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摘 要： 摘要：點狀網絡具有高供電可靠性且有利于分布式能源消納的特點，但現有結構及其控制與保護方法限制了其進一步發展。文中基于點狀網絡多源并供優勢與交直流混聯思想的結合，提出了交直流混合點狀網絡結構，并給出了典型工作場景下的網絡運行模態。針對不同運行模態下的
摘要：點狀網絡具有高供電可靠性且有利于分布式能源消納的特點，但現有結構及其控制與保護方法限制了其進一步發展。文中基于點狀網絡多源并供優勢與交直流混聯思想的結合，提出了交直流混合點狀網絡結構，并給出了典型工作場景下的網絡運行模態。針對不同運行模態下的能量動態平衡關系，提出了基于總體缺額功率的變流器統一控制策略，實現了不同運行模態及其切換過程中的變流器統一控制。最后，通過仿真分析驗證了所提結構與統一控制策略的有效性。
關鍵詞：交直流混合點狀網絡;拓撲結構;運行模態;統一控制策略
0 引言
隨著能源與環境問題的日益突出以及社會經濟的不斷發展，電力系統尤其配電系統面臨著新的挑戰 ，分 布 式 能 源(distributed energy resource，DER)友好接納和供電可靠性提高等問題亟待突破[1]。點狀網絡結構中，多路中壓進線互為備用，可靠性與靈活性高，且有利于低壓側 DER 接入，已在美國多地獲得廣泛應用[2]。微電網是一種 DER 友好接納的配電形式，但現有拓撲結構僅考慮與低壓交流公用電網單聯絡的情況，沒有涉及點狀網絡中多源饋入的場景[3]。將交直流混合配電思想與點狀網絡結構特點相結合，并考慮不同類型 DER 與多元負荷接入要求，研究交直流混合點狀網絡新型結構、運行模態及其控制策略具有重要的現實意義。
傳統點狀網絡結構及其保護控制方法存在諸多不足，限制了其進一步應用與發展。文獻[4]提出了點狀網絡低壓母線分段并利用循環功率控制器均衡進線功率的方法，但沒有涉及直流環節。文獻[5]從微電網的基本概念、組成及其與大電網的關系出發，對微電網研究的相關關鍵技術做了梳理。文獻[6]結合上虞交直流混合多母線微電網示范工程，針對 4 種交直流微電網典型運行模式以及 12 種模式切換場景，提出了協調控制與模式切換策略，實現多機均流、電壓頻率恢復和運行模式切換控制。文獻[7-9]綜合考慮 DER 出力特性與雙向 AC/DC 變流器功率限制，提出了 P/Q 控制模式下的魯棒實時優化及協調控制策略，提高了可再生能源發電利用效率以及系統運行的經濟性與魯棒性。文獻[10-12]針對交直流側的下垂控制方法，通過補償等手段改進下垂系數，實現了交直流側功率的合理分配，提高交直流母線電壓質量。文獻[13-15]研究了下垂控制方式下的微電網小擾動穩定問題，在保證系統穩定的基礎上，實現微電網內 DER出力的合理分配。文獻[16]提出了自由控制模式與強制控制模式相結合的微電網雙模式分布式控制策略，分析了該方法在微電網不同運行場景下多時間尺度的調節效果。微電網并網與離網運行模式之間的平滑切換控制，對提高系統運行穩定性與可靠性至關重要[17]。文獻[18-19]提出了直流微電網與多機運行下微電網的并網/離網不同模態下的統一控制方法。文獻[20]提出了基于本地測量的微電網控制方法，實現了并網與離網狀態下的統一控制。文獻[21-22]分別分析了微電 網 主 從 控 制 與 基 于 虛 擬 同 步 發 電 機(virtual synchronous generator，VSG)的無差控制，并對該控制方法下的系統穩定性進行了分析。上述分析沒有涉及點狀網絡中多路進線互為備用，即多源饋入的場景。
本文綜合點狀網絡與交直流混合微電網的特點，提出了交直流混合點狀網絡結構，分析了典型工作場景下的網絡運行模態及其能量動態平衡關系，并提出了基于總體缺額功率的變流器統一控制策略。在實現功率傳輸的同時，滿足直流側電壓與交流側頻率的穩定，能夠實現多模態穩定運行與不同模 態 切 換 下 的 統 一 控 制 。 在 MATLAB/Simulink 中，搭建了交直流混合點狀網絡的仿真模型，并針對不同場景下的各種運行模態穩定運行及切換過程的統一控制策略進行了仿真分析，驗證了所提結構和控制策略的有效性。
1 交直流混合點狀網絡拓撲結構及其運行模態
1. 1 交直流混合點狀網絡結構
低壓多源并供點狀網絡，簡稱點狀網絡，是一種特殊的低壓配電結構[4]。如圖 1 所示，來自同一變電站不同母線甚至 2 個不同變電站的多路中壓饋線(一般為 3 至 8 路)采用線路-變壓器單元接線方式，直接在低壓母線上并聯供電。
