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交直流混合微电网多端口柔性互联装置稳态运行特性与仿真研究（Simulink仿真实现）

news 2026/6/6 1:35:58

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💥第一部分——内容介绍

交直流混合微电网多端口柔性互联装置稳态运行特性与仿真研究

摘要

针对分布式新能源高渗透率接入带来的交直流配网潮流调控困难、源荷功率波动耦合、交直流子网故障相互蔓延等问题，依托三端口柔性多状态开关（SNOP/SOP，电能路由器 / 能量路由器）搭建交直流混合微电网柔性互联架构。装置整合电压源换流器（VSC）与高频隔离双有源桥（DAB）DC-DC 变换单元，实现交流子网、低压直流配电网、新能源直流馈线三者之间柔性功率互通。依托 MATLAB/Simulink 开展系统稳态工况仿真，通过差异化控制器参数设计完成不同端口控制策略适配，验证 PQ 控制、UdcQ 稳压控制与 DAB 恒功率双向调控方案在稳态运行下的潮流灵活调节能力，为交直流混合配电系统柔性互联工程应用提供理论与仿真参考。关键词：交直流混合微电网；柔性互联；柔性多状态开关；电能路由器；DAB 变换器；潮流调控

1 绪论

1.1 研究背景与意义

新型电力系统建设背景下，光伏、储能、风电等分布式电源呈现交直流交错分散接入特征，传统机械式联络开关仅能实现线路通断切换，无法连续精细化调控互联端口功率，易出现局部子网功率盈余或缺额、母线电压偏移、联络线过载等运行难题。柔性多状态开关（SNOP/SOP，也称软连接开关、智能软开关、电能 / 能量路由器）依托电力电子变换技术替代传统机械开关，凭借多端口拓扑优势实现多区域交直流配网无电气硬断点互联，可在全工况连续调节各端口有功、无功功率，隔离交直流侧故障扰动，成为交直流混合配电系统优化运行的核心装备。

三端口构型的柔性互联装置集成整流逆变单元与高频隔离 DAB 变换器，一侧对接交流配电子网，剩余端口分别接入不同电压等级直流配电网络，适配交直流混合微电网多源异构接入场景。对该拓扑开展稳态仿真研究，明确各换流单元适配控制逻辑，能够有效解决交直流子网功率耦合难题，提升分布式新能源就地消纳水平，优化配电网潮流分布，对交直流混合配电系统的工程落地具备重要现实价值。

1.2 国内外研究现状

现阶段国内外围绕单端口、双端口柔性多状态开关已形成较为完善的拓扑选型、控制策略与仿真验证体系，双端口 SOP 多应用于两条交流馈线互联场景，依托背靠背 VSC 实现交流馈线间功率互济。随着直流配网规模化建设与直流型分布式电源普及，多端口 SNOP、三端口电能路由器逐步成为研究热点。现有研究大多聚焦单一 VSC 变流单元或独立 DAB 变换器的控制优化，针对 VSC 与高频隔离 DAB 组合构型的三端口柔性互联装置，多端口差异化控制协同配合、交直流混合系统稳态协同运行的仿真分析仍有待补充。

部分研究采用统一稳压控制方案管控全部端口，难以兼顾交流侧无功灵活调节与直流侧恒功率传输需求，无法充分发挥不同变流器的控制优势。本文结合交流侧 VSC、直流侧 DAB 各自运行特性，分端口配置 PQ 控制、UdcQ 控制、恒功率控制策略，依托仿真平台完成全系统稳态工况试验，补充三端口柔性互联装置在交直流混合微电网稳态运行下的工况数据与运行规律。

1.3 主要研究内容

本文以三端口柔性互联型电能路由器为核心，构建含多条交流馈线与直流配电支路的交直流混合微电网柔性互联系统，梳理系统拓扑组成与各变流单元功能定位；依据端口接入电网类型与运行目标，分别为交流侧 VSC 单元、直流侧 DAB 单元配置对应控制方案；在 MATLAB/Simulink 仿真环境搭建全系统模型，开展额定工况下稳态仿真试验，分析各端口功率传输、母线电压运行状态，验证所提分层分端口控制方案实现潮流灵活调控、功率双向传输、直流母线稳压的有效性。

