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💥第一部分——内容介绍

摘要

交直流混合微电网通过互联变换器实现交流子网与直流子网的功率互济，是提升分布式光伏消纳能力与供电可靠性的有效途径。本文针对孤岛运行模式下由LCL型互联变换器连接的两区域光伏交直流混合微电网，构建了包含直流微电网（光伏+Boost+直流负载）与交流微电网（光伏+Boost+LCL逆变器+三相负载）的仿真系统模型。直流微网光伏Boost采用下垂控制与电压电流双闭环相结合的控制策略，交流微网光伏Boost采用直接电压单环控制，交流逆变器采用下垂控制与电压电流双闭环及SVPWM调制，互联变换器则通过将交流母线频率与直流母线电压归一化处理后经PI闭环调节实现功率双向流动。基于该模型，本文研究了交流负载变化、直流负载变化以及两区域光伏光照变化对直流母线电压、交流母线电压幅值及交流频率的影响规律。仿真结果表明，所提控制策略能够有效协调两子网间的功率平衡，维持直流母线电压与交流频率在合理范围内，互联变换器的归一化PI控制可实现两区域运行状态的协同响应。

关键词：交直流混合微电网；互联变换器；下垂控制；孤岛运行；光伏系统；归一化控制

1 引言

随着分布式光伏发电渗透率的持续提升，微电网作为消纳新能源、提升供电可靠性的关键技术受到了广泛关注。按照母线类型划分，微电网可分为交流微电网、直流微电网以及交直流混合微电网。交流微电网与直流微电网各自具有不同的适用场景：交流微电网便于与现有配电网兼容，直流微电网则更利于光伏、储能等直流型电源与负载的高效接入。然而，单一类型微电网在电源与负载的多样性适配方面存在固有局限，交直流混合微电网通过互联变换器将交流子网与直流子网连接，实现两侧功率的灵活互济，兼顾了不同类型源荷的接入需求。

在孤岛运行模式下，交直流混合微电网失去了大电网的频率与电压支撑，需要依靠子网内部的下垂控制与互联变换器的协调控制来维持系统稳定。下垂控制作为一种无通信的分布式控制策略，被广泛应用于微电网内部各分布式发电单元的功率分配。然而，交流子网的频率下垂特性与直流子网的电压下垂特性在物理量纲上存在本质差异，如何通过互联变换器实现两侧的协调运行，是混合微电网控制的核心问题。现有研究表明，将交流频率与直流电压归一化处理后进行偏差比较与控制，是一种有效的解决思路。

本文以由LCL型互联变换器连接的两区域光伏交直流混合微电网为研究对象，在孤岛模式下研究交流负载变化、直流负载变化及光伏光照变化对系统运行特性的影响。研究旨在揭示互联变换器归一化PI控制在多扰动场景下的响应特性，为混合微电网的协调控制设计提供参考。

2 系统结构与控制策略

2.1 整体拓扑结构

本文研究的交直流混合微电网由直流微电网、交流微电网以及连接两者的互联变换器构成，整体采用两区域对称架构，两侧微电网均具备10kW的功率输出能力。

直流微电网由光伏阵列、Boost变换器和直流负载组成。光伏阵列经Boost升压变换器接入直流母线，直流母线额定电压为700V，直流负载直接挂接于直流母线。交流微电网同样以光伏阵列为一次能源，经Boost变换器升压后，再通过LCL型三相逆变器接入交流母线。交流母线额定电压为220V（相电压有效值），额定频率为50Hz，三相交流负载接入交流母线。

互联变换器采用LCL型三相逆变器拓扑，直流侧接入直流微电网母线，交流侧接入交流微电网母线。互联变换器是两区域之间唯一的功率交换通道，其控制性能直接决定了混合微电网的协调运行能力。LCL滤波器的引入可有效抑制开关频率及其边带谐波，改善并网电流质量。

2.2 直流微电网控制策略

直流微电网的控制核心在于光伏Boost变换器。该变换器采用下垂控制与电压电流双闭环相结合的控制结构。

下垂控制的作用在于根据直流母线电压的偏差调节光伏单元的输出功率：当直流负载增大导致母线电压下降时，下垂特性使光伏Boost变换器增加输出功率；反之则减小输出功率。下垂控制系数的选取需要在电压调节精度与功率分配响应速度之间取得平衡。下垂控制输出的电压参考值作为电压外环的输入。

