沈 霞，帥智康，沈 超，葛 俊，黃 文

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)），湖南省長(zhǎng)沙市 410082）

0 引言

交流微電網(wǎng)能夠有效整合多種分布式微源，是合理利用清潔能源解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境問(wèn)題的有效途徑［1-2］。交流微電網(wǎng)包含了風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)等多類型微源以及負(fù)荷，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各類分布式微源一般通過(guò)接口逆變器并網(wǎng)?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的接口逆變器使得微源與網(wǎng)側(cè)的能量交互具備高效靈活的可控性［2］。

然而，微電網(wǎng)時(shí)常面臨故障、大負(fù)荷投切、離并網(wǎng)運(yùn)行模式切換等大擾動(dòng)問(wèn)題。一方面，電力電子器件過(guò)流能力弱，易導(dǎo)致大擾動(dòng)時(shí)電力電子裝備燒毀，嚴(yán)重影響裝備可靠性［2-3］。電力電子器件的高可控性使裝備響應(yīng)速度快，單個(gè)逆變器的故障會(huì)引發(fā)大面積連鎖性反應(yīng)。另一方面，交流微電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模小、慣性弱、抗干擾能力差，大擾動(dòng)時(shí)極易發(fā)生大范圍電壓、頻率波動(dòng)，功率振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)等問(wèn)題［2-5］。此外，微電網(wǎng)可以運(yùn)行于孤島模式或并網(wǎng)模式，尤其在孤島模式下，微電網(wǎng)自身支撐能力有限，大擾動(dòng)時(shí)更難以保證安全、可靠供電［4-6］。因此，研究大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化控制策略對(duì)其發(fā)展至關(guān)重要，也是近年來(lái)諸多學(xué)者致力研究的熱點(diǎn)。

截至目前，國(guó)內(nèi)外許多高校及電力研究部門都已經(jīng)取得了諸多相關(guān)研究成果，且現(xiàn)階段也有一些針對(duì)大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)運(yùn)行特性以及控制策略的綜述文獻(xiàn)。文獻(xiàn)［7］對(duì)比分析了微電網(wǎng)不同接口變換器微源遭遇對(duì)稱及不對(duì)稱擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)特性，但并未涉及對(duì)相關(guān)運(yùn)行與控制的討論。文獻(xiàn)［8］總結(jié)了電流控制型接口變換器微源大擾動(dòng)期間的控制策略，將其控制目標(biāo)分為功率支撐定向控制和電壓支撐定向控制兩大類，并根據(jù)實(shí)際的正負(fù)序注入量需求，總結(jié)了多種組合控制方案。文獻(xiàn)［9-14］探討了不同拓?fù)浼安牧系墓收舷蘖髌鞯膬?yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)景以及對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)［15］論述了多源變換器微電網(wǎng)遭遇大擾動(dòng)時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題、分析方法以及穩(wěn)定性提高措施等方面的相關(guān)研究進(jìn)展。文獻(xiàn)［16］對(duì)比分析了不對(duì)稱擾動(dòng)下并網(wǎng)逆變器的短路電流保護(hù)策略。

整體而言，雖然學(xué)術(shù)界在理論和工程技術(shù)上對(duì)大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的響應(yīng)特性、影響機(jī)理以及控制策略進(jìn)行了大量的研究，但是多集中于對(duì)某種特定控制的微源或者某類方法的總結(jié)討論，側(cè)重的問(wèn)題和方法相對(duì)獨(dú)立，相互之間的聯(lián)系和區(qū)別尚不明確。目前尚未形成從網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?、多樣性控制到受擾時(shí)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性、影響機(jī)理，再到應(yīng)對(duì)措施的全面梳理框架，不利于下一階段的研究與發(fā)展。

本文首先總結(jié)了微電網(wǎng)的基本拓?fù)渑c主要特征。然后，闡述了微電網(wǎng)拓?fù)洹_動(dòng)運(yùn)行特性、擾動(dòng)控制方案及控制目標(biāo)之間的相互關(guān)系?；诖耍敿?xì)梳理了大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性、影響因素及影響機(jī)理，總結(jié)了現(xiàn)階段典型的大擾動(dòng)限流應(yīng)對(duì)策略與穩(wěn)定性提升策略的適用場(chǎng)景及優(yōu)缺點(diǎn)。最后，探討了大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行控制研究所面臨的主要挑戰(zhàn)，并展望了微電網(wǎng)智能化、高可靠供電的發(fā)展前景。

1 交流微電網(wǎng)的基本拓?fù)浼爸饕卣?/h2>

交流微電網(wǎng)主要包含風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)等多類型分布式微源與負(fù)荷，且各分布式微源多以電力電子接口變換器并網(wǎng)。經(jīng)離、并網(wǎng)切換裝置，微電網(wǎng)可靈活運(yùn)行于孤島模式或并網(wǎng)模式。微電網(wǎng)運(yùn)行于并網(wǎng)模式期間，可由配電網(wǎng)為其提供電壓/頻率（V/F）支撐；運(yùn)行于孤島模式期間，必須由柴油發(fā)電機(jī)或其他電壓控制型單元提供V/F 支撐。

微電網(wǎng)的典型控制體系主要包含3 層控制結(jié)構(gòu)［17］，如圖1 所示。第1 層負(fù)責(zé)電壓、電流及功率均分控制，具備微秒至毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間尺度［17-19］。第2 層與第3 層分別實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)V/F 恢復(fù)及能量管理等功能，時(shí)間尺度為秒級(jí)以上［18］。因此，大擾動(dòng)期間，微源及微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性由第1 層控制主導(dǎo)，相關(guān)研究工作也主要基于第1 層控制展開。

圖1 微電網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical control architecture of microgrid

根據(jù)各類分布式一次能源的特點(diǎn)以及網(wǎng)側(cè)需求，微源接口變換器的一次控制包含多種類型，不同控制決定各微源在微電網(wǎng)中的主要作用。因此，傳統(tǒng)電網(wǎng)特征由同步機(jī)主導(dǎo)，而微電網(wǎng)特征由逆變器主導(dǎo)［18-19］。由于逆變器與同步機(jī)特性不同，導(dǎo)致微電網(wǎng)呈現(xiàn)如下特征。

1）過(guò)流能力弱。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等全控型電力電子器件可以靈活地實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性，這些器件通?；? 倍額定電流選型［20］。然而，擾動(dòng)的瞬間，基于電力電子器件的逆變器極易出現(xiàn)遠(yuǎn)大于閾值的沖擊電流，導(dǎo)致裝備過(guò)流燒毀，嚴(yán)重影響供電可靠性［20］。

2）非線性強(qiáng)。電力電子裝備通過(guò)器件開斷實(shí)現(xiàn)電能變換，可控性高、響應(yīng)速度快［1-3］。但隨著開關(guān)器件狀態(tài)的變化，其電路拓?fù)湟苍谕瑫r(shí)變化，使其具備較強(qiáng)的時(shí)變非線性，增加了微電網(wǎng)運(yùn)行特性研究的復(fù)雜性［18］。此外，裝備的限幅控制極易導(dǎo)致閉環(huán)控制退化為開環(huán)響應(yīng)。如果裝備運(yùn)行于過(guò)調(diào)制狀態(tài)，負(fù)反饋退化為正反饋，更易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)［19］。

