基于储能型柔性多状态开关的直流微电网与交流配电网柔性互联策略

杨万里，涂春鸣，兰 征，2，肖 凡，郭 祺，王 鑫

（1. 湖南大学 国家电能变换与控制工程研究中心，湖南 长沙410082；2. 湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲412007）

0 引言

随着光伏、风电等间歇性分布式电源的高渗透率接入和电动汽车等多元负荷的广泛应用，配电网的经济、可靠运行正面临新的挑战［1］，实现配电网柔性互联已经成为配电网未来发展的必然趋势［2-3］。

柔性多状态开关（FMSS）作为一种新型电力电子装备，具有调控方式灵活、调控速度快等诸多优势［4］，能够满足多场景应用需求（如分布式电源和多元负荷的广泛接入等），被视为配电网柔性互联的关键配电装备。由于直流型分布式电源和负荷的日益增多，将直流微电网与交流配电网进行互联形成交直流混合电网的优势逐渐突显，其不仅可为交流配电网提供功率支撑，还能省去大量交直流变换环节，降低系统运行成本和功率损耗，提高配电网整体运行的经济性和可靠性［5］。从当前FMSS 拓扑研究而言，背靠背拓扑型FMSS 作为一种典型拓扑受到了国内外学者的广泛关注［6-7］，其共直流母线结构便于直流型分布式电源和负荷的灵活接入，是一种实现直流微电网与交流配电网互联的理想方式，非常适用于新能源产业园区、产业集聚区等中低压交直流混合电网互联的应用场景。

当前，国内外学者对FMSS 的控制策略展开了大量研究。文献［8］提出一种馈线故障下的FMSS平滑切换策略；文献［9］提出一种基于三端口FMSS抑制馈线电压波动的局部控制策略；文献［10］提出一种实现功率和电能质量调控的FMSS 多端口协调控制策略。文献［8-10］所提控制策略虽然通过FMSS较好地实现不同的应用需求，但该策略需要在并／离网切换时切换控制策略，增加了控制的复杂性。为此，文献［11］提出了一种FMSS 的改进型下垂控制，但其下垂系数易受电网功率波动影响，文献［12］提出了一种FMSS 的下垂控制，较好地实现了馈线负荷均衡。虽然上述文献所提FMSS 控制策略都取得了一定的控制效果，但大多属于“刚性”的变流控制策略，系统惯性和阻尼不足，缺乏与交流配电网融合的柔性互联机制，难以实现直流微电网与交流配电网的柔性互联。

为提升交流变换器的惯性和阻尼，文献［13］提出了使并网逆变器全面模拟同步发电机惯性和阻尼特性的虚拟同步发电机技术，经过多年发展，目前虚拟同步发电机技术已经广泛应用于光伏、风机等并网变换器控制［14-15］，但大多针对单个变换器控制；文献［16］提出基于虚拟同步发电机技术的固态变压器控制，但其应用场景及运行模式难以适用于FMSS。此外，借鉴虚拟同步发电机技术的研究思路，为使直流变换器具备惯性和阻尼，虚拟直流电机控制技术也应运而生［17］，文献［18-19］分别提出了基于虚拟直流电机的直流微电网变换器控制和风储直流微电网控制，增强了直流电压的稳定性，但其与虚拟同步发电机技术融合控制的文献较少。必要的能量支撑是FMSS 具备惯性和阻尼特性的前提和基础［20］，文献［21］指出储能型FMSS（E-FMSS）较FMSS 在调控灵活性、抗扰能力、调度控制能力等方面更具优势。因此，将虚拟电机技术应用于E-FMSS进行直流微电网与交流配电网的柔性互联将更具优越性和现实可行性。

本文提出一种基于E-FMSS 的直流微电网与交流配电网柔性互联策略，交直流端口统一采用虚拟电机控制，通过模拟电机的惯性和阻尼特性，使得E-FMSS交直流端口呈现柔性特性，同时针对馈线负荷不均衡问题提出一种考虑直流微电网功率交互的负荷均衡策略。所提策略降低了直流微电网功率波动对交流配电网的冲击，增强了直流母线电压的稳定性，实现了馈线负荷均衡和多模式及模式间切换运行，且能主动调节端口的有功和无功功率，响应交流配电网调频调压。仿真结果验证了所提柔性互联方法的正确性和有效性，为FMSS 的运行控制及直流微电网接入配电网的研究提供了一种新的应用场景和研究思路。

