傅 穎，楊成鋼，胡洪濤，陳揚哲，江道灼，方逸宣，吳昊天

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)浙江松陽縣供電有限公司，浙江 麗水 323400；3.浙江大學 電氣工程學院，杭州 310058）

0 引言

我國山區(qū)（包括山地、盆地和高原）總面積達663.6 萬km2，占據(jù)全國三分之二的領土面積。隨著我國“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的全面推進，山區(qū)用電負荷總量快速增長，用電需求種類趨于多樣化，負荷特性日漸復雜，集聚效應逐漸凸顯；另一方面，山區(qū)內小水電、風電、光伏等可再生能源儲量較大，能源種類多樣，具有較大的開發(fā)潛力。但是，目前山區(qū)配電網(wǎng)配電線路供電半徑長，聯(lián)絡率低，轉供能力受限，長期受災害性天氣及“樹線矛盾”的困擾，故障率明顯高于城區(qū)配電網(wǎng)，而運維力量薄弱、自動化程度低、交通不便等原因導致故障修復時間長、停電范圍大，嚴重影響了山區(qū)供電的可靠性；山區(qū)配電網(wǎng)中電源與負載分布不均衡，而常用的小水電、光伏等可再生能源存在單機容量小、調節(jié)能力弱的缺點，配電網(wǎng)整體調節(jié)能力較差，不利于可再生能源的大規(guī)模接入[1-4]。

微電網(wǎng)的提出為提高山區(qū)供電可靠性、開發(fā)利用山區(qū)配電網(wǎng)可再生能源提供了新思路。微電網(wǎng)內供電半徑短，故障概率相對較低，提高了山區(qū)配電網(wǎng)供電可靠性；微電網(wǎng)內儲能與本地負載可以對可再生能源進行就地消納，增強了配電網(wǎng)整體的調節(jié)能力，便于可再生能源進一步接入電網(wǎng)。但是單個微電網(wǎng)系統(tǒng)慣量弱，故障特性不明顯，同時存在抗干擾能力差、故障難以快速響應等問題，限制了微電網(wǎng)在山區(qū)配電網(wǎng)的進一步應用[5-7]。

隨著電力電子設備與控制技術的快速發(fā)展，跨網(wǎng)絡的多端口能量控制、配電網(wǎng)的雙向潮流問題已得到部分解決，多微電網(wǎng)能夠以微電網(wǎng)群方式連接，通過群內微電網(wǎng)之間的能量調度增強彼此間的供電可靠性。在這一方面，以能量路由器為代表的智能軟開關正成為研究熱點[8-11]，但仍有待深入研究。

山區(qū)存在豐富的太陽能、水能與風能，這些能源具有強間歇性與強隨機性，負載自身有一定波動性，對配電網(wǎng)調節(jié)能力要求較高，需要研究統(tǒng)一協(xié)調調度微電網(wǎng)群內“源-荷-儲”的控制策略，保證在遭遇發(fā)電功率或負載功率突變時，配電網(wǎng)仍能穩(wěn)定運行?，F(xiàn)有的微電網(wǎng)運行策略大多直接采取下垂控制等分布式控制策略以降低通信需求，但是一般來說下垂控制并不具備微電網(wǎng)內“源-荷-儲”的調度能力。使用集中式控制能進行效果較好的“源-荷-儲”協(xié)同控制，但對于通信帶寬的需求大大增加，而且集中式控制受單點故障影響較大，控制可靠性相對較差[9-12]。

文獻[12]提出了直接采用下垂控制來實現(xiàn)不同微電網(wǎng)之間功率交換的方法，但這種協(xié)調控制需要微電網(wǎng)之間保持通信，損耗較大。文獻[13]提出了一種特定能量路由器的拓撲形式，各個端口能夠實現(xiàn)一定量的功率交換，但交換量受限，不適用于山區(qū)用電量逐步增大的情況。文獻[14]提出了多微電網(wǎng)群柔性聚合與分層控制的方法，但是在微電網(wǎng)之間缺乏儲能系統(tǒng)，微電網(wǎng)群的功率不平衡均需要上級電網(wǎng)調節(jié)，降低了微電網(wǎng)群的自治運行能力。文獻[15]介紹了一種基于能量交換基站的微電網(wǎng)群拓撲，但對不同工況下的運行情況缺乏討論，且這種拓撲基于遠海島嶼的特定情況，缺乏普適性。文獻[16]提出了一種全新的配電網(wǎng)結構——HADN（蜂巢狀有源配電網(wǎng)），這種結構為解決微電網(wǎng)群互聯(lián)與協(xié)調控制問題提供了有效途徑，但僅進行了探索性研究，缺乏具體策略。