3）多時(shí)間尺度。微電網(wǎng)可以快速靈活地實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性具備較寬的頻率范圍。在物理電路方面，電力電子開關(guān)器件呈現(xiàn)微秒級(jí)響應(yīng)特性，分布式能源（如光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能等）呈現(xiàn)微秒至分鐘級(jí)響應(yīng)特性；在控制系統(tǒng)層面，電壓、電流控制環(huán)呈現(xiàn)毫秒級(jí)響應(yīng)特性，功率控制環(huán)呈現(xiàn)百毫秒至秒級(jí)響應(yīng)特性，而第2、3 層的系統(tǒng)控制則為秒級(jí)響應(yīng)特性［18-20］。大擾動(dòng)時(shí)，不同短時(shí)間尺度下的物理環(huán)與控制環(huán)響應(yīng)相互耦合，加深了微電網(wǎng)運(yùn)行特性的復(fù)雜性。

4）抗干擾能力差。區(qū)別于傳統(tǒng)同步機(jī)，電力電子裝備缺乏物理旋轉(zhuǎn)單元，只能通過(guò)配置存儲(chǔ)系統(tǒng)（如飛輪存儲(chǔ)、超級(jí)電容器等）或改進(jìn)控制策略（如虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制等）來(lái)為系統(tǒng)提供有限的慣性和阻尼［21］。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，微電網(wǎng)規(guī)模小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)脆弱、源荷耦合強(qiáng)、投切影響大［22］。因此，大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)系統(tǒng)易振蕩或失穩(wěn)。

上述特征均嚴(yán)重影響大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。進(jìn)一步總結(jié)微電網(wǎng)拓?fù)?、擾動(dòng)運(yùn)行特性、擾動(dòng)控制方案及控制目標(biāo)的相互關(guān)系，如圖2 所示。大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的主要控制目標(biāo)包括裝備的安全保護(hù)及系統(tǒng)的穩(wěn)定維持，擾動(dòng)運(yùn)行特性是設(shè)計(jì)有效控制方案的重要依據(jù)，反之又受到控制方案的影響［21］。因此，本文將從微電網(wǎng)的擾動(dòng)運(yùn)行特性和控制方案2 個(gè)方面梳理現(xiàn)階段相關(guān)研究工作，為相關(guān)研究提供參考。

圖2 大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性與控制策略關(guān)系Fig.2 Relationship of operation characteristic and control strategy in microgrid under large disturbance

2 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的運(yùn)行特性

微源是微電網(wǎng)的重要組成部分，大擾動(dòng)時(shí)微源的輸出電流特性決定逆變器需要的保護(hù)控制策略。同時(shí)，微電網(wǎng)大擾動(dòng)下的穩(wěn)定運(yùn)行特性也決定了其暫態(tài)穩(wěn)定控制目標(biāo)與電能質(zhì)量?jī)?yōu)化目標(biāo)。本章分別從微源輸出電流及微電網(wǎng)穩(wěn)定性兩方面，總結(jié)了大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的主要運(yùn)行特性、影響因素及影響機(jī)理。

2.1 大擾動(dòng)時(shí)微源逆變器輸出電流運(yùn)行特性

依據(jù)輸出電壓、電流特征，基于電力電子逆變器接口的分布式微源（IIDG）主要分為電流控制型以及電壓控制型。如圖3 所示，不同控制型IIDG 與微電網(wǎng)的交互機(jī)理具備差異性，電流控制型IIDG 主要為微電網(wǎng)提供功率支撐，電壓控制型IIDG 則為微電網(wǎng)提供V/F 支撐。因此，大擾動(dòng)時(shí)各類IIDG 的輸出電流規(guī)模、響應(yīng)速度也各異。

圖3 IIDG 的典型控制方案Fig.3 Typical control schemes of IIDG

2.1.1 電流控制型IIDG 輸出電流運(yùn)行特性

電流控制型IIDG 主要通過(guò)控制參考電流實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)側(cè)的有功、無(wú)功功率交互，其控制環(huán)路簡(jiǎn)單，無(wú)法單獨(dú)運(yùn)行于孤島模式，需要外界提供電壓支撐。典型的電流控制包括恒定電流（constant current，CC）控制及有功、無(wú)功功率（PQ）控制等［7］。

1）大擾動(dòng)時(shí)等效序網(wǎng)絡(luò)模型

如附錄A 圖A1 所示，根據(jù)不同場(chǎng)景需求，微電網(wǎng)逆變器的典型接線方式包含三相三線制與三相四線制。三相三線制接線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)零序通道，而三相四線制直流側(cè)電容中點(diǎn)接入地線，相比于前者，增加了零序網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)增加了一個(gè)控制自由度［22］。

當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，電流控制型IIDG 可以等效成一個(gè)受控的恒定電流源并聯(lián)一個(gè)濾波電容。對(duì)稱擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)只包含如圖4（a）所示的正序網(wǎng)絡(luò)。不對(duì)稱擾動(dòng)時(shí)，若逆變器采取三相三線制，則無(wú)零序網(wǎng)絡(luò)，三相四線制下則增加零序網(wǎng)絡(luò)，如圖4（c）所示。圖4 中：Gi為包含控制內(nèi)環(huán)及濾波電路的等效傳遞函數(shù)；為可調(diào)整的電流參考值；Zg、θg、Vg分別為網(wǎng)側(cè)等效阻抗的幅值、相位角、網(wǎng)側(cè)等效電壓；上標(biāo)“+”“-”“0”分別表示正序、負(fù)序以及零序分量。

2）CC 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

電流控制型及電壓控制型逆變器在大擾動(dòng)狀態(tài)下輸出電流模型如附錄A 表A1 式（A1）所示。對(duì)稱及不對(duì)稱擾動(dòng)期間，CC 控制型IIDG 的輸出電流參考值保持不變，即圖4 中仍為常數(shù)［7］，實(shí)際輸出電流依然受控于內(nèi)環(huán)參考值。若將逆變器橋等效為系數(shù)K，則實(shí)際電流大小近似為。附錄A 圖A2 給出了對(duì)稱或不對(duì)稱擾動(dòng)電壓下CC 控制型IIDG 的輸出電流波形。由圖A2（c）可知，2 種擾動(dòng)下其實(shí)際輸出電流始終保持對(duì)稱且無(wú)沖擊。此外，考慮到對(duì)器件的過(guò)流保護(hù)，IIDG 控制系統(tǒng)會(huì)增設(shè)各類限幅環(huán)節(jié)，CC 控制型IIDG 的內(nèi)、外環(huán)輸出限幅器一般不作用［7］。

圖4 大擾動(dòng)時(shí)電流控制型逆變器等效序網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Equivalent sequence network model of current controlled inverter under large disturbance

3）PQ 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

2.1.2 電壓控制型IIDG 輸出電流運(yùn)行特性

電壓控制型IIDG 通過(guò)控制輸出端口電壓實(shí)現(xiàn)各種并網(wǎng)功能，不同于電流控制型逆變器，其輸出電流無(wú)法直接控制，主要由微源自身及外部電路狀態(tài)同時(shí)決定。因此，大擾動(dòng)時(shí)，其輸出電流特性影響因素更多，影響機(jī)理也更為復(fù)雜。典型的電壓控制包括V/F 控制、下垂控制、VSG 控制等［7，21］，均可獨(dú)立運(yùn)行于孤島模式。

1）大擾動(dòng)時(shí)等效序網(wǎng)絡(luò)模型

如圖5 所示，當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，電壓控制型IIDG 的橋臂中點(diǎn)電壓難以突變，因此均可以等效成一個(gè)受控的電壓源串聯(lián)一個(gè)等效阻抗。圖中：為與實(shí)際具體的控制相關(guān)的受控電壓參考值；Gv為包含控制環(huán)及濾波電路的傳遞函數(shù)；Zinv和θinv分別為逆變器等效阻抗的幅值和相位角。三相三線制下，大擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)分為圖5（a）和（b）的正負(fù)序等效電路。三相四線制下，增加圖5（c）中的零序響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)［25］。