1 E-FMSS拓扑结构及运行模式

1.1 E-FMSS拓扑结构

图1 为基于E-FMSS 的直流微电网与交流配电网柔性互联拓扑结构。图中，C为直流电容；Udc为E-FMSS 直流端口电压。E-FMSS 交流端口分别通过变压器T1、T2接入2 个交流配电网馈线末端，直流微电网接入通过直流母线E-FMSS 直流端口，光伏、风机等分布式电源通过DC／DC 变换器接入直流母线，同时直流母线通过DC／DC 变换器可为不同电压等级的直流负荷供电。

图1 基于E-FMSS的直流微电网与交流配电网柔性互联拓扑结构Fig.1 Topology structure of flexible interconnection between DC microgrid and AC distribution grid based on E-FMSS

E-FMSS 由背靠背变换器、储能双向变换器通过公共直流母线级联组成，具体拓扑见附录A 图A1。储能单元极大改善了FMSS 的运行惯性，增强了FMSS 对暂态扰动及复杂运行工况的适应性和调控灵活性。通过E-FMSS 进行直流微电网与交流配电网的柔性互联，有利于更好地实现分布式电源消纳，提升配电系统运行的经济性、供电可靠性和灵活性。

1.2 E-FMSS运行模式

实际运行中要求直流微电网既能够与交流配电网联网运行，又能够以孤岛模式运行。根据直流微电网的运行方式与交流配电网的运行状态，当直流微电网联网运行时，通过E-FMSS与交流配电网柔性互联可进行潮流双向传输；当直流微电网孤岛运行时，直流微电网与交流配电网无潮流交互。为此，本文将E-FMSS的运行模式分为馈线柔性互联模式、负荷转供模式与自治模式3种。

馈线柔性互联模式下，直流微电网通过E-FMSS与2 个交流配电网联网运行，E-FMSS 通过检测交直流电网运行状态，在其容量范围内控制功率在交直流电网间双向传输，储能单元维持直流母线电压稳定，各单元功率传输情况见附录A 图A2（a）。当直流微电网出现功率缺额时，E-FMSS为其提供缺额功率，维持直流微电网功率平衡；当直流微电网出现功率盈余时，自由或响应调度指令为交流配电网提供功率支撑，使E-FMSS 参与交流配电网调频调压、馈线负荷均衡及分布式电源消纳。

负荷转供模式下，某一交流配电网发生故障，直流微电网调度运行，将其看作虚拟电厂，E-FMSS 响应上级调度指令并在其容量范围内调控功率维持故障馈线负荷的不间断供电，各单元功率传输情况见附录A 图A2（b）。上级调度策略需要统筹考虑故障与非故障馈线负载状态、直流微电网运行状态及其功率盈或缺额情况，本文仅讨论E-FMSS在该模式下的响应控制策略。

自治模式下，交直流电网同时发生故障，线路保护动作隔离交直流电网故障，E-FMSS响应调度指令由储能为重要馈线负荷提供短时应急供电，各单元功率传输情况见附录A 图A2（c）。供电时间及供电能力需要考虑储能容量配置，本文仅讨论E-FMSS在该模式下的响应控制策略。

2 柔性互联策略

为通过本文所提E-FMSS 实现直流微电网与交流配电网的柔性互联，分别使其交流端口和直流端口表现为同步电机和直流电机的外特性，交流端口采用虚拟同步电机控制，直流端口采用虚拟直流电机控制，融合成统一虚拟电机控制，提升了交直流电网连接的柔性，降低了功率交互对电网的冲击，增强了直流母线电压的惯性和稳定性，兼顾交流电网调频调压功能。

2.1 交流端口VSG控制

E-FMSS 交流端口采用如附录B 图B1 所示虚拟同步电机控制，其目的是使交流端口在输出功率时外特性表现为同步发电机，吸收功率时外特性表现为同步电动机，提升与交流配电网连接的柔性，降低对电网的冲击，增强电网频率和电压的稳定性［22］。一般地，同步电机的转子运动方程为：

其中，J为同步电机的转动惯量；D为阻尼系数；θ、ω分别为同步电机的相位和角速度；t为时间；ω0为电网额定角速度；Tm、Te分别为同步电机的机械转矩和电磁转矩，Tm=Pm/ω，Te=Pe/ω，Pm、Pe分别为同步电机的机械功率和电磁功率。将式（1）转换为功率与角速度之间的关系式，即：