本文針對前述山區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀，結合HADN概念，提出一種適用于山區(qū)的有源配電網(wǎng)拓撲結構。針對該結構設計分層控制架構，制訂多工況控制策略，實現(xiàn)HADN 的穩(wěn)定運行以及微電網(wǎng)間、微電網(wǎng)與基站間功率傳輸?shù)裙δ?。最后，在MATLAB/Simulink 中對所設計控制策略的有效性進行仿真驗證。

1 適用于山區(qū)的HADN 拓撲

1.1 HADN 簡介

在HADN 模型下，相鄰微電網(wǎng)通過智能能量/信息交換基站（以下簡稱“基站”）連接[16]。各相鄰的微電網(wǎng)構成微型供/用電系統(tǒng)，通過基站實現(xiàn)功率交換，達成新能源就地消納與配電網(wǎng)整體供需基本自平衡。在這種環(huán)狀連接方式下，微電網(wǎng)群間不存在電磁環(huán)網(wǎng)，配電方式更為靈活。基站在微電網(wǎng)內新能源波動等情況下，可以及時通過儲能進行響應，增強了配電網(wǎng)整體對可再生能源的消納能力。在微電網(wǎng)內部故障時，基站可以限制故障規(guī)模，避免單個微電網(wǎng)故障影響整體配電網(wǎng)，提高了配電網(wǎng)的可靠性。

HADN 拓撲結構如圖1 所示，其中：六邊形部分均為包含“源網(wǎng)荷儲”的微電網(wǎng)，經過合理設計的微電網(wǎng)能夠為用戶供電，也能夠接受用戶發(fā)電，每個六邊形的面積代表每個微電網(wǎng)的供電區(qū)域；三角形部分代表基站，基站直流母線是微電網(wǎng)間功率交換的通道；相鄰微電網(wǎng)通過各自的PCC（公共連接點）與基站實現(xiàn)互聯(lián)，從而組成HADN整體。正常工作環(huán)境下，各微電網(wǎng)內部電源、負荷、儲能已經進行合理設計，自有小微電源與負荷之間基本保持供需平衡，微電網(wǎng)均運行在類孤島模式下，一般無需與基站發(fā)生功率交換；當某一微電網(wǎng)出現(xiàn)功率異?；虬l(fā)生故障時，與其關聯(lián)的基站能夠根據(jù)微電網(wǎng)運行狀態(tài)進行決策與調度，協(xié)調微電網(wǎng)間的功率分配。

圖1 HADN 拓撲結構

HADN 中的各個微電網(wǎng)通過基站相連?；居芍绷髂妇€、儲能模塊、變換器等模塊組成，具備本地決策功能，能夠根據(jù)相連微電網(wǎng)運行狀態(tài)與自身儲能狀態(tài)，對微電網(wǎng)的功率請求進行響應；同時基站可以接收上層控制器調度指令，輔助實現(xiàn)如經濟運行、功率緊急調度、故障響應等功能。其結構如圖2 所示。

圖2 基站結構

基站在蜂巢狀配電網(wǎng)拓撲中起到了重要作用。一方面，基站隔離了各個微電網(wǎng)，避免故障在微電網(wǎng)群的傳導；另一方面，基站通過和周邊微電網(wǎng)進行功率交換，平衡微電網(wǎng)功率，保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運行，并提高微電網(wǎng)的清潔能源消納能力。微電網(wǎng)與基站的連接形式并不是固定的，對于可靠性要求較高的微電網(wǎng)，可以連接多個基站以保證基站對微電網(wǎng)的功率支援能力。位于配電網(wǎng)邊緣或可靠性要求較低的微電網(wǎng)，可以降低連接的基站數(shù)量。

