陆晶晶 ，贺之渊 ，赵成勇 ，杨 杰 ，吴亚楠

（1.全球能源互联网研究院，北京 102200；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；3.先进输电技术国家重点实验室，北京 102200；4.直流电网技术与仿真北京市重点实验室，北京 102200）

0 引言

分布式能源的有效利用、对本地负荷的可靠优质供电以及微网与主网之间的功率调配是微网需要解决的关键问题［1-4］，而基于电力电子拓扑结构的电力调节系统是解决上述问题的核心技术［5-10］。针对微网的电能质量问题，文献［5］提出了在微网交流母线和配网公共连接点之间并入有源电能质量调节器，以保持公共连接点电流的波形质量及平衡三相电压；文献［7］提出了利用光伏并网逆变器来抑制电能质量问题；针对微网与主网之间的功率交换问题，文献［8］则提出了在微网和传统电网的公共连接点处串联电能质量控制器，以实现潮流可调、限制过电压和过电流、软起动等功能。目前，很少有文献针对上述2个问题进行综合的研究。模块化多电平换流器型统一电能质量调节器（MMC-UPQC）对于电能质量问题具有较强的综合治理能力［11-12］。由于背靠背的结构特点，其在功率可控传输及分布式能源并网等方面也具有巨大的应用潜力。与单一的分布式并网逆变器或者电能质量补偿装置相比，MMC-UPQC具有结构紧凑、成本相对较低以及控制能力强等优点［13］。因此，本文基于MMC-UPQC的结构及功能在多能互补微网中的应用进行拓展，提出一种全新的MMC型三端主动电力调节系统，通过三端背靠背的结构实现对多种能源发电的综合利用，初步探索以直流电网解决区域性新能源消纳及储能并网的新形式。

本文首先介绍MMC型三端主动电力调节系统拓扑结构及其在微网中的运行模式，然后提出相应的协调控制策略以实现微网中电能质量综合治理兼顾微网与主网之间功率可控调节的一体化功能，确保关键性负荷的可靠供电，最后通过PSCAD／EMTDC仿真验证MMC型三端主动电力调节系统多功能控制的可行性和有效性。

1 三端电力调节系统结构及连接方式

如图1所示，三端主动电力调节系统由主网变换器、微网并联变换器、微网串联变换器、串联耦合变压器和辅助开关组成，3个MMC结构换流器通过公共直流母线相连。与MMC-UPQC相比，为了实现主网与微网之间的连接，图1中增加了一个基于MMC的AC／DC变换器——主网变换器，与微网并联变换器构成背靠背的主网与微网之间的连接系统。这种连接方式的优点在于，主网与微网之间可以实现有功和无功功率可控的双向流动：当微网电源容量不足时，主网可以通过微网并联变换器为微网提供一定的有功和无功功率；当微网电源容量充足且有冗余时，可以通过主网变换器的功率控制向上层配网反送功率。另外，主网与微网之间的背靠背连接方式使得主网的故障、谐波等问题对微网的影响大幅降低，同时又可以通过微网并联变换器的控制补偿微网中非线性不平衡负荷的谐波、负序和无功电流，从而减小其对微网尤其是关键性负荷的影响。光伏或储能系统可以接入MMC型三端主动电力调节系统的直流侧，既可以支撑直流侧的电压，又可以通过微网并联变换器与微网进行功率交换。MMC型三端主动电力调节系统的微网串联变换器串接于关键性负荷的馈线中，用于保证当微网中出现故障导致母线电压降低时，关键性负荷仍能够得到充足的电压支撑，提高供电可靠性。

图1 MMC型三端主动电力调节系统的结构及接线方式示意图Fig.1 Schematic diagram of constitution and connection of MMC-based active three-terminal power conditioner