实际控制系统中，Pm、Pe分别表示交流端口有功功率指令值、实际值，设Pm>0 表示端口吸收有功功率并传输至该侧交流配电网，Pm<0表示交流配电网向该侧端口发出有功功率。当E-FMSS 运行在不同模式时，Pm的取值将发生如下变化。

（1）馈线柔性互联模式下，当直流微电网自由运行时，考虑馈线负荷均衡和交流电网频率稳定，根据直流微电网盈余或缺额功率ΔPdc的情况，Pm由馈线负荷均衡调控功率和频率响应调节功率2 个部分组成；当直流微电网调度运行时，E-FMSS 响应上级调度指令Pset1，即Pm=Pset1。

（2）负荷转供模式下，直流微电网调度运行，E-FMSS响应上级调度指令Pset2，即Pm=Pset2。

（3）自治模式下，Pm由储能单元放电情况及应急供带负荷状态共同决定。设Paci（i=1，2）为交流配电网馈线功率，PVSCi为E-FMSS 交流端口功率，PaLi为馈线负荷功率。为了实现馈线柔性互联模式下的馈线负荷均衡，提出如下负荷均衡策略：

其中，P′aLi为馈线i的等效均衡馈线负荷功率。ΔPdc>0表示E-FMSS 消纳直流微电网的盈余功率，此时式（3）中“±”取“-”，P′aLi减小；反之取“+”，P′aLi增大。当PaLi>P′aLi时，PVSCi>0，即馈线i相对重载，E-FMSS 输出功率；反之馈线i相对轻载，E-FMSS吸收功率。需要指出的是，该策略不仅适用于2 条馈线负荷均衡调控，还适用于多条馈线柔性互联的负荷均衡调控，直流微电网功率盈余时负荷均衡调控的潮流分布见附录B图B2。

频率响应调节功率ΔPf为：

其中，f为交流端口输出电压频率；f0为电网额定频率；kf为调频系数。

根据同步电机无功电压调节方程，可得交流端口电动势E为：

其中，Q*、Qe分别为无功功率指令值、实际值；U为交流端口电压有效值；U0为电网电压额定有效值；kQP、kQI分别为无功调节比例和积分系数；kv为调压系数。当电网电压波动时，E-FMSS可根据交流端口电压和无功功率偏差为交流配电网提供必要的无功功率支撑。

根据式（1）、（5）可得交流端口输出电压eabc为：

其中，uabc为交流配电网电压。最后采用基于比例谐振控制的电流闭环控制对交流端口电流指令信号进行精确跟踪，实现对交流侧电流的高精度控制。

2.2 直流端口虚拟直流电机控制

E-FMSS 直流端口采用如附录B 图B3 所示虚拟直流电机控制，目的是使直流母线电压在交直流电网功率交互时其外特性表现为直流电机的惯性和阻尼特性，实现与直流微电网间的柔性互联，抑制扰动对直流母线电压的冲击，增强直流母线电压的惯性和稳定性［17］。

与虚拟同步电机控制类似，一般地，直流电机的转子运动方程为：

其中，Jd、Dd分别为直流电机的转动惯量、阻尼系数；ωd为直流电机角速度；Tdm、Tde分别为直流电机机械转矩和电磁转矩，Tdm=Pdm/ωd，Tde=Pde/ωd，Pdm、Pde分别为直流电机机械功率和电磁功率。

直流电机电枢回路的电动势平衡方程为：

其中，Ed、Id分别为直流电机的电枢电压和电枢电流；CT为转矩系数；ϕ为磁通；Ra为电枢电阻。设Pde=EdId，CTϕ=5.1［22］。交直流电网在功率交互过程中会引起Udc波动，其本质原因是E-FMSS 交直流端口功率变化不一致导致不平衡功率ΔP在电容积聚，忽略E-FMSS内部的开关损耗，该部分能量EC为：

由式（10）可知，EC与Udc之间存在非线性关系，控制EC即可实现直流母线电压稳定。因此，虚拟直流电机控制外环有功功率指令Pdm为：

根据式（11）可得直流端口功率指令Pdm，然后将其经过虚拟直流电机控制得到直流端口电流指令信号I∗d，采用电流闭环比例积分控制进行电流跟踪，进而实现对直流侧电流的高精度控制。

需要指出的是，与将直流母线电压作为外环控制量相比，本文采用电容储能作为控制量更能反映其电压波动本质，而且在相同电压波动差值下，电容储能控制能提供更大的功率支撑，更好地抑制电压波动。