圖5 大擾動(dòng)時(shí)電壓控制型逆變器等效序網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Equivalent sequence network model of voltage controlled inverter under large disturbance

由圖5 可得，大擾動(dòng)時(shí)電壓控制型IIDG 的輸出電流模型如附錄A 表A1 式（A3）所示。不同于電流控制型IIDG，由于其輸出電壓是受控的，因而，大擾動(dòng)期間電壓控制型IIDG 實(shí)際輸出電流為受擾點(diǎn)與其端口電壓差值除以2 點(diǎn)之間的等效阻抗（Z=Zinv+Zg），電流大小不直接可控，與微源本身及外部電路狀態(tài)均相關(guān)。微源控制決定了大擾動(dòng)瞬間其端口電壓狀態(tài)（即v*abc），受擾點(diǎn)電壓由擾動(dòng)類型與擾動(dòng)時(shí)刻決定，兩者也決定了電壓差。當(dāng)三相電壓差不對(duì)稱時(shí)，IIDG 輸出電流直接不對(duì)稱。同時(shí)，由于阻抗Z較小，因此微小的電壓差也會(huì)引起嚴(yán)重的過(guò)流。

2）V/F 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

V/F 控制直接根據(jù)固定電壓、頻率參考值維持微源輸出電壓、頻率的穩(wěn)定。因而大擾動(dòng)時(shí)內(nèi)部比例積分器的輸出會(huì)增加，以補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)電壓跌落，增加導(dǎo)致大擾動(dòng)瞬間逆變器端口電壓增大。如附錄A 式（A3）所示，端口電壓與擾動(dòng)點(diǎn)處電壓差越大，端點(diǎn)間阻抗越小，輸出沖擊電流越大，且很容易遠(yuǎn)超其額定值。不考慮限幅時(shí)，V/F 控制型IIDG 的輸出電流響應(yīng)特性如附錄A 圖A4 所示，對(duì)稱擾動(dòng)下三相電流輸出對(duì)稱，近乎達(dá)到額定值的7 至8 倍。不對(duì)稱擾動(dòng)下，擾動(dòng)瞬間逆變器橋臂中點(diǎn)電壓不能突變且保持對(duì)稱，而外界電壓不對(duì)稱，依據(jù)表A1 中的數(shù)學(xué)模型，其輸出三相電流也跟隨電壓差呈現(xiàn)不對(duì)稱特性，且數(shù)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于逆變器的2 倍額定電流值。

此外，僅外環(huán)電流限幅作用時(shí)，其輸出電流直接限制為恒定的電流閾值，此時(shí)V/F 控制型IIDG 相當(dāng)于恒定電流源，系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)近似為圖4。當(dāng)內(nèi)環(huán)調(diào)制限幅作用時(shí)，V/F 控制型IIDG 會(huì)被直接限定于固定電壓和相位閾值狀態(tài)，系統(tǒng)的閉環(huán)控制退化為開環(huán)控制。此時(shí)，輸出電流依然可直接由式（A3）表示，逆變器端口電壓鉗位于固定的幅值與相位，且系統(tǒng)的等效阻抗較小，因此即使增加限幅，依然可能有很大沖擊電流［7，26］。

3）下垂控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

下垂控制包含功率控制環(huán)、電壓控制環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)，其受控電壓信號(hào)v*abc由3 個(gè)控制環(huán)同時(shí)決定［27-28］。根據(jù)下垂控制型IIDG 的多環(huán)控制對(duì)的約束作用，由附錄A 式（A3）可知，其沖擊電流嚴(yán)重程度比V/F 控制略微緩和。不考慮限幅作用時(shí)，對(duì)稱及不對(duì)稱擾動(dòng)下的下垂控制型IIDG 響應(yīng)特性如附錄A 圖A5 所示。由于逆變器輸出電流不直接受控，對(duì)稱擾動(dòng)下三相電流輸出對(duì)稱；不對(duì)稱擾動(dòng)下，與V/F 控制類似，故障瞬間其橋臂中點(diǎn)電壓對(duì)稱，受擾點(diǎn)電壓不對(duì)稱，三相輸出電流不對(duì)稱，且幅值約為額定值的3 至4 倍。

僅考慮電流限幅作用時(shí)，其電流輸出特性也與V/F 控制型IIDG 近似［7］。此外，下垂控制型IIDG還存在外環(huán)功率限幅，以避免功率變化時(shí)引起電壓和頻率的過(guò)下垂響應(yīng)。因此，其實(shí)際電流輸出會(huì)同時(shí)由3 個(gè)限幅環(huán)節(jié)的上限最小值及下限最大值決定，生成被鉗位的電壓參考值v*abc，且由于逆變器端口與受擾點(diǎn)之間的等效阻抗較小，仍然可能高于2 倍額定電流值。

4）VSG 控制型IIDG 輸出電流特性及其影響因素

VSG 控制模擬了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程，可為微電網(wǎng)提供一定的慣性支撐［29-32］。現(xiàn)階段，VSG 主要分為電壓控制型以及電流控制型，且前者應(yīng)用更為廣泛。同步逆變器是電壓控制型的典型案例之一，沒有電流內(nèi)環(huán)約束電壓參考值，與常規(guī)電壓控制型VSG 差別較大，因而大擾動(dòng)時(shí)遭受的沖擊電流也最為嚴(yán)重［32］。同步逆變器的電流響應(yīng)如附錄A 圖A6 所示，不考慮限幅作用時(shí)，對(duì)稱擾動(dòng)下其沖擊電流可達(dá)到額定值的6 至7 倍［32］?？紤]調(diào)制限幅作用時(shí)，其響應(yīng)狀態(tài)與V/F 調(diào)制限幅作用類似。

為形成更為直觀的對(duì)比，表1 總結(jié)了大擾動(dòng)時(shí)典型電壓及電流控制型IIDG 的輸出電流特性。結(jié)合模型及仿真對(duì)比結(jié)果可知，大擾動(dòng)期間電流控制型逆變器輸出電流的幅值及對(duì)稱情況依然均可控；而電壓控制型逆變器的輸出電流不直接可控，由逆變器端電壓與外界電壓差以及等效阻抗決定，其沖擊幅值較大，且不對(duì)稱與否直接由電壓差決定。因此，電壓控制型IIDG 的沖擊電流規(guī)模及速度通常會(huì)大于電流控制型IIDG。此外，對(duì)稱擾動(dòng)時(shí)電流控制或電壓控制型IIDG 均只存在正序網(wǎng)絡(luò)，三相三線制或三相四線制對(duì)系統(tǒng)的輸電電流特性無(wú)影響。不對(duì)稱擾動(dòng)時(shí)，電流控制型IIDG 三相三線制與三相四線制下仍將具有相同的正序網(wǎng)絡(luò)特性；但是電壓控制型IIDG 將存在差異，即電壓控制型IIDG 在三相三線制下存在正序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的電流特征，而在四線制下存在正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)的電流特征。

表1 大擾動(dòng)時(shí)典型接口逆變器控制的微源運(yùn)行特性Table 1 Operation characteristics of micro-source controlled by typical interface inverter under large disturbance

2.2 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行特性

大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行特性會(huì)受到多方面的影響，并且呈現(xiàn)非常復(fù)雜的時(shí)變特征。其主要影響因素包括系統(tǒng)的拓?fù)?、微源與負(fù)荷的分布位置及數(shù)量、微源的控制方式、離并網(wǎng)運(yùn)行模式、負(fù)荷性質(zhì)和擾動(dòng)程度、類型、位置、時(shí)刻等［32-34］。其典型特征如下。

