基于模塊化多電平型固態(tài)變壓器的

新型直流微網(wǎng)架構(gòu)及其控制策略

韓繼業(yè)1，李勇1，曹一家1，寧志毫2，沈陽(yáng)武2，熊家敏1，黎昀軒1
（1．湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南省 長(zhǎng)沙市 410000；
2．國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南省 長(zhǎng)沙市 410007）
 
A New DC Microgrid Architecture Based on MMC-SST and Its Control Strategy
HAN Jiye1, LI Yong1, CAO Yijia1, NING Zhihao2, SHEN Yangwu2, XIONG Jiamin1, LI Yunxuan1
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410000, Hunan Province, China;
2. Hunan Electric Power Research Institute, Changsha 410007, Hunan Province, China)

Abstract: A new DC microgrid architecture based on modular multilevel converter type solid state transformer (MMC-SST) is proposed in this paper. It can accommodate renewable energy in maximum extent, improve power quality and realize bi-directional demand-dependent transmission and dynamic balanced energy utilization. Firstly, new DC microgrid system structure based on MMC-SST is analyzed in detail. Its main circuit topology of MMC-SST is given. Secondly, optimization design is performed for MMC-SST control strategy and energy management algorithm in DC microgrid subsystem, making MMC-SST run under given power factor with faster transient response and stronger robustness than traditional mode. It can also realize flexible, economical and reliable operation of DC microgrid system. Finally, a simplified simulation platform of new DC microgrid subsystem based on MMC-SST is established. Comprehensive simulation results verify feasibility and effectiveness of the proposed structure and its control strategy.
KEY WORDS: modular multilevel converter; solid state transformer; DC microgrid; renewable energy; control strategy
摘要：設(shè)計(jì)了一種基于模塊化多電平型固態(tài)變壓器(modular multilevel converter-solid state transformer，MMC-SST)的新型直流微網(wǎng)架構(gòu)，可最大限度地適應(yīng)新能源的接入，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)能量的雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用。首先，詳細(xì)分析了基于MMC-SST的新型直流微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并給出了MMC-SST主電路拓?fù)洌蝗缓螅瑢?duì)MMC-SST各級(jí)的控制策略和直流微網(wǎng)子系統(tǒng)能量管理算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使MMC-SST能夠按照給定的功率因數(shù)運(yùn)行，并具有比傳統(tǒng)控制方式更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度和更強(qiáng)的魯棒性，實(shí)現(xiàn)了直流微網(wǎng)子系統(tǒng)的靈活、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行；最后，通過(guò)搭建基于MMC-SST的新型直流微網(wǎng)子系統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，進(jìn)行綜合仿真驗(yàn)證了提出的架構(gòu)和控制策略的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：模塊化多電平變流器；固態(tài)變壓器；直流微網(wǎng)；新能源；控制策略
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.03.011
0 引言
配電網(wǎng)正在進(jìn)入以“分布式能源+配電網(wǎng)”為特征的后碳時(shí)代[1]。積極發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，是中國(guó)應(yīng)對(duì)下一次能源革命的戰(zhàn)略需求，充分利用分散的太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，發(fā)展分布式發(fā)電(distributed generation，DG)，是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要途徑[2]。由于可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，分散接入會(huì)使配電網(wǎng)潮流分布復(fù)雜多變，引起電壓和頻率波動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至可能影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。傳統(tǒng)電力裝備、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行技術(shù)在接納日趨增長(zhǎng)的分布式可再生電源方面越來(lái)越力不從心。
目前以交/直流微電網(wǎng)方式接入配電網(wǎng)是解決分布式電源并網(wǎng)的有效方法[5-6]。這種方式在一定范圍內(nèi)解決了分布式電源的接入問(wèn)題，但由于各個(gè)分布式電源都有各自的并網(wǎng)變換器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制管理困難且效率低下，不利于系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的即插即用功能，也不符合能源互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)理念。