3 仿真验证与分析

为验证所提基于所提策略的正确性和有效性，搭建图1 所示系统的MATLAB／Simulink 仿真模型，仿真系统参数见附录C表C1。

3.1 多模式运行及切换特性仿真

为分析E-FMSS在不同运行模式及切换特性，设计系统仿真方案如下：①初始运行时系统运行于柔性互联运行模式，直流微电网自由运行，交流配电网向直流微电网传输功率10 kW，0.3 s 时，直流微电网切换为调度运行，响应交流配电网“削峰填谷”指令，反向传输功率14 kW；②0.5 s时，交流配电网2故障，系统切换为负荷转供运行模式，直流微电网向交流配电网传输功率20 kW；③0.7 s 时，系统切换为自治运行模式，由储能单元为部分重要负荷提供短时应急供电。

图2 E-FMSS多模式运行及切换特性Fig.2 Multi-mode operation and switching characteristics of E-FMSS

图2 给出了系统多模式运行及切换过程中交流端口功率PVSC、馈线功率Pac、储能充放电功率Pb和直流母线电压Udc的仿真波形。在0.3 s 传输功率反向时，交流端口功率PVSC1和PVSC2并非阶跃变化而是缓慢变化的，这体现了虚拟电机控制的惯性和阻尼能够抑制功率波动。此外，在0.5 s 和0.7 s 时由于交流配电网突然故障导致端口功率出现短时突变，但能迅速恢复稳定，这也体现了虚拟电机控制的惯性和阻尼对电网故障冲击的抑制作用。

在整个过程中，储能单元始终维持直流母线电压稳定，并为功率交互提供必要的功率缓冲以维持系统功率平衡。从Pac的波形可以看出，在馈线互联模式时，两馈线功率Pac1=Pac2，表明所提负荷均衡策略能够实现馈线负荷均衡。从Pb的波形可以看出，在0.5 s 切换为负荷转供模式时，储能提供了10 kW的功率支撑，在0.7 s 切换为自治模式时，储能为部分重要负荷提供了短时应急供电。从Udc的波形可以看出，直流母线电压始终保持稳定，传输功率变化、电网故障等外在扰动仅造成母线电压的轻微波动，这表明虚拟电机控制的惯性和阻尼能够增强直流母线电压的稳定性。

图3 分别给出了虚拟同步电机控制和虚拟直流电机控制的机械转矩、电磁转矩波形。在虚拟同步电机控制中，由于功率指令切换的突变性以及功率响应的滞后性，因此在0.3、0.5、0.7 s 时，Te在跟踪Tm时存在较大的偏差，但经过短时调整能够准确跟踪Tm。在虚拟直流电机控制中，Tde始终能够准确跟踪Tdm。不难得出，虚拟同步电机控制和虚拟直流电机控制均能很好跟踪机械转矩，E-FMSS采用虚拟电机控制具有良好的功率跟踪性能。

图3 虚拟电机的机械和电磁转矩Fig.3 Mechanical and electromagnetic torque of virtual machines

3.2 直流母线电压稳定性仿真

为分析直流微电网中分布式电源及直流负荷波动时E-FMSS 的直流端口特性，设计系统仿真方案：初始状态下，直流负荷功率PdL=10 kW，光伏输出功率Ppv=5 kW，风机输出功率Pwt=9 kW，0.2 s 时光伏输出功率跃升至9 kW，0.4 s 时光伏输出功率跃升至10 kW，风机输出功率跌落至4 kW，0.6 s时直流负荷增加4 kW，0.8 s时风机脱网。

图4 为整个动态过程Ppv、Pwt、PdL、PVSC、Pac、Pb和Udc的仿真波形。从图中可以看出，E-FMSS 储能单元能够根据直流母线电压的波动调节输出功率，母线电压上升时，储能功率增加，母线电压下降时，储能功率减少，功率调节方向与母线电压变化的方向相反，很好地模拟了直流电机的外特性，这表明虚拟直流电机的惯性和阻尼增强了直流母线电压的稳定性，直流微电网在负荷投切，光伏、风机等分布式电源出力波动时，直流母线电压都能保持稳定。此外，从PVSC和Pac的波形不难看出，E-FMSS交流端口功率和馈线功率跟随交直流交互功率变化而平稳变化，馈线负荷始终保持均衡，这也说明通过E-FMSS直流微电网能较好与交流配电网进行柔性互联。