电压外环以700V为额定参考值，对直流母线电压进行无静差调节，其输出作为电流内环的参考指令。电流内环则实现对电感电流的快速跟踪，保证变换器具有良好的动态响应特性。电压电流双闭环结构的优势在于：电压外环保证稳态电压精度，电流内环限制暂态过冲并提升系统带宽。在孤岛运行模式下，直流微电网内部的下垂控制与双闭环共同作用，维持直流母线电压在负载波动时的相对稳定。

2.3 交流微电网控制策略

交流微电网包含两级变换：前级Boost变换器与后级LCL逆变器，两者的控制目标与控制策略存在显著差异。

前级光伏Boost变换器采用直接电压控制策略，仅使用单电压环结构。该控制环以700V为参考值，直接调节Boost变换器的占空比以维持直流侧电压稳定。与直流微网中Boost变换器不同，此处不加入下垂控制环节，其原因在于：交流微网的功率平衡由后级逆变器通过下垂控制实现，前级Boost仅需为逆变器提供稳定的直流输入电压。单电压环结构简洁、响应直接，适用于这种“电压支撑”型的控制需求。

后级LCL逆变器承担着建立交流母线电压与频率、实现功率自主分配的双重任务。其控制采用下垂控制与电压电流双闭环相结合的结构。下垂控制模拟同步发电机的有功-频率（P-f）与无功-电压（Q-V）特性：当交流负载增大导致频率下降时，下垂特性使逆变器增加有功输出；当负载无功需求增大导致电压幅值下降时，逆变器相应增加无功输出。下垂控制生成的电压幅值与频率参考值送入电压外环。电压外环对LCL滤波器电容电压进行调节，其输出作为电流内环的参考。电流内环对逆变器侧电感电流进行控制，最终通过SVPWM调制生成驱动信号。SVPWM调制相比SPWM具有更高的直流电压利用率和更优的谐波特性，适合LCL型逆变器的控制需求。

2.4 互联变换器控制策略

互联变换器的核心功能是在直流微电网与交流微电网之间建立功率平衡的“柔性纽带”。其控制策略的设计需解决一个根本性问题：交流频率（Hz）与直流电压（V）量纲不同，无法直接比较。

为此，本文采用归一化处理的方法。将交流母线频率的实测值与额定值（50Hz）比较，得到频率的标幺偏差；将直流母线电压的实测值与额定值（700V）比较，得到电压的标幺偏差。两者的标幺值处于同一数量级，可进行直接比较。

互联变换器的控制外环以“使交流频率标幺偏差与直流电压标幺偏差趋于一致”为目标。当两侧偏差不相等时，说明两区域之间的功率交换未达到平衡状态。PI控制器根据两侧偏差的差值生成功率指令，该指令经内环电流控制与SVPWM调制后，驱动互联变换器实现功率的双向流动。当交流侧频率偏低而直流侧电压偏高时，互联变换器从直流侧向交流侧传输有功功率，反之亦然。

这种归一化PI闭环控制的优势在于：它将两区域的运行状态“折叠”到同一评价维度上，使互联变换器能够自主判断功率交换的方向与大小，无需上层通信调度。在孤岛模式下，该控制策略使直流母线电压的变化趋势与交流频率的变化趋势趋于一致，实现两区域的“共命运”运行。

3 仿真场景与扰动设置

为系统研究所提控制策略在多扰动场景下的响应特性，本文设计了三类仿真扰动场景。

场景一：交流负载变化。在仿真运行至稳态后，投入或切除部分三相交流负载。该扰动直接改变交流微电网的有功功率平衡。交流负载增加时，交流频率呈现下降趋势，下垂控制使交流逆变器增加输出；同时，频率偏差经归一化后驱动互联变换器从直流侧吸收功率支援交流侧。

场景二：直流负载变化。在稳态运行中，投入或切除部分直流负载。直流负载的增加导致直流母线电压下降，直流微网的下垂控制使光伏Boost增加输出；同时，电压偏差经归一化后驱动互联变换器从交流侧吸收功率支援直流侧。

场景三：光伏光照变化。分别改变直流微网光伏阵列或交流微网光伏阵列的光照强度，模拟云层遮挡、光照突变等自然条件。光照减弱时，对应子网的光伏输出功率下降，该子网的电压或频率出现偏差，互联变换器相应调整功率交换方向以弥补功率缺额。两区域光照同时变化时，可考察互联变换器在多源扰动下的协调能力。