2 三端电力调节系统的运行模式

本文将MMC型三端主动电力调节系统的运行模式分为并网运行和离网运行2种，考虑直流侧接入储能系统，对MMC型三端主动电力调节系统的运行模式进行如下具体分析。

2.1 并网运行模式

根据有功功率的流向，在并网运行模式下，MMC型三端主动电力调节系统包括以下运行方式。

a.方式1：当微网中的微源容量不足导致微网自身无法充足供电时，负荷的额外需求由主网和直流侧并入的储能系统共同承担。一方面，主网和储能系统通过微网并联变换器为微网提供适当的有功功率；另一方面，当非线性不平衡负荷产生一定的谐波、负序和无功电流时，微网并联变换器可以产生相应的补偿电流对电流质量进行治理，以保证微网内关键性负荷的优质供电。有功功率流动方向如图2（a）所示。

b.方式2：当微网中的微源容量充足且有富余功率时，一方面，微网中的富余功率通过微网并联换流器和主网换流器送入主网；另一方面，微网并联换流器又可以通过微网并联换流器给储能系统充电。此时，微网并联变换器同样可以对非线性不平衡负荷产生的谐波、负序和无功电流进行补偿。有功功率流动方向如图2（b）所示。

在上述2种运行方式下，串接于关键性负荷所在线路的微网串联变换器可以在微网公共母线出现电压暂降时保证关键性负荷的电压在允许范围内。此外，当主网发生短路等故障引起电网电压暂降时，由于主网与微网之间通过变换器及直流隔离，加之直流电压有储能支撑，能够起到缓冲作用，有效降低主网对微网的影响。

2.2 离网运行模式

在离网运行模式下，用于连接主网与微网的主网变换器闭锁停止运行，根据储能系统的运行状态，MMC型三端主动电力调节系统仍然可以分为2种运行方式。

a.方式1：在储能系统投入运行情况下，若储能系统的能量充足，储能系统既可以维持直流侧电压，又可以通过微网并联变换器为微网提供适当的有功功率；当储能系统的能量不足时，储能系统仅用于维持直流侧电压，而此时，若微网中的微源容量充足且有富余功率，微网中的富余功率可以通过微网并联变换器为储能系统充电。在2种情况下，微网并联变换器均可以对非线性不平衡负荷产生的谐波、负序和无功电流进行补偿，微网串联变换器也继续维持关键性负荷所在线路的母线电压。有功功率流动方向如图 3（a）所示。

图2 MMC型三端主动电力调节系统并网运行模式Fig.2 Grid-connecting modes of MMC-based active three-terminal power conditioner

b.方式2：当储能系统退出运行时，MMC型三端主动电力调节系统退化为仅用于电能质量综合治理的MMC-UPQC，而不再承担功率柔性输送的功能。微网并联变换器一方面从微网中吸收一定的有功功率来维持MMC型三端主动电力调节系统的直流电压；另一方面对非线性不平衡负荷产生的谐波、负序和无功电流进行补偿。微网串联变换器同样继续维持关键性负荷所在线路的母线电压。有功功率流动方向如图3（b）所示。

3 三端电力调节系统的控制策略

本文中，为实现MMC型三端主动电力调节系统在微网功率传输以及电能质量治理方面的综合作用，采用分层控制策略。上层控制系统一方面负责监测电网运行状态，从而确定主网与微网之间的通断，另一方面监测储能状态，从而确定下层控制系统的控制策略；下层各控制器的控制系统在接收上层指令后采取相应的控制策略。下层控制中，主网变换器与微网并联变换器采用dq解耦控制，微网串联变换器采用三相分相控制。微网串联变换器的电压暂降补偿功能与文献［11］相同，本文不再赘述，重点介绍主网变换器与微网并联变换器的控制策略。

3.1 主网变换器控制策略

图4给出了主网变换器的控制策略。图中，usa、usb、usc为主网侧系统三相电压；ua、ub、uc为变换器出口侧三相电压 ；u1d、u1q分别为 ua、ub、uc经 过 abc／dq坐标变换之后的d、q轴分量；ud、uq为变换器控制系统 输 出 的 电 压 参 考 值 ；ucaref、ucbref、uccref为 ud、uq经 过dq／abc 坐标变换之后的三相电压参考值；ipa、ipb、ipc为流向变换器的三相电流；id、iq分别为 ipa、ipb、ipc经过abc／dq 坐标变换之后的 d、q 轴分量；i1dref、i1qref分别为控制器外环输入的电流 d、q轴分量；Udc_ref、Udc分别为直流电压参考值和直流电压；θ为锁相环（PLL）得到的系统参考相位角；Lreq为变换器等效电感。在联网运行条件下，为了保证电网与微网之间有功功率的双向互动，主网变换器在d轴上采用定直流电压控制：当微网侧从主网中汲取有功功率时，直流侧的电压会下降，此时通过主网侧增加有功功率的方式来保证直流电压的稳定；当微网侧有多余的功率送往主网时，直流电压会升高，此时通过从主网变换器中汲取适当的有功功率将直流电压降低到指定值。而为了减小主网侧变换器对主系统的无功功率需求，在q轴上采用零无功电流控制方式。