1.2 山區(qū)HADN 架構

基于HADN 構成的山區(qū)配電網(wǎng)拓撲如圖3所示。地理位置相近，且微電網(wǎng)內部功率供需基本平衡的3 個山區(qū)微電網(wǎng)通過基站連接組成HADN。正常工況下，各微電網(wǎng)獨立運行，無需與基站進行功率交換。當微電網(wǎng)出現(xiàn)功率不平衡時，基站根據(jù)微電網(wǎng)優(yōu)先程度、基站自身儲能容量等因素，確定對微電網(wǎng)功率的響應額度。

圖3 山區(qū)微電網(wǎng)群拓撲結構

2 功能設計與工況分析

HADN 允許交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)接入。在正常工況下，每個微電網(wǎng)獨立自治運行，調度層不干涉微電網(wǎng)的運行與控制；對發(fā)生功率不平衡的微電網(wǎng)，基站與其他關聯(lián)的微電網(wǎng)根據(jù)本地決策指令，對該微電網(wǎng)予以一定的功率支撐；基站能夠識別接入的微電網(wǎng)的故障并進行相關處理，對可能危及配電網(wǎng)整體運行的故障及時切斷功率聯(lián)絡并進行快速隔離，在微電網(wǎng)故障結束后重新建立功率聯(lián)絡；當基站自身發(fā)生故障時，通過閉鎖換流器的方式將故障基站和周邊微電網(wǎng)隔離開，對周邊微電網(wǎng)的影響較小。

在實際運行過程中，可以將HADN 分為以下幾種工作模式：功率自平衡、功率不平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定性保護。

2.1 功率自平衡

正常工況下，各微電網(wǎng)內部自有小微電源（包括儲能電源）與負荷之間基本保持供需平衡。此時微電網(wǎng)獨立運行，不需要與其他微電網(wǎng)間發(fā)生功率交換，也無需向基站發(fā)送請求。部分HADN中的微電網(wǎng)包含內部儲能，當該微電網(wǎng)出現(xiàn)功率不平衡時，首先應由微電網(wǎng)內儲能動作，當內部儲能不能滿足需求時，再向外部基站請求功率。

2.2 功率不平衡

當某微電網(wǎng)出現(xiàn)可再生能源出力波動、負載功率波動等微電網(wǎng)自身無法消納的功率不平衡時，該微電網(wǎng)向與其互聯(lián)的各個基站發(fā)送功率請求。與其互聯(lián)的基站能夠根據(jù)請求功率大小與本地決策算法判斷實際功率交換值，并通過下層控制實現(xiàn)微電網(wǎng)與基站之間較為精確的功率交換。

實際功率傳輸大小受到多方面約束。除變換器容量等器件因素外，為延長基站使用壽命，避免基站儲能過度充電或過度放電，規(guī)定了儲能SOC（荷電狀態(tài)）的上限與下限，達到上限時儲能只能向外輸出功率或不工作，達到下限時儲能只能吸收功率或不工作，此時與之相連的微電網(wǎng)內的功率不平衡可能無法得到完全響應。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性保護

在上述工作模式中，基站的直流母線電壓需要維持在額定值。基站內部配置有一定的儲能，負責維持基站的直流母線電壓。但遇到部分極端惡劣天氣，多個微電網(wǎng)乃至部分基站被迫退出運行時，直流母線電壓可能越限，此時需要系統(tǒng)進入停機模式。

3 HADN 分層控制策略

分層控制的第一層為調度層，或者稱為決策層，具有最高的優(yōu)先級；該層負責收集相鄰各微電網(wǎng)與基站的運行狀態(tài)，通過系統(tǒng)通信與站間通信進行處理和決策，發(fā)出調度指令后下屬基站根據(jù)自身工作情況響應調度。第二層級為基站層，基站監(jiān)控相鄰各微電網(wǎng)功率平衡狀態(tài)，結合基站儲能剩余容量，進行相應功率決策；基站儲能變換器基于當前具體工況，維持系統(tǒng)內的功率平衡與基站直流母線電壓穩(wěn)定。第三個層級為變換器層，通過相應控制策略實現(xiàn)各微電網(wǎng)在正常工況下的穩(wěn)定運行。具體分層控制策略如圖4 所示。

圖4 分層控制策略

調度層策略關聯(lián)到實時電價、電力市場與信息共享等因素，涉及較大規(guī)模的系統(tǒng)。本文主要關注HADN 的多工況控制，研究系統(tǒng)規(guī)模相對較小，主要介紹基站層與變換器層的控制策略。

