基于自適應(yīng)下垂控制的直流微電網(wǎng)群分層協(xié)調(diào)控制

張金星，于艾清，黃敏麗

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

直流微電網(wǎng)因其易于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制、線路成本低和無無功功率損耗的優(yōu)點(diǎn)而成為微網(wǎng)重要的發(fā)展方向[1]。由于微電網(wǎng)規(guī)模一般相對較小，當(dāng)負(fù)荷波動及外部干擾頻繁時[2]，為了方便來對一個區(qū)域內(nèi)的各分布式電源(distributed generation, DG)、儲能系統(tǒng)(energy storage system, ESS)和負(fù)荷進(jìn)行管理及控制，可將毗鄰的微電網(wǎng)互聯(lián)集群[3-4]。群內(nèi)各子微網(wǎng)之間互為備用電源，在滿足本地負(fù)荷供電需求的同時，實(shí)現(xiàn)子微網(wǎng)間的功率補(bǔ)給，提升了微電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。

結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制對于微電網(wǎng)群穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[5]。文獻(xiàn)[6]采用最優(yōu)拉格朗日因子調(diào)節(jié)各微源出力來實(shí)現(xiàn)子微網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制。但是該方法沒有對兩個以上的多子微網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行分析，且未考慮多子微網(wǎng)并列運(yùn)行時的功率分配。文獻(xiàn)[7]提出了可有效實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)并聯(lián)/獨(dú)立的穩(wěn)定運(yùn)行，但未對兩個以上子微網(wǎng)之間的能量協(xié)調(diào)控制做出具體分析。文獻(xiàn)[8]對配電網(wǎng)故障時各微電網(wǎng)的互聯(lián)能力進(jìn)行分析，并提出考慮低頻風(fēng)險和儲能調(diào)節(jié)能力的多微電網(wǎng)穩(wěn)定互聯(lián)判據(jù)。但是，未對并列運(yùn)行時儲能單元之間的負(fù)荷功率分配展開研究。文獻(xiàn)[9]對多微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制進(jìn)行研究，提出了一種多微電網(wǎng)的分層控制方法實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)，但未涉及微網(wǎng)群不同運(yùn)行狀態(tài)下功率分配的分析。文獻(xiàn)[10]根據(jù)多微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率指令，設(shè)計了多微網(wǎng)系統(tǒng)串、并聯(lián)不同結(jié)構(gòu)的兩級分層控制，該雙層控制通過微網(wǎng)中央控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。但是，文中未對兩個以上獨(dú)立微網(wǎng)間儲能系統(tǒng)控制及負(fù)荷功率分配進(jìn)行分析。

基于以上研究，本文提出一種基于自適應(yīng)下垂控制的直流微電網(wǎng)群分層協(xié)調(diào)控制策略。該控制策略通過分析直流微電網(wǎng)群的不同運(yùn)行工況，劃分了不同工作模式并制定了相應(yīng)的切換控制策略，通過微網(wǎng)中央控制器(MGCC)實(shí)時檢測母線電壓波動范圍控制各子微網(wǎng)并聯(lián)或獨(dú)立運(yùn)行，既滿足各微網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定運(yùn)行， 又可實(shí)現(xiàn)各微網(wǎng)間能量互濟(jì)。同時，根據(jù)各儲能單元的荷電狀態(tài)(SOC)和最大輸出功率來自動調(diào)節(jié)儲能單元之間的負(fù)荷功率分配及母線電壓穩(wěn)定。最后，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明該分層控制策略可控制直流微電網(wǎng)群穩(wěn)定運(yùn)行和母線電壓的穩(wěn)定。

1 直流微網(wǎng)群運(yùn)行特性

1.1 直流微網(wǎng)群結(jié)構(gòu)

本文所采用的直流微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)如圖1所示，3個可獨(dú)立運(yùn)行的直流子微網(wǎng)并聯(lián)在公共母線，可通過聯(lián)絡(luò)線開關(guān)Mswitch1～Mswitch3實(shí)現(xiàn)并聯(lián)和獨(dú)立兩種運(yùn)行狀態(tài)間的切換，其中各個子微網(wǎng)分別配置DG、儲能單元和負(fù)載，其通過相應(yīng)的接口變換器接入直流母線。

圖1 直流微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of the DC microgrid clusters

