基于自適應(yīng)下垂控制的聯(lián)網(wǎng)型直流微網(wǎng)母線(xiàn)電壓控制

丁雨，于艾清

（上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090）

直流微電網(wǎng)通過(guò)連接分布式電源和儲(chǔ)能為負(fù)荷供電[1]，采用直流微電網(wǎng)不僅減少了交直流變換裝置，降低了成本和不必要的損耗，并且直流電網(wǎng)內(nèi)不存在頻率波動(dòng)、無(wú)功功率損失等問(wèn)題[2]，因此對(duì)直流微電網(wǎng)的研究越來(lái)越受到關(guān)注。

由于分布式能源通常具有一定間歇性、波動(dòng)性，因此微網(wǎng)系統(tǒng)需要與其他穩(wěn)定的微網(wǎng)或公共電網(wǎng)相連[3]，同時(shí)隨著通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將形成基于能量路由器（energy router，ER）的能源網(wǎng)絡(luò)，能量路由器作為連接公共電網(wǎng)與微電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，能夠起到提高分布式能源消納與電能靈活使用的作用[4]。

在微電網(wǎng)的控制方法中，目前主要包括主從控制、對(duì)等控制和分層控制[5]。文獻(xiàn)[6]研究了獨(dú)立直流微網(wǎng)在無(wú)通信狀態(tài)下的電壓調(diào)節(jié)問(wèn)題，采用了多個(gè)單元共同參與保持電壓穩(wěn)定，同時(shí)滿(mǎn)足儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理需求，但未考慮與大電網(wǎng)相連的情況。文獻(xiàn)[7-8]提出了針對(duì)直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制策略，分別構(gòu)建了微網(wǎng)自適應(yīng)下垂控制器，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能單元功率的合理分配及直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[9-10]對(duì)帶有能量路由器的直流電網(wǎng)提出了減負(fù)荷、孤島、并網(wǎng)等多種工況過(guò)渡的控制方法，同時(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但沒(méi)有涉及儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）情況。

目前，對(duì)此類(lèi)聯(lián)網(wǎng)型微電網(wǎng)的研究主要集中在作為連接設(shè)備的能量路由器拓?fù)洹⒖刂萍拔⒕W(wǎng)潮流計(jì)算，對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)之間的能量交互以及系統(tǒng)內(nèi)各單元的協(xié)調(diào)控制研究較少。本文針對(duì)上述聯(lián)網(wǎng)型直流微電網(wǎng)，根據(jù)直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)范圍，采用分層結(jié)構(gòu)控制，根據(jù)母線(xiàn)電壓波動(dòng)范圍劃分工作模式，并選擇合適的本地單元控制直流母線(xiàn)電壓，同時(shí)考慮儲(chǔ)能單元的輸出能力對(duì)各儲(chǔ)能系統(tǒng)采用自適應(yīng)下垂控制方法，充分考慮不同SOC 狀態(tài)和不同最大額定功率下的負(fù)荷功率分配。通過(guò)這種分層控制實(shí)現(xiàn)了無(wú)通信條件下電網(wǎng)中各單元“即插即用”的要求，最后通過(guò)仿真證明所提控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含了分布式發(fā)電單元、補(bǔ)償微網(wǎng)能量缺額、保證微網(wǎng)平衡的儲(chǔ)能單元、多類(lèi)型的負(fù)荷單元以及連接直流微電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的能量路由器（ER），支持能量在直流微網(wǎng)與外界電網(wǎng)間雙向流動(dòng)。各單元均通過(guò)雙向DC-DC 變換器連接在直流母線(xiàn)上。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 DC microgrid structure

1.2 能量路由器結(jié)構(gòu)

能量路由器的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。從能源角度看，能量路由器承擔(dān)了不同類(lèi)型能源的匯總和合理的分配，以滿(mǎn)足不同負(fù)荷的需求；從網(wǎng)絡(luò)角度看，能量路由器能及時(shí)傳送能量控制決策，收集并傳遞信息，實(shí)現(xiàn)信息和能量的相互作用；從用戶(hù)角度看，能源互聯(lián)網(wǎng)會(huì)根據(jù)不同用戶(hù)的需求和使用規(guī)律，制定合理的能量管理策略，對(duì)未來(lái)多樣化的能源形式也能夠提供支持[11]。