該供電模式下多路進線互為備用，是公認的可靠性較高且靈活性較強的供電方式[23]，主要用于供電質量要求苛刻且負荷密度較大的地區。目前，美國已有 350 多個城市采用了該低壓配電模式[2]。點狀網絡中，所有電源和負荷都通過低壓母線集中接入，其結構有利于 DER 的接入控制與能量的就地消納。但是，低壓側沒有設置直流環節，直流輸出的 DER 與直流負荷必須通過相應的變流器接入，其能量轉換效率與運行靈活性均受到一定制約。另外，由于缺乏有效的潮流主動控制措施，傳統控制手段難以滿足 DER 高度滲透點狀網絡的隨機潮流控制要求。
交直流混合微電網集成了交流微電網和直流微電網各自優點，可根據不同的 DER 類型與多元負荷需求分別接入直流微電網和交流微電網，但其僅考慮與公用電網單聯絡的情況，沒有涉及交流側多源并供的場景。
因此，將點狀網絡結構與交直流混合微電網結構相結合，構建交直流混合點狀網絡結構，可在保證供電可靠性的基礎上，有效提高 DER 消納能力，其拓撲結構如圖 2 所示。根據分區供電原則，點狀網絡所有中壓進線通常來自 2 個變電站或 2 條母線，可依據進線來源總體分為 2 組，相互之間不會存在大的環流[4]。因此交流側多路進線可等效為 2 路交流進線，直流側等效為 1 個直流子網，不同類型 DER 與多元負荷根據接口特點分別接入兩側交流子網與直流子網。中央控制器根據整個系統實時運行狀態確定不同位置變流器的穩定控制目標，變流器則按照給定目標及就地信息實現功率的雙向傳輸。該系統由多個供電單元供電，冗余性較強，進一步提高了供電可靠性與 DER 接納能力。
1. 2 交直流混合點狀網絡運行模態及其能量平衡關系
交直流混合點狀網絡中，連接交直流母線的雙向變流器通過控制 2 個交流子網與直流子網間傳輸的功率值，穩定交流側頻率和直流側電壓。交直流混合點狀網絡依據 2 個雙向 AC/DC 變流器的狀態與交流側并網情況可分為兩側交流子網并網、一側交流子網并網和兩側交流子網離網這 3 種穩態運行模式，如表 1 所示。
1)兩側交流子網并網運行模態下的功率平衡關系
當直流側負荷輕載，即直流側 DER 功率供過于求時，直流母線通過變流器向兩側交流母線傳送功率，此時兩變流器均處于逆變狀態。
當直流側負荷重載，即直流側電網功率供不應求時，兩側交流母線通過變流器向直流母線傳送功率，此時 2 個變流器均處于整流狀態，其功率平衡關系如式(1)所示。
2 交 直 流 混 合 點 狀 網 絡 變 流 器 統 一 控 制策略
在交直流混合微電網中，變流器通過控制直流側電壓與交流側頻率維持配電網絡功率平衡與穩定運行。文獻[24]提到雙向下垂控制方法，將交流側有功功率-頻率下垂特性和直流流側有功功率-電壓下垂特性通過式(4)和式(5)標幺化處理后進行比較，當兩者的標幺值相等時，交流子網與直流子網進入穩定狀態。
同時，兩者的差值大小決定了變流器向功率缺額側傳輸功率的大小，采用雙向下垂控制能保證能量總是流向負荷功率缺額的一側，從而實現交直流微電網內部的功率平衡。文獻[25]根據微電網特征量的變化提出一種分段協調控制，在不同的控制段中，協調各變流器的控制方式。在功率無法消納時進行功率限幅，使系統在不同工況下都能穩定運行。本文提出基于總體缺額功率的控制策略，根據交直流兩側功率的計算進行功率的分配與協調，通過利用光伏出力、直流側電壓與交流側頻率等特征值分別計算得出變流器 1 需要傳輸的有功功率 P1 和變流器 2 需要傳輸的有功功率 P2。
3 仿真分析
為驗證本文所給出的適于交直流混合點狀網絡拓撲結構下各運行模態的變流器統一控制策略，在 MATLAB 中搭建了交直流混合點狀網絡模型，中壓饋線等效為 2 組，分別為交流子網 1 和交流子網 2 供電，如圖 5 所示。
設直流母線額定電壓為 750 V，直流側光伏單元的初始出力為 120 kW，2 個交流側電網的額定頻率為 50 Hz，濾波電感值為 8 mH，仿真參數如附錄 A 表 A1 所示。
1)兩側交流子網并網運行模態