① 分布式發(fā)電單元：光伏機(jī)組通過DC/DC變流器接入直流微電網(wǎng)。為了更充分地利用分布式能源，本文光伏機(jī)組始終工作在最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方式。

② 儲能單元：本文中ESS通過雙向DC/DC變流器接入微網(wǎng)。群內(nèi)子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時，ESS作為備用源控制子微網(wǎng)內(nèi)母線電壓穩(wěn)定。并聯(lián)運(yùn)行時，ESS可從母線電壓升高或者降低的子微網(wǎng)中吸收或者釋放電量，在滿足本地負(fù)荷基礎(chǔ)上作為其它子微網(wǎng)的備用電源。

③ 負(fù)荷單元：直流負(fù)荷可以直接接入或通過相應(yīng)的變流器接入直流系統(tǒng)。

1.2 直流微網(wǎng)群運(yùn)行模式

基于MGCC的微網(wǎng)群控制系統(tǒng)如圖2所示，區(qū)域內(nèi)各子微網(wǎng)之間通過MGCC建立通信連接，各直流子微網(wǎng)可通過聯(lián)絡(luò)線開關(guān)(Mswitch1～Mswitch3)的快速閉合或斷開來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)/孤立運(yùn)行。因此，可將一個區(qū)域內(nèi)的各子微網(wǎng)運(yùn)行模式分為獨(dú)立運(yùn)行和并聯(lián)運(yùn)行模式。

圖2 基于MGCC的微網(wǎng)群控制系統(tǒng)Fig.2 Multi-microgrids control system based on MGCC

1.2.1獨(dú)立運(yùn)行模式

此模式是區(qū)域內(nèi)各子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，各子微網(wǎng)中的DG進(jìn)行最大功率跟蹤，儲能單元可根據(jù)母線電壓波動工作在恒流模式或者在自適應(yīng)下垂控制模式以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，可通過快速調(diào)節(jié)儲能出力平衡子微網(wǎng)內(nèi)功率差額：

PB=PL-PDG

(1)

式中：PB、PL、PDG分別表示ESS提供的功率，負(fù)荷所需總功率和DG提供的功率。

1.2.2并聯(lián)運(yùn)行模式

子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時，失去主網(wǎng)支持，光照波動或者負(fù)荷波動較大時，ESS可能會因充放電功率超過ESS的限制功率，使子微網(wǎng)內(nèi)有功功率不平衡，導(dǎo)致直流母線電壓波動過大。為了保證直流微網(wǎng)正常運(yùn)行，補(bǔ)償系統(tǒng)的功率缺額，將母線電壓升高或者降低的子微網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線開關(guān)快速閉合進(jìn)行能量調(diào)度，并聯(lián)運(yùn)行的子微網(wǎng)之間可進(jìn)行功率交換，從而滿足互聯(lián)子微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)有功平衡：

(2)

式中:n表示子微網(wǎng)并聯(lián)的個數(shù)；PL_i、PB_i和PDG_i分別為第i個子微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷所需總功率、ESS提供的功率和DG提供的功率。

2 直流微網(wǎng)群控制策略

2.1 電壓分層控制

子微網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行模式或者并聯(lián)運(yùn)行模式中，母線電壓直接反映系統(tǒng)內(nèi)有功功率供需平衡[11]，直流母線的等效簡化電路[12]如圖3所示。

圖3 直流微電網(wǎng)功率流Fig.3 DC microgrid power flow

圖中:C、Udc分別為微網(wǎng)內(nèi)直流母線的等效電容和電壓。

從圖中可得直流電壓與功率的關(guān)系為

(3)

由式(3)可知，系統(tǒng)內(nèi)功率不平衡時會引起母線電壓的波動，母線電壓過高說明系統(tǒng)內(nèi)有功功率過剩，反之，則系統(tǒng)內(nèi)功率不足。本文通過設(shè)定電壓閾值控制各聯(lián)絡(luò)線開關(guān)的關(guān)斷，如圖2所示，當(dāng)MGCC檢測到某子微網(wǎng)母線電壓波動值超設(shè)定值時，可發(fā)送閉鎖信號通過Mswitch1～Mswitch3控制子微網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。

根據(jù)低壓微電網(wǎng)中允許電壓偏差的大小[13-14]，以直流母線電壓的變化量ΔU劃分為三層控制。其中UN為額定電壓，UL1、UH2分別為允許的直流母線電壓最小和最大臨界值，UH1、UL2為電壓分層處的臨界值。本文取UH1=390V，UH2=400V，UL1=370V和UL2=360V。