1）節(jié)點(diǎn)電壓、頻率大幅偏移。大擾動(dòng)時(shí)各微源輸出端與擾動(dòng)點(diǎn)之間存在很大的電壓矢量差，微源向受擾點(diǎn)提供大量的能量支撐，導(dǎo)致微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓、頻率的大幅偏移，且擾動(dòng)點(diǎn)距離微源越近，各節(jié)點(diǎn)偏移越嚴(yán)重。文獻(xiàn)［33］基于單機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，研究了微源輸出端以及公共連接點(diǎn)（PCC）電氣量變化特征，并指出大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行特性區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，會(huì)受微源等主動(dòng)發(fā)電單元的影響，呈現(xiàn)不斷變化的特征。文獻(xiàn)［35］指出電力電子化微電網(wǎng)慣性小，大擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的電壓、頻率極易發(fā)生大范圍波動(dòng)，并提出基于耦合因子的非線性解耦方法來(lái)分析母線電壓、頻率突變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2）電壓、電流畸變。大擾動(dòng)時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓、電流的不對(duì)稱會(huì)使控制系統(tǒng)引入非工頻擾動(dòng)分量，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)作用，逆變器輸出電壓、電流發(fā)生畸變。文獻(xiàn)［36］指出了不同接線方式及坐標(biāo)系控制下，大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的電壓、電流都會(huì)產(chǎn)生二倍頻諧波分量。文獻(xiàn)［37］研究結(jié)果表明電力電子器件的非線性、不對(duì)稱故障及變壓器不同接線方式均會(huì)帶來(lái)多種諧波影響。文獻(xiàn)［38］指出微電網(wǎng)恒功率等非線性負(fù)荷在擾動(dòng)時(shí)會(huì)加劇系統(tǒng)的電壓、電流畸變。

3）功率振蕩。并聯(lián)微源之間的特性差異會(huì)導(dǎo)致大擾動(dòng)時(shí)并聯(lián)機(jī)組之間的瞬時(shí)能量分配不均衡，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)功率振蕩，且部分微源在微電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)后易承擔(dān)過(guò)多的瞬時(shí)功率，導(dǎo)致逆變器的過(guò)載或運(yùn)行模式切換。文獻(xiàn)［39］指出逆變器由于自身過(guò)流能力有限，在過(guò)載后將由組網(wǎng)運(yùn)行切換至限流工作模式，無(wú)法持續(xù)支撐孤島微電網(wǎng)電壓。文獻(xiàn)［40］研究結(jié)果表明微源瞬時(shí)功率的突增還可能引發(fā)系統(tǒng)頻率失穩(wěn)、儲(chǔ)能單元損毀等問(wèn)題。

4）同步失穩(wěn)。當(dāng)擾動(dòng)程度嚴(yán)重時(shí)，并聯(lián)微源之間無(wú)法維持同步，導(dǎo)致微電網(wǎng)直接失穩(wěn)，造成大面積停電，此為大擾動(dòng)最嚴(yán)重的后果。文獻(xiàn)［41-42］指出由于微電網(wǎng)容量小，大擾動(dòng)時(shí)若存在微源非計(jì)劃性脫網(wǎng)，且脫網(wǎng)總?cè)萘砍^(guò)微電網(wǎng)最大可接受的功率缺失范圍時(shí)，系統(tǒng)可能暫態(tài)失穩(wěn)。文獻(xiàn)［6，43］指出功角失穩(wěn)的本質(zhì)為大擾動(dòng)時(shí)微源參考功率與輸出功率的不平衡，即實(shí)際能量超過(guò)了最大允許能量值。文獻(xiàn)［6，44］進(jìn)一步解釋，根據(jù)擴(kuò)展等面積法則，當(dāng)功角曲線中加速面積大于最大減速面積時(shí)，系統(tǒng)將失穩(wěn)；當(dāng)加速面積小于最大減速面積時(shí)，系統(tǒng)將恢復(fù)穩(wěn)定；二者相等時(shí)，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

近年來(lái)，隨著逆變器接口微源接入電網(wǎng)的比例逐漸增加，電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性變得愈加復(fù)雜?；诘湫瓦\(yùn)行特性分析可知，微電網(wǎng)抗干擾能力弱且規(guī)模小，導(dǎo)致微電網(wǎng)在經(jīng)受大擾動(dòng)時(shí)易發(fā)生V/F、功率的大范圍波動(dòng)，甚至出現(xiàn)不可逆的暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，威脅微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于微電網(wǎng)非線性耦合強(qiáng)、時(shí)間尺度寬、時(shí)變性強(qiáng)，造成微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題復(fù)雜且突出。IEEE 電力與能源協(xié)會(huì)在對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定性定義時(shí)，分析與建模工作組根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性和失穩(wěn)機(jī)理將微電網(wǎng)的穩(wěn)定問(wèn)題歸類為控制系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題和電能平衡穩(wěn)定問(wèn)題［45］，如圖6 所示。

圖6 交流微電網(wǎng)穩(wěn)定問(wèn)題歸類Fig.6 Classification of AC microgrid stability problems

與傳統(tǒng)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題相比，由逆變器控制所引起的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題是微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題的重要內(nèi)容［1］。微電網(wǎng)中的逆變器單元主要通過(guò)控制開關(guān)器件的開通和關(guān)斷進(jìn)行電能變換，是微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量管理和穩(wěn)定運(yùn)行的物理基礎(chǔ)。當(dāng)多個(gè)逆變器單元同時(shí)進(jìn)行電能變換時(shí)，需要同步控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變器之間以及逆變器與微電網(wǎng)之間的同步，保證逆變器輸出功率穩(wěn)定，因而同步控制環(huán)節(jié)廣泛存在于逆變器控制系統(tǒng)中。傳統(tǒng)電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)在經(jīng)受大擾動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生暫態(tài)同步穩(wěn)定問(wèn)題，微電網(wǎng)中同樣存在嚴(yán)重的暫態(tài)同步穩(wěn)定問(wèn)題［6］。不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)為主的強(qiáng)慣性電力系統(tǒng)，大量風(fēng)機(jī)、光伏等新能源低慣性系統(tǒng)通過(guò)鎖相環(huán)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步，其同步機(jī)理及運(yùn)行模式與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在較大差異。此外，近些年提出模擬同步發(fā)電機(jī)特性的逆變器控制策略，如下垂控制、VSG 控制等，在電網(wǎng)故障時(shí)需要限制輸出電流容量，使得其同步機(jī)理與同步發(fā)電機(jī)存在明顯差異［6，46-49］。因此，需要針對(duì)逆變器接口型微源的同步特性以及同步機(jī)與逆變器接口型微源的交互特性進(jìn)行機(jī)理研究。以下將從單機(jī)同步機(jī)理以及同步機(jī)和逆變器多機(jī)交互機(jī)理的角度進(jìn)行總結(jié)分析。

2.2.1 單機(jī)同步穩(wěn)定機(jī)理

2.2.1.1 同步發(fā)電機(jī)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)作為主要發(fā)電單元，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性有著不可忽視的影響。同步發(fā)電機(jī)的同步原理依賴于原動(dòng)機(jī)輸入功率和輸出電磁功率之間的平衡。針對(duì)同步發(fā)電機(jī)的同步穩(wěn)定機(jī)理已有較為深入的研究結(jié)果［47］，本文不再贅述。

2.2.1.2 逆變器接口

與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)通過(guò)物理轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步的機(jī)理不同，逆變器根據(jù)其控制策略的不同，有多種與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步的方式［6，48］。其中，功率同步控制和鎖相環(huán)是實(shí)現(xiàn)逆變器同步電能變換的重要方式，其同步控制策略如附錄A 圖A7 所示。

