电力电子变压器对交直流混合微网功率控制的研究

兰征涂春鸣肖凡葛俊熊诵辉

（国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）长沙410082）

电力电子变压器对交直流混合微网功率控制的研究

兰征涂春鸣肖凡葛俊熊诵辉

（国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）长沙410082）

针对应用于交直流混合微网的电力电子变压器（PET），分析了并网和离网两种运行模式，并设计了相应的控制策略。并网模式下，控制PET输入接口使交直流混合微网等效为“阻性负载”或“电流源”，同时控制交流和直流输出接口都等效为恒定的电压源。对于离网模式，提出了混合功率下垂控制，能根据接口处频率和电压信息，结合混合微网下垂特性得到微网间需交换的功率。搭建了交直流微网系统和电力电子变压器仿真模型，仿真结果表明，在分布式能源功率波动情况下，PET能准确快速地调节主网、交流微网和直流微网三者间功率的流动，实现交直流混合微网的稳定运行，验证了控制策略的可靠性。

电力电子变压器交直流混合微网功率流动控制混合功率下垂控制

0　引言

分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）的入网需求推动电力系统不断发展，微网是实现大规模间歇式DER接入的有效解决方案［1-3］。DER采用直流形式接入，可节省大量的换流环节，且不需进行相位和频率跟踪，可控性和可靠性大大提高。直流是DER理想的接入形式，近年来直流微网逐渐得到了人们的重视［4-6］。然而，交流微网仍是现阶段微网的主要形式，交流接入仍是DER并网的主要形式，故交直流共存的混合微网会是将来长期存在的微网结构［7，8］。

DER运行受制于自然条件，发电具有间歇性，大量DER的接入会使网络上产生双向功率流。公共联结点（Point of Common Coupling，PCC）是配电网、交流微网和直流微网三者之间能量流动的中转站，PCC处的能量协调管理至关重要，而实现功率的准确协调，需要一台可靠的“能量路由器”。

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）由高频变压器和电力电子变换电路组成，由于具备高低压交流接口和直流接口，具有变压、隔离和能量传输功能，可以成为“能量路由器”［9］，实现对PCC处的能量协调管理。目前，对电力电子变压器的控制方法研究仅在于其基本控制，未涉及和微网的协调运行［9-11］，微网下垂控制方法也只考虑交流或直流一侧的电压信号，未同时考虑到两侧信号对交直流微网工作状况的影响［12］。文献［13，14］提出了两种近似的电力电子变换器的双向下垂控制方法，但控制环节冗余，降低了系统的可靠性。

本文主要研究了电力电子变压器在交直流混合微网中的应用及混合微网并网与离网两种模式下的运行策略。并网模式下控制PET主网接口处电流与电压同相位，而交直流输出接口则都控制为恒定的电压源。对于离网模式，提出混合功率下垂（hybrid droop）控制，能根据交直流微网接口处的频率和电压信息，结合交直流微网的下垂特性，得到交直流微网间需交换的功率。提出的控制策略能准确控制PET接口间功率的双向流动，调节主网、交流微网和直流微网三者间的功率分配，实现交直流混合微网的稳定运行。

1　PET及交直流混合微网结构

1.1 PET结构

PET主电路基于三级结构，分别为输入级、隔离变换级和输出级，如图1所示。输入级采用级联H桥多电平（Cascade H-bridge Multi-level，CHM）拓扑，每相由数量为n的H桥链节模块（H-bridge Module，HM）级联组成，三相Y联结，将高压工频交流转换为数量为3n的悬浮直流，级联多电平结构使得输入级功率器件能以较小的电压应力和开关频率应用于高压大功率。隔离变换级采用双主动桥（Dual Active Bridge，DAB）拓扑，控制能量双向流动。DAB总数量为3n，前级分别与HM的直流电容相连，后级并联组成直流母线。输出级采用电压源型四桥臂逆变（4-leg Voltage Source Inverter，VSI）拓扑，采用LC输出滤波器，连接直流母线，将直流逆变成三相交流输出。

图1　PET拓扑结构图Fig.1 Topology of the PET

1.2交直流混合微网结构

基于电力电子变压器的典型交直流混合微网系统如图2所示，主网为10 kV配网，通过PET联接形成直流微网和交流微网，直流微网中的DER主要通过DC-DC变换器并网，交流微网中DER主要通过DC-AC、AC-DC-AC等变换器并网。DER根据自身特性、接入成本和运行效率等因素，选择直流或交流接入。光伏和风机等分布式能源既有直流接入方式，也有交流接入方式。蓄电池、超级电容和燃料电池等不受地理条件限制的分布式能源，选择直流接入。