3.1 基站層控制策略

根據(jù)微電網(wǎng)群運行需求，基站層需要監(jiān)控各微電網(wǎng)的功率情況，進行功率不平衡量估算；然后根據(jù)基站儲能運行情況，確定基站功率交換的約束條件；最后，根據(jù)本地決策算法得出基站對各微電網(wǎng)的應交換功率量。

3.1.1 微電網(wǎng)功率不平衡估算

在HADN 規(guī)劃中，微電網(wǎng)內部具有足額的無功補償，因此基站在進行功率不平衡估算時僅需考慮有功功率。由于微電網(wǎng)內發(fā)電設備、負載的數(shù)量較多，且直接測量功率會涉及數(shù)據(jù)同步性問題，本文不直接測量微電網(wǎng)內部發(fā)電設備的出力與負載功率，而采用一種獲取微電網(wǎng)運行狀態(tài)的間接測量方法。

對于下垂控制的交流微電網(wǎng)，其正常運行狀態(tài)應工作在額定頻率下。對于下垂控制，有：

式中：P 為微電網(wǎng)內各電源輸出的功率之和；P0為其額定值；f 為微電網(wǎng)PCC 電壓頻率；f0為其額定值；kp為微電網(wǎng)內所有電源的等效下垂系數(shù)。

微電網(wǎng)內部的分布式電源隨時可能接入或退出運行，kp不能視為一個恒定值，否則可能出現(xiàn)頻率漂移，這種情況下的功率不平衡估算依靠將下垂控制與頻率偏差控制相結合的新型控制方法。功率不平衡估算控制策略如圖5 所示，其中fref為次級PI 控制器的參考頻率，Punb為電網(wǎng)估算的不平衡功率。在下垂控制中，一方面使用傳統(tǒng)下垂控制中的比例項Kpp，另一方面為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，引入輸出功率變化的微分項Kdp，加快對功率變化的響應速度。經過下垂控制器，可以得到變換器輸出的頻率參考值?；精@取微電網(wǎng)輸出頻率與參考頻率的差值，通過PI（比例-積分）控制器，得到微電網(wǎng)內部功率不平衡量。

圖5 功率不平衡估算控制策略

對于采用下垂控制的直流微電網(wǎng)，其下垂控制策略可以寫為：

式中：U 為直流微電網(wǎng)的直流電壓；U0為其額定值。

類似于交流微電網(wǎng)的控制策略，基站也可得出直流微電網(wǎng)的功率不平衡量。

對于采取主從控制的交流微電網(wǎng)或定母線電壓控制的直流微電網(wǎng)，電網(wǎng)內部電壓、頻率等與額定值偏差都較小，無法通過上述策略測量功率不平衡量，此時可以間接測量微電網(wǎng)內部儲能輸出功率。因微電網(wǎng)內可能存在數(shù)量較多的儲能模塊，這些儲能也會隨時接入或退出微電網(wǎng)運行，統(tǒng)一測量所有儲能功率并不現(xiàn)實，可選取容量大、運行穩(wěn)定的儲能模塊進行功率測量。通過式（3）估算所有儲能的輸出功率：

式中：Pe與Qe為被選定儲能模塊的功率測量值與容量值；Psum與Qsum為微電網(wǎng)總功率缺額與微電網(wǎng)儲能總容量值。

為避免長期低功率交換導致基站損耗增大，控制中設置功率傳輸最小值，若估計的功率不平衡量小于該最小值，則基站與微電網(wǎng)不進行功率交換。該最小值一般由微電網(wǎng)群內各微電網(wǎng)自身規(guī)模大小確定。

3.1.2 微電網(wǎng)功率不平衡量分配

在HADN 結構中，單個微電網(wǎng)周邊存在多個基站，微電網(wǎng)的功率不平衡量需要根據(jù)周邊基站的能量存量分配。在微電網(wǎng)向各個基站申請功率的時候，應考慮到相鄰各個基站的剩余容量，儲能剩余容量較多的基站，其功率響應值應在總功率響應中占較大比例。因此，微電網(wǎng)的不平衡功率消納可按照基站儲能SOC（其值記為S）的倒數(shù)進行加權分配。以微電網(wǎng)功率出現(xiàn)缺額為例，單個微電網(wǎng)周圍共6 個基站，記基站a 中蓄電池SOC 的值為Sa，微電網(wǎng)總功率缺額為Psg，則基站a 實際接收到的功率請求Psg，a為：