2 交直流混合微电网三端口柔性互联系统拓扑架构

2.1 整体系统拓扑

系统由交流配电子网、两段独立直流配电网络以及三端口柔性互联装置（三端口 SOP/SNOP、电能路由器）共同构成，柔性互联装置作为系统能量枢纽完成三个子网的柔性耦合互联。装置内部包含两台电压源型变流器 VSC2、VSC3 与一台高频隔离型 DAB DC-DC 变换器，其中 VSC2 作为整流逆变单元完成交流子网与公共直流母线的能量交互，VSC3 与 DAB 变换器分别对接两条电压等级一致或差异化配置的直流配电网，公共直流母线作为装置内部能量中转枢纽，实现三个外部子网之间无机械触点的功率双向流动。

交流子网侧接入本地交流负荷与分布式交流电源，两段直流配网分别配置直流光伏、储能装置与直流型用电负荷，源荷功率随机波动带来的子网功率失衡问题，依靠三端口柔性装置跨区域功率调剂实现平抑。相较于传统多开关分段组网模式，该拓扑取消交直流子网之间机械式联络开关，依靠电力电子变流器实现全时段连续功率调控，从物理架构层面消除开关投切带来的暂态冲击与供电短时中断问题。

2.2 各变流单元功能说明

VSC2 承担交流 - 直流能量变换功能，可工作在整流或者逆变工况，实现交流侧有功、无功功率独立调节，是交流子网与装置内部直流母线的能量交互通道；VSC3 负责其中一路直流配网与公共直流母线的互联，主要承担直流母线电压稳定管控任务；高频隔离型 DAB 变换器实现另一路直流配网和公共直流母线的电气隔离与功率传输，高频隔离结构能够阻断直流侧故障跨支路扩散，同时依托双向功率运行特性完成两端直流网络的功率互济。三类变流器协同配合，共同实现三端口之间有功功率跨子网流转、交流侧无功就地补偿。

3 各端口变流器控制策略设计

结合各端口接入电网属性、运行管控目标差异化设计控制逻辑，交流侧与不同直流侧端口采用互不相同的闭环控制方案，兼顾潮流可调性、直流电压稳定性与直流支路恒功率传输需求。

3.1 VSC2 端口 PQ 控制策略

VSC2 对接交流配电子网，选用 PQ 恒功率控制模式，该控制方式能够独立闭环管控端口输出有功功率与无功功率。运行过程中按照系统调度需求给定有功、无功参考指令，变流器实时追踪功率参考值，不受交流侧电网电压小幅波动影响。依托 PQ 控制的解耦调节特性，既可以向交流子网输送有功功率弥补本地电源缺额，也能够吸收交流侧富余新能源功率送至其余直流子网，无功功率可按需发出或吸收，实现交流侧无功就地补偿，优化交流馈线功率因数，灵活改变交流子网与整个互联系统间的有功无功潮流大小与方向。

3.2 VSC3 端口 UdcQ 控制策略

VSC3 接入其中一条直流配电支路，采用 UdcQ 稳压型控制方案，核心控制目标为维持装置内部公共直流母线电压运行在额定区间。控制环路以直流母线实测电压和额定电压差值形成闭环调节量，通过改变 VSC3 传输有功功率实现母线稳压；在有功稳压的基础上，可同步管控变流器自身无功分量，抑制变流器谐波无功扰动。当交流侧或 DAB 侧出现功率突变导致直流母线电压抬升或跌落时，VSC3 能够快速增减自身吞吐功率，平抑母线电压波动，为全系统稳态运行提供稳定的内部直流电压支撑。