1）功率同步控制

如附錄A 圖A7（a）所示，功率同步控制通過(guò)建立輸出有功功率與相角的閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)同步控制。VSG 和下垂控制逆變器等電壓控制型逆變器均采用功率同步控制，與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步以及功率均分。當(dāng)輸出有功功率小于參考有功功率時(shí)，功率同步控制輸出相角將會(huì)增加，從而增大輸出有功功率并減小與參考有功功率的差值，完成負(fù)反饋并實(shí)現(xiàn)與微電網(wǎng)的同步控制。功率同步控制雖然從控制策略上能夠模擬同步發(fā)電機(jī)特性，但仍需要通過(guò)功率平衡實(shí)現(xiàn)。然而，逆變器在暫態(tài)過(guò)程中存在輸出功率限制，造成功率同步型逆變器與同步發(fā)電機(jī)在暫態(tài)同步機(jī)理上的本質(zhì)差異［46］。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，逆變器輸出功率大幅變化，有功功率差值可能導(dǎo)致功率同步控制環(huán)節(jié)輸出相角與電網(wǎng)相角差超過(guò)90°。此時(shí)，增加相角反而會(huì)減小逆變器的輸出有功功率，使得其與參考有功功率的差值形成正反饋環(huán)，導(dǎo)致與微電網(wǎng)失步。功率同步型逆變器暫態(tài)失穩(wěn)機(jī)理如圖7（a）所示，其穩(wěn)定機(jī)理可通過(guò)擴(kuò)展等面積定則解釋［49］。當(dāng)S1=S2時(shí)，若δmax＜δu，則系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，系統(tǒng)則出現(xiàn)失穩(wěn)。文獻(xiàn)［34］發(fā)現(xiàn)了功率同步型逆變器在電網(wǎng)大擾動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)同步失穩(wěn)問(wèn)題，并通過(guò)相平面法分析失穩(wěn)機(jī)理。文獻(xiàn)［6］指出無(wú)功功率-電壓下垂環(huán)會(huì)惡化VSG 的暫態(tài)穩(wěn)定性，并提出一種考慮無(wú)功環(huán)特性的李雅普諾夫能量函數(shù)法定量評(píng)估暫態(tài)穩(wěn)定域。文獻(xiàn)［50］揭示了電流限幅環(huán)節(jié)作用下，下垂控制變換器退化成電流源并出現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn)的機(jī)理。文獻(xiàn)［51］總結(jié)了功率同步型逆變器暫態(tài)同步穩(wěn)定由功率同步環(huán)的動(dòng)態(tài)決定。

圖7 逆變器接口暫態(tài)同步機(jī)理Fig.7 Transient synchronization mechanism of inverter interface

2）鎖相環(huán)同步控制

鎖相環(huán)的工作原理如附錄A 圖A7（b）所示。鎖相環(huán)通過(guò)建立電壓反饋環(huán)，當(dāng)鎖相環(huán)輸出相角小于檢測(cè)點(diǎn)的電壓相角時(shí)，其q軸電壓值將為正，從而增加鎖相環(huán)角頻率，減小與檢測(cè)點(diǎn)相角差直至相等；而當(dāng)鎖相環(huán)相角大于檢測(cè)點(diǎn)電壓相角時(shí)，其q軸電壓值將為負(fù)，從而減小鎖相環(huán)角頻率和輸出相角，直到與檢測(cè)點(diǎn)相角相同。鎖相環(huán)同步依靠電壓的平衡實(shí)現(xiàn)同步，這與同步發(fā)電機(jī)和功率同步控制存在本質(zhì)差異［52］。

鎖相環(huán)同步控制廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、光伏等電流控制型逆變器與電網(wǎng)的同步。隨著鎖相環(huán)同步型逆變器接入電網(wǎng)比例的提升，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間會(huì)縮小。鎖相環(huán)同步型逆變器的暫態(tài)失穩(wěn)機(jī)理如圖7（b）所示。當(dāng)A1=A2時(shí)，若φmax＜φu，則系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，系統(tǒng)則出現(xiàn)失穩(wěn)［53-54］。文獻(xiàn)［55］指出注入無(wú)功電流能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)最新的并網(wǎng)規(guī)范要求，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至50%以下時(shí)逆變器需要全部注入無(wú)功電流支撐電網(wǎng)［56］。然而，文獻(xiàn)［57］指出在電壓跌落程度較深的情況下，注入無(wú)功電流可能導(dǎo)致鎖相環(huán)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，并且以風(fēng)電場(chǎng)為背景進(jìn)行了時(shí)域仿真驗(yàn)證。為了揭示鎖相環(huán)內(nèi)在失穩(wěn)機(jī)理，文獻(xiàn)［58］對(duì)鎖相環(huán)同步型逆變器進(jìn)行模型降階，并建立與同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程的數(shù)學(xué)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造能量函數(shù)定量分析了控制參數(shù)的影響。文獻(xiàn)［59］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入電流角與線路等值阻抗角滿足一定關(guān)系時(shí)，逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定域最優(yōu)。

2.2.2 多機(jī)交互穩(wěn)定機(jī)理

上文分別以同步發(fā)電機(jī)、功率同步型逆變器和鎖相環(huán)同步型逆變器為研究對(duì)象，討論了其內(nèi)在失穩(wěn)機(jī)理。然而，實(shí)際微電網(wǎng)中是多種微源并存的狀態(tài)，同步發(fā)電機(jī)和不同同步控制逆變器之間的暫態(tài)交互變得尤為復(fù)雜。為此，需要討論同類同步控制逆變器間、不同同步控制逆變器間、逆變器接口與同步發(fā)電機(jī)間的同步穩(wěn)定問(wèn)題。

文獻(xiàn)［59］討論了多鎖相環(huán)同步型逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，而文獻(xiàn)［60-61］則針對(duì)多功率同步型逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定開展研究，并提出了基于慣性中心等值的研究方法。針對(duì)不同同步控制逆變器之間的暫態(tài)交互問(wèn)題，文獻(xiàn)［62］建立了鎖相環(huán)同步型和功率同步型逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)交互模型，并揭示了不同注入電流相角下功率同步型逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。針對(duì)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)功率同步型逆變器系統(tǒng)，文獻(xiàn)［43］發(fā)現(xiàn)調(diào)速環(huán)差異會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)更容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。文獻(xiàn)［63］討論了鎖相環(huán)同步型逆變器接入對(duì)同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)同步穩(wěn)定性的影響機(jī)理。

考慮到微電網(wǎng)供電半徑較小、功率耦合較強(qiáng)的特性，研究微電網(wǎng)暫態(tài)同步穩(wěn)定特性時(shí)還須考慮負(fù)荷特性和無(wú)功控制特性。這部分工作尚處于開始階段，是后續(xù)的研究重點(diǎn)。上述特征都是基于對(duì)微源以及微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電氣量變化的研究總結(jié)。然而，現(xiàn)階段針對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行特性的研究較少，針對(duì)大擾動(dòng)的機(jī)理研究主要集中于對(duì)單個(gè)微源或簡(jiǎn)單并聯(lián)微源大擾動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理的討論。多種系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及影響機(jī)理尚不清晰，且由于微電網(wǎng)自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制的復(fù)雜性與多變性，有效的數(shù)學(xué)分析工具亟待突破。

3 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的控制策略

3.1 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的控制目標(biāo)分析

基于大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行特性可知，分布式微源尤其是電壓控制型接口逆變器微源極易產(chǎn)生大于2 倍額定值的沖擊電流，威脅裝置安全。此外，系統(tǒng)電壓、頻率大幅偏移及功率振蕩等較為嚴(yán)重時(shí)，均易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。因而，大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的控制目標(biāo)主要包括保護(hù)裝備的安全運(yùn)行及維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

