多儲能直流微電網(wǎng)的分布式控制

朱曉榮，蔡　杰

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定　071003)

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多儲能直流微電網(wǎng)的分布式控制

朱曉榮1，蔡杰1

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003)

0引言

作為集中式發(fā)電的有效補(bǔ)充，分布式發(fā)電技術(shù)正日趨走向成熟。微電網(wǎng)對分布式電源的有效管理，不僅最大限度地利用了可再生能源，更實(shí)現(xiàn)了分布式電源的“即插即用”[1-2]。目前，微電網(wǎng)的研究主要集中于交流微網(wǎng)方面，但是，隨著大量直流微源的出現(xiàn)，以及負(fù)荷側(cè)對直流功率需求的提高，直流微電網(wǎng)逐漸得到了人們的重視[3-4]。相對于交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)不需要對電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，控制簡單，損耗較小，容易擴(kuò)展，更適合分布式電源和負(fù)載的接入[5]?？紤]到傳統(tǒng)直流微網(wǎng)公共直流母線電阻的存在，直流微電網(wǎng)可看成為多端口的直流換流器系統(tǒng)，如圖1所示。

對于多端口直流微電網(wǎng)來說，由于直流母線電阻的存在，使得各個節(jié)點(diǎn)電壓由于下垂控制中電壓參考值以及下垂系數(shù)的不同而不同，負(fù)荷不能按照傳統(tǒng)意義上根據(jù)下垂控制輸出的虛擬阻抗來分配，負(fù)荷分配的精度下降。控制系統(tǒng)平均電壓，使直流微網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)至本地節(jié)點(diǎn)電壓參考值，避免了下垂控制時使電壓偏移額定值。另外，將蓄電池荷電狀態(tài)作為另一個控制目標(biāo)，引入功率控制，能夠平衡蓄電池荷電狀態(tài)，提高蓄電池使用效率和使用壽命[6-8]。

文獻(xiàn)[9-10]均通過模糊控制理論，根據(jù)不同儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)對各儲能中的下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)不同儲能單元間負(fù)荷功率的合理分配。然而模糊控制需要實(shí)時計(jì)算所有儲能單元的剩余能量的平均值。文獻(xiàn)[11]針對單獨(dú)直流微電網(wǎng)的多儲能系統(tǒng)，設(shè)置下垂系數(shù)和儲能單元SOC的n次冪成反比，實(shí)現(xiàn)對SOC和輸出功率均衡速率的調(diào)整。文獻(xiàn)[12-13]針對直流微電網(wǎng)的第二三次控制，均采用集中式控制方法，切斷任何一條通信通道，均會導(dǎo)致整個通信系統(tǒng)的通信失敗。文獻(xiàn)[14-16] 針對傳統(tǒng)下垂控制的不足以及考慮多直流變流器接入公共直流母線時線路電阻的影響，提出了直流微網(wǎng)群的分布式控制，消除了由于下垂控制造成的電壓偏差，并使得負(fù)載按照變換器容量進(jìn)行分配。但是，對于儲能型直流微網(wǎng)來說，僅僅根據(jù)容量來進(jìn)行分配負(fù)荷會造成各儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)分布出現(xiàn)不平衡，影響蓄電池的使用壽命。

本文綜合考慮了系統(tǒng)平均電壓以及蓄電池的荷電狀態(tài)，提出了多儲能直流微網(wǎng)的分布式控制。本文首先對所提分布式控制做了詳細(xì)的介紹。然后在此控制的基礎(chǔ)上，針對含兩儲能系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)，通過其小干擾模型，分析了其穩(wěn)定性。最后，通過MATLAB/SIMULINK搭建了含三儲能系統(tǒng)直流微電網(wǎng)模型，驗(yàn)證了此控制策略的有效性。

1直流微電網(wǎng)構(gòu)成及其分布式控制

1.1多端口直流微電網(wǎng)構(gòu)成

多端口直流微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　多端口直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到直流微電網(wǎng)公共直流母線的電阻，傳統(tǒng)直流微電網(wǎng)可以看成為多端口的直流換流器系統(tǒng)。圖1即為多端口直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1可以看出，每個節(jié)點(diǎn)可由一個或多個直流換流器組成，其中每個節(jié)點(diǎn)可包含各種分布式能源、儲能系統(tǒng)或者負(fù)荷中的一個或多個。由于像風(fēng)機(jī)以及光伏等具有間歇性的分布式電源正常情況下均運(yùn)行于最大功率跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)狀態(tài)，不參與節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)，相當(dāng)于電流源。因此，本文中把每個節(jié)點(diǎn)看做為蓄電池和負(fù)荷的組合。

