)同控制。

4 結(jié)論

由于混合微網(wǎng)間的功率耦合使得功率交互變得復(fù)雜，若控制不當(dāng)容易影響混合微網(wǎng)的整體穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì)上述問(wèn)題在3 種基本控制策略之上設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)微網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景的功率協(xié)同控制策略。通過(guò)搭建MATLAB/Simulink 仿真模型，在不同工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制策略整體可靠有效，并得出以下結(jié)論。

1）在子網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)，所提出的場(chǎng)景自適應(yīng)控制策略能夠充分發(fā)揮子網(wǎng)間的功率支撐能力。通過(guò)功率雙向流動(dòng)維持子網(wǎng)內(nèi)功率動(dòng)態(tài)平衡，可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行場(chǎng)景的準(zhǔn)確識(shí)別與負(fù)荷需求的靈活快速跟蹤補(bǔ)償。

2）本文控制策略具有分散的特性，無(wú)需通信鏈路，方便源荷的即插即用。同時(shí)通過(guò)設(shè)定啟用條件，避免頻繁且不必要的網(wǎng)間功率傳遞，提高了微網(wǎng)系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性。