面向微電網(wǎng)集群的多端口能量路由器及其分布式控制策略

郁家麟，肖龍海，胡舟，趙玉勇，聶建波，謝曄源，段軍

（1.國網(wǎng)浙江海寧市供電有限公司，浙江海寧 314400；2.國網(wǎng)浙江綜合能源服務有限公司，浙江杭州 310014；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102）

隨著新能源發(fā)電和微電網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，微電網(wǎng)（micro-grid，MG）的集群化問題已逐漸成為新的研究熱點。微電網(wǎng)集群化是將鄰近位置的微電網(wǎng)、獨立的分布式電源、儲能及負荷等相互連接，通過合理的協(xié)調(diào)控制策略實現(xiàn)多微電網(wǎng)之間的功率交互，提高新能源發(fā)電的利用率。在微電網(wǎng)集群中，各微電網(wǎng)可互為支撐，增大系統(tǒng)的等效容量，從而增強系統(tǒng)的抗風險能力，提高供電可靠性[1-6]。

能量路由器（energy router，ER）是微電網(wǎng)集群化的核心設備，它是一個開放的多端口的電力電子化能量載體，為不同的發(fā)電或用電單位提供靈活的標準化接口[6-8]。

目前，能量路由器主要有電力電子變壓器結(jié)構(gòu)和多端口電力電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。文獻[9]介紹了戶用級微電網(wǎng)的常見結(jié)構(gòu)，重點以多端口的共直流母線ER 為對象，總結(jié)了端口變換器的不同控制方法及系統(tǒng)的通信調(diào)度策略。文獻[10]在綜合當前ER 應用類型和現(xiàn)有技術基礎上，設計了3層樹形架構(gòu)的分布式能源網(wǎng)絡，并從配網(wǎng)、微電網(wǎng)和用戶層論述了ER 系統(tǒng)架構(gòu)、能源接入、運行控制及通信調(diào)度的技術類型及實現(xiàn)方式。文獻[11]對能量路由器的發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳細的論述，重點針對基于電力電子變壓器的主干網(wǎng)ER的電路拓撲、核心指標及關鍵技術等進行了總結(jié)，并從功率變換和信息技術的角度分析了電能路由器的技術要求。

一般而言，基于電力電子變壓器的ER 多用于主干網(wǎng)，而基于多端口變換系統(tǒng)的ER 多用于配電網(wǎng)或家庭微電網(wǎng)。本文主要針對低壓配電網(wǎng)絡，所設計的ER 為共直流母線的多端口變換器結(jié)構(gòu)。

從控制方式的角度，目前的能量路由器多采用集中式控制方法。文獻[12]通過分析ER 的能量模型和能量支路，從能量的角度進行ER 控制。該策略通過能量調(diào)節(jié)器控制總的級聯(lián)電壓，利用電流調(diào)節(jié)器控制網(wǎng)側(cè)電流。其余各子單元各司其職，實現(xiàn)功率平衡并改善瞬態(tài)性能。文獻[13]構(gòu)建了共直流母線的ER 結(jié)構(gòu)，并基于母線電壓提出了分層協(xié)調(diào)控制策略實現(xiàn)功率調(diào)度，同時改善光伏控制策略切換引入的不穩(wěn)定因素。文獻[14]提出一種基于固態(tài)變壓器的多LAN 端口ER，并從混雜系統(tǒng)的切換系統(tǒng)理論角度進行分析，將鏈路層控制分為三層實現(xiàn)功率調(diào)度。文獻[15]同樣采用基于電力電子變壓器的ER 結(jié)構(gòu)，并將控制體系分為三層：功能訂制層、能量管理層和執(zhí)行層。進一步分并網(wǎng)和離網(wǎng)模式分別進行控制設計，實現(xiàn)電能的有效管理。

一般而言，集中式控制多依賴于中央控制器通信或者鄰近微電網(wǎng)通信，需要針對不同的微電網(wǎng)集群設計特定的控制策略及信道。當新單元介入或切除時，中央控制器需要識別變動并重新對系統(tǒng)進行評估以調(diào)整控制策略，降低了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，不利于熱拔插應用。此外，單點故障的發(fā)生容易導致系統(tǒng)性停機，可靠性較低。