針對(duì)上述需求，目前微電網(wǎng)大擾動(dòng)時(shí)的控制策略主要分成2 類：微電網(wǎng)限流保護(hù)控制及暫態(tài)穩(wěn)定性控制。前者是為確保整個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)的安全，如避免裝備過(guò)流燒毀、提供必要的分布式有功和無(wú)功注入以及V/F 支撐等。后者是為避免大擾動(dòng)時(shí)電氣量突變等引起的系統(tǒng)失穩(wěn)問(wèn)題。系統(tǒng)性梳理現(xiàn)階段2 種控制的研究現(xiàn)狀，如圖8 所示。

圖8 大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的控制目標(biāo)Fig.8 Control targets of microgrid under large disturbance

3.2 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)限流保護(hù)控制策略

基于電壓控制型接口逆變器微源和電流控制型接口逆變器微源的擾動(dòng)響應(yīng)特性，可以從微源級(jí)和系統(tǒng)級(jí)采取不同的應(yīng)對(duì)方案對(duì)裝置進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)逆變器的沖擊電流抑制、有功和無(wú)功波動(dòng)抑制以及對(duì)網(wǎng)側(cè)節(jié)點(diǎn)的V/F 支撐。現(xiàn)有的典型限流保護(hù)方案主要包括增加物理限流裝置以及改進(jìn)控制策略等。

1）物理硬件限流

增加硬件限流的方案旨在于逆變器輸出端口、線路首末端以及微電網(wǎng)與主網(wǎng)連接點(diǎn)處等關(guān)鍵位置增加物理限流裝置，以抑制大擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的沖擊電流規(guī)模［5］。物理硬件限流器可以分為被動(dòng)型與主動(dòng)型。

被動(dòng)型限流裝置（passive fault current limiter，F(xiàn)CL）依靠無(wú)源元件的物理特性達(dá)到限流目的，包括阻抗限流器、超導(dǎo)限流器（superconducting fault current limiter，SFCL）等。阻抗限流器由傳統(tǒng)的電感線圈、電阻等元件組成，成本低且穩(wěn)態(tài)下?lián)p耗大［5］。SFCL 充分結(jié)合了超導(dǎo)材料的優(yōu)勢(shì)，主要原理為當(dāng)流經(jīng)超導(dǎo)體的電流小于臨界值時(shí)，SFCL 呈零阻抗超導(dǎo)狀態(tài)；當(dāng)電流超過(guò)臨界值時(shí)，SFCL 會(huì)立即轉(zhuǎn)變?yōu)槭С瑺顟B(tài)，阻抗突增［64］。SFCL 既可以在大擾動(dòng)時(shí)保護(hù)裝備不燒毀，同時(shí)也可避免常態(tài)下限流裝置產(chǎn)生的額外損耗，但是存在恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［65］對(duì)比分析了SFCL 應(yīng)用于微電網(wǎng)不同位置時(shí)對(duì)系統(tǒng)大擾動(dòng)的限流效果。結(jié)果表明：當(dāng)被動(dòng)限流器配置于擾動(dòng)點(diǎn)所在線路首端時(shí)，可以較好抑制線路以及微源的沖擊電流，性能最佳。

主動(dòng)型限流器以電力電子開關(guān)器件的快速開關(guān)控制為核心，結(jié)合電阻、電感等元件實(shí)現(xiàn)限流阻抗的快速切換，從而達(dá)到限流的目的［66］。文獻(xiàn)［67］提出一種基于IGBT 和二極管的微電網(wǎng)故障限流器。該限流裝置連接于微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間，采集PCC 電壓進(jìn)行相關(guān)控制，能在一個(gè)周期內(nèi)完成故障檢測(cè)及啟動(dòng)，以隔離主網(wǎng)故障對(duì)微電網(wǎng)的干擾，同時(shí)幫助穩(wěn)定PCC 電壓。類似地，文獻(xiàn)［68］提出一種基于常通型門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）器件的微電網(wǎng)限流裝置，穩(wěn)態(tài)工況下可運(yùn)行于電壓控制或有功、無(wú)功控制模式，促進(jìn)其與系統(tǒng)間的友好互聯(lián)。大擾動(dòng)時(shí)，能夠依據(jù)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓幅值以及頻率變化率的判斷，主動(dòng)啟動(dòng)限流功能。

增加物理限流的方案實(shí)施簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)系統(tǒng)線路及關(guān)鍵裝備保護(hù)的需求合理設(shè)計(jì)安放位置。然而，正常工況下會(huì)存在一定的損耗，同時(shí)也會(huì)增加硬件成本，經(jīng)濟(jì)性和靈活性差?，F(xiàn)階段許多學(xué)者仍在探索各類新型材料、改進(jìn)型結(jié)構(gòu)和控制下的物理限流裝備，同時(shí)也在往低損耗、多功能的方向發(fā)展。

2）改進(jìn)控制方案限流

改進(jìn)控制方案實(shí)現(xiàn)限流的方式根據(jù)接口逆變器靈活可控的優(yōu)勢(shì)，可以分為被動(dòng)型和主動(dòng)型。

被動(dòng)型限流控制即在逆變器控制環(huán)增加限幅器，如功率外環(huán)增加功率或V/F 限幅、電壓控制環(huán)增加電流限幅、電流控制內(nèi)環(huán)增加調(diào)制限幅等。這類限幅方法實(shí)施簡(jiǎn)單，幾乎可應(yīng)用于所有類型逆變器。但是，為避免正常運(yùn)行時(shí)的限幅飽和問(wèn)題，限幅上、下限不宜過(guò)小，因此，存在限幅效果差且不對(duì)稱擾動(dòng)下電壓電流畸變率高等問(wèn)題。文獻(xiàn)［26］對(duì)比研究了被動(dòng)型限幅器在dq同步坐標(biāo)系、αβ坐標(biāo)系、abc 坐標(biāo)系以及三相三線制與三相四線制下的限幅效果，并分析了多種誘因。文獻(xiàn)［7，27］討論了限幅器在不同電流、電壓控制型IIDG 中的作用，并指出某些特殊場(chǎng)景下限幅器反而易導(dǎo)致逆變器沖擊電流增加的問(wèn)題。

被動(dòng)型限流器通過(guò)簡(jiǎn)單的算法限制實(shí)現(xiàn)，限流效果和精度難以保障，尤其是對(duì)于電壓控制型IIDG，一方面，其輸出電流受外界阻抗影響，限幅器不足以抑制；另一方面，由于功率、電壓、電流等多個(gè)限幅環(huán)節(jié)相互耦合作用，反而會(huì)加劇大擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性的復(fù)雜性。因此，學(xué)者們更關(guān)注于主動(dòng)型限流控制策略的研究。主動(dòng)型限流控制策略包含模式切換控制、虛擬阻抗控制、調(diào)整參考值控制等。

模式切換控制是在擾動(dòng)期間通過(guò)將電壓控制型逆變器切換成電流控制型，并對(duì)電流幅值采取一定限制措施來(lái)避免逆變器瞬間的電流沖擊。文獻(xiàn)［21，69］分別提出擾動(dòng)期間將逆變器VSG 控制模式切換為滯環(huán)控制以及準(zhǔn)比例諧振（proportionalresonant，PR）控制的限流方案。該類方法動(dòng)作速度快、限流效果好。然而，如果基于全電力電子接口微源構(gòu)成的微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式時(shí)，若其中電壓控制型逆變器同時(shí)切換至電流控制模式，系統(tǒng)將缺乏穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的單元。此時(shí)，微電網(wǎng)的供電質(zhì)量難以保證，電壓、頻率的大幅偏移也可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

