摘要：与传统基于线路阻抗互联的交流微网群相比，柔性互联微网群中各微网单元间无法形成有效的“频率信号”传递，其本质是一个可分区异步孤立运行的互联系统。在频繁的各类扰动下，如何构建合理的分层分布式控制架构，并实现微网内/微网间的频率/电压的无差恢复以及功率均分，是一个挑

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与传统基于线路阻抗互联的交流微网群相比，柔性互联微网群中各微网单元间无法形成有效的“频率信号”传递，其本质是一个可分区异步孤立运行的互联系统。在频繁的各类扰动下，如何构建合理的分层分布式控制架构，并实现微网内/微网间的频率/电压的无差恢复以及功率均分，是一个挑战性的难题；另一方面，如何在分层协同控制架构下厘清柔性互联微网群系统的稳定主导模态，也是一个值得研究的难题。

针对上述问题，合肥工业大学孟潇潇老师团队提出一种柔性互联微网群全新的分层分布式协同控制架构，各背靠背变流器可通过两侧微网单元有效交互实现集群层面的全局控制目标，实现全局层面的有功均分；此外，进一步建立分层分布式控制架构下微网群系统的小信号模型，分析其稳定性的主导失稳模态，并与已有文献方法进行了功率传输稳定性的比较分析；最后，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，验证了控制策略的有效性和优越性。

研究背景

微网群将地理空间上毗邻的多个微网整合成紧密的整体，从而更好应对单一微网备用容量小、稳定性差的问题，还能有效提高分布式电源的消纳水平。微网群系统存在多种互联形式，传统的阻抗线路互联方式下，各微网单元间的扰动不能相互隔离，且交互功率也只能通过间接方式调节。而基于背靠背变流器柔性互联方式下的微网群系统，由于具备区域间潮流连续调节、故障分区缓冲等功能，是近年来的研究焦点。

然而与传统阻抗互联的微网群相比，柔性互联微网群中各微网单元间无法形成有效的“频率信号”传递，其本质是一个可分区异步运行的互联系统。在此范式下，柔性互联微网群中，各微网群单元的频率扰动平抑任务只能由区域内的可调节电源独自承担，不利于微网群整体的控制性能提升。虽然背靠背变流器具备一定的受控调节能力，但若不对其施加合适且正确的传输功率指令，微网群集群层面整体的扰动均衡控制目标任务难以实现。

现有研究直接针对基于背靠背变流器柔性互联微网群分层协同控制的相关研究较少。特别是，在多数场景下，由于柔性互联装置（多数为背靠背变流器）一侧变流器采用直流电压控制（VdcQ控制），另一侧变流器采用功率控制（PQ控制），对于N个微网单元环型首尾互联构成的微网群，其控制自由度天然为N-1。由此导致柔性互联微网群的二次控制设计尤为复杂，甚至有部分已有文献研究认为，在常规控制模式下，柔性互联微网群无法实现全局功率均分目标。

此外，柔性互联模式下微网群的稳定性也值得重点关注，特别是，引入分层协同控制架构对微网群稳定主导特征的影响。已有研究针对分层协同控制架构下的常规交流微网群开展了完整的小信号建模和稳定主导分析，指出分层协同控制架构下系统会增加更多的低频稳定主导极点。但目前鲜见有研究开展分层协同控制下柔性互联微网群的稳定主导模态的分析研究。

综上，当前基于背靠背变流器互联的微网群的相关研究存在显著缺陷，主要表现为缺少有效的分层协同控制架构设计以及缺少分层协同控制下稳定主导特征分析等，因此本文开展了相关研究，提供了有效的解决方案。

论文所解决的问题及意义

本项目拟设计一种包含背靠背型柔性互联装置的分层分布式协同控制架构，实现柔性互联微网群频率/有界电压无差恢复以及全局有功均分控制的目标。进一步建立该控制架构下柔性互联微网群的完整小信号模型，分析其稳定性的主导失稳模态，并与已有控制方法进行了稳定性差异比较，最后通过仿真验证了本文研究的正确性。

1、分层分布式控制架构及通信模式设计如下

(a)电网拓扑结构

(b)通信拓扑结构

图1 基于背靠背变流器柔性互联微网群的电网及通信拓扑结构图

本文提出的系统控制架构可分为2层。底层为图1(a)所示的柔性互联微网群物理层，其中微网通过由两个电压源变流器背靠背连接构成的背靠背变流器连接；上层为图1(b)所示实现柔性互联微网群内稀疏通信的信息层，其中微网内部相邻的分布式电源进行通信，微网之间由领导分布式电源代表其所在微网单元与其相连背靠背变流器进行通信，背靠背变流器扮演类似“桥接器”角色。