1.2多儲能直流微電網(wǎng)的分布式控制

1.2.1分布式控制

對于像多端口直流微電網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡(luò)來說，通過集中式的方法協(xié)調(diào)控制各個節(jié)點(diǎn)會造成信息網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，且對信道帶寬要求較高，任何一條通信通道受阻，將導(dǎo)致全網(wǎng)信息交流的崩潰等問題。所謂的分布式控制，即僅僅通過相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，構(gòu)建一個稀疏的信息交流網(wǎng)絡(luò)，就可獲得全網(wǎng)的一致性響應(yīng)。在這種控制下，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的“即插即用”，且其中一條信息通道的受阻，不會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1所示直流微電網(wǎng)中的信息交流網(wǎng)絡(luò)可表示為圖2所示的網(wǎng)絡(luò)圖。

圖2所示的信息交流網(wǎng)絡(luò)可用頂點(diǎn)集V={v1,v2,…,vn}，邊集E=V×V，以及鄰接矩陣A=[aij]來表示，其中aij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間信息交流的權(quán)重。在本文中，如果節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j存在信息交流，即(vj,vi)∈E，則aij=1，否則，aij=0。 網(wǎng)絡(luò)的拉普拉斯矩陣可表示為L=Din-A，Din為節(jié)點(diǎn)的輸入矩陣，表示為Din=diag{∑j∈Niaij}，其中Ni表示為節(jié)點(diǎn)i的相鄰節(jié)點(diǎn)。由圖論知識可知[17]，對于信息非雙向傳遞的信息交流網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拉普拉斯矩陣的特征值決定了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)響應(yīng)，且當(dāng)所有輸入節(jié)點(diǎn)權(quán)重之和與輸出節(jié)點(diǎn)權(quán)重之和相等時，則認(rèn)為該圖的信息交流是平衡的。信息交流網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)一致算法可表示為

(1)

式中:xi(t)表示為第i個節(jié)點(diǎn)t時刻所接受的信息值。式(1)的向量形式可表示為

(2)

式中:L即為網(wǎng)絡(luò)的拉普拉斯矩陣。

1.2.2多儲能直流微電網(wǎng)的分布式控制

本文所提出的直流微電網(wǎng)的分布式控制，是在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，加入了分布式控制環(huán)節(jié)對其電壓參考值進(jìn)行修改，具體控制框圖如圖3所示。其中的分布式控制環(huán)節(jié)包括平均電壓控制環(huán)節(jié)和功率協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)。本文以蓄電池放電為例，圖3(b)即為加入所提分布式控制后系統(tǒng)的下垂特性，新下垂特性表達(dá)式可表示為

(3)

式中：δvi和δii分別為電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)以及功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的電壓偏差量；Δvi為兩者綜合調(diào)節(jié)的電壓偏差量;kdroop，i為本地節(jié)點(diǎn)下垂系數(shù)。

圖3　所提分布式控制框圖

1.2.2.1平均電壓控制環(huán)節(jié)

控制系統(tǒng)平均電壓，使直流微網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)至本地節(jié)點(diǎn)電壓參考值，避免了下垂控制時使電壓產(chǎn)生偏移。通過PI環(huán)節(jié)，增加電壓補(bǔ)償量，消除本地額定電壓和平均電壓之間的偏差。具體控制策略如圖3(a)所示。其中，平均電壓的計(jì)算采用分布式控制方法，將式(1)中的xi(t)換成所需計(jì)算的平均電壓vavg,i(t)，則電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中平均電壓的微分量算法如式(4)所示：

(4)

式中：vi是測得的節(jié)點(diǎn)i的電壓；vavg,i是節(jié)點(diǎn)i所計(jì)算的平均電壓；vavg,j是從相鄰j節(jié)點(diǎn)所得到的j節(jié)點(diǎn)所計(jì)算的平均電壓；將本地的電壓微分作為附加項(xiàng)dvi(t)/dt加入式子參與平均電壓的計(jì)算，目的是能夠在本地節(jié)點(diǎn)電壓受到擾動時提高電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度，加速平均電壓的計(jì)算。

將式(4)等號兩邊同時積分可得平均電壓算法設(shè)計(jì)如式(5)所示：

(5)