采用上述不平衡功率分配方式，蓄電池剩余容量較多的基站承擔較大比例的功率響應需求，在經過足夠長的時間后，各個基站的蓄電池剩余容量可以達到平衡。在微電網(wǎng)有功率剩余需要外送到基站的場景下，應考慮各個基站蓄電池可接納的容量，即應考慮（1－S）的值，類似地按照上述原則進行不平衡功率分配。

前述控制建立在各個基站備用容量要求相同的情況下，實際情況中由于周邊配電網(wǎng)重要性要求不同，部分基站會要求有更高的備用容量。對于這種情況，可在預留基站儲能部分容量的基礎上，按照同樣的方式進行分配。如要求基站6 需要額外的備用容量，該部分容量折算到SOC 的數(shù)值記為ΔS，則此時基站6 應承擔的不平衡功率為：

3.1.3 功率交換約束條件確定

針對各基站實際分配到的功率不平衡量，基站需要結合變換器容量、基站儲能SOC 等因素，確認對每個微電網(wǎng)的實際功率交換量。

基站與微電網(wǎng)功率交換量首先受到基站與微電網(wǎng)變換器容量的限制，當功率交換量超出基站變換器或微電網(wǎng)變換器容量時，應當對其作出限制。其次，為延長基站儲能蓄電池的使用壽命，應避免蓄電池在過度充電或過度放電狀態(tài)下運行。因此，需要規(guī)定儲能蓄電池SOC 的上限Smax和下限Smin。當儲能SOC 達到下限時，基站儲能不向外送出功率；相應地，當儲能SOC 達到上限時，基站儲能不從周邊微電網(wǎng)吸收功率。即：

式中：Pi為基站和相鄰微電網(wǎng)i 的實際交換功率，以基站向微電網(wǎng)送出功率為正。

基站交換功率值上下限與基站儲能SOC 的關系如圖6 所示，其中Pmax為儲能變流器的功率上限，和為預設的兩個運行狀態(tài)點，起預警作用。當S＜時，意味著儲能蓄電池容量剩余不多，難以支撐長時間的大功率放電，因此需要減小儲能變換器發(fā)出功率上限；當S＞時，需要減小儲能變換器吸收功率上限。圖6 中實線包圍的區(qū)域就是基站在不同儲能SOC 條件下的運行區(qū)間。

圖6 儲能模塊運行區(qū)間

當與基站相連的微電網(wǎng)對基站要求的總功率超過限制時，基站無法全額滿足各個微電網(wǎng)的功率需求。為盡可能向各個微電網(wǎng)提供功率，保證穩(wěn)定運行，可根據(jù)不同微電網(wǎng)需求功率按比例分配。功率受限條件下，基站向相鄰微電網(wǎng)i 提供的功率為：

在功率受限條件下，基站可以根據(jù)各微電網(wǎng)的重要程度設定功率交換權重系數(shù)，進行加權平均，保證重要級別高的微電網(wǎng)在功率受限情況下優(yōu)先獲得基站的功率支撐。各微電網(wǎng)的權重系數(shù)可根據(jù)內部重要負荷數(shù)量、優(yōu)先度進行確定，微電網(wǎng)權重系數(shù)可以表達為：

式中：Ki為微電網(wǎng)i 的權重系數(shù)；n 為微電網(wǎng)內重要負載的數(shù)量；kij為微電網(wǎng)i 內第j 個重要負載的優(yōu)先度；Pij′為微電網(wǎng)i 內第j 個重要負載的額定功率。

3.1.4 多基站多微電網(wǎng)協(xié)調策略

針對多基站多微電網(wǎng)協(xié)調控制情景，以兩個微電網(wǎng)I，II 與兩個基站A，B 的情景為例，說明該種情況下的協(xié)調控制方法。

記兩個微電網(wǎng)功率請求為PI和PII，功率請求之和為Psum，各基站應發(fā)功率由3.1.2 節(jié)方法得到，記為PEES，A和PEES，B，Pmn（m=I，II；n=A，B）為基站和微電網(wǎng)交換的功率，各功率間關系為：