2008年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金項(xiàng)目“未來(lái)可再生電力能源傳輸與管理系統(tǒng)”(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System，F(xiàn)REEDM)，研究了一種構(gòu)建在可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能裝置基礎(chǔ)上基于固態(tài)變壓器的新型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)[7-8]。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中的核心模塊固態(tài)變壓器(solid state transformer，SST)的結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使其應(yīng)用于不同的電壓等級(jí)，在實(shí)現(xiàn)交流、直流電能變換和電能質(zhì)量控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)分布式電源之間的互聯(lián)以及并網(wǎng)功能。
基于固態(tài)變壓器的微電網(wǎng)系統(tǒng)符合未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)理念，但到目前為止，由于受全控型電力電子器件IGBT耐壓水平和功率的限制，這種微網(wǎng)結(jié)構(gòu)都只適用于低壓小功率的單相或三相系統(tǒng)[8-10]。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于固態(tài)變壓器輸入級(jí)和輸出級(jí)變流器的控制器設(shè)計(jì)大都是基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立的數(shù)學(xué)模型，采用基于比例-積分(proportional integral，PI)控制器的雙閉環(huán)控制方式，通過(guò)dq解耦控制實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的獨(dú)立控制。雖然采用這種控制方式系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)性能，但由于需要交叉解耦，且反饋解耦效果對(duì)參數(shù)變化敏感，難以實(shí)現(xiàn)完全解耦控制，控制效果的好壞過(guò)度依賴于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的精準(zhǔn)程度，且控制相對(duì)復(fù)雜[9-13]。由于可再生能源發(fā)電具有的隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，分散接入會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜多變，采用傳統(tǒng)的控制方式不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。
針對(duì)現(xiàn)有微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，本文提出一種基于模塊化多電平型固態(tài)變壓器(modular multilevel converter-solid state transformer，MMC-SST)的新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)模控制實(shí)現(xiàn)方法。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，該系統(tǒng)中的固態(tài)變壓器輸入級(jí)采用模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)作為并網(wǎng)變流器，根據(jù)未來(lái)配電網(wǎng)電壓和功率需求，可以通過(guò)增減每個(gè)橋臂串聯(lián)子模塊的個(gè)數(shù)，使基于固態(tài)變壓器微網(wǎng)系統(tǒng)電壓靈活可控。在MMC-SST輸入級(jí)和輸出級(jí)的控制方法方面，提出了一種內(nèi)模電流內(nèi)環(huán)與PI電壓外環(huán)相結(jié)合的新型雙閉環(huán)控制方法。采用該方法可以使電流具有更快速的響應(yīng)速度以及更強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。同時(shí)，電流內(nèi)模控制方法解決了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交叉解耦問(wèn)題，其控制效果受被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的影響較小，且控制相對(duì)簡(jiǎn)單[14-15]，可有效降低配電網(wǎng)中可再生能源隨機(jī)性和間歇性對(duì)系統(tǒng)控制效果和穩(wěn)定性的影響。
1  新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)
圖1為本文提出的基于模塊化多電平型固態(tài)變壓器的新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，其中直流微網(wǎng)子系統(tǒng)由輸入級(jí)MMC、隔離級(jí)、輸出級(jí)、儲(chǔ)能裝置、分布式電源(風(fēng)電和光伏)、交流負(fù)荷和直流負(fù)荷以及連接它們的直流母線構(gòu)成。整個(gè)配電系統(tǒng)由N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的直流微網(wǎng)子系統(tǒng)通過(guò)中壓直流母線連接，組成直流配電系統(tǒng)。具體地： 
1）輸入級(jí)采用MMC作為并網(wǎng)變流器，通過(guò)模塊疊加提高了系統(tǒng)的耐壓等級(jí)，通過(guò)載波移相可獲得較高的等效開(kāi)關(guān)頻率，從而有效降低系統(tǒng)向網(wǎng)側(cè)注入的諧波含量和系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，使固態(tài)變壓器可以應(yīng)用于中高壓領(lǐng)域。同時(shí)，通過(guò)對(duì)輸入級(jí)進(jìn)行適當(dāng)控制，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行或根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功需求，按照給定的功率因數(shù)
運(yùn)行。
2）隔離級(jí)采用N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC變換單元通過(guò)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input series output parallel，ISOP)的方式連接而成，其中每個(gè)DC-DC變換單元都是由一個(gè)單相全橋逆變器、一個(gè)高頻變壓器和一個(gè)單相全橋整流器串聯(lián)組成。隔離級(jí)的作用是實(shí)現(xiàn)直流變壓和輸入輸出的電氣隔離。
3）輸出級(jí)三相全控逆變器通過(guò)LC濾波支路與三相負(fù)載相連，其作用是將中壓直流逆變?yōu)槿嘟涣魇须姡怨┯脩羰褂谩?br /> 4）儲(chǔ)能級(jí)主要包括：雙向DC/DC變換器和相關(guān)儲(chǔ)能裝置，可作為直流微網(wǎng)系統(tǒng)的后備電源，自主提供儲(chǔ)能支撐，提高電能質(zhì)量控制功能和電能調(diào)度功能。
5）分布式電源級(jí)包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)AC/DC和一個(gè)DC/DC變換器后并入中壓直流母線，而光伏發(fā)電系統(tǒng)則是直接通過(guò)一個(gè)DC/DC變換器并入中壓直流母線。
6）負(fù)荷級(jí)包括交流負(fù)荷和直流負(fù)荷，它們都經(jīng)用電側(cè)直流母線與隔離級(jí)相連，交流負(fù)荷主要接在MMC-SST低壓交流輸出母線上，從中獲取高質(zhì)量的三相工頻交流電。直流負(fù)荷包括中壓直流負(fù)荷和低壓直流負(fù)荷。中壓直流母線與用電側(cè)直流線路相連給中壓直流負(fù)載供電，同時(shí)提供電壓恒定的公共中壓直流母線，方便直流型新能源的接入；低壓直流線路由中壓直流線路經(jīng)DC/DC變換器降壓斬波電路相連，可通過(guò)其直接給多個(gè)低壓直流負(fù)載供電。
 
