摘要：点状网络具有高供电可靠性且有利于分布式能源消纳的特点，但现有结构及其控制与保护方法限制了其进一步发展。文中基于点状网络多源并供优势与交直流混联思想的结合，提出了交直流混合点状网络结构，并给出了典型工作场景下的网络运行模态。针对不同运行模态下的能量动态平衡关系，提出了基于总体缺额功率的变流器统一控制策略，实现了不同运行模态及其切换过程中的变流器统一控制。最后，通过仿真分析验证了所提结构与统一控制策略的有效性。
关键词：交直流混合点状网络;拓扑结构;运行模态;统一控制策略
0 引言
随着能源与环境问题的日益突出以及社会经济的不断发展，电力系统尤其配电系统面临着新的挑战 ，分 布 式 能 源(distributed energy resource，DER)友好接纳和供电可靠性提高等问题亟待突破[1]。点状网络结构中，多路中压进线互为备用，可靠性与灵活性高，且有利于低压侧 DER 接入，已在美国多地获得广泛应用[2]。微电网是一种 DER 友好接纳的配电形式，但现有拓扑结构仅考虑与低压交流公用电网单联络的情况，没有涉及点状网络中多源馈入的场景[3]。将交直流混合配电思想与点状网络结构特点相结合，并考虑不同类型 DER 与多元负荷接入要求，研究交直流混合点状网络新型结构、运行模态及其控制策略具有重要的现实意义。
传统点状网络结构及其保护控制方法存在诸多不足，限制了其进一步应用与发展。文献[4]提出了点状网络低压母线分段并利用循环功率控制器均衡进线功率的方法，但没有涉及直流环节。文献[5]从微电网的基本概念、组成及其与大电网的关系出发，对微电网研究的相关关键技术做了梳理。文献[6]结合上虞交直流混合多母线微电网示范工程，针对 4 种交直流微电网典型运行模式以及 12 种模式切换场景，提出了协调控制与模式切换策略，实现多机均流、电压频率恢复和运行模式切换控制。文献[7-9]综合考虑 DER 出力特性与双向 AC/DC 变流器功率限制，提出了 P/Q 控制模式下的鲁棒实时优化及协调控制策略，提高了可再生能源发电利用效率以及系统运行的经济性与鲁棒性。文献[10-12]针对交直流侧的下垂控制方法，通过补偿等手段改进下垂系数，实现了交直流侧功率的合理分配，提高交直流母线电压质量。文献[13-15]研究了下垂控制方式下的微电网小扰动稳定问题，在保证系统稳定的基础上，实现微电网内 DER出力的合理分配。文献[16]提出了自由控制模式与强制控制模式相结合的微电网双模式分布式控制策略，分析了该方法在微电网不同运行场景下多时间尺度的调节效果。微电网并网与离网运行模式之间的平滑切换控制，对提高系统运行稳定性与可靠性至关重要[17]。文献[18-19]提出了直流微电网与多机运行下微电网的并网/离网不同模态下的统一控制方法。文献[20]提出了基于本地测量的微电网控制方法，实现了并网与离网状态下的统一控制。文献[21-22]分别分析了微电 网 主 从 控 制 与 基 于 虚 拟 同 步 发 电 机(virtual synchronous generator，VSG)的无差控制，并对该控制方法下的系统稳定性进行了分析。上述分析没有涉及点状网络中多路进线互为备用，即多源馈入的场景。
本文综合点状网络与交直流混合微电网的特点，提出了交直流混合点状网络结构，分析了典型工作场景下的网络运行模态及其能量动态平衡关系，并提出了基于总体缺额功率的变流器统一控制策略。在实现功率传输的同时，满足直流侧电压与交流侧频率的稳定，能够实现多模态稳定运行与不同模 态 切 换 下 的 统 一 控 制 。 在 MATLAB/Simulink 中，搭建了交直流混合点状网络的仿真模型，并针对不同场景下的各种运行模态稳定运行及切换过程的统一控制策略进行了仿真分析，验证了所提结构和控制策略的有效性。
1 交直流混合点状网络拓扑结构及其运行模态
1. 1 交直流混合点状网络结构
低压多源并供点状网络，简称点状网络，是一种特殊的低压配电结构[4]。如图 1 所示，来自同一变电站不同母线甚至 2 个不同变电站的多路中压馈线(一般为 3 至 8 路)采用线路-变压器单元接线方式，直接在低压母线上并联供电。