3.3 DAB 变换器恒功率双向控制策略

对接剩余直流配电网的高频隔离 DAB 变换器采用恒功率控制方案，参考功率指令由上层系统根据对应直流子网源荷盈余状态下发。DAB 依托自身拓扑天然具备功率双向流通能力，恒功率闭环控制能够保障该端口严格按照给定功率值完成功率输送，当本地直流子网新能源出力过剩时，DAB 将富余功率经由公共直流母线转运至功率缺额的交流子网或另一路直流配网；当本地直流负荷大于分布式电源出力时，反向从公共母线汲取功率补足缺额。高频隔离结构实现两侧直流网络电气隔离，即便一侧直流支路出现短路故障，故障能量无法通过 DAB 扩散至其余子网，提升混合配电系统运行安全性。

4 基于 Simulink 的系统稳态仿真分析

4.1 仿真模型搭建说明

依托 MATLAB/Simulink 仿真平台搭建完整交直流混合微电网与三端口柔性互联装置仿真模型，按照实际配网参数配置交流线路阻抗、直流线缆参数、分布式电源额定容量与各类负荷额定功率，分别对 VSC2、VSC3、DAB 单元嵌入前文设计的 PQ 控制、UdcQ 稳压控制、恒功率控制闭环模块。仿真仅开展系统额定参数下的稳态工况试验，忽略暂态投切扰动、故障冲击等动态过程，重点观测系统长时间平稳运行下各端口功率、母线电压的运行指标。

4.2 稳态仿真结果分析

稳态运行阶段，VSC2 在 PQ 控制作用下，端口有功、无功功率始终稳定跟随预设参考值，交流侧馈线潮流可根据参考指令灵活增减、反向，实现交流子网功率与两侧直流网络的互通调配，交流母线电压维持在额定工作区间，无功功率按需补偿后交流线路无功损耗得到有效降低。

VSC3 通过 UdcQ 控制持续稳定管控公共直流母线电压，全稳态周期内直流母线电压波动幅度控制在允许误差范围内，即便其余两个端口功率小幅变化，母线电压不会出现明显偏移，为 DAB 与 VSC2 稳定功率传输奠定电压基础。

DAB 变换器在恒功率控制下端口传输功率恒定在设定数值，功率可依据调度指令正向或反向传输，顺利完成对应直流支路富余功率外送或者缺额功率补给任务，高频隔离架构下两条直流配网之间无电气耦合干扰，各自支路母线电压独立平稳运行。

整体系统在稳态工况下三个子网通过三端口电能路由器实现功率优化互济，原本因分布式电源间歇性导致的局部子网功率过剩或供电不足问题得到妥善化解，各段交直流母线运行参数均满足配网运行规范，从仿真层面验证了分端口差异化控制方案适配三端口柔性互联装置运行需求，能够实现交直流混合微电网潮流灵活调控、功率双向传输、直流母线稳压的设计目标。

5 结论与展望

5.1 结论

本文以三端口柔性多状态开关（SNOP/SOP、电能路由器）为核心构建交直流混合微电网柔性互联系统，依托 VSC 与高频隔离 DAB 组合拓扑实现交流子网与两路直流配网的柔性互联，针对不同端口运行目标分别选用 PQ 控制、UdcQ 稳压控制、DAB 恒功率控制策略。通过 Simulink 稳态仿真试验可得：PQ 控制可实现交流端口有功无功独立灵活调节，自由改变交流侧潮流；UdcQ 控制能够稳定装置公共直流母线电压，筑牢全系统电压运行基准；DAB 恒功率控制依托双向运行与电气隔离特性，实现直流支路恒定功率双向输送，同时阻隔直流故障跨支路蔓延。三类控制协同配合下，三端口柔性互联装置可高效完成交直流混合微电网跨区域功率调剂，优化系统整体潮流分布，提升分布式新能源就地消纳能力，证实该拓扑与配套控制方案在交直流混合配电柔性互联场景具备良好工程适用性。

5.2 展望

本次研究仅围绕系统额定参数稳态工况开展仿真验证，后续可围绕多工况源荷随机波动、子网故障穿越、多台电能路由器并联组网等场景开展拓展研究；进一步结合上层优化调度策略，依据各子网实时源荷数据动态优化各端口功率参考指令，实现全系统经济最优运行；同时可结合实际配网试点工程参数，优化变流器控制参数，推动三端口电能路由器从仿真研究落地至交直流混合配网实际工程应用。