本文采用多端口變換器ER 結(jié)構(gòu)構(gòu)建微電網(wǎng)集群，同時納入配電網(wǎng)（distribution network，DN）作為功率交換單元，并在此基礎上提出一種無需中央控制器的分布式控制策略。各微電網(wǎng)僅與所連接的ER 端口通信，上報功率需求申請和緊需度，ER 端口則以直流母線電壓為公共信息，自主設定折扣率，從而實現(xiàn)電能交易。該分布式控制策略提高了微電網(wǎng)集群的可靠性和靈活性，同時實現(xiàn)了并離網(wǎng)無縫切換，各微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間可相互支撐，在最大化利用新能源的同時，提高系統(tǒng)的抗風險能力。最后，通過仿真驗證了本策略的有效性。

1 多端口能量路由器

本文所采用的能量路由器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其含有多個端口用于連接各鄰近的微電網(wǎng)以及配電網(wǎng)。ER 的各端口均為單獨的電壓源型變流器（voltage source converter，VSC）[3]，所有的VSC采用共直流母線接法。連接微電網(wǎng)的各端口VSC 定義為VSC_#1～ VSC_#N，連接配電網(wǎng)的端口VSC定義為G_VSC。

本文中的各微電網(wǎng)均為自主子系統(tǒng)，可根據(jù)自身能量狀態(tài)獨立決定功率需求以及是否接入或切除。通信信道僅存在于各微電網(wǎng)MG_#1～MG_#N與ER 的端口變換器VSC_#1～VSC_#N之間。通信的內(nèi)容主要包含：1）微電網(wǎng)的功率需求P0_#1～P0_#N；2）電能需求的緊需度h。功率需求是微電網(wǎng)根據(jù)內(nèi)部發(fā)電曲線、儲能狀態(tài)及負載量等信息，通過一定的優(yōu)化方法計算得出的凈功率或凈負荷需求。緊需度是微電網(wǎng)根據(jù)自身的吞吐潛力所確定的功率需求的緊要程度。這兩個方面的信息由微電網(wǎng)傳送給ER端口的VSC。

根據(jù)圖1 中功率需求P0的方向，將P0>0 定義為正，對應的微電網(wǎng)成為“正”型微電網(wǎng)；相應的將P0<0定義為負，對應的微電網(wǎng)成為“負”型微電網(wǎng)。對于緊需度h，其取值范圍為0≤h≤1，其中“1”表示緊需度高，需要ER 進行優(yōu)先調(diào)控；“0”表示可無需ER進行功率調(diào)節(jié)，優(yōu)先級放低。

圖1 多端口能量路由器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the multi-terminal energy router

2 能量路由器分布式控制

2.1 VSC_#N功率控制

ER 的端口VSC_#N接收到微電網(wǎng)的功率需求P0和緊需度h信息后，首先計算其真實功率需求：

進一步根據(jù)直流母線的狀態(tài)計算得出折扣率k，將折扣后的值作為最終接受的功率，即

式中：k為端口VSC_#N所施加的折扣率，0≤k≤1。

定義“正”型微電網(wǎng)折扣率為kp，“負”型微電網(wǎng)折扣率kn。折扣率k是關于直流母線電壓vDC的函數(shù)，具體的設計如圖2 所示。定義直流母線電壓vDC的額定值為Vrated，其正常工作的電壓范圍為[Vn，Vp]，最大工作范圍為[Vlow，Vup]。

圖2 不同類型微電網(wǎng)的折扣率曲線Fig.2 Discount rate k for the micro-grids

當直流母線電壓vDC在[Vn，Vp]區(qū)間波動時，各微電網(wǎng)根據(jù)自身功率需求自由交易，無需打折；當直流母線電壓vDC上升到[Vp，Vup]區(qū)間內(nèi)，意味著有額外的功率注入到直流母線中，“負”型微電網(wǎng)功率需求不打折，而“正”型微電網(wǎng)功率需求進行線性折扣，直至在Vup點降為0，此時將不再有功率注入母線；當直流母線電壓vDC下降到[Vlow，Vn]區(qū)間內(nèi)，意味著有額外的功率從直流母線抽取，“正”型微電網(wǎng)功率需求不打折，而“負”型微電網(wǎng)功率需求進行線性折扣，直至在Vlow點降為0，此時將不再有功率從母線輸出。

根據(jù)上述折扣過程，折扣率的計算公式如下：

對于“正”型微電網(wǎng)：

2.2 G_VSC并/離網(wǎng)切換及功率控制

并網(wǎng)端口G_VSC 將微電網(wǎng)集群與配電網(wǎng)相連通，在進行功率平衡的同時保證并/離網(wǎng)模式平滑切換。G_VSC 并網(wǎng)前首先檢測電網(wǎng)側(cè)電壓，如果滿足要求則直接閉合PCC 開關，然后啟動控制算法。并網(wǎng)后的VSC工作在二極管整流狀態(tài)，只要保證并網(wǎng)前直流母線電壓vD高于自然整流電壓，便不會出現(xiàn)電流沖擊，實現(xiàn)并網(wǎng)過程的平滑過渡。