圖2 能量路由器結(jié)構(gòu)Fig.2 ER topology structure

能量路由器的基本物理結(jié)構(gòu)主要分為整流級(jí)（AC-DC）、隔離級(jí)（DC-DC）和逆變級(jí)（DCAC），本文研究部分主要為直流微網(wǎng)，因此不包括逆變級(jí)的研究。通過(guò)能量路由器可以實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)之間的功率交換，對(duì)系統(tǒng)功率起到平衡作用。

2 直流微電網(wǎng)分層控制策略

2.1 本地控制層

本地控制主要指對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各本地單元的控制，可分為能量控制型和電壓控制型[12]。能量控制型始終保持自身運(yùn)行狀態(tài)，如采用最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）的光伏發(fā)電單元。而電壓控制型則能自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出功率，維持功率平衡，如儲(chǔ)能單元、能量路由器等。直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)至少有一個(gè)電壓型控制器維持穩(wěn)定。

2.2 母線(xiàn)電壓控制層

在直流微電網(wǎng)中，系統(tǒng)內(nèi)有功功率失衡時(shí)會(huì)導(dǎo)致母線(xiàn)電壓波動(dòng)。因此，控制母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定通常是保證直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要目標(biāo)。

設(shè)置直流母線(xiàn)額定電壓U=380 V，根據(jù)直流母線(xiàn)電壓的變化量ΔU，將直流母線(xiàn)波動(dòng)范圍的上、下限劃分為UH2，UL2，分層電壓的上、下限劃分為UH1，UL1，將直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式分為以下工作模式：

此工作模式下又可細(xì)分為兩種模式：當(dāng)母線(xiàn)電壓為(UH1,UH2)時(shí)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)功率過(guò)剩，此時(shí)可通過(guò)能量路由器向交流電網(wǎng)輸出能量并控制直流母線(xiàn)電壓，定義此時(shí)為工作模式2-1；當(dāng)母線(xiàn)電壓為(UL2,UL1)時(shí)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)缺乏能量，此時(shí)交流電網(wǎng)可通過(guò)能量路由器向直流微電網(wǎng)提供能量，定義此時(shí)為工作模式2-2。

若本地負(fù)荷需求無(wú)法滿(mǎn)足導(dǎo)致母線(xiàn)電壓下降得過(guò)低時(shí)，為維持母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，能量路由器采取切負(fù)荷工作，直流微網(wǎng)通過(guò)能量路由器接收能量。

3）工作模式3：發(fā)電過(guò)剩導(dǎo)致母線(xiàn)電壓范圍升高至(UH2,UH3)，其中UH3為直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)的最大限制，這是考慮到能量路由器本身的功率限制，可能導(dǎo)致交流電網(wǎng)和能量路由器無(wú)法控制直流母線(xiàn)電壓。此時(shí)分布式發(fā)電單元將由MPPT 模式切換至降壓恒功率模式，以維持系統(tǒng)功率平衡。

3 控制系統(tǒng)

3.1 儲(chǔ)能單元控制

儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流微電網(wǎng)中對(duì)系統(tǒng)功率平衡和電壓穩(wěn)定起著重要的作用，同時(shí)為了保證儲(chǔ)能電池的使用壽命，防止過(guò)度充放電，設(shè)置當(dāng)儲(chǔ)能單元的SOC達(dá)到限值時(shí)，儲(chǔ)能電池停止充電或放電。

傳統(tǒng)下垂控制方程表示為

式中：Urefi，Prefi分別為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出電壓和輸出有功功率；U0為額定母線(xiàn)參考電壓值；k為下垂系數(shù)。

由于傳統(tǒng)下垂控制不能根據(jù)儲(chǔ)能單元不同容量進(jìn)行合理的功率分配，因此考慮對(duì)傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，采用基于儲(chǔ)能SOC的自適應(yīng)下垂控制。

