面向微电网集群的多端口能量路由器及其分布式控制策略

郁家麟，肖龙海，胡舟，赵玉勇，聂建波，谢晔源，段军

（1.国网浙江海宁市供电有限公司，浙江海宁 314400；2.国网浙江综合能源服务有限公司，浙江杭州 310014；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102）

随着新能源发电和微电网技术的迅速发展，微电网（micro-grid，MG）的集群化问题已逐渐成为新的研究热点。微电网集群化是将邻近位置的微电网、独立的分布式电源、储能及负荷等相互连接，通过合理的协调控制策略实现多微电网之间的功率交互，提高新能源发电的利用率。在微电网集群中，各微电网可互为支撑，增大系统的等效容量，从而增强系统的抗风险能力，提高供电可靠性[1-6]。

能量路由器（energy router，ER）是微电网集群化的核心设备，它是一个开放的多端口的电力电子化能量载体，为不同的发电或用电单位提供灵活的标准化接口[6-8]。

目前，能量路由器主要有电力电子变压器结构和多端口电力电子系统结构等。文献[9]介绍了户用级微电网的常见结构，重点以多端口的共直流母线ER 为对象，总结了端口变换器的不同控制方法及系统的通信调度策略。文献[10]在综合当前ER 应用类型和现有技术基础上，设计了3层树形架构的分布式能源网络，并从配网、微电网和用户层论述了ER 系统架构、能源接入、运行控制及通信调度的技术类型及实现方式。文献[11]对能量路由器的发展现状进行了详细的论述，重点针对基于电力电子变压器的主干网ER的电路拓扑、核心指标及关键技术等进行了总结，并从功率变换和信息技术的角度分析了电能路由器的技术要求。

一般而言，基于电力电子变压器的ER 多用于主干网，而基于多端口变换系统的ER 多用于配电网或家庭微电网。本文主要针对低压配电网络，所设计的ER 为共直流母线的多端口变换器结构。

从控制方式的角度，目前的能量路由器多采用集中式控制方法。文献[12]通过分析ER 的能量模型和能量支路，从能量的角度进行ER 控制。该策略通过能量调节器控制总的级联电压，利用电流调节器控制网侧电流。其余各子单元各司其职，实现功率平衡并改善瞬态性能。文献[13]构建了共直流母线的ER 结构，并基于母线电压提出了分层协调控制策略实现功率调度，同时改善光伏控制策略切换引入的不稳定因素。文献[14]提出一种基于固态变压器的多LAN 端口ER，并从混杂系统的切换系统理论角度进行分析，将链路层控制分为三层实现功率调度。文献[15]同样采用基于电力电子变压器的ER 结构，并将控制体系分为三层：功能订制层、能量管理层和执行层。进一步分并网和离网模式分别进行控制设计，实现电能的有效管理。

一般而言，集中式控制多依赖于中央控制器通信或者邻近微电网通信，需要针对不同的微电网集群设计特定的控制策略及信道。当新单元介入或切除时，中央控制器需要识别变动并重新对系统进行评估以调整控制策略，降低了系统的灵活性和可扩展性，不利于热拔插应用。此外，单点故障的发生容易导致系统性停机，可靠性较低。

本文采用多端口变换器ER 结构构建微电网集群，同时纳入配电网（distribution network，DN）作为功率交换单元，并在此基础上提出一种无需中央控制器的分布式控制策略。各微电网仅与所连接的ER 端口通信，上报功率需求申请和紧需度，ER 端口则以直流母线电压为公共信息，自主设定折扣率，从而实现电能交易。该分布式控制策略提高了微电网集群的可靠性和灵活性，同时实现了并离网无缝切换，各微电网和大电网之间可相互支撑，在最大化利用新能源的同时，提高系统的抗风险能力。最后，通过仿真验证了本策略的有效性。

1 多端口能量路由器

本文所采用的能量路由器结构如图1 所示，其含有多个端口用于连接各邻近的微电网以及配电网。ER 的各端口均为单独的电压源型变流器（voltage source converter，VSC）[3]，所有的VSC采用共直流母线接法。连接微电网的各端口VSC 定义为VSC_#1～ VSC_#N，连接配电网的端口VSC定义为G_VSC。

本文中的各微电网均为自主子系统，可根据自身能量状态独立决定功率需求以及是否接入或切除。通信信道仅存在于各微电网MG_#1～MG_#N与ER 的端口变换器VSC_#1～VSC_#N之间。通信的内容主要包含：1）微电网的功率需求P0_#1～P0_#N；2）电能需求的紧需度h。功率需求是微电网根据内部发电曲线、储能状态及负载量等信息，通过一定的优化方法计算得出的净功率或净负荷需求。紧需度是微电网根据自身的吞吐潜力所确定的功率需求的紧要程度。这两个方面的信息由微电网传送给ER端口的VSC。