并網(wǎng)后，G_VSC的控制策略如圖3所示，其基本架構(gòu)為d-q-0坐標系下的雙閉環(huán)整流器控制[3]。本文此基礎上對電壓環(huán)進行了改進，提出了基于限幅的G_VSC 控制方法，使其根據(jù)母線電壓自動調(diào)整并網(wǎng)功率，滿足微電網(wǎng)集群在并網(wǎng)條件下的相互支撐要求，提高系統(tǒng)的彈性和抗干擾能力。

圖3 G_VSC的控制策略Fig.3 Control scheme of the G_VSC

首先通過文獻[16-17]中的算法捕獲電網(wǎng)電壓的相位φ；然后對電感電流[ia，ib，ic]進行坐標變換得到[id，iq]，坐標變換矩陣為

進一步可在d-q-0 坐標系下設計d通道與q通道的電流閉環(huán)控制。

對于改進后的電壓外環(huán)，如圖3所示，其反饋通道為直流母線電壓vDC，但其給定通道vref并非常數(shù)，而是同樣來自vDC，中間加入了限幅環(huán)節(jié)。限幅的上限為Vp，下限為Vn，于是可以得到vref的計算公式為

電壓環(huán)不采用PI控制器，僅采用比例調(diào)節(jié)器K，不存在退飽和問題。

當直流母線電壓vDC在[Vn，Vp]區(qū)間波動時，電壓環(huán)的給定值vref與反饋值均為vDC，二者差值為零，比例控制器的輸出（）亦為零，G_VSC 不進行功率調(diào)控，各微電網(wǎng)進行自由交易；當直流母線電壓vDC上升至[Vp，Vup]區(qū)間時，由于限幅環(huán)節(jié)的作用，電壓環(huán)的給定值vref變?yōu)閂p，由于比例控制器K的作用，母線電壓vDC被控制在Vp附近，此時由大電網(wǎng)負責吸收各微電網(wǎng)注入的額外功率，維持母線電壓不變；當直流母線電壓vDC下降至[Vn，Vlow]區(qū)間時，由于限幅環(huán)節(jié)的作用，電壓環(huán)的給定值vref變?yōu)閂n，由于比例控制器K的作用，母線電壓vDC被控制在Vn附近，此時由大電網(wǎng)注入功率，滿足各微電網(wǎng)的用電需求，維持母線電壓不變。

根據(jù)上述分析，在并網(wǎng)模式下，各微電網(wǎng)優(yōu)先進行自由交易，保證電能本地消耗；當凈功率或凈負荷超出預定范圍時，即母線電壓超出[Vn，Vp]區(qū)間時，由配電網(wǎng)負責平抑額外功率，為微電網(wǎng)集群提供強有力的支撐。

當配電網(wǎng)發(fā)生故障，G_VSC 自主進行檢測并斷開PCC 開關。此時G_VSC 失去了供電電源，整流控制算法無法提供持續(xù)電能，進而退出工作。微電網(wǎng)集群再次進入離網(wǎng)狀態(tài)，進行功率自平衡，離網(wǎng)過程平滑過渡，不存在沖擊。

綜上所示，本文所提出的分布式控制策略無需中央控制器進行統(tǒng)一調(diào)度，鄰近微電網(wǎng)之間也不必相互通信。ER 各端口變換器VSC_#N以及G_VSC 僅根據(jù)本地信息進行控制，實現(xiàn)了微電網(wǎng)的集群化控制。

3 仿真驗證

本文基于Matlab/Simulink 搭建了圖1 所示的ER 系統(tǒng)的仿真模型，該系統(tǒng)具有四個端口，其中VSC_#1～VSC_#3 連接微電網(wǎng)，G_VSC 連接配電網(wǎng)，每個端口加入了隔離變壓器。此外，每個端口加入了一定的線路阻抗，模擬不同的連接線長度。

具體的參數(shù)設定為：Vlow=650 V，Vn=700 V，Vrared=750 V，Vp=800 V，Vup=850 V。設計的直流母線電容為3 F。根據(jù)以上參數(shù)和式（3）、式（4）可計算得到不同類型微電網(wǎng)的折扣率kp和kn。