2.1.1第1層控制

當(dāng)母線電壓在UN～UH1，UL1～UN之間，|ΔU|<10V各子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，儲能為主控源維持系統(tǒng)功率和能量平衡，ESS進(jìn)行恒流充電。

2.1.2第2層控制

當(dāng)母線電壓在UH1～UH2或UL2～UL1之間，波動范圍為10V<|ΔU|<20V時，DG仍采用MPPT控制，ESS作為各子微網(wǎng)主控源，變換工作方式，根據(jù)下垂控制調(diào)節(jié)充放電維持子微網(wǎng)內(nèi)功率平衡。當(dāng)某一微網(wǎng)中負(fù)荷與DG出力不匹配，且本地ESS不能有效進(jìn)行功率平抑時，聯(lián)絡(luò)線開關(guān)閉合，子微網(wǎng)互并聯(lián)互濟(jì)。圖4是以兩個子微網(wǎng)為例的并聯(lián)控制流程。此時，MGCC通過對各子微網(wǎng)電壓、電流、儲能單元的SOC的采集、計算和分析，檢測各子微網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行情況，據(jù)子微網(wǎng)運(yùn)行狀況閉合開關(guān)，逐步將控制模式轉(zhuǎn)換為以實(shí)時的SOC為初始值的下垂優(yōu)化控制，同時MGCC對各子微網(wǎng)變流器控制器下發(fā)調(diào)整指令，使得并聯(lián)的子微網(wǎng)電壓同步以減少對聯(lián)絡(luò)線開關(guān)的沖擊。子微網(wǎng)由獨(dú)立運(yùn)行模式切換到并聯(lián)運(yùn)行模式后，根據(jù)本文如下提出的自適應(yīng)下垂控制自動分配不同子微網(wǎng)之間的負(fù)荷功率，使系統(tǒng)在新的運(yùn)行狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，至此微網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行過渡控制完成。

圖4 子微網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行流程圖Fig.4 Flow chart of double microgrid connect

2.1.3第3層控制

當(dāng)母線電壓波動大于20V時，子微網(wǎng)直接互聯(lián)。為避免子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時母線電壓過高或過低導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，采用該緊急模式。該模式將電壓升高或降低的子微網(wǎng)直接并聯(lián)運(yùn)行，使系統(tǒng)在新的運(yùn)行狀態(tài)下穩(wěn)定。

2.2 自適應(yīng)下垂控制

孤島子微網(wǎng)運(yùn)行時，DG出現(xiàn)較大功率跌落甚至退出運(yùn)行時，只有ESS能夠達(dá)到快速補(bǔ)償功率缺額的要求，將直接影響微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時，為了防止儲能電池過充過放而影響儲能電池的使用壽命，其SOC需限制在一定的范圍之內(nèi)[15]，文中選取SOC的范圍為20%～90%，即SOCmin=20%，SOCmax=90%。當(dāng)儲能的SOC到達(dá)下限SOCmin或者到達(dá)上限SOCmax時，儲能無法繼續(xù)充放電。

直流子微網(wǎng)中下垂控制表達(dá)為

(4)

(5)

式中:Pmaxi為第i臺儲能單元的最大充放電功率；Udc為直流母線電壓；UH為直流母線最大偏移電壓。

由于傳統(tǒng)的下垂控制不能根據(jù)各儲能單元的輸出能力有效實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率在不同變流器之間的合理分配，本文通過改進(jìn)下垂控制實(shí)現(xiàn)其合理分配。圖5為本文采用基于SOC的雙象限下垂曲線，第一象限為放電模式，第二象限為充電模式。

圖5 雙象限下垂曲線Fig.5 Curve of the double-quadrant droop control

放電模式中，修正后的下垂系數(shù)為

(6)

其中修正系數(shù)

(7)

改進(jìn)下垂控制特性曲線為

(8)

由于各個子微電網(wǎng)系統(tǒng)的物理尺度不會很大，線性阻抗會隨著電纜的長度增加而相應(yīng)減少，因此，對于接入同樣電壓等級系統(tǒng)的變換近似得

Udc1≈Udc2≈Udc3≈Udci≈…≈UL

(9)