1.2.2.2功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

不同蓄電池充放電電流按照不同比例進(jìn)行分配的表達(dá)式可表示為

(6)

其中ki為各電流所占的比例。為了實(shí)現(xiàn)蓄電池電流按照式(6)所示的比例系數(shù)分配，將式(6)進(jìn)一步表示為

(7)

從(7)式可以看出，只要滿足等式(7)，就能夠使負(fù)荷按照ki比例系數(shù)進(jìn)行分配。通過PI環(huán)節(jié)，增加電流補(bǔ)償量，消除本地電流和平均電流之間的偏差。具體控制策略如圖3(a)所示。其中，平均電流的計(jì)算采用分布式控制方法，類似于平均電壓的計(jì)算，平均電流的計(jì)算如式(8)所示，由于平均電流已經(jīng)是和本地實(shí)時的電流值作差然后輸入PI控制環(huán)節(jié)的，因此，功率調(diào)節(jié)環(huán)中可不加上本地電流微分環(huán)節(jié)。

(8)

將蓄電池的荷電狀態(tài)作為控制目標(biāo)，平衡直流微網(wǎng)內(nèi)蓄電池的荷電狀態(tài)可以提高蓄電池使用效率，延長蓄電池使用壽命。據(jù)此，ki的具體表達(dá)式可表示為

(9)

2兩儲能直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性分析

綜合上述所提直流微電網(wǎng)的分布式控制策略，為簡化分析，本文對含兩儲能的直流微電網(wǎng)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析。首先，分別對直流微電網(wǎng)中各蓄電池列寫線性化方程，然后通過直流母線側(cè)的KCL關(guān)系得到整個直流微電網(wǎng)的狀態(tài)方程，最后通過分析系統(tǒng)的特征值判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1.1蓄電池的狀態(tài)方程

蓄電池的等效電路及控制系統(tǒng)框圖如圖4和圖5所示。蓄電池模型采用通用模型[18]，即由內(nèi)阻Rb和受控電壓源Eb串聯(lián)組成。

圖4　簡化的蓄電池拓?fù)?/p>

圖5　兩節(jié)點(diǎn)蓄電池分布式控制框圖

根據(jù)圖4和5可得出蓄電池拓?fù)涞腒VL方程和兩節(jié)點(diǎn)分別對應(yīng)的控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，分別如式(10)～(12)所示：

(10)

(11)

(12)

式中：Eb1和Eb2分別為理想電壓源的電壓值，為常數(shù)；Rb1和Rb2為蓄電池內(nèi)阻，為常數(shù)；g11和g21分別為兩節(jié)點(diǎn)雙向DC-DC變流器放電時的占空比，其中g(shù)11,I和g21,I分別為其積分部分；Vdc1和Vdc2分別為兩節(jié)點(diǎn)電壓值；δi1,I和δi2,I分別為一二節(jié)點(diǎn)功率調(diào)節(jié)偏差的積分部分；δv1,I和δv2,I分別為一二節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)偏差的積分部分；x1、x2、x3、x4分別為一二節(jié)點(diǎn)分布式控制環(huán)節(jié)中的中間變量。其中兩節(jié)點(diǎn)電流參考值可由式(13)表示：

(13)

式中:kdroop為一二節(jié)點(diǎn)下垂控制中的下垂系數(shù)。

將式(10)～(12)分別進(jìn)行線性化，可得兩蓄電池的線性化方程，如式(14)所示：

(14)

式中:i取1和2分別表示第一個節(jié)點(diǎn)和第二個節(jié)點(diǎn)，其中，

Δx1=[Δi1,Δx1,Δx3,Δδi1,I,Δδv1,I,Δg11,I]T；

Δx2=[Δi2,Δx2,Δx4,Δδi2,I,Δδv2,I,Δg21,I]T；

Δu1=Δu2=[ΔVdc1,ΔVdc2]T；系數(shù)矩陣Ai和Bi的表達(dá)式如下所示：

其中，

ai13=kbi,Ikdroopkii,P；ai14=-kbi,Ikdroopkvi,P；

ai15=-kbi,Ikdroop；ai16=kbi,Ikdroop；

bi5=-(1+kvi,P)kbi,Ikdroop。

2.1.2直流微電網(wǎng)的狀態(tài)方程

兩節(jié)點(diǎn)基于蓄電池的直流微電網(wǎng)的電流流動關(guān)系如圖6所示。

圖6　兩節(jié)點(diǎn)直流微網(wǎng)電流關(guān)系圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的KCL關(guān)系，可列寫出系統(tǒng)的電流平衡方程，如式(15)所示：