仿真總時長設計為20 s，其中微電網(wǎng)MG_#1為“正”型，功率需求為P0_#1=50 kW；微電網(wǎng)MG_#2為“負”型，功率需求為P0_#2=-50 kW；微電網(wǎng)MG_#3在0～10 s期間為“正”型，功率需求為P0_#3=50 kW，在10～20 s 期間為“負”型，功率需求為P0_#3=-70 kW。，三個微電網(wǎng)的功率緊需度均設為h=1。初始母線電壓設定為vDC=Vn=700 V，在0～10 s 期間ER 的凈功率為50 kW，直流母線電壓將持續(xù)上升，在10～20 s 期間ER 的凈功率為-70 kW，直流母線電壓將下降。

3.1 并網(wǎng)模式

首先在并網(wǎng)模式下進行仿真驗證，結(jié)果如圖4 所示，子圖分別為直流母線電壓vDC以及各微電網(wǎng)的實際功率輸出情況。圖4a 中，母線電壓vDC從0 s 開始上升，到4.4 s 達到800 V 并維持不變；10 s 時刻，母線電壓開始下降，到13.3 s 達到700 V并維持不變?？梢钥闯觯诓⒕W(wǎng)模式下，母線電壓被控制在[Vn，Vp]區(qū)間，折扣機制并不會發(fā)揮作用，各微電網(wǎng)的實際輸出功率與功率申請相等，意味著ER 可滿足各微電網(wǎng)的全部功率需求，凈功率或凈負荷由配電網(wǎng)補償。

圖4 并網(wǎng)模式運行結(jié)果Fig.4 Performances of the MGs in the ER system under grid?connected mode

G_VSC的運行結(jié)果如圖5所示。

圖5 G_VSC的運行結(jié)果Fig.5 Performances of the G_VSC

如圖5 所示，當母線電壓vDC在4.4 s左右達到Vp時，G_VSC開始發(fā)揮作用，將系統(tǒng)的凈功率Pgrid=-50 kW 輸出到配電網(wǎng)；當母線電壓vDC在13.3 s左右降至Vn時，G_VSC 從配電網(wǎng)吸收Pgrid=70 kW 的功率，支撐系統(tǒng)內(nèi)的微電網(wǎng)運行。從圖5b中可以看到G_VSC 電流變化的包絡線，顯示出了良好的跟蹤效果。

3.2 離網(wǎng)模式

在離網(wǎng)模式下的仿真結(jié)果如圖6 所示。圖6中，母線電壓vDC在4.3 s 達到800 V 并繼續(xù)上升到825 V；vDC從10 s 開始下降，在13.8 s 左右降至700 V，并繼續(xù)下降到675 V。根據(jù)所設計的電壓區(qū)間，此變化過程共經(jīng)歷了“自由交易Ⅰ—折扣Ⅰ—自由交易Ⅱ—折扣Ⅱ”四個階段。

圖6 離網(wǎng)模式運行結(jié)果Fig.6 Performances of the MGs in the ER system under islanded mode

1）自由交易Ⅰ：從0～4.3 s 期間，母線電壓上升但未超過Vp，各微電網(wǎng)按申請額與ER 進行功率交換；

2）折扣Ⅰ：從4.3 s 到10.8 s，母線電壓上升至825 V 又回落到Vp，期間“正”型微電網(wǎng)MG_#1和MG_#3的功率輸出被線性降額；“負”型微電網(wǎng)MG_#2保持P#2=-50 kW的輸出；

3）自由交易Ⅱ：從10.8 s到13.8 s母線電壓進一步下降但未超過Vn，各微電網(wǎng)按申請額與ER進行功率交換；

4）折扣Ⅱ：從13.8 s 到20 s，母線電壓下降Vn并進一步降至625 V。期間“正”型微電網(wǎng)MG_#1保持P#2=50 kW 的輸出，“負”型微電網(wǎng)MG_#2 和MG_#3的功率輸出被線性打折。

4 結(jié)論

重點利用多端口能量路由器解決微電網(wǎng)的集群化問題。為了使各微電網(wǎng)及配電網(wǎng)可通過交換功率提供相互支撐，同時保證系統(tǒng)的可靠性和“即插即用”的靈活性，提出了一種無需中央控制器的分布式控制策略。該策略中，能量路由器各端口分別與所連接微電網(wǎng)通信，根據(jù)母線電壓自主決定功率傳輸量。仿真結(jié)果表明，該策略有效實現(xiàn)了系統(tǒng)高效集成，為微電網(wǎng)集群的發(fā)展提供了一定的理論支撐，具有實際的應用價值和理論價值。