第1章绪论
本章从交直流混合微电网的研究背景入手，对其作一般描述，然后给出应用于不同场景的典型结构。从稳定控制与优化运行两方面，介绍了相应问题与研究现状，这将有助于为以后各章节对相应问题的详细讨论奠定基础。
1.1研究背景
2020年9月22日国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”①。2021年3月15日和2022年4月26日的中央财经委员会第九、十一次会议分别提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”和“发展分布式智能电网”，为我国能源电力行业的未来发展指明了方向。微电网技术代表了未来分布式能源供应系统的发展趋势，是智能配用电系统的重要组成部分，对实现“双碳”目标、构建新型电力系统和实现能源可持续发展具有重要意义。
根据国际相关机构的统计，到2030年，全球微电网市场规模预计将达到2243.4亿美元，2024～2030年的复合年增长率为17.1%[1]。其中，北美和亚太地区是世界两大微电网市场，约占全球微电网总容量的三分之二，容量占比分别为36%和30%。虽然两者在容量占比上相近，但应用场景却有显著区别。北美地区的微电网以并网型为主，多应用于工商业，亚太地区则以偏远地区的小规模微电网为主[2，3]。在其他主要地区中，拉丁美洲、中东/非洲、欧洲地区的容量占比分别为14%、11%和9%。国家能源局于2015年发布的《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》[4]，将新能源微电网的建设上升至国家战略层面，并于2017年联合国家发展改革委公布了28个新能源微电网示范项目。此外，国家能源局发布的*批23个多能互补集成优化示范工程以及55个“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目中不少也与微电网技术相关。工业和信息化部于2020年1月发布的22个智能光伏试点示范项目中，5个示范项目和微电网直接相关。整体而言，“十四五”是碳达峰的关键期，在构建新型电力系统目标下，因地制宜发挥微电网作用，促进微电网与配电网的协调发展，提高电力系统整体运行效率已成为发展和研究的重点。
伴随着微电网关键技术的发展和分布式电源投资成本的降低，微电网正逐步从实验研究、示范工程向商业化应用方向发展，而且微电网的能源构成、规模、组网形式也逐步向多能互补、交直流混合等方向转变。从电能汇集母线和供配电方式的角度，微电网主要可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网三类。当系统内负荷或新能源种类以交流形式为主时可组成交流微电网，若以直流形式为主则可组成直流微电网。在单一的直流微电网或交流微电网内，接入多种不同特性的负荷或分布式电源时，需配置额外的交直流功率变换装备，不仅增加了成本，而且多级功率变换也使得系统整体运行效率降低。交直流混合微电网由于同时具备交流子网与直流子网，可充分考虑分布式电源及储能系统的输出特性以及负荷的供电需求，能够减少不必要的电能变换环节。交直流混合微电网的控制灵活性也更强，直流子网与交流子网若均含有分布式储能及电源，则每个子网既能*立运行，亦能通过双向直流-交流(DC-AC)变流器进行相互支撑和全局协调控制，可极大地提高系统供电可靠性。若多个地理位置上毗邻的微电网以集群的形式互联运行，通过多微电网之间的功率协调控制和紧急功率支撑，则能更有效地应对系统内可再生能源和负荷的不确定性、单一微电网平衡单元备用容量不足等各种复杂工况，能更大程度地提高微电网集群内分布式可再生能源发电系统和分布式储能单元能效，增强系统整体供电可靠性、灵活性与运行稳定性。
1.2典型拓扑结构
1.2.1交流耦合型拓扑