上述三类扰动可单独施加，也可组合施加，以全面评估控制策略在复合工况下的鲁棒性。

4 仿真结果与分析

4.1 交流负载变化的影响

在交流负载突增场景下，交流微电网的有功功率需求增加，交流母线频率首先出现下降。交流逆变器的下垂控制响应频率偏差，增大有功功率输出。然而，逆变器的功率输出受到前级光伏Boost输入功率的限制，在光照条件不变的情况下，其可用功率上限固定。因此，仅靠逆变器下垂控制无法完全补偿负载增量，频率偏差将持续存在。

此时，互联变换器的归一化控制发挥作用。交流频率的标幺偏差增大，导致其与直流电压标幺偏差之间的差值增大，PI控制器输出增大，驱动互联变换器从直流微电网向交流微电网传输有功功率。直流微电网在承担额外输出后，直流母线电压出现小幅下降，但通过直流微网的下垂控制得到抑制。最终，系统在新的功率平衡点稳定运行，交流频率与直流母线电压均偏离额定值，但偏离量在允许范围内。这一过程验证了互联变换器作为“功率缓冲器”的有效性：它将交流侧的功率缺额传导至直流侧，由两区域的电源共同分担。

4.2 直流负载变化的影响

直流负载突增时，直流母线电压首先下降。直流微网的下垂控制响应电压偏差，使光伏Boost变换器增加输出功率。电压偏差经归一化后，与交流频率标幺偏差形成差值，驱动互联变换器从交流微电网向直流微电网传输有功功率。

交流微电网在输出额外功率后，交流频率出现下降，交流逆变器的下垂控制相应增加输出。最终，两区域在新的平衡点稳定运行。直流母线电压与交流频率的变化方向一致：均因负载增加而低于额定值，且偏差量通过归一化控制保持协调。这一特性正是归一化PI控制的设计目标——使两区域的运行状态“同步偏移”。

4.3 光伏光照变化的影响

光伏光照变化的影响与负载变化类似，但作用方向相反。当直流微网光伏光照减弱时，其可用输出功率下降，直流母线电压趋于下降。归一化偏差驱动互联变换器从交流侧向直流侧传输功率，以弥补直流侧的功率缺额。交流侧因此承担额外输出，交流频率相应下降。反之，当交流微网光伏光照减弱时，交流频率趋于下降，互联变换器从直流侧向交流侧传输功率，直流母线电压相应下降。

两区域光照同时减弱时，互联变换器无法从任何一侧获得充足的功率支援，系统频率与电压将出现更大幅度的偏差。这一场景揭示了混合微电网的固有局限：互联变换器仅能实现功率的“再分配”，而无法创造功率。当两区域均处于功率缺额状态时，系统的频率与电压支撑能力完全取决于各子网电源的备用容量。

4.4 综合性能评价

从上述三类场景的仿真结果可以归纳出以下规律：互联变换器的归一化PI控制使直流母线电压与交流频率的变化呈现“同向性”——无论扰动来源于哪一侧，两侧运行状态倾向于协调偏移。这种同向性对于系统运行管理具有重要意义：运维人员可以通过监测单一指标（如交流频率）来间接判断直流侧的状态，简化了系统监控的复杂度。

然而，归一化控制也带来了稳态偏差的代价。由于PI控制器的积分作用需要偏差信号持续存在才能输出功率指令，系统最终稳定在电压与频率均有偏差的运行点。偏差的大小取决于PI控制器的增益与下垂系数的配合。在实际工程中，可通过增大PI增益来减小稳态偏差，但需权衡系统的动态稳定性。

5 结论

本文针对由LCL型互联变换器连接的两区域光伏交直流混合微电网，研究了孤岛模式下多扰动场景的控制响应特性。主要结论如下：

（1）直流微网光伏Boost采用下垂控制与电压电流双闭环、交流微网光伏Boost采用单电压环、交流逆变器采用下垂控制与双闭环、互联变换器采用归一化PI控制的分层控制架构，能够有效维持孤岛混合微电网的稳定运行。

（2）交流负载变化、直流负载变化及光伏光照变化均会激发互联变换器的功率交换响应。归一化PI控制使交流频率与直流母线电压的变化趋势趋于一致，实现了两区域的协调偏移。

（3）互联变换器的作用本质是功率的“再分配”而非“创造”。当两区域同时出现功率缺额时，系统运行点将出现较大偏移，此时需要依赖储能或负荷管理措施来维持电能质量。

后续研究可进一步考虑储能单元的接入、多互联变换器并联运行的均流问题，以及归一化PI参数与下垂系数的协同优化设计。

📚第二部分——运行结果

基于互联变换器（ILC）的两区域光伏系统+交直流混合微电网下垂控制孤岛控制

🎉第三部分——参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。(文章内容仅供参考，具体效果以运行结果为准)

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