基于模块化多电平型固态变压器的

新型直流微网架构及其控制策略

韩继业1，李勇1，曹一家1，宁志毫2，沈阳武2，熊家敏1，黎昀轩1
（1．湖南大学 电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410000；
2．国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南省 长沙市 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：设计了一种基于模块化多电平型固态变压器(modular multilevel converter-solid state transformer，MMC-SST)的新型直流微网架构，可最大限度地适应新能源的接入，提高系统的电能质量，真正实现能量的双向按需传输和动态平衡使用。首先，详细分析了基于MMC-SST的新型直流微网的系统结构，并给出了MMC-SST主电路拓扑；然后，对MMC-SST各级的控制策略和直流微网子系统能量管理算法进行了优化设计，使MMC-SST能够按照给定的功率因数运行，并具有比传统控制方式更快的瞬态响应速度和更强的鲁棒性，实现了直流微网子系统的灵活、经济、可靠运行；最后，通过搭建基于MMC-SST的新型直流微网子系统的简化计算机仿真平台，进行综合仿真验证了提出的架构和控制策略的可行性和有效性。
关键词：模块化多电平变流器；固态变压器；直流微网；新能源；控制策略
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.03.011
0 引言
配电网正在进入以“分布式能源+配电网”为特征的后碳时代[1]。积极发展能源互联网，是中国应对下一次能源革命的战略需求，充分利用分散的太阳能、风能等可再生能源，发展分布式发电(distributed generation，DG)，是实现能源互联网的重要途径[2]。由于可再生能源发电具有随机性和间歇性等特点，分散接入会使配电网潮流分布复杂多变，引起电压和频率波动等电能质量问题，严重时甚至可能影响电网的安全稳定运行[3-4]。传统电力装备、电网结构和运行技术在接纳日趋增长的分布式可再生电源方面越来越力不从心。
目前以交/直流微电网方式接入配电网是解决分布式电源并网的有效方法[5-6]。这种方式在一定范围内解决了分布式电源的接入问题，但由于各个分布式电源都有各自的并网变换器，系统结构复杂，控制管理困难且效率低下，不利于系统的协调优化，难以实现真正意义上的即插即用功能，也不符合能源互联网的互联网架构理念。
2008年美国国家科学基金项目“未来可再生电力能源传输与管理系统”(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System，FREEDM)，研究了一种构建在可再生能源发电和分布式储能装置基础上基于固态变压器的新型微网结构[7-8]。通过对系统中的核心模块固态变压器(solid state transformer，SST)的结构和控制策略进行设计，可以使其应用于不同的电压等级，在实现交流、直流电能变换和电能质量控制的同时，实现分布式电源之间的互联以及并网功能。
基于固态变压器的微电网系统符合未来能源互联网架构理念，但到目前为止，由于受全控型电力电子器件IGBT耐压水平和功率的限制，这种微网结构都只适用于低压小功率的单相或三相系统[8-10]。同时，目前国内外关于固态变压器输入级和输出级变流器的控制器设计大都是基于dq旋转坐标系下建立的数学模型，采用基于比例-积分(proportional integral，PI)控制器的双闭环控制方式，通过dq解耦控制实现有功功率与无功功率的独立控制。虽然采用这种控制方式系统具有良好的响应性能，但由于需要交叉解耦，且反馈解耦效果对参数变化敏感，难以实现完全解耦控制，控制效果的好坏过度依赖于被控对象数学模型的精准程度，且控制相对复杂[9-13]。由于可再生能源发电具有的随机性和间歇性等特点，分散接入会造成系统数学模型复杂多变，采用传统的控制方式不能满足系统稳定性的要求，无法实现较好的控制效果。
针对现有微网拓扑结构实现方案和控制系统设计的不足，本文提出一种基于模块化多电平型固态变压器(modular multilevel converter-solid state transformer，MMC-SST)的新型直流微网系统结构及内模控制实现方法。在拓扑结构方面，该系统中的固态变压器输入级采用模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)作为并网变流器，根据未来配电网电压和功率需求，可以通过增减每个桥臂串联子模块的个数，使基于固态变压器微网系统电压灵活可控。在MMC-SST输入级和输出级的控制方法方面，提出了一种内模电流内环与PI电压外环相结合的新型双闭环控制方法。采用该方法可以使电流具有更快速的响应速度以及更强的抗扰动能力。同时，电流内模控制方法解决了两相旋转坐标系下的交叉解耦问题，其控制效果受被控对象数学模型的影响较小，且控制相对简单[14-15]，可有效降低配电网中可再生能源随机性和间歇性对系统控制效果和稳定性的影响。
1  新型直流微网系统架构
图1为本文提出的基于模块化多电平型固态变压器的新型直流微网系统架构，其中直流微网子系统由输入级MMC、隔离级、输出级、储能装置、分布式电源(风电和光伏)、交流负荷和直流负荷以及连接它们的直流母线构成。整个配电系统由N个结构相同的直流微网子系统通过中压直流母线连接，组成直流配电系统。具体地： 
1）输入级采用MMC作为并网变流器，通过模块叠加提高了系统的耐压等级，通过载波移相可获得较高的等效开关频率，从而有效降低系统向网侧注入的谐波含量和系统的开关损耗，使固态变压器可以应用于中高压领域。同时，通过对输入级进行适当控制，可实现单位功率因数运行或根据电网无功需求，按照给定的功率因数
运行。
2）隔离级采用N个结构相同的DC-DC变换单元通过输入串联输出并联(input series output parallel，ISOP)的方式连接而成，其中每个DC-DC变换单元都是由一个单相全桥逆变器、一个高频变压器和一个单相全桥整流器串联组成。隔离级的作用是实现直流变压和输入输出的电气隔离。
3）输出级三相全控逆变器通过LC滤波支路与三相负载相连，其作用是将中压直流逆变为三相交流市电，以供用户使用。
4）储能级主要包括：双向DC/DC变换器和相关储能装置，可作为直流微网系统的后备电源，自主提供储能支撑，提高电能质量控制功能和电能调度功能。
5）分布式电源级包括风力发电系统和光伏发电系统，其中风力发电系统通过一个AC/DC和一个DC/DC变换器后并入中压直流母线，而光伏发电系统则是直接通过一个DC/DC变换器并入中压直流母线。
6）负荷级包括交流负荷和直流负荷，它们都经用电侧直流母线与隔离级相连，交流负荷主要接在MMC-SST低压交流输出母线上，从中获取高质量的三相工频交流电。直流负荷包括中压直流负荷和低压直流负荷。中压直流母线与用电侧直流线路相连给中压直流负载供电，同时提供电压恒定的公共中压直流母线，方便直流型新能源的接入；低压直流线路由中压直流线路经DC/DC变换器降压斩波电路相连，可通过其直接给多个低压直流负载供电。
 