2　PET运行模式

图2　交直流混合微网系统Fig.2 System structure of hybrid AC-DCmicrogrid

由于DER输出功率受天气因素影响，不同时间段负荷功率也存在起伏，直流微网和交流微网中能量波动频繁。PET充当“能量路由器”，能很好地协调网络间能量流动。为了满足DER的功率输出，实现功率的合理分配，保持混合系统的稳定运行，网络接口间能量的流动必须是双向的，并能根据接口处特征信号的变化进行快速准确的功率调节。根据PET是否并入主网，分为并网和离网两种工作模式。并网模式下，混合微网分为功率消耗和功率回馈两种工作状态。离网模式下，根据交直流微网间的负荷情况和功率流向分为4种工作状态，PET运行状态划分如表1所示。

表1　PET运行状态Tab.1 The operating state of PET

表1中，Phv表示主网接口处流动的功率，流入PET为正向，流出PET为负向；Pac表示交流微网接口处流动的功率；Pdc表示直流微网接口处流动的功率，流入微网为正向，流出微网为负向。

PET协调主网、交流微网和直流微网间能量的流动，三处接口能量都是双向流动的，如图3所示。同一时刻，PET既可充当某个网络的能量提供者，又可视为另一个网络的负载，在网络间按需传输能量。

图3PET功率流动图Fig.3 The power flow of PET

2.1并网模式

并网模式下，交流微网和直流微网均与主网相连。从主网看，经过PET的高电能质量调制，整个交直流混合微网在功率消耗时相当于一个阻性负载（状态1），在功率回馈时相当于电流源（状态2）。工作于状态1时，主电网能给交直流混合微网任何的功率不平衡提供缓冲。工作于状态2时，在保证负荷消耗的情况下，由DER发出的盈余功率流向主网。该模式下，PET根据微网功率需求，控制主网提供或吸收能量，实现功率平衡调节，而交直流微网间不进行能量交换。同时，PET支撑直流微网母线电压、交流微网频率和电压，保证微网中的分布式能源输出最大功率。

忽略PET的损耗，对于并网模式下的状态1和状态2，接口处流动功率大小及各微网的功率组成如式（1）～式（3）所示。

2.2离网模式

离网模式下，交流微网和直流微网都与主网断开连接，功率仅在交直流微网间双向流动。该模式下，运行状态复杂，对PET控制的要求也更高。离网模式下所有负载的功率需求需由交流微网和直流微网中的DER提供，这就要求DER具备灵活的有功无功控制策略，PET具备快速的功率协调策略，从而减小微网的运行波动。PET根据交直流微网的运行状态和能量需求，判断功率流动方向和大小，维持交直流微网稳定运行。为了使各DER合理分担负荷，目前微网运行策略为对各DER进行分散的下垂控制，从而满足直流微网内部和交流微网内部功率的合理分配。

根据交直流微网不同的运行情况，将离网模式分为4种状态。

状态3：混合微网轻载运行，交流微网和直流微网自治运行，独立管理各自网络内的负荷功率供应。各自网络内的DER能调节功率满足负载所需功率。PET不需传输功率，仅为交流微网提供无功调节功能。

状态4：交流微网重载运行，直流微网轻载运行，交流微网中所有DER的输出功率不足以承担交流负荷，而此时直流微网中功率过剩。因此，交流微网差额的功率需由直流微网补充，PET传输直流微网能量至交流微网。

式中Pdc-ac为直流微网流向交流微网的功率大小。

状态5：该状态与状态4类似，只是功率差额出现在直流微网，而功率盈余出现在交流微网，因此PET将交流DER的过剩功率传输至直流微网。

式中Pac-dc为直流微网流向交流微网的功率大小。

状态6：混合微网重载运行，该状态下，无论是交流微网还是直流微网，负载功率需求均大于DER的最大输出功率，即超载状态。此时PET停止功率传输，且网络中需要切除一定的非重要负荷，才能使网络稳定运行。

3　PET控制策略

PET根据各接口处特征信号的变化，控制各接口处的输出波形，从而实现对微网的控制和接口间功率的流动。特征信号包括主网电压、直流微网母线电压、交流微网电压及频率。由于在不同工作模式下，PET充当不同的角色，实现不同的功能，故控制策略分为并网模式下的控制策略和离网模式下的控制策略。