以交流耦合型拓扑为主的微电网典型结构如图1.1所示，其特征是系统中的大部分分布式电源、储能单元、负荷接入交流母线，接入直流微电网内的电源、负荷所占比重较少。在并网模式下，交流侧电压和频率由电网决定，但在大容量微电网接入弱交流系统情况下，微电网可以采取相应控制策略对电网侧电压和频率进行主动支撑控制[5]。
在离网*立运行模式下，一般由交流侧储能单元建立和维持交流电压和频率。若是集中储能单元，储能变流器可采用恒压/恒频控制(即U/f控制)策略；若是由若干容量相当的分布式储能单元组网，通常采用下垂对等控制策略，相比主从控制策略，其更能提升大功率扰动下的运行稳定性。直流母线电压一般由交直流双向DC-AC变流器进行控制。
1.2.2直流耦合型拓扑
以直流耦合型拓扑为主的微电网典型结构如图1.2所示，其特征是系统中的大部分分布式电源、储能单元、负荷接入直流母线，适合于直流型电源和负荷所占比重较大，以及未来直流充电型新能源电动汽车、光储直流耦合系统、光储直柔建筑等应用较为普及的地区。直流母线与交流母线之间通过双向DC-AC变流器进行互联。若单个模块化DC-AC变流器容量无法满足直流侧容量需求，或从提升供电可靠性角度考虑，可以灵活配置多个DC-AC变流器进行并联运行。在偏远、海岛等远离大电网的地区，为保证交直流混合微电网在离网模式下的长周期稳定运行，通常还会配置柴油发电机(简称柴发)，其接入模式一般有直接并入交流母线和通过DC-AC变流器接入直流微电网两种。
1.2.3交直流耦合型拓扑
交直流耦合型混合微电网是指网络中同时含有交流和直流母线，交、直流侧均含有分布式电源、储能单元及相应负荷，各子网既能*立运行，又能互联相互支撑的小型发/配/用电系统，图1.3给出了一类典型的交直流耦合型混合微电网的结构示意图。输出为非工频交流电的交流型分布式电源或输出为直流电的直流型分布式电源可以通过AC-DC整流装置或DC-DC变流器接入直流母线，直接向直流负荷供电；直流微电网通过单台或多台双向DC-AC变流器与交流母线相连，进而并入交流微电网系统。交直流混合微电网结构可充分考虑分布式电源及储能系统的输出特性以及负荷的供电需求，采用较少的能量变换装置分别满足直流和交流负荷需求，整个系统具备较高的能量传输效率，具有较高的经济性和可靠性。图1.3所示交直流耦合型混合微电网既可以应用于并网运行场景，也可应用于高海拔、海岛、偏远、无电等地区*立供电场景。
1.3稳定控制研究现状
1.3.1交流电压/频率构建与稳定控制
1.交流电压/频率构建研究现状
交直流混合微电网在*立运行模式下，交流电压/频率构建是实现系统稳定运行的根本前提。相比采用单一集中大容量储能构网，多个分布式储能单元共同组网更能提高微电网的稳定性和可靠性。多储能变流器组网的协调控制方法主要包括主从控制、瞬时平均电流均分控制和下垂控制等。如何实现系统电压和频率控制；如何实现系统功率快速平衡，保证变流器之间功率按额定容量分配，满足大功率负荷扰动对暂态稳定的要求；如何提高负荷供电电能质量，成为各种协调控制方法所要解决的共同问题。
(1)主从控制[6]。主从控制通常将一台储能变流器选为主机，采用恒压/恒频控制以建立和维持系统的电压和频率；其余变流器作为从机，通过锁相环(phase-lockedloop，PLL)获取微电网电压的幅值和相位，若以主机实时输出电流作为参考实现电流源型控制，便可达到主、从机功率均分的目的。但该策略依赖快速通信，且主机一旦故障，需要有相应的策略快速切换另外一台从机的控制模式，上述特点均将导致微电网的运行可靠性降低。