 

圖1  基于MMC-SST的新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)
Fig. 1  New DC microgrid system architecture based on MMC-SST

2  MMC-SST各級(jí)控制器設(shè)計(jì)
MMC-SST由高壓交流側(cè)的MMC、中間ISOP隔離型DC-DC變換器以及中壓輸出側(cè)的三相全控逆變器串聯(lián)連接構(gòu)成，考慮到這3部分是相對(duì)獨(dú)立的，因此可以對(duì)每一部分的控制策略分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.1  MMC-SST輸入級(jí)控制器設(shè)計(jì)
MMC外環(huán)采用PI控制器來(lái)控制直流電壓，內(nèi)環(huán)采用內(nèi)模控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流的無(wú)靜差跟蹤，其原理是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行快速的電流控制，實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)按照給定的功率因數(shù)運(yùn)行。
圖2為內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)框圖。圖中：R(s)為系統(tǒng)輸入信號(hào)、Y(s)為系統(tǒng)輸出信號(hào)，CM(s)為內(nèi)模控制器，G(s)為控制對(duì)象，M(s)為控制對(duì)象內(nèi)模，D(s)為擾動(dòng)傳遞函數(shù)，d(s)為系統(tǒng)輸出Y(s)與內(nèi)模輸出Ym(s)之差。
可將圖2等價(jià)變換為圖3所示的內(nèi)模控制等效控制框圖，其中F(s)為反饋控制器。

圖2  內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)框圖
Fig. 2  Control structure of IMC

圖3  內(nèi)模控制框圖等效圖
Fig. 3  Equivalent control structure of IMC
由圖3可得反饋控制器和內(nèi)模控制器的關(guān)系為：
(1)
結(jié)合MMC的數(shù)學(xué)模型[16]，如果輸入R(s)為MMC電流給定R(s)=[i*d  i*q]T，則U(s)為MMC輸入電壓，Y(s)為交流側(cè)輸入電流，則有
(2)
式中：Y(s)=[id(s) iq(s)]T，U(s)=[Urd(s)，Urq(s)]，
。其中，Urd、Urq和id、iq
分別為MMC等效輸入電壓和電流在d軸和q軸上的分量，R、L分別為MMC等效電阻和電感值。
由內(nèi)模控制器的性質(zhì)[14-15]，若模型與控制對(duì)象(MMC)匹配時(shí)，選擇CM(s)=M-1(s)，可對(duì)輸入進(jìn)行無(wú)偏差跟蹤，因此令
(3)
式中R′、L′分別為MMC電阻和電感估計(jì)值。
由式(3)可知，CM(s)的形式在實(shí)際控制中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此必須引入反饋低通濾波器。由于MMC電磁時(shí)間常數(shù)比機(jī)電時(shí)間常數(shù)小得多，因此其電流環(huán)在高頻下可近似為一階系統(tǒng)。鑒于此，本文引入低通濾波器
(4)
選擇L(s)的目的是使CM(s)變?yōu)橛欣怼為低通濾波器的參數(shù)，是內(nèi)模控制器唯一設(shè)計(jì)參數(shù)。引入低通濾波器后，內(nèi)模控制器為CM(s)=M-1(s)L(s)。
因此，結(jié)合式(1)可得：
(5)
式(5)中，主對(duì)角線上元素為電流控制器傳遞函數(shù)表達(dá)式，反對(duì)角線上元素則為內(nèi)模解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。
結(jié)合內(nèi)模控制器的性質(zhì)和上述對(duì)MMC電流內(nèi)環(huán)內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)，可得圖4所示內(nèi)模電流內(nèi)環(huán)和PI電壓外環(huán)的MMC-SST輸入級(jí)控制策略框圖。圖中Ud、Id和Uq、Iq為電網(wǎng)電壓和電流的d、q軸分量；U*dc和Q*dc分別為MMC直流電壓給定值和輸入無(wú)功功率參考值；ωs為交流電網(wǎng)的角頻率。圖中IMC環(huán)節(jié)如圖5所示，R′、L′分別為MMC輸入側(cè)的電感和電阻的估計(jì)值，當(dāng)系統(tǒng)確定時(shí)其值基本也是確定的。因此l為內(nèi)模控制器唯一設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖4  MMC-SST輸入級(jí)的控制框圖
Fig. 4  Control structure of MMC-SST input stage 