式中：UL為公共連接點(diǎn)處的直流母線電壓。聯(lián)立式(4)～(9)，可得

(10)

由式(10)可看出，如果SOCi>SOCj，Pi>Pj即SOC較大的放電速度快，SOC小的相反。

充電模式中與放電模式的推導(dǎo)類似，可得改進(jìn)下垂曲線為

(11)

其中

(12)

仍然可得

P1∶P2∶P3……∶Pi=

(13)

即SOC大的儲能單元充電功率小，而SOC較小的相反。各子微網(wǎng)中控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖6。其中UPV、IPV分別為光伏端的電壓和電流；Is、Ii為流經(jīng)儲能單元變流器的輸入電流和輸出電流。

圖6 變流器控制策略Fig.6 Control diagrams of converters

因此，改進(jìn)后的儲能單元下垂控制為

(14)

3 仿真分析

為驗(yàn)證直流微網(wǎng)群分層協(xié)調(diào)控制策略的有效性，本文基于Matlab/Simulink 搭建如圖1所示的仿真模型。每個子微網(wǎng)分別包含DG、ESS和直流負(fù)荷，直流母線電壓均為380V，各儲能單元的額定電壓為300V，初始SOC分別為70%、65%和60%，負(fù)載為可變負(fù)載。

3.1 模式切換工況下微網(wǎng)運(yùn)行分析

初始狀態(tài)各子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，儲能平抑微源和負(fù)載波動并控制公共母線電壓穩(wěn)定。某一時刻調(diào)節(jié)可變電阻，使母線電壓升高到儲能無法調(diào)節(jié)的模式，觀察改進(jìn)下垂控制下子微網(wǎng)的運(yùn)行模式。

并聯(lián)微網(wǎng)群運(yùn)行特性如圖7所示，從圖中(c)看，各子微網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定在380.1V，處于獨(dú)立運(yùn)行模式下。在0.3s時刻，由于儲能調(diào)節(jié)能力的限制，子微網(wǎng)1和子微網(wǎng)2直流母線電壓分別升高400V和降低至360V左右，電壓波動范圍超過設(shè)定值，并持續(xù)升高。在0.6s時，子微網(wǎng)1和子微網(wǎng)2通過聯(lián)絡(luò)線開關(guān)閉合并聯(lián)運(yùn)行，母線電壓在改進(jìn)的控制策略下穩(wěn)定在379.8V左右，恢復(fù)負(fù)載可靠性供電，系統(tǒng)從獨(dú)立運(yùn)行模式切換到并聯(lián)運(yùn)行模式。此時，子微網(wǎng)3由于光伏功率波動，母線電壓升高至388V左右，電壓波動范圍在10V以內(nèi)，ESS轉(zhuǎn)變控制模式，由于儲能調(diào)節(jié)能力的限制，母線電壓持續(xù)上升。在0.9s時刻，子微網(wǎng)3并入微網(wǎng)群，微網(wǎng)群中子微網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào)，各組儲能裝置根據(jù)負(fù)荷需求及其剩余容量自動充放電，恢復(fù)本地負(fù)載供電可靠性且母線電壓穩(wěn)定在382V左右。圖7中的(d)和(e)分別為傳統(tǒng)下垂控制方法和改進(jìn)下垂控制方法時各子微網(wǎng)中的負(fù)荷功率分配情況。從圖中可看出采用本文改進(jìn)下垂控制方法可根據(jù)各儲能單元的最大功率和SOC自動調(diào)整輸出功率，而傳統(tǒng)的下垂控制不能有效地進(jìn)行功率分配。

圖7 并聯(lián)微網(wǎng)群運(yùn)行特性Fig.7 Operation characteristic of parallel microgrid clusters

3.2 各種故障工況下子微網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行分析

該部分主要探究直流微網(wǎng)群運(yùn)行時源荷功率波動、儲能系統(tǒng)故障時的負(fù)荷功率自動分配情況。初始狀態(tài)下，子微網(wǎng)并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)荷功率自動分配，儲能單元根據(jù)各自的SOC進(jìn)行充放電。