3.1并网模式控制策略

并网模式下，PET提供微网全部的功率缺口或吸收微网全部的功率盈余，从而实现对交流微网频率和直流微网母线电压的支撑。该工作模式下，在PET控制主网输入接口处电流与电压同相位，使交直流混合微网看起来为“阻性负载”或“电流源”。而在输出接口处，PET控制交流微网接口处电压在额定功率范围内恒压恒频，控制直流微网接口处电压在额定功率范围内恒压，使PET看起来为恒定的电压源。主网与交直流混合微网功率交换通过电容完成，功率的交换会引起级联H桥电容CH和直流母线电容CL电压波动，故通过控制电容电压的恒定，则间接控制了主网输入或吸收的功率。

级联H桥电容电压的恒定控制由输入级完成，输入级三相控制对称，某相控制策略如图4所示，锁相环节输出的相位信号用于提供电压矢量定向控制和触发生成所需的基准相位。外环电压控制根据所测量的电容电压来稳定全部电容的电压之和。内环电流控制器实现换流器交流侧电流波形的直接控制，以快速跟踪参考电流。

图4　输入级级联H桥控制框图Fig.4 Control block diagram of cascaded H bridge in input stage

直流母线电容CL电压的恒定控制由中间隔离级DAB完成，控制策略如图5所示，根据直流母线电容电压偏差值实时调节DAB一、二次侧移向角φ，控制功率流动，从而实现母线电容电压的恒定。

图5　中间隔离级DAB控制框图Fig.5 Control block diagram of DAB in middle stage

3.2离网模式下的控制策略

不同于并网模式，离网模式下PET需控制交流微网和直流微网的功率交换，由于缺少了主网对功率的支撑，功率协调尤为重要，故网络间快速准确的功率传输是PET控制的核心。由于PET无法通过主网实现对交流微网频率的支撑，交流微网中PET和DER有功功率的输出基于ω-P下垂特性，当频率下降时，增加有功输出，反之减小，如图6a所示。同样，无功功率输出根据网络上的母线电压判断，PET和DER根据各自V-Q下垂曲线输出相应的无功，如图6b所示。

图6　交流微网下垂特性图Fig.6 Droop characteristics of ACmicgrid

ω-P和V-Q特性的数学描述如式（17）～式（20）。

而在直流微网中，PET同样无法通过主网实现对母线电压的支撑，PET和DER功率的输出根据直流母线电压判断，根据各自的Vdc-P下垂特性输出相应的功率，如图7所示，数学描述为

图7　直流微网下垂特性图Fig.7 Droop characteristics of DCmicgrid

如第2节所述，PET根据接口处的特征信号（交流接口频率和直流接口电压）判断交流微网和直流微网的工作状态。针对功率协调，提出混合功率下垂控制，功率传输大小由交直流微网状态共同决定。

PET中直流母线电容CL储存的能量Wdc为

忽略PET内部的开关损耗，动态过程中直流母线电容CL能量的波动值是交流接口和直流接口功率传输的差值。因此

另一方面，考虑到交流微网的ω-P下垂特性

式中kω为下垂系数。

根据式（24）和式（25），假设一个采样周期Ts内交流微网频率不变，用前向欧拉逼近法，则可得到本文提出的混合功率下垂数学表达式为

由于PET传输的功率影响交流微网的频率调节，同时影响直流微网的电压调节，所以混合功率下垂调节得到的交流频率参考值ωref和直流母线电压参考值反馈至接口的V-P和ω-P下垂控制器，得到交直dc流微网间传输的有功功率参考值Pref，如图8所示。

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

数学描述为

联合式（28）～式（30）得到

交直流微网间传输的有功功率参考值Pref通过控制VSI实现，控制框图如图9所示。有功功率通过闭环控制，得到VSI交流接口输出的有功电流参考指令，而VSI交流接口需输出的无功分量指令通过无功功率闭环控制得到，无功功率参考值Qref根据式（18）描述的V-Q下垂特性得到。再通过电流的闭环解耦控制，得到VSI的PWM调制信号，控制VSI输出。

图9　离网模式VSI控制框图Fig.9 Control block diagram of VSI in islanded mode

3　仿真分析

为验证所提运行策略及混合功率下垂控制的有效性，建立了混合微网和PET的PSCAD/EMTDC仿真模型，分析了并网和离网两种模式下PET对网络间功率协调的控制性能，仿真的部分参数如表2所示。