圖5  內(nèi)模解耦實(shí)現(xiàn)框圖
Fig. 5  Structure of IMC decoupling control
在一定程度上，l越大，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度越快。因此l的調(diào)試方向也比較明確[16]。此外，本文采用基于載波移相技術(shù)的電容電壓平衡控制策略[17]，以實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)MMC相間均壓和子模塊內(nèi)部均壓控制。
2.2  MMC-SST隔離級(jí)控制器設(shè)計(jì)
隔離級(jí)采用N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC變換單元通過(guò)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input series output parallel， ISOP)的方式連接而成，其中每個(gè)DC-DC變換單元都由一個(gè)單相全橋逆變器、一個(gè)高頻變壓器和一個(gè)單相全橋整流器串聯(lián)組成。目的是實(shí)現(xiàn)直流變壓和輸入輸出的電氣隔離。MMC-SST輸入級(jí)輸出的直流高壓首先通過(guò)N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相全橋逆變器調(diào)制成高頻方波，再通過(guò)高頻變壓器耦合到副方，最后通過(guò)N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相全橋整流器整流為中壓直流。由圖1可知，隔離級(jí)在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，從而允許電能雙向傳輸。
由于MMC-SST隔離級(jí)的N個(gè)DC-DC變換器是通過(guò)輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的方式連接而成，高壓側(cè)的每個(gè)DC-DC變換器可以通過(guò)并聯(lián)在一起的中壓側(cè)交換能量，因此采用開(kāi)環(huán)的控制策略就可以實(shí)現(xiàn)高壓直流側(cè)和中壓直流側(cè)能量的自動(dòng)均衡。文中N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC變換器逆變器和整流器均采用PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為50%占空比的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖。
DC-DC變換器由于采用ISOP連接方式，各變換單元可能存在高頻變壓器參數(shù)不匹配和直流側(cè)電壓不平衡的問(wèn)題，引起各變換單元之間功率分配不均衡并產(chǎn)生環(huán)流，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)奔潰。為解決這一問(wèn)題，本文采用一種有功功率均衡控制策略[18]。此外，為降低系統(tǒng)損耗，通過(guò)合理設(shè)置串聯(lián)諧振電路(Lr和Cr)使全控型開(kāi)關(guān)器件處于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)(zero current state，ZCS)[19-20]。
2.3  MMC-SST輸出級(jí)控制器設(shè)計(jì)
圖1中MMC-SST的輸出級(jí)采用DC/AC逆變器，其電壓外環(huán)采用PI控制器控制輸出穩(wěn)定的工頻交流電壓，電流內(nèi)環(huán)采用內(nèi)模控制器對(duì)濾波電感的反饋電流和負(fù)載電流前饋補(bǔ)償電流進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤控制，使其具有較大的限流能力、較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。同時(shí)，為提高逆變器直流電壓利用率，減小開(kāi)關(guān)損耗，本文采用空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)(space vector pulse width modulation，SVPWM)[21]。關(guān)于DC/AC逆變器的電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)和MMC類似，鑒于此可得到基于內(nèi)模電流內(nèi)環(huán)和PI電壓外環(huán)的MMC-SST輸出級(jí)控制策略如圖6所示，圖中Iid、Iiq為三相DC/AC逆變器輸出電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量，Uld、Ulq, Ild、Ilq為負(fù)載電壓、電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量；U*ld、U*lq為負(fù)載電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量的參考值；ωl為交流輸出電壓角頻率；Ro、Lf、Cf 分別為三相DC/AC逆變器和輸出線路等效電阻、電感和濾波電容。其中，IMC環(huán)節(jié)和圖7基本相同，此時(shí)，R′、L′分別為DC/AC逆變器輸出側(cè)的電感和電阻的估計(jì)值。