改進(jìn)后的下垂系數(shù)表示為

式中：k'i為改進(jìn)后的下垂系數(shù)；SOCi，SOCmax，SOCmin分別為儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)值及其上、下限值。Prefi＜0時(shí)儲(chǔ)能單元工作在充電模式，Prefi＞0時(shí)儲(chǔ)能單元工作在放電模式。改進(jìn)后的下垂控制方程則表示為

以充電模式為例，對(duì)于接入同一個(gè)電壓等級(jí)系統(tǒng)，默認(rèn)各儲(chǔ)能單元的輸出電壓均相等，聯(lián)合式（2）～式（4）可以得到：

圖3 為雙象限下垂曲線(xiàn)。通過(guò)式（4）和圖3可得，充電模式時(shí)，SOC較大的儲(chǔ)能單元充電功率較小，放電模式時(shí)，SOC較小的儲(chǔ)能單元放電較慢，反之亦然。該策略能有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元輸出功率的合理分配，滿(mǎn)足即插即用的要求。

圖3 雙象限下垂曲線(xiàn)Fig.3 Curves of the double-quadrant droop control

3.2 能量路由器控制

圖4 整流級(jí)控制Fig.4 Control of rectifier stage

由于隔離級(jí)直接與直流微電網(wǎng)的母線(xiàn)相連，隔離級(jí)的主要目標(biāo)是輸出穩(wěn)定的直流母線(xiàn)電壓，因此采用的是雙閉環(huán)控制，如圖5 所示。其中，Udc_ref為直流母線(xiàn)電壓參考值，Udc為直流母線(xiàn)電壓實(shí)際值，Idc_ref為經(jīng)電壓外環(huán)得到的直流側(cè)電流參考值，Idc為實(shí)際電流值。

圖5 隔離級(jí)控制Fig.5 Control of isolation stage

3.3 光伏發(fā)電單元控制

當(dāng)直流微電網(wǎng)工作在模式3 時(shí)，光伏發(fā)電單元存在剩余功率，影響了直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此類(lèi)似于能量路由器控制，將光伏發(fā)電單元控制切換至降功率恒壓控制。光伏發(fā)電單元控制如圖6所示。

圖6 光伏發(fā)電單元控制Fig.6 Control of PV power

圖6 中，Vpv為光伏發(fā)電單元端電壓，Ipv為光伏發(fā)電單元輸出電流，Ipv_ref為經(jīng)PI 控制得到的參考電流，Vpv_ref為電壓參考值。

4 仿真

為了驗(yàn)證所提策略，在Matlab/Simulink 軟件中搭建如圖1所示的包含能量路由器的直流微電網(wǎng)模型，仿真模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)參考文獻(xiàn)[13]。其中包含1組分布式光伏發(fā)電單元，額定功率15 kW；2組儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能單元1和儲(chǔ)能單元2額定功率分別為3 kW 和6 kW，且限制充放電安全限制范圍為20%～90%；所有分布式單元通過(guò)能量路由器連接至交流大電網(wǎng)，能量路由器額定功率為6 kW。直流微電網(wǎng)額定母線(xiàn)電壓設(shè)定為380 V，文中劃分的電壓區(qū)間如表1所示。

表1 電壓級(jí)層區(qū)間劃分Tab.1 Voltage interval division

4.1 光伏出力波動(dòng)工況下微網(wǎng)運(yùn)行

設(shè)置系統(tǒng)工作在光伏波動(dòng)工況下，結(jié)果如圖7所示。初始狀態(tài)時(shí)，分布式光伏單元發(fā)出功率為8 kW，系統(tǒng)中負(fù)荷始終為4.5 kW，儲(chǔ)能單元工作在充電狀態(tài)，儲(chǔ)能單元功率為3.5 kW，SOC值分別為70%和60%，能量路由器處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在工作模式1，直流母線(xiàn)電壓為384.4 V。