表2　仿真参数Tab.2 Simulation parameters

4.1并网模式仿真

PET工作于并网模式时，交直流微网运行状态如表3所示。交流负荷和直流负荷均为150 kW，交流微网中DER在0.2～0.5 s输出功率为100 kW，在0.5 s时为200 kW，并保持到1.5 s；而直流微网中DER在0.2～1.0 s时输出功率为50 kW，1.0 s时为200 kW。

1）在0.2～0.5 s时，交流微网中，交流DER输出功率100 kW，故PET交流接口还需输出功率50 kW；直流微网中，直流DER输出功率50 kW，故直流接口还需输出功率100 kW；交直流微网合计的150 kW功率缺额由输入接口从主网吸收。

2）在0.5～1.0 s时，交流微网中，交流DER输出功率200 kW，故PET交流接口吸收盈余功率50 kW；直流微网中，直流DER输出功率50 kW，故直流接口还需输出功率100 kW；交直流微网合计的50 kW功率缺额由输入接口从主网吸收。

表3　并网时各单元功率变化表Tab.3 Power of eachmodule in grid-connected mode（单位：kW）

3）在1.0～1.5 s时，交流微网中，交流DER输出功率200 kW，故PET交流接口吸收盈余功率50 kW；直流微网中，直流DER输出功率200 kW，故直流接口吸收盈余功率50 kW；交直流微网合计的100 kW功率盈余由输入接口回馈至主网。

整个仿真过程中各单元功率曲线如图10所示，从仿真波形可以看出，并网模式下，在DER功率波动时，PET能很好地完成各接口处功率转换，调节主网、交流微网和直流微网三者间的功率分配。

图10　并网模式功率曲线Fig.10 Power curve in grid-connected mode

4.2离网模式仿真

PET工作于离网模式时，交直流微网运行状态如表4所示，交流负荷和直流负荷均为150 kW，交流微网中DER在0.2～0.5 s输出功率为150 kW，在0.5 s时变为250 kW，并保持到1.0 s，1.5 s时变为50 kW；而直流微网中DER在0.2～0.5 s时输出功率为150 kW，0.5 s时变为50 kW，并保持到1.0 s，在1.5 s时变为250 kW。

表4　离网时各单元功率变化表Tab.4 power of each module in islanded mode（单位：kW）

1）在0.2～0.5 s时，交流微网中，交流DER输出功率150 kW；直流微网中，直流DER输出功率150 kW。故交直流微网都能维持自治运行，网络间无需交换功率。

2）在0.5～1.0 s时，直流微网中，直流DER输出功率50 kW，缺额功率100 kW，故需交流微网提供功率，PET交流接口吸收交流微网盈余功率100 kW，交流DER根据网络频率变化输出匹配的功率。

3）在1.0～1.5 s时，交流微网中，交流DER输出功率50 kW，缺额功率100 kW，故需直流微网提供功率，PET直流接口吸收直流微网盈余功率100 kW，直流DER根据母线电压变化输出匹配的功率。

整个动态过程中各单元功率曲线如图11所示，可以看出，离网模式下DER功率波动时，PET能快速准确的控制交直流微网间传输的功率，实现网络间能量的双向流动。

图11　离网模式功率曲线Fig.11 Power curve in islanded mode

3　结论

本文针对应用于交直流混合微网的电力电子变压器，分析了并网和离网两种运行模式，并设计了相应的运行策略。并网模式下，控制输入接口PET，使交直流混合微网看起来为“阻性负载”或“电流源”；而在输出接口处，使PET看起来为恒定的电压源。对离网模式提出混合功率下垂控制，协调交直流微网间功率，准确快速地控制功率流动。搭建了仿真分析模型，仿真结果表明在微网分布式能源功率波动情况下，PET能准确快速的调节主网、交流微网和直流微网三者间功率的流动，实现交直流混合微网的稳定运行，证明了本文所提控制策略的可靠性。

本文仅对DER功率变化的情况进行了仿真，对动态过程中交流微网频率和直流微网母线电压变化未进行深入分析，也未对DER离并网时PET和微网的稳定性进行分析，这是今后研究工作需解决的问题。

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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

兰征男，1985年生，博士研究生，研究方向为分布式发电及配网电力电子技术。（通信作者）

涂春鸣男，1976年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电能质量与控制、电力电子技术在电力系统中的应用等。

国家自然科学基金（51577055）资助项目。

2015-05-31改稿日期2015-08-29