 

图1  基于MMC-SST的新型直流微网系统架构
Fig. 1  New DC microgrid system architecture based on MMC-SST

2  MMC-SST各级控制器设计
MMC-SST由高压交流侧的MMC、中间ISOP隔离型DC-DC变换器以及中压输出侧的三相全控逆变器串联连接构成，考虑到这3部分是相对独立的，因此可以对每一部分的控制策略分别进行设计。
2.1  MMC-SST输入级控制器设计
MMC外环采用PI控制器来控制直流电压，内环采用内模控制器实现对交流电流的无静差跟踪，其原理是按照电压外环输出的电流指令进行快速的电流控制，实现输入级按照给定的功率因数运行。
图2为内模控制结构框图。图中：R(s)为系统输入信号、Y(s)为系统输出信号，CM(s)为内模控制器，G(s)为控制对象，M(s)为控制对象内模，D(s)为扰动传递函数，d(s)为系统输出Y(s)与内模输出Ym(s)之差。
可将图2等价变换为图3所示的内模控制等效控制框图，其中F(s)为反馈控制器。

图2  内模控制结构框图
Fig. 2  Control structure of IMC

图3  内模控制框图等效图
Fig. 3  Equivalent control structure of IMC
由图3可得反馈控制器和内模控制器的关系为：
(1)
结合MMC的数学模型[16]，如果输入R(s)为MMC电流给定R(s)=[i*d  i*q]T，则U(s)为MMC输入电压，Y(s)为交流侧输入电流，则有
(2)
式中：Y(s)=[id(s) iq(s)]T，U(s)=[Urd(s)，Urq(s)]，
。其中，Urd、Urq和id、iq
分别为MMC等效输入电压和电流在d轴和q轴上的分量，R、L分别为MMC等效电阻和电感值。
由内模控制器的性质[14-15]，若模型与控制对象(MMC)匹配时，选择CM(s)=M-1(s)，可对输入进行无偏差跟踪，因此令
(3)
式中R′、L′分别为MMC电阻和电感估计值。
由式(3)可知，CM(s)的形式在实际控制中是无法实现的，因此必须引入反馈低通滤波器。由于MMC电磁时间常数比机电时间常数小得多，因此其电流环在高频下可近似为一阶系统。鉴于此，本文引入低通滤波器
(4)
选择L(s)的目的是使CM(s)变为有理。l为低通滤波器的参数，是内模控制器唯一设计参数。引入低通滤波器后，内模控制器为CM(s)=M-1(s)L(s)。
因此，结合式(1)可得：
(5)
式(5)中，主对角线上元素为电流控制器传递函数表达式，反对角线上元素则为内模解耦网络的传递函数。
结合内模控制器的性质和上述对MMC电流内环内模控制器的设计，可得图4所示内模电流内环和PI电压外环的MMC-SST输入级控制策略框图。图中Ud、Id和Uq、Iq为电网电压和电流的d、q轴分量；U*dc和Q*dc分别为MMC直流电压给定值和输入无功功率参考值；ωs为交流电网的角频率。图中IMC环节如图5所示，R′、L′分别为MMC输入侧的电感和电阻的估计值，当系统确定时其值基本也是确定的。因此l为内模控制器唯一设计参数。