根据图1 中功率需求P0的方向，将P0>0 定义为正，对应的微电网成为“正”型微电网；相应的将P0<0定义为负，对应的微电网成为“负”型微电网。对于紧需度h，其取值范围为0≤h≤1，其中“1”表示紧需度高，需要ER 进行优先调控；“0”表示可无需ER进行功率调节，优先级放低。

图1 多端口能量路由器结构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接收到微电网的功率需求P0和紧需度h信息后，首先计算其真实功率需求：

进一步根据直流母线的状态计算得出折扣率k，将折扣后的值作为最终接受的功率，即

式中：k为端口VSC_#N所施加的折扣率，0≤k≤1。

定义“正”型微电网折扣率为kp，“负”型微电网折扣率kn。折扣率k是关于直流母线电压vDC的函数，具体的设计如图2 所示。定义直流母线电压vDC的额定值为Vrated，其正常工作的电压范围为[Vn，Vp]，最大工作范围为[Vlow，Vup]。

图2 不同类型微电网的折扣率曲线Fig.2 Discount rate k for the micro-grids

当直流母线电压vDC在[Vn，Vp]区间波动时，各微电网根据自身功率需求自由交易，无需打折；当直流母线电压vDC上升到[Vp，Vup]区间内，意味着有额外的功率注入到直流母线中，“负”型微电网功率需求不打折，而“正”型微电网功率需求进行线性折扣，直至在Vup点降为0，此时将不再有功率注入母线；当直流母线电压vDC下降到[Vlow，Vn]区间内，意味着有额外的功率从直流母线抽取，“正”型微电网功率需求不打折，而“负”型微电网功率需求进行线性折扣，直至在Vlow点降为0，此时将不再有功率从母线输出。

根据上述折扣过程，折扣率的计算公式如下：

对于“正”型微电网：

2.2 G_VSC并/离网切换及功率控制

并网端口G_VSC 将微电网集群与配电网相连通，在进行功率平衡的同时保证并/离网模式平滑切换。G_VSC 并网前首先检测电网侧电压，如果满足要求则直接闭合PCC 开关，然后启动控制算法。并网后的VSC工作在二极管整流状态，只要保证并网前直流母线电压vD高于自然整流电压，便不会出现电流冲击，实现并网过程的平滑过渡。

并网后，G_VSC的控制策略如图3所示，其基本架构为d-q-0坐标系下的双闭环整流器控制[3]。本文此基础上对电压环进行了改进，提出了基于限幅的G_VSC 控制方法，使其根据母线电压自动调整并网功率，满足微电网集群在并网条件下的相互支撑要求，提高系统的弹性和抗干扰能力。

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

首先通过文献[16-17]中的算法捕获电网电压的相位φ；然后对电感电流[ia，ib，ic]进行坐标变换得到[id，iq]，坐标变换矩阵为

进一步可在d-q-0 坐标系下设计d通道与q通道的电流闭环控制。

对于改进后的电压外环，如图3所示，其反馈通道为直流母线电压vDC，但其给定通道vref并非常数，而是同样来自vDC，中间加入了限幅环节。限幅的上限为Vp，下限为Vn，于是可以得到vref的计算公式为

电压环不采用PI控制器，仅采用比例调节器K，不存在退饱和问题。

当直流母线电压vDC在[Vn，Vp]区间波动时，电压环的给定值vref与反馈值均为vDC，二者差值为零，比例控制器的输出（）亦为零，G_VSC 不进行功率调控，各微电网进行自由交易；当直流母线电压vDC上升至[Vp，Vup]区间时，由于限幅环节的作用，电压环的给定值vref变为Vp，由于比例控制器K的作用，母线电压vDC被控制在Vp附近，此时由大电网负责吸收各微电网注入的额外功率，维持母线电压不变；当直流母线电压vDC下降至[Vn，Vlow]区间时，由于限幅环节的作用，电压环的给定值vref变为Vn，由于比例控制器K的作用，母线电压vDC被控制在Vn附近，此时由大电网注入功率，满足各微电网的用电需求，维持母线电压不变。

根据上述分析，在并网模式下，各微电网优先进行自由交易，保证电能本地消耗；当净功率或净负荷超出预定范围时，即母线电压超出[Vn，Vp]区间时，由配电网负责平抑额外功率，为微电网集群提供强有力的支撑。

当配电网发生故障，G_VSC 自主进行检测并断开PCC 开关。此时G_VSC 失去了供电电源，整流控制算法无法提供持续电能，进而退出工作。微电网集群再次进入离网状态，进行功率自平衡，离网过程平滑过渡，不存在冲击。