當 t = 0~1 s 時，光伏出力約為 120 kW，線路處于兩端并網狀態，各交直流子網負荷正常運行，光伏出力足夠支撐直流負荷。當 t = 1~2 s 時，光伏出力由 120 kW 逐漸降為零，變流器由逆變狀態轉為整流狀態 ，來 自 交 流 母 線 側 的 功 率 上 升 ，使 得 網 損 增大 ，2 個交流側的電壓幅值隨之下降。當 t = 2~3 s 時，光伏出力為零，所有交直流負荷由交流母線提供功率。當 t = 3~4 s 時，光伏出力由零逐漸增加至 120 kW，變流器由整流狀態變為逆變狀態，來自交流母線側的功率下降，使得網損減小，2 個交流側的電壓幅值隨之上升，如附錄 A 圖 A1 所示。在該模態光伏波動的擾動過程中，附錄 A 圖 A2 所示的直流側電壓穩定在 750 V 左右，附錄 A 圖 A3 所示的 2 個交流側頻率穩定在 50 Hz 左右，在附錄 A 圖 A4 所示的光伏輸出功率變化過程中，多余或缺額的功率由上級電網消納或提供支撐，實現了 DER 的友好接入與系統的穩定運行。
2)一側交流子網并網運行模態及其切換過程
當 t = 0~1 s 時，線路處于兩端并網狀態，光伏出力約 120 kW。當 t = 1 s 時，交流子網 1 脫網，光伏出力約為 120 kW，該側缺額功率由直流側與交流子網 2 提供，光伏出力足額，2 個變流器均處于逆變狀態。當t= 2 s時，光伏出力由120 kW突降至80 kW，交流子網 2 側的母線向交流子網 2 側的負荷傳輸的功率增多，其網損增大，交流子網 2 側的負荷端電壓隨之下降。當 t = 3 s 時，光伏出力由 80 kW 突增至 120 kW，交流子網 2 側的母線向交流子網 2 側的負荷傳輸的功率減少，其網損降低，交流子網 2 側的負荷端電壓隨之升高，如附錄 B 圖 B1 所示。在模態切換及光伏波動的擾動過程中，附錄 B 圖 B2 所示的直流 側 電 壓 穩 定 在 750 V 左 右 ，附 錄 B 圖 B3 所 示 的 2 個交流側頻率穩定在 50 Hz 左右，附錄 B 圖 B4 所示的光伏輸出功率的變化過程中，多余或缺額的功率由上級電網消納或支撐，實現了 DER 的友好接入與系統面對模態切換與擾動時的穩定運行。
3)兩側交流子網離網運行模態及其切換過程
當 t = 0~1 s 時，線路處于一側交流子網并網運行模態光伏出力約為 120 kW。當 t = 1 s 時，交流子網 2 脫網，2 個交流側功率缺額由直流側提供。由于光伏出力高于線路所需功率，直流側電壓升至 770 V。當 t = 2 s 時，光伏出力升至 130 kW，直流側電壓繼續升高，至 800 V 時觸發電壓反饋的 MPPT-升壓控制，使得直流側電壓保持在 800 V 左右，可見該調節過程十分平滑，無明顯沖擊現象。若控制方式為定電壓控制，則會產生較大沖擊，2 個變流器均處于逆變狀態。當 t = 3 s 時，光伏出力振蕩式下降，直流側電壓隨之降低，低于下限時，觸發負荷控制系統，將部分負荷切除，直流側電壓恢復至正常區間。在模態切換及光伏波動的擾動過程中，各特征量的變化曲 線 如 附 錄 C 圖 C1 至 圖 C4 所 示 ，電 壓 反 饋 的 MPPT 控制和切換定電壓控制方式下的直流側電壓變化曲線對比如附錄 C 圖 C5 至圖 C6 所示。
上述仿真涵蓋了點狀網絡雙端系統在各運行模態不同擾動情況及模態間切換過程的運行情況，仿真結果表明：不同的光伏出力條件下，在兩側交流子網并網、一側交流子網并網和兩側交流子網離網的運行模態中，本文給出的基于總體缺額功率變流器統一控制策略，系統均可穩定可靠運行。當線路處于兩側交流子網離網模態，直流側電壓升高至 800 V 時觸發改進的 MPPT-升壓反饋控制，使得直流側電壓保持在 800 V 左右。在相同條件下，對比現有的通過切換定電壓控制策略，其調節過程十分平滑，無明顯沖擊現象，證明了該方法的有效性。
4 結語
本文提出了交直流混合點狀網絡結構，分析了典型工作場景下的網絡運行模態及其能量動態平衡關系，并提出了基于總體缺額功率的變流器統一控制策略。交直流混合點狀網絡雙端結構在兩側交流子網并網、一側交流子網并網和兩側交流子網離網運行模態下，所提出的基于總體缺額功率的控制策略能夠保證不同類型負荷正常工作，而且不同運行模態之間實現平滑切換。本文僅提出了交直流混合點狀網絡穩定控制策略，后續需進一步研究潮流優化控制方法以及變流器控制與保護之間的配合策略，以實現供電可靠性、運行經濟性和分布式電源充分消納的有機統一。附錄見本刊網絡版(http：//www.aeps-info.com/ aeps/ch/index.aspx)，掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。——論文作者：仉志華 1 ，趙一龍 1 ，王 琨 1 ，王軍鋒 2
參 考 文 獻
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