(15)

式中：Ib1和Ib2分別為兩蓄電池所送出的電流；ILoad1和ILoad2分別為負(fù)荷所吸收的電流；C1和C2為兩節(jié)點(diǎn)處的電容。各電流表達(dá)式如式(16)所示：

(16)

將節(jié)點(diǎn)電壓作為狀態(tài)變量之一，將式(15)線性化，結(jié)合式(10)～(12)，可得直流微網(wǎng)群的線性化方程為

(17)

2.1.3直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

基于上述推得的兩節(jié)點(diǎn)蓄電池直流微電網(wǎng)的線性化方程，通過MATLAB可畫出系統(tǒng)特征根隨功率調(diào)節(jié)環(huán)中ki變化的根軌跡圖。直流微電網(wǎng)中各元件以及控制器參數(shù)表1所示。

表1　直流微網(wǎng)群各元件及控制器參數(shù)

圖7　ki=1時系統(tǒng)特征值分布

圖8　k1增大k2減小時系統(tǒng)特征值根軌跡

圖9　k1>1.8且k2=0.2時系統(tǒng)特征值根軌跡

從圖7可以看出，當(dāng)ki=1(i=1,2)，即系統(tǒng)中兩蓄電池荷電狀態(tài)一樣的情況下，系統(tǒng)的特征值均位于負(fù)半軸，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)兩蓄電池荷電狀態(tài)不一樣時，設(shè)SOC1>SOC2，即k1增大k2減少時，系統(tǒng)的特征根軌跡如圖7所示。從圖8中可看到，當(dāng)k1增大至1.8，k2減少至0.2時，實(shí)軸兩側(cè)的特征根的實(shí)部首先到達(dá)零，當(dāng)繼續(xù)減少k2時，兩側(cè)的特征值實(shí)部繼續(xù)由負(fù)變正，系統(tǒng)不穩(wěn)定。從圖9可以看出，當(dāng)保持k2為0.2不變，繼續(xù)增大k1時，實(shí)軸兩側(cè)的特征根實(shí)部由零向負(fù)半軸移動，而處于實(shí)軸上的特征根，其實(shí)部仍向正半軸移動，當(dāng)k1=2.5時，實(shí)軸上的特征根實(shí)部變?yōu)榱憷m(xù)增大k1時，特征根實(shí)部變?yōu)檎?，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

從上述特征根軌跡的分析可以看出，當(dāng)0.2

3仿真分析

為進(jìn)一步通過時域仿真驗(yàn)證所提控制策略的有效性，本文以三節(jié)點(diǎn)基于儲能系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)為例，利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建了如圖10所示的仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)中負(fù)荷平均分配至每個節(jié)點(diǎn)。RL1和RL2為直流母線的電阻。節(jié)點(diǎn)的信息交流網(wǎng)絡(luò)如圖中①②③所示。每個節(jié)點(diǎn)中由兩部分組成：

① 儲能系統(tǒng)：采用額定電壓為144V，額定容量為100Ah的鉛酸蓄電池，通過雙向DC-DC變換器并入直流母線。雙向DC-DC變換器本文所提的分布式控制方法，協(xié)調(diào)控制各直流微網(wǎng)群。