图3 MMC型三端主动电力调节系统离网运行模式Fig.3 Islanding modes of MMC-based active three-terminal power conditioner

图4 主网变换器控制策略Fig.4 Control strategy of grid converter

此外，在并网转离网运行过程中，主网变换器闭锁，微网转入离网运行模式。此时MMC型三端主动电力调节系统直流侧电压的稳定控制由接入直流侧的储能系统或由微网并联变换器提供，直流电压基本保持恒定，从而起到对功率波动的缓冲作用，实现并网和离网运行状态之间的平滑切换，主网变换器在微网离网模式下退出运行。

3.2 微网并联变换器控制策略

图5给出了微网并联变换器的控制策略。图中，Pmro_ref为微源向并联变换器以及非线性不平衡负荷输送的有功功率；i1a、i1b、i1c为非线性及线性不平衡支路的三相电流；i¯1d、i¯1q分别为 i1a、i1b、i1c经过 abc／dq坐标变换和低通滤波之后的d、q轴分量。除了与MMC-UPQC并联侧相同的非线性不平衡负荷的谐波、负序和无功电流补偿控制以外，在d轴的有功功率控制部分又包含2种选择性的控制模式，即定电压控制和定有功控制。上层控制系统通过检测蓄电池直流电压判断直流侧储能是否能提供足够的电压支撑，并由微网并联变换器接收并执行相应的控制指令。如图5所示，K与K¯为控制通道切换指令信号，当上层控制系统检测微网处于并网或离网但判断储能充足时，令K置0，置1，微网并联变换器在d轴采用定功率控制，其控制对象为微网送至并联变换器以及非线性不平衡负荷的有功功率；当上层系统检测到微网处于离网且判断储能不足时，令K置1，K¯置0，微网并网变换器的d轴切换至直流电压控制，通过从微网侧吸收一定的有功功率来维持MMC型三端主动电力调节系统的直流侧电压，从而保证其具有并联侧电能质量综合治理和串联侧支撑关键性负荷电压的功能。

图5 微网并联变换器控制策略Fig.5 Control strategy of microgird shunt converter

4 仿真分析

为了对上文提出的MMC型三端主动电力调节系统的运行模式和控制策略进行仿真验证，以图1所示微网系统为例，在PSCAD／EMTDC环境下搭建了仿真模型。微网中包含采用下垂控制的太阳能电池、风机、蓄电池组及其并网变换器、关键性负荷以及具有非线性、不平衡和无功需求特性的负荷。MMC型三端主动电力调节系统的三端变换器均采用MMC结构，且直流侧并联有储能系统。下述仿真中的功率方向以图1所示的方向为参考。

4.1 并网运行模式下控制策略的仿真验证

在并网运行模式下，设定初始运行时微源向微网并联变换器以及非线性不平衡负荷输送的有功功率为Pmro_ref=0.1 MW；在1.5 s时，改变有功功率方向，Pmro_ref=-0.04 MW，如图6所示。

由图6可以看出，在1.5 s以前，微源向并联变换器和非线性不平衡负荷输送的有功功率为0.1 MW，而由于微网并联变换器的无功补偿功能（如图7所示），微源不对非线性不平衡负荷进行无功补偿，也不向微网并联变换器提供无功功率；1.5 s时，有功功率跟踪参考值Pmro_ref的变化，由0.1 MW转变为-0.04 MW，即微网并联变换器为微网关键性负荷提供0.04 MW的有功功率。此时，微源根据下垂控制特性做出相应的输出有功功率减小，而由于无功功率没有发生变动，各微源输出的无功功率保持不变（如图8所示）。微源在并网模式下的下垂控制方法参考文献［14］，此处不再赘述。

图6 微源向并联变换器和非线性不平衡负荷输送的功率Fig.6 Powers transmitted from micro-sources to shunt converter and nonlinear unbalanced loads