蜂巢狀配電網(wǎng)要求基站和配電網(wǎng)之間交換的功率盡量少，且要保證各基站有一定的功率容量和能量容量，確保能量交換在各個基站間的均衡性，以最大限度提升配電網(wǎng)結構的可靠性。用交換功率的平方表征交換功率的量級，可得到優(yōu)化目標函數(shù)為：

求解以式（9）為約束、式（10）為優(yōu)化目標的優(yōu)化問題，就可以得到各個基站對各個微電網(wǎng)的功率交換量。對于更大規(guī)模的系統(tǒng)，只需要增加約束條件，對應調整優(yōu)化目標函數(shù)求解優(yōu)化問題，就可以得到各基站與各微電網(wǎng)之間的交換功率量，實現(xiàn)基站與微電網(wǎng)之間較為合理的功率交換。

3.2 變換器層控制策略

HADN 內存在多個微電網(wǎng)，微電網(wǎng)內部的控制方式可以采用主從控制、下垂控制等多種方式，對基站控制不產生影響。微電網(wǎng)通過變換器連接至基站直流母線，連接基站與交流微電網(wǎng)的三相變換器采用圖7 所示的定功率控制，其中Punbref為基站經前述功率不平衡估算與本地決策后得到的功率交換指令值，為d 軸電流參考值，isd和isq分別為d 軸和q 軸的電流值，Usd和Usq分別為電網(wǎng)側d 軸和q 軸的電壓。本文設計的HADN 結構中，各微電網(wǎng)內部無功功率足夠，基站不涉及無功補償，無功電流參考值為0。連接基站與直流微電網(wǎng)的全橋DC/DC 變換器采用移相控制方式[17]，根據(jù)交換功率量計算移相比實現(xiàn)定功率控制。采用上述控制方式，基站可以實現(xiàn)與交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)之間的指定功率額的交換。

圖7 基站變流器定功率控制策略

為保持基站直流母線電壓穩(wěn)定，儲能變換器采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制。為加快變換器響應速度，加入負載電流前饋[18]。儲能變換器控制策略如圖8 所示，其中Udcref為基站直流母線參考電壓，Udc為基站實際直流電壓，iLoad為基站等效負載電流，iLref為電感電流參考值，iL為電感電流測量值，D 為變換器占空比。

圖8 儲能變換器控制策略

4 系統(tǒng)仿真

為驗證本文所提出控制策略的有效性，結合麗水山區(qū)實際情況在Simulink 中進行仿真驗證，仿真配置如圖9 所示，具體參數(shù)如表1 所示，其中：微電網(wǎng)1 是主從控制的交流微電網(wǎng)，微電網(wǎng)2 是下垂控制的交流微電網(wǎng)，二者均為工頻交流微電網(wǎng)；微電網(wǎng)3 是定直流母線電壓控制的直流微電網(wǎng)。當?shù)氐湫蜕絽^(qū)小微電網(wǎng)拓撲中，包括光伏電站、風力發(fā)電站等電源，由于配電網(wǎng)改造工程將在山區(qū)配電網(wǎng)區(qū)域中加裝無功補償裝置，其容量可滿足HADN 對無功補償?shù)囊?，因此仿真過程中不涉及無功功率相關內容。當?shù)氐纳絽^(qū)配電網(wǎng)主要面臨供電半徑長、聯(lián)絡率低、轉供能力受限等問題，提高新能源的就地消納能力是新型山區(qū)配電網(wǎng)的重要目標。因此，仿真模型中未設連接上級電網(wǎng)的接口，以驗證HADN 及其控制策略下就地消納新能源的能力。

圖9 仿真系統(tǒng)配置

表1 微電網(wǎng)運行參數(shù)

在仿真情境中，基站直流母線額定電壓設為1 kV，基站儲能配置容量為1 500 Ah，基站變流器功率交換限值為3 MW。

4.1 功率不平衡估算策略與分配策略驗證

在研究基站與多微電網(wǎng)之間的互動策略前，需要對包括單微電網(wǎng)功率不平衡量估算、功率不平衡量分配等僅涉及單個微電網(wǎng)與周邊基站互動的控制策略進行仿真驗證，采用的拓撲如圖10所示。