圖6  MMC-SST輸出級(jí)控制框圖
Fig. 6  Control structure of MMC-SST output stage
3  新型直流微網(wǎng)能量管理算法的設(shè)計(jì)
本文提出的新型直流微網(wǎng)通過(guò)MMC-SST使直流微網(wǎng)統(tǒng)一提供交、直流線路，統(tǒng)一進(jìn)行能量管理成為可能。為使得MMC-SST作為一種電能路由器，超智能地服務(wù)于直流微網(wǎng)系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)一種能量管理算法。如圖7所示，直流微網(wǎng)可以工作于有源電網(wǎng)互聯(lián)模式、無(wú)源電網(wǎng)互聯(lián)模式和孤島運(yùn)行模式，且3種工作模式之間可以靈活切換。具體地：
1）在無(wú)源電網(wǎng)互聯(lián)模式下，直流母線電壓由MMC-SST來(lái)控制，即使直流微網(wǎng)子系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中，直流微網(wǎng)子系統(tǒng)內(nèi)部的能量交換是在其內(nèi)部完成的，直流微網(wǎng)和交流電網(wǎng)之間沒(méi)有任何的能量交換。

圖7  直流微網(wǎng)工作模式切換框圖
Fig. 7  Block diagram of DC microgrid 
operation mode switching
2）有源電網(wǎng)互聯(lián)模式下，受直流微網(wǎng)自身容量的限制，在某些特定工況下需要和交流電網(wǎng)之間進(jìn)行能量的交換，例如，當(dāng)直流微網(wǎng)所提供的能量不能滿足直流微網(wǎng)自身負(fù)荷需求時(shí)，交流電網(wǎng)就會(huì)向直流微網(wǎng)提供額外的能量供給，當(dāng)直流微網(wǎng)內(nèi)部分布式電源提供的能量大于負(fù)載的需求時(shí)，多余的能量可反送到交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。
3）在孤島運(yùn)行模式下，MMC-SST退出運(yùn)行，此時(shí)，直流母線電壓由直流微網(wǎng)內(nèi)部的儲(chǔ)能電源來(lái)維持，直流微網(wǎng)自身負(fù)荷需求完全由直流微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源提供。
由此可以看出能量管理算法的設(shè)計(jì)目的是提高光伏、風(fēng)電等清潔能源的利用效率，減輕交流配電網(wǎng)的壓力，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的靈活、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行。
結(jié)合上述3種工作模式，考慮實(shí)際運(yùn)行工況，本文提出的新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)可以工作于以下8種工作狀態(tài)：
Mode 1。光照較強(qiáng)，風(fēng)速較大的情形下，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率大于負(fù)載所需的能量，且儲(chǔ)能電池已儲(chǔ)能完畢，多余的能量經(jīng)MMC-SST注入電網(wǎng)。
Mode 2。光照較強(qiáng)，風(fēng)速較大的情形下，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率大于負(fù)載所需的能量，且儲(chǔ)能電池還可儲(chǔ)能，多余的能量給蓄電池充電，并由蓄電池穩(wěn)定直流母線電壓。 
Mode 3。光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全部正常運(yùn)行，但輸出的功率不能滿足交直流負(fù)載的需求，此時(shí)交流配電網(wǎng)正常運(yùn)行，不足的能量由交流配電網(wǎng)經(jīng)MMC-SST供給。
Mode 4。光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全部正常運(yùn)行，但輸出的功率不能滿足交直流負(fù)載所需的能量，此時(shí)交流配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，由蓄電池作為后備電源啟動(dòng)向負(fù)載提供能量，并穩(wěn)定母線電壓。
Mode 5。光照較弱，風(fēng)速較小的情形下，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法提供能量，此時(shí)交流配電網(wǎng)正常運(yùn)行，由交流配電網(wǎng)經(jīng)MMC-SST對(duì)負(fù)載提供能量。
Mode 6。光照較弱，風(fēng)速較小的情形下，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法提供能量，此時(shí)交流配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，由蓄電池作為后備電源啟動(dòng)向負(fù)載提供能量，并穩(wěn)定母線電壓。
Mode 7。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或其他特殊情況，蓄電池未放電到最小電壓，由蓄電池作為后備電源啟動(dòng)向負(fù)載提供能量，并穩(wěn)定母線電壓。
Mode 8。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或其他特殊情況，蓄電池放電到最小電壓，為防止蓄電池過(guò)度放電，系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式。
新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)工作模式切換控制流程如圖8所示。為判斷系統(tǒng)在不同模式下相應(yīng)的工作狀態(tài)及實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)之間的切換，需要對(duì)UPV、IPV、UWD、IWD、Ubat及負(fù)載功率 PL進(jìn)行檢測(cè)，UPV、IPV用來(lái)計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率PPV，UWD、IWD用來(lái)計(jì)算風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率PWD。由蓄電池的工作特性可知，當(dāng)蓄電池充電時(shí)，端電壓 Ubat會(huì)隨之上升；當(dāng)蓄電池放電時(shí)，端電壓會(huì)有所下降。根據(jù)這一特性，設(shè)定蓄電池放電最小電壓Umin，蓄電池充電最大電壓Umax，用以判斷是否允許蓄電池充放電。對(duì)配電網(wǎng)故障信號(hào)N進(jìn)行檢測(cè)，用于判斷配電網(wǎng)出現(xiàn)故障。為方便控制，做以下定義：配電網(wǎng)正常時(shí)N=1，配電網(wǎng)故障狀態(tài)時(shí)N=0。