圖7 光伏波動(dòng)工況下直流微電網(wǎng)仿真波形Fig.7 DC microgrid simulation waveforms of photovoltaic fluctuation condition

t=1 s 時(shí)，光伏單元發(fā)電功率增大至12.5 kW，直流母線(xiàn)電壓上升，儲(chǔ)能單元對(duì)直流母線(xiàn)電壓失去控制作用，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式2-1內(nèi)，直流母線(xiàn)電壓上升至397.3 V 左右。通過(guò)能量路由器將系統(tǒng)內(nèi)剩余的功率傳輸給交流電網(wǎng)，并控制直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，光伏系統(tǒng)工作在MPPT模式。

t=2 s 時(shí)，光伏單元發(fā)電功率繼續(xù)增大至14.7 kW，直流母線(xiàn)電壓持續(xù)升高至408 V，能量路由器繼續(xù)向電網(wǎng)輸出功率，此時(shí)能量路由器運(yùn)行在最大功率狀態(tài)。光伏單元由MPPT 模式切換至恒功率模式，并控制直流母線(xiàn)電壓，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在工作模式3。

同時(shí)，仿真系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元功率分配如圖8所示。當(dāng)采用改進(jìn)的自適應(yīng)下垂控制時(shí)，SOC較大的儲(chǔ)能單元1 承擔(dān)的輸出功率較多，而SOC較小的儲(chǔ)能單元2 輸出的功率較少，且工作模式切換比較平滑，有利于防止儲(chǔ)能單元可能出現(xiàn)的過(guò)度充電或過(guò)度放電現(xiàn)象，并利于不同SOC儲(chǔ)能的均衡；而傳統(tǒng)的下垂控制沒(méi)有根據(jù)SOC自動(dòng)調(diào)整分配儲(chǔ)能功率。

圖8 儲(chǔ)能單元功率分配Fig.8 Energy storage units power distribution

4.2 負(fù)載波動(dòng)及電網(wǎng)故障工況下微網(wǎng)運(yùn)行

設(shè)置系統(tǒng)工作在負(fù)荷波動(dòng)及電網(wǎng)故障工況下，結(jié)果如圖9所示。

圖9 負(fù)荷波動(dòng)及電網(wǎng)故障工況下仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of load fluctuation and power grid fault condition

初始狀態(tài)時(shí)，光伏單元不工作，直流微電網(wǎng)內(nèi)初始負(fù)荷為12 kW，儲(chǔ)能單元以最大功率輸出為負(fù)荷提供能量，儲(chǔ)能單元1 和單元2 的SOC為80%和70%，同時(shí)能量路由器也向微電網(wǎng)傳輸功率并控制直流母線(xiàn)電壓，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在工作模式2-2，直流母線(xiàn)電壓約為366.7 V。

t=1 s 時(shí)，光伏單元開(kāi)始出力，輸出功率為13.4 kW，直流母線(xiàn)電壓上升至387 V 左右，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式1，能量路由器處于待機(jī)，此時(shí)由儲(chǔ)能單元進(jìn)行母線(xiàn)電壓控制。

t=2 s 時(shí)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷功率減少4 kW，能量路由器將系統(tǒng)內(nèi)多余功率向交流電網(wǎng)傳輸，并控制直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)工作在工作模式2-1 下。

t=3 s 時(shí)，設(shè)置交流電網(wǎng)出現(xiàn)故障，能量路由器切斷與交流電網(wǎng)的連接，直流微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式。當(dāng)t=3.6 s 時(shí)交流電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行，直流微電網(wǎng)依然能恢復(fù)至故障前的運(yùn)行模式。

同時(shí)，儲(chǔ)能單元的功率如圖10所示。對(duì)比圖10a和圖10b也可以看出，改進(jìn)的自適應(yīng)下垂控制不僅能應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障工況，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的正常供電，并且能夠根據(jù)不同SOC和功率實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)能間輸出功率的均衡分配。

圖10 儲(chǔ)能單元功率分配Fig.10 Energy storage units power distribution

5 結(jié)論

本文針對(duì)聯(lián)網(wǎng)型的直流微電網(wǎng)提出了一種分層控制策略。在母線(xiàn)電壓控制層中，根據(jù)直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)范圍劃分不同的電壓級(jí)層，并選擇不同單元控制直流母線(xiàn)電壓。在本地單元控制層中，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用了一種自適應(yīng)下垂控制，實(shí)現(xiàn)了直流微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元功率的合理分配。通過(guò)模擬的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提策略的有效性。這種控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在無(wú)通信條件下的分布式分層運(yùn)行，達(dá)到了智能微電網(wǎng)中各單元“即插即用”的要求。