增加虛擬阻抗的方案可以根據(jù)電壓跌落程度、自適應(yīng)選擇加入控制外環(huán)的虛擬阻抗大小來(lái)加快擾動(dòng)期間電流非周期分量的衰減速度，同時(shí)限制周期分量的幅值［70］，可適用于多種控制型逆變器。然而，采用虛擬阻抗限流時(shí)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定以及功率傳輸水平，虛擬阻抗的取值會(huì)存在上限［71-72］，且當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓跌幅較大時(shí)，該類方案很難達(dá)到理想的作用。因此，只適用于擾動(dòng)程度較小的情況。

調(diào)整參考值控制是指通過(guò)檢測(cè)電壓電路信號(hào)等電氣信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)參考值反饋修正，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)瞬間的沖擊電流抑制以及向網(wǎng)側(cè)的注入功率及V/F支撐等功能。文獻(xiàn)［73-75］討論了通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流正、負(fù)、零序注入分量的組合控制，可以分別實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率波動(dòng)抑制、零序電流和負(fù)序電流抑制等單一或多種組合功能功率，適用于PQ 等電流控制型逆變器。文獻(xiàn)［76］針對(duì)傳統(tǒng)電流控制方法的不足，提出一種考慮電網(wǎng)阻抗比的控制策略，可以根據(jù)網(wǎng)側(cè)實(shí)際需求調(diào)整電流dq軸參考值，靈活注入有功、無(wú)功功率。文獻(xiàn)［77］根據(jù)擾動(dòng)期間系統(tǒng)的等效阻抗以及允許注入的最大電流幅值，直接求取逆變器的電壓參考值，同時(shí)減小節(jié)點(diǎn)電壓的不對(duì)稱度，適用于V/F 等可以直接通過(guò)電壓、頻率參考值控制的逆變器。然而，由于擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的等效阻抗值難以準(zhǔn)確預(yù)知，限流效果與及時(shí)性均難以保證。

鑒于上述幾種典型方案各有優(yōu)缺點(diǎn)與適用場(chǎng)景，為多方位提升微源的安全性及優(yōu)化運(yùn)行性能，開展了多種方案相結(jié)合的研究。文獻(xiàn)［78］提出一種結(jié)合虛擬阻抗和切換控制的改進(jìn)型保護(hù)策略，克服了兩者的不足。文獻(xiàn)［79］提出一種虛擬阻抗和切換控制，改進(jìn)參考值結(jié)合的限流控制策略。穩(wěn)態(tài)時(shí)運(yùn)行于普通的電流下垂特性，大擾動(dòng)時(shí)下垂外環(huán)的有功分量控制主動(dòng)切換為功角控制，維持功角仍在額定工作點(diǎn)附近，無(wú)功下垂分量控制根據(jù)逆變器最大允許輸出電流，向電網(wǎng)注入無(wú)功支撐。文獻(xiàn)［26］針對(duì)傳統(tǒng)電壓控制型IIDG 外環(huán)限流控制方案電能質(zhì)量差、不同坐標(biāo)系下限流不準(zhǔn)確、非故障相易過(guò)電壓等問(wèn)題，提出了一種通過(guò)限制電感、電流來(lái)間接限制輸出電壓、改善電能質(zhì)量的多功能限流控制，其同時(shí)適用于abc 坐標(biāo)系控制、dq坐標(biāo)系控制、αβ坐標(biāo)系控制以及三相三線制和三相四線制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

現(xiàn)階段，也有學(xué)者針對(duì)微源的協(xié)同保護(hù)控制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［80-83］提出結(jié)合通信進(jìn)行自適應(yīng)協(xié)同控制的方案，通過(guò)集中通信或者分布式通信采集微電網(wǎng)的拓?fù)湫畔?、微源大擾動(dòng)期間運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)電壓電流信息等，進(jìn)行微源出力的均衡協(xié)調(diào)，以最大化增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)擾動(dòng)的能力，提升可靠性。文獻(xiàn)［84］提出一種并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)分層限流控制策略：第1 層控制利用準(zhǔn)PR 控制實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)差跟蹤；第2 層控制利用本地微源控制實(shí)現(xiàn)微源輸出電流負(fù)序分量與零序分量的消除以及峰值電流的限制；第3 層控制經(jīng)鎖相環(huán)鎖定微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的相位差，再基于該相位差利用微源的移相控制，使得微電網(wǎng)注入擾動(dòng)點(diǎn)總電流近似為0；第4 層控制經(jīng)通信系統(tǒng)將網(wǎng)側(cè)的有功、無(wú)功注入需求均分給并聯(lián)微源，可以提升大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)整體的可靠運(yùn)行能力。

然而，目前針對(duì)大擾動(dòng)時(shí)微源協(xié)同控制保護(hù)的研究還處于初級(jí)階段，已有研究大多提倡結(jié)合通信對(duì)微源進(jìn)行迅速配合控制，對(duì)于協(xié)同限流效果、通信的及時(shí)性與可靠性以及方法對(duì)于微電網(wǎng)拓?fù)浼斑\(yùn)行模式的適應(yīng)性還缺乏深入研究。

3.3 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定控制策略

針對(duì)不同的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，以分析失穩(wěn)機(jī)理為基礎(chǔ)，改進(jìn)控制策略是提升微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的重要思路。逆變器接口微源及逆變器接口微源與同步發(fā)電機(jī)交互的暫態(tài)同步失穩(wěn)機(jī)理已在2.2 節(jié)中給出。同步發(fā)電機(jī)的同步穩(wěn)定性由原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率與電磁輸出功率之間的平衡決定；功率同步型逆變器的暫態(tài)同步穩(wěn)定性取決于參考功率及輸出功率的平衡；而鎖相環(huán)同步型逆變器通過(guò)采樣電壓信號(hào)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步。基于上述機(jī)理分析所得結(jié)論，下文將給出暫態(tài)穩(wěn)定性提升控制策略。同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定控制方法已有深入研究［47］，本文不再贅述。逆變器接口型微源穩(wěn)定提升控制總結(jié)如圖8 所示。

1）功率同步控制型逆變器暫態(tài)穩(wěn)定控制

功率同步控制產(chǎn)生同步失穩(wěn)的根本原因是逆變器輸入與輸出功率的不平衡，與有功控制環(huán)密切相關(guān)。目前提高其同步穩(wěn)定性的措施主要分為2 類：一是改善有功控制環(huán)參數(shù)；二是改變控制結(jié)構(gòu)。第1 類主要改善的控制參數(shù)是慣性常數(shù)、阻尼系數(shù)和輸入功率參考值。文獻(xiàn)［44］采用粒子群算法對(duì)VSG 有功控制環(huán)的慣性常數(shù)和阻尼系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［43］通過(guò)增加大擾動(dòng)期間虛擬機(jī)的阻尼系數(shù)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［6］通過(guò)降低大擾動(dòng)期間虛擬機(jī)的輸入功率參考值，從而提升系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性。第2 類通過(guò)引入前饋/反饋環(huán)節(jié)或李雅普諾夫法改變控制結(jié)構(gòu)，或者僅改變大擾動(dòng)期間的控制結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［59］通過(guò)引入反饋環(huán)節(jié)來(lái)改變系統(tǒng)大擾動(dòng)期間的慣性和阻尼系數(shù)，從而改善多機(jī)系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［85］采用李雅普諾夫法，一方面可以改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，另一方面能有效地限制故障電流。文獻(xiàn)［86］在大擾動(dòng)期間將虛擬機(jī)有功控制環(huán)的二階變?yōu)橐浑A，保證大擾動(dòng)期間系統(tǒng)存在平衡點(diǎn)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性。