圖10 單微電網(wǎng)與多基站互動仿真配置

本文中微電網(wǎng)功率不平衡量的分配策略對于周邊基站數(shù)量沒有特定要求。由于微電網(wǎng)和基站中均包含大量變流器，系統(tǒng)過于復雜時會對仿真分析造成困難。為降低該部分仿真模型復雜度，僅考慮單個微電網(wǎng)，并且周邊僅有3 個基站的情形。所選取的微電網(wǎng)為微電網(wǎng)2，各基站的儲能裝置初始SOC 分別為30%，50%，70%。

微電網(wǎng)功率不平衡總額度及向各個基站的功率請求分配情況如圖11 所示，此時微電網(wǎng)處于功率不足的狀態(tài)，因此向周邊基站申請功率輸出支援。微電網(wǎng)不平衡的申請量根據(jù)基站目前的儲能剩余容量進行分配，儲能剩余容量較多的基站3 獲得了較多的功率請求，儲能剩余容量較少的基站1 獲得較少的功率請求。

圖11 微電網(wǎng)總功率缺額與各基站接收的功率請求

圖12 顯示了基站接收到的功率指令與各基站實際功率交換值之間的關系。各個基站在接收到功率指令后，可以較為精確地跟蹤收到的功率指令值，對微電網(wǎng)提供功率支撐。

圖12 各基站接收到的功率指令與實際功率交換量

微電網(wǎng)2 的運行頻率如圖13 所示，各個基站對微電網(wǎng)的功率響應符合微電網(wǎng)的功率需求情況，因此采用下垂控制的微電網(wǎng)2 運行頻率維持在額定值，說明微電網(wǎng)申請的功率支援可以滿足微電網(wǎng)內部的功率需求，驗證了微電網(wǎng)功率不平衡量估算策略的有效性。

圖13 微電網(wǎng)2 的運行頻率

4.2 功率不平衡工況仿真

為了驗證本系統(tǒng)控制策略的有效性，設計了兩種功率不平衡切換工況。交流微電網(wǎng)1 采用主從控制，交流微電網(wǎng)2 采用下垂控制，直流微電網(wǎng)采用定輸出電壓控制，具體控制策略如第3 節(jié)所述。山區(qū)天氣多變，為模擬天氣變化對可再生能源的影響，光伏和風電的出力均有一定波動。各微電網(wǎng)的光伏輸出功率隨機變動如圖10 所示，光伏陣列均采用基于電壓擾動的最大功率跟蹤控制。第一種仿真工況，假定基站儲能SOC 在穩(wěn)定運行區(qū)間，初始值為50%。光伏隨機輸出功率如圖14 所示。

圖14 光伏隨機輸出功率

設定主從控制下的交流微電網(wǎng)分別在0 s 與2 s 時接入0.5 MW 有功負載與0.1 MW 無功負載。下垂控制交流微電網(wǎng)分別在0 s 與1 s 時接入0.5 MW 有功負載與0.1 MW 無功負載。直流微電網(wǎng)于0 s 時接入0.5 MW 直流有功負載，2 s 時接入0.1 MW 直流負載，3 s 時接入0.5 MW 直流負載。仿真結果如圖15 所示。

圖15 功率不平衡仿真結果

根據(jù)仿真結果可知，下垂控制交流微電網(wǎng)一直處于功率不足狀態(tài)，由基站向其提供功率支撐。主從控制交流微電網(wǎng)一直處于功率充裕狀態(tài)，向基站輸出功率。直流微電網(wǎng)由于負載與電源輸出功率的變化，先向基站輸出功率后由基站向其提供功率，充分證明了控制策略的有效性。

4.3 功率傳輸約束下功率不平衡工況仿真

此時基站儲能SOC 初始值偏低（為15%），其余仿真條件不變，驗證在儲能容量不足時協(xié)調控制策略的有效性。重點觀察一直處于功率缺額工況下的下垂控制交流微電網(wǎng)功率交換情況，仿真結果如圖16 所示。

圖16 下垂控制微電網(wǎng)功率交換值

可以觀察到，在0—6 s 時，與同一基站相連的另外2 個微電網(wǎng)處于功率過剩狀態(tài)，盡管此時基站向下垂控制微電網(wǎng)輸送功率，但周邊微電網(wǎng)總體上仍在對基站輸入能量，因此基站不對向外傳輸功率進行限制。當6 s 后，由于直流微電網(wǎng)向基站輸送功率降低，基站總體上對外輸出功率，此時約束條件起作用，下垂控制微電網(wǎng)功率請求與功率實際交換出現(xiàn)偏差，證明基于SOC的功率約束有效。