该供电模式下多路进线互为备用，是公认的可靠性较高且灵活性较强的供电方式[23]，主要用于供电质量要求苛刻且负荷密度较大的地区。目前，美国已有 350 多个城市采用了该低压配电模式[2]。点状网络中，所有电源和负荷都通过低压母线集中接入，其结构有利于 DER 的接入控制与能量的就地消纳。但是，低压侧没有设置直流环节，直流输出的 DER 与直流负荷必须通过相应的变流器接入，其能量转换效率与运行灵活性均受到一定制约。另外，由于缺乏有效的潮流主动控制措施，传统控制手段难以满足 DER 高度渗透点状网络的随机潮流控制要求。
交直流混合微电网集成了交流微电网和直流微电网各自优点，可根据不同的 DER 类型与多元负荷需求分别接入直流微电网和交流微电网，但其仅考虑与公用电网单联络的情况，没有涉及交流侧多源并供的场景。
因此，将点状网络结构与交直流混合微电网结构相结合，构建交直流混合点状网络结构，可在保证供电可靠性的基础上，有效提高 DER 消纳能力，其拓扑结构如图 2 所示。根据分区供电原则，点状网络所有中压进线通常来自 2 个变电站或 2 条母线，可依据进线来源总体分为 2 组，相互之间不会存在大的环流[4]。因此交流侧多路进线可等效为 2 路交流进线，直流侧等效为 1 个直流子网，不同类型 DER 与多元负荷根据接口特点分别接入两侧交流子网与直流子网。中央控制器根据整个系统实时运行状态确定不同位置变流器的稳定控制目标，变流器则按照给定目标及就地信息实现功率的双向传输。该系统由多个供电单元供电，冗余性较强，进一步提高了供电可靠性与 DER 接纳能力。
1. 2 交直流混合点状网络运行模态及其能量平衡关系
交直流混合点状网络中，连接交直流母线的双向变流器通过控制 2 个交流子网与直流子网间传输的功率值，稳定交流侧频率和直流侧电压。交直流混合点状网络依据 2 个双向 AC/DC 变流器的状态与交流侧并网情况可分为两侧交流子网并网、一侧交流子网并网和两侧交流子网离网这 3 种稳态运行模式，如表 1 所示。
1)两侧交流子网并网运行模态下的功率平衡关系
当直流侧负荷轻载，即直流侧 DER 功率供过于求时，直流母线通过变流器向两侧交流母线传送功率，此时两变流器均处于逆变状态。
当直流侧负荷重载，即直流侧电网功率供不应求时，两侧交流母线通过变流器向直流母线传送功率，此时 2 个变流器均处于整流状态，其功率平衡关系如式(1)所示。
2 交 直 流 混 合 点 状 网 络 变 流 器 统 一 控 制策略
在交直流混合微电网中，变流器通过控制直流侧电压与交流侧频率维持配电网络功率平衡与稳定运行。文献[24]提到双向下垂控制方法，将交流侧有功功率-频率下垂特性和直流流侧有功功率-电压下垂特性通过式(4)和式(5)标幺化处理后进行比较，当两者的标幺值相等时，交流子网与直流子网进入稳定状态。
同时，两者的差值大小决定了变流器向功率缺额侧传输功率的大小，采用双向下垂控制能保证能量总是流向负荷功率缺额的一侧，从而实现交直流微电网内部的功率平衡。文献[25]根据微电网特征量的变化提出一种分段协调控制，在不同的控制段中，协调各变流器的控制方式。在功率无法消纳时进行功率限幅，使系统在不同工况下都能稳定运行。本文提出基于总体缺额功率的控制策略，根据交直流两侧功率的计算进行功率的分配与协调，通过利用光伏出力、直流侧电压与交流侧频率等特征值分别计算得出变流器 1 需要传输的有功功率 P1 和变流器 2 需要传输的有功功率 P2。
3 仿真分析
为验证本文所给出的适于交直流混合点状网络拓扑结构下各运行模态的变流器统一控制策略，在 MATLAB 中搭建了交直流混合点状网络模型，中压馈线等效为 2 组，分别为交流子网 1 和交流子网 2 供电，如图 5 所示。
设直流母线额定电压为 750 V，直流侧光伏单元的初始出力为 120 kW，2 个交流侧电网的额定频率为 50 Hz，滤波电感值为 8 mH，仿真参数如附录 A 表 A1 所示。
1)两侧交流子网并网运行模态
当 t = 0~1 s 时，光伏出力约为 120 kW，线路处于两端并网状态，各交直流子网负荷正常运行，光伏出力足够支撑直流负荷。当 t = 1~2 s 时，光伏出力由 120 kW 逐渐降为零，变流器由逆变状态转为整流状态 ，来 自 交 流 母 线 侧 的 功 率 上 升 ，使 得 网 损 增大 ，2 个交流侧的电压幅值随之下降。当 t = 2~3 s 时，光伏出力为零，所有交直流负荷由交流母线提供功率。当 t = 3~4 s 时，光伏出力由零逐渐增加至 120 kW，变流器由整流状态变为逆变状态，来自交流母线侧的功率下降，使得网损减小，2 个交流侧的电压幅值随之上升，如附录 A 图 A1 所示。在该模态光伏波动的扰动过程中，附录 A 图 A2 所示的直流侧电压稳定在 750 V 左右，附录 A 图 A3 所示的 2 个交流侧频率稳定在 50 Hz 左右，在附录 A 图 A4 所示的光伏输出功率变化过程中，多余或缺额的功率由上级电网消纳或提供支撑，实现了 DER 的友好接入与系统的稳定运行。