图4 直流微电网扰动下的直流母线电压稳定特性Fig.4 Stability characteristics of DC bus voltage under disturbance of DC microgrid

3.3 交流端口功率特性仿真

为分析交流配电网波动时E-FMSS 交流端口功率特性，验证在交流配电网波动过程中E-FMSS具备支撑电网电压和频率的主动有功和无功功率调节能力，设计如下系统仿真方案：①0.2 s 时，进行有功功率调节，交流配电网1 频率f1出现波动，频率下降，0.4 s 时，交流配电网2 频率f2出现波动，频率上升；②0.2 s 时，进行无功功率调节，交流配电网1 电压u1abc出现波动，电压暂升，0.4 s时，交流配电网2电压u2abc出现波动，电压暂降。

图5 给出了电网频率波动过程中的仿真波形。从PVSC的波形可以看出，在交流配电网频率下降或上升时，E-FMSS 交流端口有功功率增加或减小，在频率恢复后端口功率恢复稳定，调频功率大小由调频系数kf决定，这表明在电网频率波动时，E-FMSS能够主动调节有功功率响应电网频率变化，为电网频率调节提供功率支撑。从Pb和Udc的波形可以看出，储能单元能够根据直流母线电压波动调节输出功率，母线电压下降时储能放电，母线电压上升时储能充电，这表明储能单元能够在稳定直流母线电压的同时响应有功功率调节，增强E-FMSS参与电网频率调节的能力，提升E-FMSS功率调节的灵活性。

图5 E-FMSS有功功率调节Fig.5 Active power regulation of E-FMSS

图6 为2 个交流配电网电压u1abc、u2abc波动过程（0.2 s 时u1abc的电压暂升20%，0.4 s 时u2abc的电压暂降20%），以及E-FMSS 2 个交流端口的无功功率QVSC1和QVSC2仿真波形。从QVSC1和QVSC2波形可以看出，在交流配电网电压暂升或暂降时，E-FMSS 交流端口吸收或发出无功功率，这表明在电网电压波动时，E-FMSS能够主动调节无功功率响应电网电压的变化，为电网电压调节提供功率支撑。并且在电压恢复后端口功率需经过短时功率振荡过程后才能恢复稳定，这体现了E-FMSS采用虚拟电机控制后具备良好的阻尼特性。

图6 E-FMSS无功功率调节Fig.6 Reactive power regulation of E-FMSS

4 结论

随着高渗透率可再生能源接入及高可靠供电等应用需求日渐强烈，配电网柔性互联已成为未来提升配电网系统运行的经济性、可靠性和灵活性的必然趋势。本文融合直流微电网的自身优势和储能型柔性多状态开关的调控灵活性，提出基于储能型柔性多状态开关的直流微电网与交流配电网柔性互联策略，交直流端口统一采用虚拟电机控制模拟电机的阻尼和惯性特性，使直流微电网与交流配电网呈现柔性互联特性。通过仿真验证了所提策略的正确性和有效性，得出如下结论。

（1）E-FMSS 能够实现多模式及模式间切换运行，并能根据所提负荷均衡策略在馈线互联过程中保持馈线负荷均衡，具备良好的调控灵活性。

（2）E-FMSS 模拟电机的惯性和阻尼，避免了交直流交互功率阶跃变化，降低了多模式运行及切换、直流微电网功率波动等复杂工况对交流配电网的冲击，增强了直流母线电压的稳定性，提升了直流微电网与交流配电网互联的柔性。

（3）E-FMSS 能够主动调节端口有功和无功功率，响应交流电网频率和电压的变化，为交流电网调频调压提供一定的功率支撑。同时，储能单元根据直流母线电压波动配合E-FMSS调节端口功率，使直流微电网和交流配电网互为功率支撑。

本文侧重于将所提策略应用于E-FMSS 进行交直流电网互联并验证其正确性和有效性，在转动惯量和阻尼参数的参数选取方面还需要展开深入研究。需要指出的是，转动惯量和阻尼系数的选取受E-FMSS与储能单元的容量、响应时间等诸多因素影响，需综合权衡，参数的取值将直接影响E-FMSS 端口的惯性和阻尼特性，进而影响柔性多状态开关的运行和调控性能。后续将开展转动惯量和阻尼系数选取的影响因素、不同转动惯量和阻尼系数对柔性多状态开关运行和调控性能的影响规律以及参数适应性等研究工作。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。