② 負(fù)荷單元：額定電壓為220V，頻率為50Hz的交流負(fù)荷通過AC-DC變換器并入直流母線，AC-DC變換器采用恒壓恒頻控制模式。

圖10　三節(jié)點(diǎn)儲能系統(tǒng)直流微網(wǎng)群仿真系統(tǒng)圖

3.1有無分布式控制時系統(tǒng)仿真對比

圖11～圖14分別為無分布式控制、僅加入平均電壓控制、僅加入功率協(xié)調(diào)控制以及兩者均加入時系統(tǒng)的仿真圖。文中所有仿真圖細(xì)實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)，虛線表示節(jié)點(diǎn)2的數(shù)據(jù)，粗實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)。為直觀分析，設(shè)各節(jié)點(diǎn)電壓參考值分別為v1,ref=390V；v2,ref=395V；v3,ref=400V；SOC1=75；SOC2=74.95；SOC3=74.9且kdroop1=kdroop2=kdroop3各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷均為10kW。由圖11可看出，各節(jié)點(diǎn)電壓由于下垂控制的作用，均偏離各自額定電壓，由于節(jié)點(diǎn)3電壓高，蓄電池發(fā)出的的功率多，節(jié)點(diǎn)1電壓小，蓄電池發(fā)出的的功率少，最終導(dǎo)致各蓄電池荷電狀態(tài)差異越來越大。從圖12可看出，當(dāng)僅加入平均電壓控制時，各節(jié)點(diǎn)電壓得到了補(bǔ)償，但是蓄電池荷電狀態(tài)之間的差異仍然越來越大。從圖13可以看出，當(dāng)僅加入功率協(xié)調(diào)控制時，系統(tǒng)荷電狀態(tài)趨于一致，最終蓄電池所帶負(fù)荷相同，電壓趨于一致，穩(wěn)定后電壓仍然偏移額定值較大的值，尤其是節(jié)點(diǎn)3偏移其額定值近10V。從圖14可以看出，同時加入平均電壓控制和功率協(xié)調(diào)控制后，各蓄電池荷電狀態(tài)趨于一致，各節(jié)點(diǎn)電壓得到了補(bǔ)償，電壓最終穩(wěn)定于平均額定電壓。各節(jié)點(diǎn)電壓最終沒有補(bǔ)償回各自額定電壓是由于電流調(diào)節(jié)后作用的結(jié)果。

圖11　無分布式控制時系統(tǒng)仿真圖

圖12　僅加入平均電壓控制時系統(tǒng)仿真圖

圖13　僅加入功率協(xié)調(diào)控制時系統(tǒng)仿真圖

圖14　兩種均加入時系統(tǒng)仿真圖

3.2系統(tǒng)通訊線路故障時動態(tài)響應(yīng)

圖15為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的通信通道切斷和恢復(fù)時系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)仿真圖。在t=2s時，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的通訊通道被切斷，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2失去聯(lián)系，a12=a21=0，節(jié)點(diǎn)1電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中由于有積分的存在，使得偏移量達(dá)到飽和，保持偏移量不變，電壓保持恒定；另外，節(jié)點(diǎn)1不參與功率調(diào)節(jié)，所發(fā)功率下降，只用于平衡本地負(fù)荷，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3仍在分布式控制作用下，荷電狀態(tài)趨于一致。在t=4s時，節(jié)點(diǎn)1和2恢復(fù)通訊，此時a12=a21=1，三節(jié)點(diǎn)在分布式控制的作用下，使得最終電壓得到穩(wěn)定，且各節(jié)點(diǎn)荷電狀態(tài)趨于一致。

圖15　通信通道切斷以及恢復(fù)時系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)

4結(jié)束語

為充分發(fā)揮直流微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的作用，本文提出了基于儲能系統(tǒng)直流微電網(wǎng)的分布協(xié)調(diào)控制策略，其中包含平均電壓控制環(huán)節(jié)和功率協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)，不僅能維持系統(tǒng)的電壓水平，還能使負(fù)荷按照各儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)來分配，延長了蓄電池的使用壽命。在此分布式控制中，每個節(jié)點(diǎn)只需通過和其相鄰節(jié)點(diǎn)的通信就可達(dá)到全網(wǎng)的動態(tài)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(19)：100-107.

[2]鄭漳華，艾芊.微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及在我國的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(16)：27-31.

[3]張國榮，徐宏.直流微網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].低電壓器，2012，9(15)：25-36.

[4]王曉虹，艾芊.直流微電網(wǎng)在配電系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀與前景[J].低壓電器，2012，9(5)：1-7.

[5]Hammerstrom D J. AC versus DC distribution systems： Did we get it right[J].IEEE Power Eng.Soc.Gen.Meet，2007：1-5.

[6]Anand S，F(xiàn)ernandes B G. Steady state performance analysis for load sharing in dc distributed generation system[J]. Proc.10th Int.Conf.Environ，2011：1-4.

[7]Li Y W，Kao C N. An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operation in a low voltage multi-bus microgrid[J].IEEE Trans. on Power Electron，2009：2977-2988.

[8]He J，Li Y W. Analysis，design and implementation of virtual impedance for power electronics interfaced distributed generation[J].IEEE Trans.on Ind.Appl，2011：2525-2538.

[9]Kakigano H，Nishino A， Miura Y，et al.Distribution voltage control for DC microgrid by converters of energy storages considering the stored energy[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.Atlanta，USA：2010：2851-2856.