图4  MMC-SST输入级的控制框图
Fig. 4  Control structure of MMC-SST input stage 

图5  内模解耦实现框图
Fig. 5  Structure of IMC decoupling control
在一定程度上，l越大，电流内环响应速度越快。因此l的调试方向也比较明确[16]。此外，本文采用基于载波移相技术的电容电压平衡控制策略[17]，以实现输入级MMC相间均压和子模块内部均压控制。
2.2  MMC-SST隔离级控制器设计
隔离级采用N个结构相同的DC-DC变换单元通过输入串联输出并联(input series output parallel， ISOP)的方式连接而成，其中每个DC-DC变换单元都由一个单相全桥逆变器、一个高频变压器和一个单相全桥整流器串联组成。目的是实现直流变压和输入输出的电气隔离。MMC-SST输入级输出的直流高压首先通过N个结构相同的单相全桥逆变器调制成高频方波，再通过高频变压器耦合到副方，最后通过N个结构相同的单相全桥整流器整流为中压直流。由图1可知，隔离级在结构上完全对称，从而允许电能双向传输。
由于MMC-SST隔离级的N个DC-DC变换器是通过输入串联、输出并联的方式连接而成，高压侧的每个DC-DC变换器可以通过并联在一起的中压侧交换能量，因此采用开环的控制策略就可以实现高压直流侧和中压直流侧能量的自动均衡。文中N个结构相同的DC-DC变换器逆变器和整流器均采用PWM控制，驱动信号为50%占空比的互补触发脉冲。
DC-DC变换器由于采用ISOP连接方式，各变换单元可能存在高频变压器参数不匹配和直流侧电压不平衡的问题，引起各变换单元之间功率分配不均衡并产生环流，严重时将导致整个系统奔溃。为解决这一问题，本文采用一种有功功率均衡控制策略[18]。此外，为降低系统损耗，通过合理设置串联谐振电路(Lr和Cr)使全控型开关器件处于零电流开关状态(zero current state，ZCS)[19-20]。
2.3  MMC-SST输出级控制器设计
图1中MMC-SST的输出级采用DC/AC逆变器，其电压外环采用PI控制器控制输出稳定的工频交流电压，电流内环采用内模控制器对滤波电感的反馈电流和负载电流前馈补偿电流进行无静差跟踪控制，使其具有较大的限流能力、较好的动态响应性能和较强的抗负载扰动能力。同时，为提高逆变器直流电压利用率，减小开关损耗，本文采用空间电压矢量调制技术(space vector pulse width modulation，SVPWM)[21]。关于DC/AC逆变器的电流内环控制器的设计和MMC类似，鉴于此可得到基于内模电流内环和PI电压外环的MMC-SST输出级控制策略如图6所示，图中Iid、Iiq为三相DC/AC逆变器输出电流在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量，Uld、Ulq, Ild、Ilq为负载电压、电流在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；U*ld、U*lq为负载电压在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量的参考值；ωl为交流输出电压角频率；Ro、Lf、Cf 分别为三相DC/AC逆变器和输出线路等效电阻、电感和滤波电容。其中，IMC环节和图7基本相同，此时，R′、L′分别为DC/AC逆变器输出侧的电感和电阻的估计值。

图6  MMC-SST输出级控制框图
Fig. 6  Control structure of MMC-SST output stage
3  新型直流微网能量管理算法的设计
本文提出的新型直流微网通过MMC-SST使直流微网统一提供交、直流线路，统一进行能量管理成为可能。为使得MMC-SST作为一种电能路由器，超智能地服务于直流微网系统，需要设计一种能量管理算法。如图7所示，直流微网可以工作于有源电网互联模式、无源电网互联模式和孤岛运行模式，且3种工作模式之间可以灵活切换。具体地：
1）在无源电网互联模式下，直流母线电压由MMC-SST来控制，即使直流微网子系统接入配电网中，直流微网子系统内部的能量交换是在其内部完成的，直流微网和交流电网之间没有任何的能量交换。