4.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性約束

基站直流母線的電壓穩(wěn)定性很大程度決定了配電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本文對直流母線電壓的控制由基站儲能的變換器實現(xiàn)，具體控制策略在3.2 節(jié)中詳細闡述。當基站儲能過量，運行在保護模式下，與之相連的3 個微電網(wǎng)均處于功率充裕狀態(tài)。此時系統(tǒng)內功率無法平衡，直流母線電壓越界，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。為了避免這種情況，需要進行穩(wěn)定性約束研究?；緝δ苣K小信號穩(wěn)定性推導過程傳遞函數(shù)過于復雜，進行定性研究難度較大，可考慮進行定量研究。經過代數(shù)變換，在傳遞函數(shù)特征方程系數(shù)中，只有電感電流穩(wěn)態(tài)值未知，其余均為已知量，而該值與負載電流穩(wěn)態(tài)值直接相關。以仿真數(shù)據(jù)的基站為例，可以計算出此時基站能支撐的最大負載電流約為13.1 kA。

以單基站連接負載為例，在仿真開始時接入12.9 kA 的電流負載，在3 s，4 s，5 s 時分別接入50 A 的電流負載?？梢杂^察到5 s 后直流母線電壓開始振蕩，直至6 s 時直流母線電壓運行失穩(wěn)，該基站儲能系統(tǒng)所能支撐負載電流約為13.05 kA，和理論計算值誤差約為0.3%，較為精確。仿真驗證結果如圖17 所示。

圖17 基站直流母線電壓

根據(jù)仿真結果，可以制訂如下保護策略：當基站檢測到直流母線電流或電壓即將越限時啟動保護控制，基站進入停機模式，閉鎖所有變換器，保證基站自身以及周邊微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

4.5 多微電網(wǎng)多基站控制驗證

本部分采用兩微電網(wǎng)兩基站的系統(tǒng)拓撲對本文所提出的多微電網(wǎng)多基站控制方法進行驗證。選用的兩微電網(wǎng)為微電網(wǎng)1 和微電網(wǎng)2，兩微電網(wǎng)通過變流器和基站1、基站2 相連?；? 初始儲能SOC 為50%，基站2 初始儲能SOC 為70%，系統(tǒng)采用3.1.4 節(jié)所述控制策略。

圖18 是兩微電網(wǎng)功率缺額總值和兩基站的功率分配情況，在本文預設的功率不平衡量分配情況下，儲能SOC 較高的基站2 承擔了兩微電網(wǎng)的大部分功率缺額。

圖18 微電網(wǎng)功率不平衡量總值與分配情況

圖19 是兩微電網(wǎng)運行的頻率，可以看到，盡管兩微電網(wǎng)運行過程中存在功率波動，在預設的多微電網(wǎng)多基站控制策略下，微電網(wǎng)均可保持穩(wěn)定運行。

圖19 微電網(wǎng)運行頻率

綜合上述仿真波形，可以證明本文所設計的多微電網(wǎng)多基站策略可以實現(xiàn)多微電網(wǎng)多基站情況下對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的支撐作用。

5 結語

本文基于新型配電網(wǎng)的拓撲結構——HADN，提出了一種適用于山區(qū)的微電網(wǎng)群結構，并設計了對應的分層控制方法，制訂了基站的運行策略，并通過仿真模型驗證了所提控制策略的有效性。采用本文提出的控制方案，能夠實現(xiàn)HADN內部穩(wěn)定運行。由于微電網(wǎng)正常工況下自治運行，分布式配置的基站具備本地決策能力，在配電網(wǎng)上層控制器故障或通信受阻時，下屬各微電網(wǎng)仍然能夠維持穩(wěn)定運行，提高了配電網(wǎng)運行可靠性和電能質量。通過微電網(wǎng)與基站之間的功率交換策略，可以在各個微電網(wǎng)之間進行功率的靈活調度，以應對可再生能源出力波動或負載波動，增強了配電網(wǎng)整體穩(wěn)定性與靈活性，提高了對配電網(wǎng)內部可再生能源的消納能力。