[10]Diaz N, Dragicevic T，Vasquez J C，et al.Intelligent distributed generation and storage units for dc microgrids：A new concept on cooperative control without communications beyond droop control[J].IEEE Trans. on Smart Grid，2014：2476-2485.

[11]陸曉楠，孫凱，黃力培，等.直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中帶有母線電壓跌落補(bǔ)償功能的負(fù)荷功率動態(tài)分配方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，16(33)：37-46.

[12]Zhou T，F(xiàn)rancois B. Energy management and power control of a hybrid active wind generator for distributed power generation and grid integration[J].IEEE Trans. on Ind.Electron，2011，58(1)：95-104.

[13]Guerrero J M，Chandorkar M，Lee T，et al. Advanced control architectures for intelligent microgrids-part I：Decentralized and hierarchical control[J].IEEE Trans. on Ind.Electron，2013，60(4)：1254-1262.

[14]Lu X，Guerrero J M，Sun K，et al. An improved droop control method for dc microgrids based on low bandwidth communication with dc bus voltage restoration and enhanced current sharing accuracy[J].IEEE Trans. on Power Electron，2014，29(4)：1800-1812.

[15]Anand S，F(xiàn)ernandes B G，Guerrero J M. Distributed control to ensure proportional load sharing and improve voltage regulation in low-voltages dc microgrids[J].IEEE Trans. on Power Electron，2013，28(4)：1900-1913.

[16]Meng L，Dragicevic T，Guerrero J M，et al. Dynamic consensus algorithm based distributed global efficiency optimization of a droop controlled dc microgrid[J].IEEE Energy Conf，2014：1276-1283.

[17]Olfati-Saber R，F(xiàn)ax J A，et al. Consensus and cooperation in networked multi-agent systems[J].Proc.IEEE，2007，95(1)：215-233.

[18]Tremblay O，Dessanit L A，Dekkiche A I. A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles[J].Vehicle Power and Propulsion Conference，Arlington，2007：284-289.

朱曉榮(1972-)，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等，E-mail：ncepuzxr@126.com；

蔡杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，E-mail：554889777@qq.com。

(責(zé)任編輯：林海文)

Distributed Control Strategy for the Battery-based DC MicrogridZHU Xiaorong1，CAI Jie1

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,

(North China Electric Power University), Baoding 071003,China)

摘要：下垂控制在直流微網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是下垂特性以及直流母線電阻的存在，使得節(jié)點(diǎn)電壓偏離額定值且影響系統(tǒng)的負(fù)荷分配。為充分發(fā)揮直流微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的作用，本文提出了多儲能系統(tǒng)直流微電網(wǎng)的分布式控制策略。該控制策略在傳統(tǒng)V-I下垂控制策略的基礎(chǔ)上加入了平均電壓控制環(huán)節(jié)和功率協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)。兩環(huán)節(jié)通過一致性算法僅僅需要交換相鄰兩節(jié)點(diǎn)的信息，構(gòu)建一個稀疏的信息交流網(wǎng)絡(luò)，就能補(bǔ)償下垂控制造成的電壓偏移，且負(fù)荷能夠按照不同儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)來分配。針對上述所提的控制策略，本文首先對含兩儲能系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)進(jìn)行了小干擾穩(wěn)定性分析。然后在MATLAB/SIMULINK中搭建了含三儲能系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)模型，通過時域仿真驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：儲能系統(tǒng)；直流微電網(wǎng)；下垂控制；分布式控制

Abstract：Droop control have been widely applied in DC microgrid. However, it fails to provide regulated rated voltage and proportional load distribution due to the droop characteristics and the transmission line resistance. In order to take advantage of the dispersed energy storage units in the DC microgrid, a distributed control strategy is proposed in this paper. Average voltage control and power coordination are used in the distributed coordination control segment based on traditional V-I droop control strategy. According to the proposed control strategy, the information is exchanged between adjacent nodes through the consensus algorithm, a sparse information communication network is built to compensate voltage offset caused by droop control, and to distribute load according to the SOC of the energy storage system. Firstly, the small-signal stability of DC micro-grid with two energy storage system is analyzed. Then another model of DC micro-grid with three energy storage system is built in MATLAB/SIMULINK, and the simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

Keywords：energy storage; DC microgrid; droop control; distributed control

作者簡介：

收稿日期：2015-05-18

中圖分類號：TM721

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2322(2016)02-0013-09