图7 并联变换器向微网输送的功率Fig.7 Powers transmitted from shunt converter to microgrid

图8 微源输出的功率Fig.8 Output powers of micro-sources

为了验证在主网发生故障时，微网也能够保证对负荷的持续供电，仿真设置了在2 s时主网系统高压侧发生三相经电阻短路接地故障，使得主网的系统电压发生暂降，如图9所示。在此期间，微网主动电力调节系统的直流侧电压发生了较小的波动，但由于直流侧有储能系统的支撑，直流电压很快恢复恒定，如图10所示，从而避免了因主网故障对微网造成的不利影响。

图9 主网高压侧三相电压Fig.9 Three-phase voltages of grid HV-side

4.2 离网运行模式下控制策略的仿真验证

图10 三端主动电力调节系统公共直流母线电压Fig.10 Common DC voltage of active three-terminal power conditioner

设定微网初始状态为并网运行，Pmro_ref=-0.04 MW；在1 s时，闭锁主网变换器，微网由并网运行转为离网运行；在1.5 s时，改变功率为Pmro_ref=0.1 MW。

图11给出了主网送入微网的有功和无功功率曲线。可以看出，1 s时MMC型三端主动电力调节系统的主网变换器闭锁，有功功率开始下降，并最终降为0。由图12的直流侧电压曲线可以看出，在闭锁期间，直流侧电压略微下降，但在储能系统的支持下，直流电压仍然保持稳定，储能系统承担微网并联变换器向微网输送的有功功率。

图11 主网送入微网的功率Fig.11 Powers transmitted from grid to microgrid

图12 三端主动电力调节系统公共直流母线电压Fig.12 Common DC voltage of active three-terminal power conditioner

图13给出了直流侧有储能系统支撑的微网离网运行模式下，微网并联变换器的补偿效果（从上至下分别为微网母线电压以及微网并联变换器的补偿前和补偿后电流）。可以看出，在离网运行模式下，微网并联变换器的电流补偿效果仍然较好。

图13 电流质量补偿效果Fig.13 Effect of current quality compensation

图14—16分别给出了微源输送至微网并联变换器和非线性负荷的功率、微网并联变换器提供给关键性负荷的功率以及各微源的输出功率曲线。可以看出，在微网从并网转离网的过程中，由于储能系统的支持，微网中的功率基本没有波动；在1.5 s时，有功功率跟踪参考值Pmro_ref的变化，由-0.04 MW转变为0.1 MW，即微源向微网并联变换器和非线性不平衡负荷提供0.1 MW的有功功率，此时各微源按照下垂特性改变输出功率（如图15所示），直流电压由于储能系统的支持波动较小（如图12所示）。

图14 微源向并联变换器和非线性不平衡负荷输送的功率Fig.14 Powers transmitted from micro-sources to shunt converter and nonlinear unbalanced loads

图15 并联变换器向微网输送的功率Fig.15 Powers transmitted from shunt converter to microgrid

图16 微源输出的功率Fig.16 Output powers of micro-sources

图17给出了直流侧有储能系统支撑的离网运行情况下，微网母线在1 s发生三相经电阻短路接地故障时微网母线电压（曲线1）、关键性负荷侧电压（曲线2）以及微网串联变换器的暂降补偿电压（曲线3）波形。可以看出，在故障期间微网串联变换器仍然能够对关键性负荷起到较好的电压支撑作用。

图17 电压暂降补偿效果Fig.17 Effect of voltage sag compensation

5 结论

本文基于MMC-UPQC拓扑结构，提出了一种MMC型三端主动电力调节系统，介绍并讨论了其在多能互补微网中的接线方式、运行模式和控制策略。在PSCAD／EMTDC仿真系统中搭建了含有MMC型三端主动电力调节系统的微网模型，仿真验证了所提出的系统结构具有如下特点：

a.能够有效地实现微网与主网之间的功率传输，实现联网与离网2种模式的切换，且能够有效减小主网对微网可能造成的影响；

b.能够通过微网串、并联变换器配合实现对电压暂降、暂升的补偿以及电能质量的综合治理功能；

c.能够根据电网运行需求实现功率传输与电能质量综合治理一体化功能，提高了装置应用灵活性及利用效率。

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