3.2.1儲能故障及負(fù)載波動工況下微網(wǎng)運(yùn)行分析

儲能故障及負(fù)載波動工況下，子微網(wǎng)間運(yùn)行特性分析，仿真波形如圖8所示。圖中(e)為改進(jìn)下垂控制方法時各子微網(wǎng)中的ESS負(fù)荷功率自動分配情況，從圖中可看出，儲能故障時在0.3s時刻，子微網(wǎng)2中儲能故障，儲能充電功率變?yōu)?，子微網(wǎng)1和子微網(wǎng)3快速進(jìn)行能量調(diào)度維持子微網(wǎng)2負(fù)載可靠供電，維持其系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖(d)為傳統(tǒng)的下垂控制，并不能有效地進(jìn)行功率分配。0.6s時刻，子微網(wǎng)2中儲能裝置恢復(fù)正常，子網(wǎng)1和子微網(wǎng)3負(fù)荷功率增加，從圖中(e)可看出，在改進(jìn)下垂控制方法的作用下，功率重新分配，而從圖中(c)為母線電壓的波動圖，可看出系統(tǒng)在新的狀態(tài)下仍穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 并聯(lián)微網(wǎng)群儲能單元故障運(yùn)行特性Fig.8 Operation characteristic of parallel microgrid clusters with storage unit fault

3.2.2光伏出力波動工況下微網(wǎng)運(yùn)行分析

并聯(lián)微網(wǎng)群光伏故障運(yùn)行特性仿真波形如圖9所示，0.4s時刻，子微網(wǎng)1和子微網(wǎng)2中光伏出力分別突減3000W和1000W，圖中(e)可看出在改進(jìn)下垂控制方法下，子微網(wǎng)1、子微網(wǎng)2和子微網(wǎng)3之間能量互濟(jì)，保證供電可靠性。而圖中(d)為傳統(tǒng)下垂控制方法并不能夠?qū)崿F(xiàn)合理功率分配。圖中(c)為母線電壓的波動圖，可看出母線電壓波動小、響應(yīng)快。0.8s時刻，子微網(wǎng)1光伏出力恢復(fù)正常，微電網(wǎng)群之間功率重新進(jìn)行分配，穩(wěn)定母線電壓在380V左右，在該控制策略下，均滿足設(shè)計要求。

圖9 并聯(lián)微網(wǎng)群光伏故障運(yùn)行特性Fig.9 Operation characteristic of parallel microgrid clusters with PV fault

3.2.3微網(wǎng)群并聯(lián)運(yùn)行下子微網(wǎng)被動切除運(yùn)行工況

并聯(lián)微網(wǎng)群子微網(wǎng)退出運(yùn)行特性如圖10所示，初始狀態(tài)下，各子微網(wǎng)光伏出力相同，0.4s時刻，子微網(wǎng)1被動切除，子微網(wǎng)1進(jìn)行自治管理，圖10中(e)表示在改進(jìn)下垂控制方法下，子微網(wǎng)2、子微網(wǎng)3之間能量互濟(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖10(d)采用傳統(tǒng)下垂控制并不能合理實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率分配的要求。0.8s時刻，子微網(wǎng)2被動切除，各子微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。在該控制策略下，各子微網(wǎng)既能夠獨(dú)立運(yùn)行又能并聯(lián)運(yùn)行，均滿足設(shè)計要求。

圖10 并聯(lián)微網(wǎng)群子微網(wǎng)退出運(yùn)行特性Fig.10 Operation characteristic of parallel microgrid clusters with sub-micro quit operation

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于儲能自適應(yīng)下垂控制的協(xié)調(diào)控制策略，相對于傳統(tǒng)下垂控制，可有效解決微電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時，微網(wǎng)群內(nèi)儲能單元間負(fù)荷分配問題。同時分析了多個子微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和不同工況下的模式切換時該控制方法的可行性，即通過MGCC檢測公共直流母線電壓波動范圍，控制子微網(wǎng)并聯(lián)協(xié)調(diào)運(yùn)行，根據(jù)各子微網(wǎng)內(nèi)儲能單元的SOC和最大輸出功率來自動調(diào)節(jié)負(fù)荷功率分配，維持了母線電壓穩(wěn)定，保證了微網(wǎng)群內(nèi)各子微網(wǎng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行。最后，仿真結(jié)果表明了該控制策略在應(yīng)對子微網(wǎng)間的功率波動時具有較好的控制效果。后續(xù)將從負(fù)荷等級分類和微網(wǎng)群內(nèi)各子微網(wǎng)間互聯(lián)能力分析及優(yōu)化運(yùn)行等方面進(jìn)一步深入研究。