本文所提架构包含本地控制与分层协同控制两种控制模式。在本地控制下对背靠背变流器两侧微网单元的频率差值信号进行PI控制即可得到背靠背变流器的有功传输指令；在分层协同控制下，由于两侧微网单元的频率信号逐步恢复至额定值，应对两侧微网单元的平均有功出力比率差值信号进行PI控制即可得到背靠背变流器的有功传输指令。

2、柔性互联微网群稳定主导特征分析如下

本文对比分析两种控制模式与基础控制方法的特征根分布（图2、图3），发现引入本文控制会新增由控制模态主导的更靠近虚轴的特征根，为验证控制稳定性随后对控制模态的积分系数进行根轨迹分析（图4、图5），均证实该主要影响参数具有极为广泛的系统稳定取值区间。

最后将本文所提分层协同控制与已有控制策略进行功率传输稳定性的根轨迹比较分析。可得结论：① 本文分层协同控制下主导模态与背靠背变流器的PQ控制端口及微网有界电压控制有关；② 两种控制稳定性极其接近而本文分层协同控制无需实时测量负荷，更具有实用性，且本文方法不会出现无确定解问题。

图2 基础控制与本地控制下的特征值分布比较

图3 基础控制与分层协同控制下的特征值分布比较

图4 本地控制下KBP I,ω变化的主导极点根轨迹图

图5 分层协同控制下KBP I,α变化的主导极点根轨迹图

论文方法及创新点

提出一种柔性互联微网群全新的分层分布式协同控制架构，各背靠背变流器底层控制仍然采用传统方式，通过二次附加改进控制利用两侧微网单元的信息有效交互，实现集群层面的全局有功均分控制目标，同时也能兼顾微网内的频率/有界电压恢复目标。

在此协同控制架构下，对柔性互联微网群开展小信号建模，分析了其稳定主导模态，并与已有文献方法进行了功率传输稳定性的比较分析，为后续柔性互联微网群的参数优化、稳定提升以及降阶等值化简提供了清晰思路。

结论

本文提出了一种基于背靠背变流器柔性互联微网群的分层协同控制，建立了包含微网单元二次控制和背靠背变流器改进功率传输控制的微网群小信号模型，实现了全局层面的有功均分，分析了该控制对系统小信号稳定性的影响。最后，利用动态仿真验证了本文提出控制方法的有效性。得到的主要结论及成果如下：

1）本文提出两种互补的微网群全局有功均分控制策略：即不依赖通信但无法与分布式电源频率无差恢复控制并行的策略，以及依赖通信但兼容分布式电源频率无差恢复控制的策略。

2）对分层协同控制策略下的柔性互联微网群的进行小信号建模，厘清了微网群系统的稳定主导模态。

3）将本文所提出的分层协同控制策略与已有研究所提控制策略进行比较，两种控制下功率传输稳定性接近，但本文所提分层协同控制策略无需实时测量（或估计）本地负荷、不存在无确定解问题，更易于实际应用。

团队介绍

合肥工业大学新能源电力系统科学与技术教师团队面向国家重大战略需求，以培养国家急需人才、解决国家经济和行业发展的关键技术问题为己任，潜心开展教学科研。近十年来，团队承担了国家973、863、国家重点研发计划、国家自然科学基金和企业委托重大、重点课题150余项，在中国新能源事业的装备研发和电力系统应用领域取得多项突破。

孟潇潇

讲师，硕士生导师，合肥工业大学电气与自动化工程学院，主要研究方向为新型电力系统的稳定运行与控制、微电网控制技术。

尤泽豪

硕士研究生，合肥工业大学电气与自动化工程学院，主要研究方向为柔性互联系统的稳定分析及控制。

张茂凡

硕士研究生，国网重庆市电力公司市北供电分公司,主要研究方向:电力系统保护与控制、微网运行与控制。

邵冰冰

副教授，硕士生导师，合肥工业大学电气与自动化工程学院，主要研究方向为新型电力系统的稳定分析与控制。

本工作成果发表在2024年第24期《电工技术学报》，论文标题为“基于背靠背变流器柔性互联微电网群的分层分布式协同控制及其稳定分析“。本课题为国家自然科学基金和安徽省自然科学基金资助项目。

引用本文

孟潇潇, 尤泽豪, 张茂凡, 邵冰冰. 基于背靠背变流器柔性互联微电网群的分层分布式协同控制及其稳定分析[J]. 电工技术学报, 2024, 39(24): 7917-7932. Meng Xiaoxiao, You Zehao, Zhang Maofan, Shao Bingbing. Distributed Hierarchical Cooperative Control and Stability Analysis of Flexible Interconnected Microgrid Cluster Via Back-to-Back Converters. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(24): 7917-7932.

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来源：福州共创科技