(2)瞬时平均电流均分控制[7，8]。瞬时平均电流均分(instantaneous average current sharing，IACS)控制的基本思路是通过协调控制器向各变流器单元下发电压参考指令，变流器依据电压参考指令实现无差控制，参与系统电压和频率调节。为了实现电流均分，各变流器单元向总线发送输出电流信息，通过协调控制器计算得出瞬时平均电流并反馈至变流器单元，实现各变流器对于瞬时平均电流的跟踪，在保证电压调节和系统稳定的前提下提高了暂态电流均分能力，同时谐波电流的均分能力明显提升。然而，这种方法对于通信可靠性及带宽要求较高，降低了多机并联系统的灵活性和冗余度。
(3)下垂控制[9，10]。下垂控制类似于同步发电机的运行原理，通过计算自身输出的有功功率和无功功率，根据有功功率-频率(P-f)和无功功率-电压(Q-U)下垂特性*线，调整输出电压的频率和幅值，从而实现多变流器的并联运行以及负载功率均分。下垂控制不需要变流器之间的通信，具有“即插即用”的特性，提高了并联系统的冗余性和可靠性。
线路阻抗不匹配时变流器间的无功功率和不平衡功率的分配是下垂控制面临的一个重要问题。国内外学者围绕三相三线制系统和三相四线制系统中基于P-f和Q-U下垂控制的改进方法进行了大量的研究。在三相三线制系统中，一类常用的方法是通过重塑变流器在基频处的输出阻抗使其远大于线路阻抗，从而降低线路阻抗不匹配对均流精度造成的影响[11]；另一类方法则通过变流器间功率数据的双向交互实现虚拟阻抗的自适应调节[12，13]。文献[14]将三相四线制逆变器的并联控制问题转化为单相逆变器并联控制问题，同时针对不平衡负载接入导致三相电压频率、相角和幅值出现偏差提出了相应的二次控制方法，但该方法需要不同控制环路带宽之间的解耦，导致动态响应较慢。上述研究验证了通过设置远大于线路阻抗值的各序虚拟阻抗值，能够在不用交换功率信息的前提下实现不平衡电流的均分。然而，当不对称负载接入时，如果负序和零序虚拟阻抗设置过大，将会导致轻载相电压的过调制现象。直流电压对于虚拟阻抗设计的约束在其他研究中考虑较少。此外，现有研究主要针对特定需求对分序虚拟阻抗进行设计，如何综合定量分析分序虚拟阻抗对于均流精度、微电网公共连接点(point of common coupling，PCC)电能质量以及系统稳定性的影响，并指导实际工程中虚拟阻抗的设计有待进一步研究。
当系统接入不对称负载时，线路阻抗、负序和零序虚拟阻抗将会导致PCC电压产生较大的不平衡度。针对三相三线制系统中电压幅值与不平衡补偿控制，一类方法通过调节指定变流器提供正序无功功率和负序功率进行补偿[15]；另一类方法则依据安装在PCC的电压补偿器下发的补偿信号，对各个变流器的电压参数进行调节[16]。在三相四线制系统中，现有研究通过虚拟阻抗自适应能够实现PCC及关键节点电压不平衡的补偿[17]，但造成了负序和零序电流均分精度的下降。如何在维持电流均分精度的条件下，实现PCC电压不平衡的补偿有待进一步研究。为了实现三相四线制系统中零序电压的补偿，一种直接的思路是参考文献[16]中对负序补偿量的处理方法，将零序电压补偿信号转换为同步旋转坐标系中的直流量，通过低带宽通信进行传输。关于低带宽通信及补偿控制器的相关参数设计，本书将进行详细讨论。
2.低惯量微电网稳定性提升研究现状
高海拔、海岛、边防、无电等地区交直流混合微电网若遇连续阴雨或晚上新能源出力不足、储能放电达到极限等工况，开启柴发，保证重要负荷供电，并同时给储能进行充电。此类含同步发电机的交直流混合微电网，系统惯量低、频率稳定性差，易受到新能源、负荷的冲击影响。此时，储能可用于提升系统的电压和频率暂态稳定性。在交直流混合微电网中，储能单元可集中接入交流微电网或直流微电网，亦可分布式接入交、直流侧。下面将根据储能单元不同接入形式下提升低惯量交直流混合微电网动态稳定性控制方法进行综述。
若储能单元集中接入交流母线，则其可通过直接量测平衡单元的输出功率或检测交流母线频率变化进行功率平滑控制。尽管通过直接量测平衡单元输出功率进行功率平滑控制[18]*直接，
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