图7  直流微网工作模式切换框图
Fig. 7  Block diagram of DC microgrid 
operation mode switching
2）有源电网互联模式下，受直流微网自身容量的限制，在某些特定工况下需要和交流电网之间进行能量的交换，例如，当直流微网所提供的能量不能满足直流微网自身负荷需求时，交流电网就会向直流微网提供额外的能量供给，当直流微网内部分布式电源提供的能量大于负载的需求时，多余的能量可反送到交流电网，实现能量的双向流动。
3）在孤岛运行模式下，MMC-SST退出运行，此时，直流母线电压由直流微网内部的储能电源来维持，直流微网自身负荷需求完全由直流微网内部的分布式电源提供。
由此可以看出能量管理算法的设计目的是提高光伏、风电等清洁能源的利用效率，减轻交流配电网的压力，实现配电网的灵活、经济、可靠的运行。
结合上述3种工作模式，考虑实际运行工况，本文提出的新型直流微网系统可以工作于以下8种工作状态：
Mode 1。光照较强，风速较大的情形下，光伏发电系统和风力发电系统输出的功率大于负载所需的能量，且储能电池已储能完毕，多余的能量经MMC-SST注入电网。
Mode 2。光照较强，风速较大的情形下，光伏发电系统和风力发电系统输出的功率大于负载所需的能量，且储能电池还可储能，多余的能量给蓄电池充电，并由蓄电池稳定直流母线电压。 
Mode 3。光伏发电系统和风力发电系统全部正常运行，但输出的功率不能满足交直流负载的需求，此时交流配电网正常运行，不足的能量由交流配电网经MMC-SST供给。
Mode 4。光伏发电系统和风力发电系统全部正常运行，但输出的功率不能满足交直流负载所需的能量，此时交流配电网出现故障，由蓄电池作为后备电源启动向负载提供能量，并稳定母线电压。
Mode 5。光照较弱，风速较小的情形下，光伏发电系统和风力发电系统无法提供能量，此时交流配电网正常运行，由交流配电网经MMC-SST对负载提供能量。
Mode 6。光照较弱，风速较小的情形下，光伏发电系统和风力发电系统无法提供能量，此时交流配电网出现故障，由蓄电池作为后备电源启动向负载提供能量，并稳定母线电压。
Mode 7。当电网故障时间过长或其他特殊情况，蓄电池未放电到最小电压，由蓄电池作为后备电源启动向负载提供能量，并稳定母线电压。
Mode 8。当电网故障时间过长或其他特殊情况，蓄电池放电到最小电压，为防止蓄电池过度放电，系统进入停机模式。
新型直流微网系统工作模式切换控制流程如图8所示。为判断系统在不同模式下相应的工作状态及实现不同工作状态之间的切换，需要对UPV、IPV、UWD、IWD、Ubat及负载功率 PL进行检测，UPV、IPV用来计算光伏发电系统输出功率PPV，UWD、IWD用来计算风力发电系统输出功率PWD。由蓄电池的工作特性可知，当蓄电池充电时，端电压 Ubat会随之上升；当蓄电池放电时，端电压会有所下降。根据这一特性，设定蓄电池放电最小电压Umin，蓄电池充电最大电压Umax，用以判断是否允许蓄电池充放电。对配电网故障信号N进行检测，用于判断配电网出现故障。为方便控制，做以下定义：配电网正常时N=1，配电网故障状态时N=0。

图8  直流微网系统工作模式切换控制流程
Fig. 8  Control flow chart of DC microgrid system operation mode switching
4  新型直流微网子系统仿真分析
以图1基于MMC-SST的新型直流微网系统架构为基础，在Matlab/Simulink环境下建立了新型直流微网子系统仿真平台，其中MMC-SST输入级MMC(每个桥臂含有6个子模块)采用基于载波移相的电容电压平衡控制策略，开关频率为1 kHz。输入级、隔离级和输出级分别采用文中第3节所设计的控制策略。仿真中蓄电池在直流配网系统中起不间断电源的作用，主要在电网故障时起作用，一般处于充满电的状态。这也有利于延长蓄能电池的使用寿命。考虑到直流微网子系统实际工况当需要工作模式切换时，采用第4节设计的智能能量管理算法。本部分的仿真分别针对分布式电源变化、运行模式切换和孤岛运行模式等几种典型工况下进行仿真。表1为直流微网系统部分仿真电路参数，
表2为MMC-SST各级仿真参数。
表1  直流微网部分参数
Tab. 1  Parameters of DC microgrid system