2）鎖相環(huán)同步控制型逆變器暫態(tài)穩(wěn)定控制

鎖相環(huán)同步控制產(chǎn)生同步失穩(wěn)的根本原因是鎖相環(huán)電壓量的不平衡，根據(jù)其失穩(wěn)機(jī)理，目前提升其同步穩(wěn)定性的措施主要分為2 類：一是改變鎖相環(huán)控制結(jié)構(gòu)；二是減小電壓偏移量。在第1 類控制研究中，文獻(xiàn)［87］在大擾動(dòng)期間閉鎖鎖相環(huán)，避免電壓不平衡帶來(lái)鎖相環(huán)輸出失穩(wěn)。文獻(xiàn)［88］將典型二階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)改變?yōu)橐浑A結(jié)構(gòu)，在大擾動(dòng)程度較淺且存在穩(wěn)定平衡點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的穩(wěn)定控制。然而，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓相角跳變及電網(wǎng)深度故障發(fā)生時(shí)，所提控制的魯棒性不足。第2 類是從減小電壓偏移量的角度來(lái)修正大擾動(dòng)期間逆變器的注入電流。文獻(xiàn)［89］在大擾動(dòng)期間不注入電流，從而避免出現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn)問(wèn)題。然而這一方法不符合電網(wǎng)并網(wǎng)準(zhǔn)則。文獻(xiàn)［90］提出基于線路阻感比比值的自適應(yīng)注入電流，然而實(shí)時(shí)檢測(cè)線路阻感比難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［57，59］提出基于鎖相環(huán)輸出頻率的自適應(yīng)注入電流。然而，該類方法均針對(duì)單個(gè)電流源并網(wǎng)的情況，并未考慮多機(jī)（如VSG 和電流源并聯(lián)并網(wǎng)）時(shí)電流源在大擾動(dòng)期間應(yīng)如何注入電流，來(lái)提高系統(tǒng)同步穩(wěn)定性。

目前，針對(duì)大擾動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性提升方案的研究，多從控制角度對(duì)單機(jī)系統(tǒng)或簡(jiǎn)單并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)電力電子接口型微源多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)、同步機(jī)與電力電子接口微源多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提升方面仍缺乏有效措施。

4 大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)運(yùn)行與控制的挑戰(zhàn)及展望

大擾動(dòng)時(shí)具備安全可靠運(yùn)行能力是交流微電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的重要前提。現(xiàn)階段，針對(duì)大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)運(yùn)行與控制的研究主要基于簡(jiǎn)單的物理場(chǎng)景。然而，交流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與組成日益復(fù)雜，規(guī)模日益增加，且與傳統(tǒng)電網(wǎng)所面臨的同類型問(wèn)題及解決方案存在差異，依然存在許多亟待解決的難題。簡(jiǎn)要闡述相關(guān)挑戰(zhàn)及可能的解決思路如下。

1）基于多物理場(chǎng)耦合特性的微電網(wǎng)裝備安全分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。微電網(wǎng)變換器、電感、變壓器等常用電力電子裝備通常工作在“電-磁-熱-流體”等多物理場(chǎng)耦合環(huán)境［91］。大擾動(dòng)時(shí)，多物理場(chǎng)耦合媒介多樣、作用機(jī)理復(fù)雜、多學(xué)科問(wèn)題交叉，僅關(guān)注單一的電流特性已不能完全保障大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的裝備安全。例如：裝備的沖擊電流峰值會(huì)決定母排等元件的電應(yīng)力范圍；電感等雜散參數(shù)會(huì)影響器件的開關(guān)特性與裝置的安全工作區(qū)［92］。因此，微電網(wǎng)裝備的多物理場(chǎng)耦合建模分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)至關(guān)重要。

2）電力電子化微電網(wǎng)的多時(shí)間尺度交互與協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。電力電子化導(dǎo)致過(guò)流能力差、響應(yīng)速度快等特征會(huì)給繼電保護(hù)設(shè)計(jì)及電網(wǎng)安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［18，20，44］，而微源的多樣性與分布化則增加了變換器之間多時(shí)間尺度交互影響的復(fù)雜性與協(xié)調(diào)難度，導(dǎo)致大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行控制與暫態(tài)保護(hù)困難［5，33-34］。探索新型器件、新的變換器結(jié)構(gòu)等物理優(yōu)化方案，以及更靈活、更自主的微源與負(fù)荷本地智能化管理技術(shù)，是從根本上解決微電網(wǎng)電力電子化和分布化趨勢(shì)下大擾動(dòng)問(wèn)題的有效途徑。

3）微電網(wǎng)大擾動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行特性與穩(wěn)定判據(jù)研究。目前針對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究多集中于單個(gè)變換器或簡(jiǎn)單并聯(lián)系統(tǒng)，且主要基于時(shí)域仿真法及李亞普諾夫能量函數(shù)法。然而，微電網(wǎng)模型階數(shù)高、復(fù)雜性強(qiáng)，導(dǎo)致基于迭代運(yùn)算的仿真軟件運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、效率低，仿真精度和仿真步長(zhǎng)相矛盾，不利于大擾動(dòng)問(wèn)題的研究［18］?；诶顏喥罩Z夫函數(shù)的分析方法也難以構(gòu)建復(fù)雜微電網(wǎng)的數(shù)學(xué)描述［15，52］。此外，限幅單元、非線性調(diào)制環(huán)節(jié)、恒功率負(fù)荷及時(shí)變的控制等均會(huì)增加大擾動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性分析難度［93］。因此，研究新的大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析工具是值得探索的前沿課題。

4）微電網(wǎng)信息物理安全問(wèn)題。微電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)控制等均需要大量信息交互，隨著系統(tǒng)規(guī)模不斷增加，通信網(wǎng)絡(luò)也日益復(fù)雜，傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)已拓展成為信息-物理強(qiáng)耦合系統(tǒng)。僅單一考慮電磁與機(jī)械層面的大擾動(dòng)問(wèn)題已難以確保系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)［94］指出，2015 年烏克蘭電網(wǎng)大停電事件是第1 起惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊案例。文獻(xiàn)［95］報(bào)道，2018 年美國(guó)能源及其他關(guān)鍵系統(tǒng)遭受黑客攻擊，攻擊者實(shí)際已獲得網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的閉合能力。相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，微電網(wǎng)對(duì)分布式微源及負(fù)荷的自由接納性，更增加了信息網(wǎng)絡(luò)安全隱患。因此，深度研究微電網(wǎng)信息物理安全問(wèn)題是未來(lái)數(shù)字化微電網(wǎng)建設(shè)的必經(jīng)之路。

5 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)是解決能源危機(jī)、環(huán)境問(wèn)題的有效途徑，本文針對(duì)大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制問(wèn)題，首先，分別從輸出電流層面與穩(wěn)定性層面總結(jié)了大擾動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)的重要運(yùn)行特征。然后，詳細(xì)梳理了現(xiàn)階段微電網(wǎng)典型限流控制策略與穩(wěn)定性提升控制方案。最后，對(duì)該方向下交流微電網(wǎng)未來(lái)可能面臨的關(guān)鍵難題和研究思路進(jìn)行了展望。本文探討的內(nèi)容僅是在國(guó)內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上的概括和思考，以期能對(duì)未來(lái)微電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供一些思路和借鑒。微電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展乃至大范圍普及，仍需更加深入、更為本質(zhì)的理論探索與技術(shù)創(chuàng)新。

本文在撰寫過(guò)程中受到湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20200433）資助，特此感謝！

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