综上所示，本文所提出的分布式控制策略无需中央控制器进行统一调度，邻近微电网之间也不必相互通信。ER 各端口变换器VSC_#N以及G_VSC 仅根据本地信息进行控制，实现了微电网的集群化控制。

3 仿真验证

本文基于Matlab/Simulink 搭建了图1 所示的ER 系统的仿真模型，该系统具有四个端口，其中VSC_#1～VSC_#3 连接微电网，G_VSC 连接配电网，每个端口加入了隔离变压器。此外，每个端口加入了一定的线路阻抗，模拟不同的连接线长度。

具体的参数设定为：Vlow=650 V，Vn=700 V，Vrared=750 V，Vp=800 V，Vup=850 V。设计的直流母线电容为3 F。根据以上参数和式（3）、式（4）可计算得到不同类型微电网的折扣率kp和kn。

仿真总时长设计为20 s，其中微电网MG_#1为“正”型，功率需求为P0_#1=50 kW；微电网MG_#2为“负”型，功率需求为P0_#2=-50 kW；微电网MG_#3在0～10 s期间为“正”型，功率需求为P0_#3=50 kW，在10～20 s 期间为“负”型，功率需求为P0_#3=-70 kW。，三个微电网的功率紧需度均设为h=1。初始母线电压设定为vDC=Vn=700 V，在0～10 s 期间ER 的净功率为50 kW，直流母线电压将持续上升，在10～20 s 期间ER 的净功率为-70 kW，直流母线电压将下降。

3.1 并网模式

首先在并网模式下进行仿真验证，结果如图4 所示，子图分别为直流母线电压vDC以及各微电网的实际功率输出情况。图4a 中，母线电压vDC从0 s 开始上升，到4.4 s 达到800 V 并维持不变；10 s 时刻，母线电压开始下降，到13.3 s 达到700 V并维持不变。可以看出，在并网模式下，母线电压被控制在[Vn，Vp]区间，折扣机制并不会发挥作用，各微电网的实际输出功率与功率申请相等，意味着ER 可满足各微电网的全部功率需求，净功率或净负荷由配电网补偿。

图4 并网模式运行结果Fig.4 Performances of the MGs in the ER system under grid⁃connected mode

G_VSC的运行结果如图5所示。

图5 G_VSC的运行结果Fig.5 Performances of the G_VSC

如图5 所示，当母线电压vDC在4.4 s左右达到Vp时，G_VSC开始发挥作用，将系统的净功率Pgrid=-50 kW 输出到配电网；当母线电压vDC在13.3 s左右降至Vn时，G_VSC 从配电网吸收Pgrid=70 kW 的功率，支撑系统内的微电网运行。从图5b中可以看到G_VSC 电流变化的包络线，显示出了良好的跟踪效果。

3.2 离网模式

在离网模式下的仿真结果如图6 所示。图6中，母线电压vDC在4.3 s 达到800 V 并继续上升到825 V；vDC从10 s 开始下降，在13.8 s 左右降至700 V，并继续下降到675 V。根据所设计的电压区间，此变化过程共经历了“自由交易Ⅰ—折扣Ⅰ—自由交易Ⅱ—折扣Ⅱ”四个阶段。

图6 离网模式运行结果Fig.6 Performances of the MGs in the ER system under islanded mode

1）自由交易Ⅰ：从0～4.3 s 期间，母线电压上升但未超过Vp，各微电网按申请额与ER 进行功率交换；

2）折扣Ⅰ：从4.3 s 到10.8 s，母线电压上升至825 V 又回落到Vp，期间“正”型微电网MG_#1和MG_#3的功率输出被线性降额；“负”型微电网MG_#2保持P#2=-50 kW的输出；

3）自由交易Ⅱ：从10.8 s到13.8 s母线电压进一步下降但未超过Vn，各微电网按申请额与ER进行功率交换；

4）折扣Ⅱ：从13.8 s 到20 s，母线电压下降Vn并进一步降至625 V。期间“正”型微电网MG_#1保持P#2=50 kW 的输出，“负”型微电网MG_#2 和MG_#3的功率输出被线性打折。

4 结论

重点利用多端口能量路由器解决微电网的集群化问题。为了使各微电网及配电网可通过交换功率提供相互支撑，同时保证系统的可靠性和“即插即用”的灵活性，提出了一种无需中央控制器的分布式控制策略。该策略中，能量路由器各端口分别与所连接微电网通信，根据母线电压自主决定功率传输量。仿真结果表明，该策略有效实现了系统高效集成，为微电网集群的发展提供了一定的理论支撑，具有实际的应用价值和理论价值。