圖8  直流微網(wǎng)系統(tǒng)工作模式切換控制流程
Fig. 8  Control flow chart of DC microgrid system operation mode switching
4  新型直流微網(wǎng)子系統(tǒng)仿真分析
以圖1基于MMC-SST的新型直流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了新型直流微網(wǎng)子系統(tǒng)仿真平臺(tái)，其中MMC-SST輸入級(jí)MMC(每個(gè)橋臂含有6個(gè)子模塊)采用基于載波移相的電容電壓平衡控制策略，開(kāi)關(guān)頻率為1 kHz。輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)分別采用文中第3節(jié)所設(shè)計(jì)的控制策略。仿真中蓄電池在直流配網(wǎng)系統(tǒng)中起不間斷電源的作用，主要在電網(wǎng)故障時(shí)起作用，一般處于充滿電的狀態(tài)。這也有利于延長(zhǎng)蓄能電池的使用壽命。考慮到直流微網(wǎng)子系統(tǒng)實(shí)際工況當(dāng)需要工作模式切換時(shí)，采用第4節(jié)設(shè)計(jì)的智能能量管理算法。本部分的仿真分別針對(duì)分布式電源變化、運(yùn)行模式切換和孤島運(yùn)行模式等幾種典型工況下進(jìn)行仿真。表1為直流微網(wǎng)系統(tǒng)部分仿真電路參數(shù)，
表2為MMC-SST各級(jí)仿真參數(shù)。
表1  直流微網(wǎng)部分參數(shù)
Tab. 1  Parameters of DC microgrid system

參數(shù)	數(shù)值
配電網(wǎng)電壓/kV 直流微網(wǎng)直流母線電壓/V 光伏發(fā)電系統(tǒng)配置容量/kW	10 700 250
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配置容量/kW	500
儲(chǔ)能電池配置容量/kW 直流負(fù)荷范圍/MW 交流負(fù)荷范圍/MW	200 1~2 0~1

表2  MMC-SST仿真參數(shù)
Tab. 2  Parameters of MMC-SST 

名稱	參數(shù)	數(shù)值
輸 入 級(jí)	交流系統(tǒng)電阻/Ω 交流系統(tǒng)電感/mH 每個(gè)橋臂濾波電感值/ mH 子模塊中電容值/mF 子模塊電容電壓參考值/kV PWM載波頻率/kHz	0.1 2 8 50 3 1
隔 離 級(jí)	高壓側(cè)電容值/mF 高壓側(cè)電容電壓/kV 高壓側(cè)諧振電感值/mH 高壓側(cè)諧振電容值/mF 高頻變壓器(MFT)額定頻率/kHz 高頻變壓器(MFT)額定變比 中壓側(cè)電容值/mF 中壓側(cè)電容電壓/V	50 3 30 8.44 10 3000:700 20 700
輸 出 級(jí)	電壓頻率/Hz 輸出電阻/Ω 濾波電感值/mH 濾波電容值/mF 逆變器PWM載波頻率/Hz	50 1 3 1.2 8000

4.1  分布式電源變化
圖9所示為MMC-SST并網(wǎng)情況下光伏和風(fēng)電輸出功率變化時(shí)的仿真波形，0.25 s增大光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出，從50 kW增加到200 kW，0.3 s增大風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出，從200 kW增加到400 kW，0.35 s時(shí)將光伏發(fā)電系統(tǒng)從直流微網(wǎng)子系統(tǒng)中切除，0.4 s時(shí)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從直流微網(wǎng)子系統(tǒng)中切除。可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)增加輸出功率的情況下，MMC-SST并網(wǎng)電流相應(yīng)減小，即從配網(wǎng)側(cè)的吸收功率變少，而當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從直流微網(wǎng)子系統(tǒng)中切除