参数	数值
配电网电压/kV 直流微网直流母线电压/V 光伏发电系统配置容量/kW	10 700 250
风力发电系统配置容量/kW	500
储能电池配置容量/kW 直流负荷范围/MW 交流负荷范围/MW	200 1~2 0~1

表2  MMC-SST仿真参数
Tab. 2  Parameters of MMC-SST 

名称	参数	数值
输 入 级	交流系统电阻/Ω 交流系统电感/mH 每个桥臂滤波电感值/ mH 子模块中电容值/mF 子模块电容电压参考值/kV PWM载波频率/kHz	0.1 2 8 50 3 1
隔 离 级	高压侧电容值/mF 高压侧电容电压/kV 高压侧谐振电感值/mH 高压侧谐振电容值/mF 高频变压器(MFT)额定频率/kHz 高频变压器(MFT)额定变比 中压侧电容值/mF 中压侧电容电压/V	50 3 30 8.44 10 3000:700 20 700
输 出 级	电压频率/Hz 输出电阻/Ω 滤波电感值/mH 滤波电容值/mF 逆变器PWM载波频率/Hz	50 1 3 1.2 8000

4.1  分布式电源变化
图9所示为MMC-SST并网情况下光伏和风电输出功率变化时的仿真波形，0.25 s增大光伏发电系统的有功输出，从50 kW增加到200 kW，0.3 s增大风力发电系统的有功输出，从200 kW增加到400 kW，0.35 s时将光伏发电系统从直流微网子系统中切除，0.4 s时将风力发电系统从直流微网子系统中切除。可以看出，光伏发电系统和风力发电系统增加输出功率的情况下，MMC-SST并网电流相应减小，即从配网侧的吸收功率变少，而当光伏发电系统和风力发电系统从直流微网子系统中切除

图9  分布式电源变化下系统响应曲线
Fig. 9  System response curve under the case of 
distributed generation changing
时，即减少功率输出的情况下，MMC-SST并网电流相应增大，而同时在MMC-SST各级控制的调节下在光伏和风力发电系统输出功率改变时，中压直流母线电压发生微弱波动但很快恢复正常，而交流输出电压始终保持稳定。
4.2  运行模式切换
如图10所示，0.25 s之前MMC-SST并网运行，直流微网子系统经MMC-SST从交流配网吸收功率，0.25 s时MMC-SST与交流配电网断开独立运行，交流断路器切断，0.3 s时负荷有功功率增加300 kW，0.35 s后重新连接于电网。整个过程中，输入级高压直流母线电压在允许误差范围内波动，

图10  运行模式切换下系统响应曲线
Fig. 10  System response curve under
 the case of operation mode switching
而MMC-SST的中压直流侧母线电压和交流输出电压始终保持稳定状态，为输出端口连接的分布式电源、交直流负荷提供了可靠的并网接口。
4.3  孤岛运行仿真
图11为直流微网子系统处于孤岛情况下(此时中压直流母线处的储能电源投入运行来稳定中压直流母线处的电压)负荷发生变化和电源发生变化时对应的MMC-SST的仿真波形。0.25 s增大光伏发电系统的有功输出，从50 kW增加到200 kW，0.3 s增大光伏发电系统的有功输出，从200 kW增加到400 kW，0.35 s负荷减少400 kW，而0.4 s时负荷增加400 kW。从仿真波形图可以看出，光伏和风力发电系统输出功率发生变化和负载发生突变情况下，输入级高压直流母线电压发生了轻微波动但很快恢复稳定状态，而MMC-SST的中压直流母线电压和交流输出电压一直处于稳定输出状态，说明即使在复杂的孤网运行情况下MMC-SST仍能够稳定运行。

图11  孤岛运行模式下系统响应曲线
Fig. 11  System response curve under the island operation mode
5  结论
能源互联网已成为下一代智能电网的研究热点，而配用电侧是建设能源互联网的关键。本文设计了一种基于模块化多电平型固态变压器的新型直流配网一体化架构，可最大限度适应新能源的接入，提高系统的电能质量，实现能量的双向按需传输和动态平衡使用。仿真结果表明该系统不仅可满足不同运行方式的要求，保持稳定运行，还能够按照给定的功率因数运行，具有更快的瞬态响应速度，具有更强的鲁棒性，有利地验证了本文所提出的新型直流微网架构和控制策略的可行性和有效性，对下一代新型直流微网和能源互联网的建设肯有一定的指导意义。
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