2)一侧交流子网并网运行模态及其切换过程
当 t = 0~1 s 时，线路处于两端并网状态，光伏出力约 120 kW。当 t = 1 s 时，交流子网 1 脱网，光伏出力约为 120 kW，该侧缺额功率由直流侧与交流子网 2 提供，光伏出力足额，2 个变流器均处于逆变状态。当t= 2 s时，光伏出力由120 kW突降至80 kW，交流子网 2 侧的母线向交流子网 2 侧的负荷传输的功率增多，其网损增大，交流子网 2 侧的负荷端电压随之下降。当 t = 3 s 时，光伏出力由 80 kW 突增至 120 kW，交流子网 2 侧的母线向交流子网 2 侧的负荷传输的功率减少，其网损降低，交流子网 2 侧的负荷端电压随之升高，如附录 B 图 B1 所示。在模态切换及光伏波动的扰动过程中，附录 B 图 B2 所示的直流 侧 电 压 稳 定 在 750 V 左 右 ，附 录 B 图 B3 所 示 的 2 个交流侧频率稳定在 50 Hz 左右，附录 B 图 B4 所示的光伏输出功率的变化过程中，多余或缺额的功率由上级电网消纳或支撑，实现了 DER 的友好接入与系统面对模态切换与扰动时的稳定运行。
3)两侧交流子网离网运行模态及其切换过程
当 t = 0~1 s 时，线路处于一侧交流子网并网运行模态光伏出力约为 120 kW。当 t = 1 s 时，交流子网 2 脱网，2 个交流侧功率缺额由直流侧提供。由于光伏出力高于线路所需功率，直流侧电压升至 770 V。当 t = 2 s 时，光伏出力升至 130 kW，直流侧电压继续升高，至 800 V 时触发电压反馈的 MPPT-升压控制，使得直流侧电压保持在 800 V 左右，可见该调节过程十分平滑，无明显冲击现象。若控制方式为定电压控制，则会产生较大冲击，2 个变流器均处于逆变状态。当 t = 3 s 时，光伏出力振荡式下降，直流侧电压随之降低，低于下限时，触发负荷控制系统，将部分负荷切除，直流侧电压恢复至正常区间。在模态切换及光伏波动的扰动过程中，各特征量的变化曲 线 如 附 录 C 图 C1 至 图 C4 所 示 ，电 压 反 馈 的 MPPT 控制和切换定电压控制方式下的直流侧电压变化曲线对比如附录 C 图 C5 至图 C6 所示。
上述仿真涵盖了点状网络双端系统在各运行模态不同扰动情况及模态间切换过程的运行情况，仿真结果表明：不同的光伏出力条件下，在两侧交流子网并网、一侧交流子网并网和两侧交流子网离网的运行模态中，本文给出的基于总体缺额功率变流器统一控制策略，系统均可稳定可靠运行。当线路处于两侧交流子网离网模态，直流侧电压升高至 800 V 时触发改进的 MPPT-升压反馈控制，使得直流侧电压保持在 800 V 左右。在相同条件下，对比现有的通过切换定电压控制策略，其调节过程十分平滑，无明显冲击现象，证明了该方法的有效性。
4 结语
本文提出了交直流混合点状网络结构，分析了典型工作场景下的网络运行模态及其能量动态平衡关系，并提出了基于总体缺额功率的变流器统一控制策略。交直流混合点状网络双端结构在两侧交流子网并网、一侧交流子网并网和两侧交流子网离网运行模态下，所提出的基于总体缺额功率的控制策略能够保证不同类型负荷正常工作，而且不同运行模态之间实现平滑切换。本文仅提出了交直流混合点状网络稳定控制策略，后续需进一步研究潮流优化控制方法以及变流器控制与保护之间的配合策略，以实现供电可靠性、运行经济性和分布式电源充分消纳的有机统一。附录见本刊网络版(http：//www.aeps-info.com/ aeps/ch/index.aspx)，扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。——论文作者：仉志华 1 ，赵一龙 1 ，王 琨 1 ，王军锋 2
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