圖9  分布式電源變化下系統(tǒng)響應(yīng)曲線
Fig. 9  System response curve under the case of 
distributed generation changing
時(shí)，即減少功率輸出的情況下，MMC-SST并網(wǎng)電流相應(yīng)增大，而同時(shí)在MMC-SST各級(jí)控制的調(diào)節(jié)下在光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率改變時(shí)，中壓直流母線電壓發(fā)生微弱波動(dòng)但很快恢復(fù)正常，而交流輸出電壓始終保持穩(wěn)定。
4.2  運(yùn)行模式切換
如圖10所示，0.25 s之前MMC-SST并網(wǎng)運(yùn)行，直流微網(wǎng)子系統(tǒng)經(jīng)MMC-SST從交流配網(wǎng)吸收功率，0.25 s時(shí)MMC-SST與交流配電網(wǎng)斷開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，交流斷路器切斷，0.3 s時(shí)負(fù)荷有功功率增加300 kW，0.35 s后重新連接于電網(wǎng)。整個(gè)過(guò)程中，輸入級(jí)高壓直流母線電壓在允許誤差范圍內(nèi)波動(dòng)，

圖10  運(yùn)行模式切換下系統(tǒng)響應(yīng)曲線
Fig. 10  System response curve under
 the case of operation mode switching
而MMC-SST的中壓直流側(cè)母線電壓和交流輸出電壓始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，為輸出端口連接的分布式電源、交直流負(fù)荷提供了可靠的并網(wǎng)接口。
4.3  孤島運(yùn)行仿真
圖11為直流微網(wǎng)子系統(tǒng)處于孤島情況下(此時(shí)中壓直流母線處的儲(chǔ)能電源投入運(yùn)行來(lái)穩(wěn)定中壓直流母線處的電壓)負(fù)荷發(fā)生變化和電源發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的MMC-SST的仿真波形。0.25 s增大光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出，從50 kW增加到200 kW，0.3 s增大光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出，從200 kW增加到400 kW，0.35 s負(fù)荷減少400 kW，而0.4 s時(shí)負(fù)荷增加400 kW。從仿真波形圖可以看出，光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率發(fā)生變化和負(fù)載發(fā)生突變情況下，輸入級(jí)高壓直流母線電壓發(fā)生了輕微波動(dòng)但很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，而MMC-SST的中壓直流母線電壓和交流輸出電壓一直處于穩(wěn)定輸出狀態(tài)，說(shuō)明即使在復(fù)雜的孤網(wǎng)運(yùn)行情況下MMC-SST仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11  孤島運(yùn)行模式下系統(tǒng)響應(yīng)曲線
Fig. 11  System response curve under the island operation mode
5  結(jié)論
能源互聯(lián)網(wǎng)已成為下一代智能電網(wǎng)的研究熱點(diǎn)，而配用電側(cè)是建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種基于模塊化多電平型固態(tài)變壓器的新型直流配網(wǎng)一體化架構(gòu)，可最大限度適應(yīng)新能源的接入，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)能量的雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅可滿足不同運(yùn)行方式的要求，保持穩(wěn)定運(yùn)行，還能夠按照給定的功率因數(shù)運(yùn)行，具有更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度，具有更強(qiáng)的魯棒性，有利地驗(yàn)證了本文所提出的新型直流微網(wǎng)架構(gòu)和控制策略的可行性和有效性，對(duì)下一代新型直流微網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)肯有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉振亞．全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2015：5-40．
[2] 于慎航，孫瑩，牛曉娜，等．基于分布式可再生能源發(fā)電的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(5)：104-108．
Yu Shenhang，Sun Ying，Niu Xiaona，et al．Energy internet system based on distributed renewable energy generation[J]．Electric Power Automation Equipment，2010，30(5)：104-108(in Chinese)．
[3] Freris L，Infield D．Renewable energy in power systems[M]．Chichester，England：John Wiley&Sons，Inc，2008：6-36． 
[4] Teodorescu R，Liserre M，Rodrigurez P．Grid converters for photovoltaic and wind power systems[M]．Chichester，England：John Wiley&Sons，Inc，2011：10-49．
[5] Guerrero J M，Vasquez J C，Matas J，et al．Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids- a general approach toward standardization[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1)：158-173．
[6] She X，Lukic S，Huang A Q．DC zonal microgrid architecture and control[C]//Proceeding of IEEE IECON，2010：2982-2987．
[7] 張明銳，林顯琦，孫華．孤島微網(wǎng)中固態(tài)變壓器間環(huán)流抑制研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(31)：5563-5570．
Zhang Mingyue，Lin Xianqi，Sun Hua．Researches on restraining circulating currents of solid state transformers in islanding mode microgrids[J]．Proceedings of the CSEE，2014，34(31)：5563-5570(in Chinese)．
[8] 盛萬(wàn)興，段青，梁英，等．面向能源互聯(lián)網(wǎng)的靈活配電系統(tǒng)關(guān)鍵裝備與組網(wǎng)形態(tài)研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(15)：3760-3769．
Sheng Wanxing，Duan Qing，Liang Ying，et al．Research of power distribution and application grid structure and equipment for future energy internet[J]．Proceedings of the CSEE，2015，35(15)：3760-3769(in Chinese)．
[9] 張明銳，劉金輝，金鑫．應(yīng)用于智能微網(wǎng)的SVPWM固態(tài)變壓器研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1)：90-95．
Zhang Mingyue，Liu Jinhui，Jin Xin．Research on the SVPWM solid state transformer applied in smart micro-grid[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(1)：90-95(in Chinese)．
[10] Contreras J P，Ramirez J M．Multi-fed power electronic transformer for use in modern distribution systems[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2014(5)：1532-1541．
[11] 李子欣，王平，楚遵方，等．面向中高壓智能配電網(wǎng)的電力電子變壓器研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(9)：2592-2601．
Li Zixin，Wang Ping，Chu Zunfang，et al．The study of power electronic transformer for high voltage intelligent distribution network[J]．Power System Technology，2013，37(9)：2592-2601(in Chinese)．
[12] 張明銳，徐而峰．P-Q模式固態(tài)變壓器的工作特性分析及實(shí)現(xiàn)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(11)：67-71．
Zhang Mingyue，Xu Erfeng．Characteristic analysis and realization of SST operating in P-Q mode[J]．Electric Power Automation Equipment，2012，32(11)：67-71(in Chinese)．
[13] 張明銳，劉金輝，金鑫．應(yīng)用于智能微網(wǎng)的SVPWM固態(tài)變壓器研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1)：90-95．
Zhang Mingyue，Liu Jinhui，Jin Xin．Research on the SVPWM solid state transformer applied in smart micro-grid[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(1)：90-95(in Chinese)．
[14] 周淵深．感應(yīng)電動(dòng)機(jī)交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)模控制技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005：21-40．
[15] 褚衍超，黃守道，孔凡蓬，等．基于內(nèi)模控制器的MMC-HVDC穩(wěn)態(tài)控制[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(8)：2223-2229．
Chu Yanchao，Huang Shoudao，Kong Fanpeng，et al．Steady state control of MMC-HVDC system based on internal model controller[J]．Power System Technology，2015，39(8)：2223-2229(in Chinese)．
[16] 宋文祥，尹赟．一種基于內(nèi)模控制的三相電壓型PWM 整流器控制方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，27(12)：94-101．
Song WenXiang，Yin Yun．A control strategy of three-phase PWM rectifier based on internal model control[J]．Proceedings of the CSEE，2012，27(12)：94-101(in Chinese)．
[17] 趙昕，趙成勇，李廣凱，等．采用載波移相技術(shù)的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(21)：48-55．
Zhao Xin，Zhao Chengyong，Li Guangkai，et al．Using carrier phase shifting technology of modular multilevel converter capacitor voltage balance control[J]．Proceedings of the CSEE，2011，31(21)：48-55(in Chinese)．
[18] Tiefu Z，Gangyao Z J W，Dutta S，et al．Voltage and power balance control for a cascaded multilevel solid state transformer[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition．Palm Springs，CA，USA：2010：761-767． 
[19] Steiner M，Reinold H．Medium frequency topology in railway applications[C]//Proceedings of the European Conference on Power Electronics and Applications．Aalborg Denmark：2007：1-10．
[20] Ortiz G，Biela J，Bortis D，et al．1 megawatt，20 kHz，isolated，bidirectional 12 kV to 1.2 kV DC-DC，converter for renewable energy applications[C]//Proceedings of 2010 International Power Electronics Conference．Sapporo，Japan，2010：3212-3219．
[21] 張崇巍，張興．PWM整流器及其控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：80-106．