自治直流微電網(wǎng)分層控制策略

邱搖搖，楊秀，何虹歷

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海市 200090)

自治直流微電網(wǎng)分層控制策略

邱搖搖，楊秀，何虹歷

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海市 200090)

分布式控制策略由于可以與系統(tǒng)的監(jiān)測體系相結(jié)合，有效解決了傳統(tǒng)下垂控制方法所帶來的電壓跌落等問題。鑒于已有分布式控制策略在電壓跌落補償以及儲能系統(tǒng)管理等方面的不足，該文采用新的分層控制策略來實現(xiàn)孤立直流微電網(wǎng)的可靠運行。該策略分為2層，第1層控制是就地控制，采用本地母線電壓信號作為電力平衡指標(biāo)來劃分系統(tǒng)的運行模式；第2層控制是依靠通信的系統(tǒng)級控制，采用低帶寬通信技術(shù)來實現(xiàn)母線電壓的實時調(diào)節(jié)，并且根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)(stage of charge，SOC)調(diào)節(jié)下垂控制參數(shù)以達(dá)到SOC均衡化的目的。通過MATLAB/simulink搭建了光儲直流微電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗證了第1層控制可以不依靠通信連接來實現(xiàn)系統(tǒng)可靠運行，加入依靠通信的第2層控制后，能有效解決傳統(tǒng)下垂控制所帶來的電壓跌落問題，并實現(xiàn)蓄電池SOC的均衡化。

直流微電網(wǎng)；分層控制；電壓調(diào)節(jié)；SOC均衡化

0 引 言

作為分布式能源接入電網(wǎng)的有效途徑，微電網(wǎng)成為未來智能電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分。與交流電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)具有運行效率高、控制系統(tǒng)簡單以及方便分布式能源接入等優(yōu)點，隨著近年來對電能質(zhì)量要求的提升，直流微電網(wǎng)也逐漸成為研究熱點[1-3]，目前，已在數(shù)據(jù)中心和商業(yè)樓宇等獨立供電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

為了提高供電的可靠性，直流微電網(wǎng)在自治運行時，通常采用多種分布式電源并聯(lián)運行的方式來承擔(dān)負(fù)荷功率，因此，負(fù)荷的合理分配是直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的重要目標(biāo)[4-6]。

直流微電網(wǎng)的控制方法大體可以分為集中控制、分散控制和分布式控制3種[7]。其中集中控制對通訊系統(tǒng)可靠性要求較高[8-9]，而分散控制則會限制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及最優(yōu)工況[10]。因此，目前采用較多的是基于母線電壓信號的分布式控制策略。文獻(xiàn)[11-13]提出了使中央控制器與分布式能源控制器采用弱通信聯(lián)系的分布式控制策略。

下垂控制由于可以利用母線電壓信號來協(xié)調(diào)各變換器的工作方式，是實現(xiàn)分布式控制的一種有效方法，但存在電壓跌落以及功率分配不均等問題。目前提出的解決方法主要有以下2類。(1)針對母線電壓跌落問題，可以采用增加低帶寬通信的二次控制來實現(xiàn)調(diào)壓。文獻(xiàn)[14-15]引入了適用于微電網(wǎng)的二次控制策略，以解決電壓跌落問題；文獻(xiàn)[16]根據(jù)變換器輸出電壓的差異確定下垂電阻，缺點是電壓調(diào)節(jié)能力較弱。(2)針對線路阻抗導(dǎo)致的功率分配不均等問題，可以基于低帶寬通信，通過計算功率的均值來補償線路阻抗導(dǎo)致的功率分配誤差。文獻(xiàn)[17]提出了基于ISA-95的直流微網(wǎng)分級控制方法，實現(xiàn)微電源均流和電壓的無差調(diào)節(jié)。以上文獻(xiàn)雖然能有效解決電壓跌落或者均流問題，卻未考慮到通訊系統(tǒng)故障情況下系統(tǒng)的可靠運行問題。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，將分布式控制策略與系統(tǒng)的監(jiān)測體系相結(jié)合，對傳統(tǒng)分布式控制以及二次控制進行完善，增加儲能系統(tǒng)管理環(huán)節(jié)來保證二次控制的可靠性，即利用蓄電池的荷電狀態(tài)(sate of charge, SOC)實現(xiàn)對下垂控制參數(shù)以及出力的實時調(diào)節(jié)。本文針對孤立直流微電網(wǎng)提出分層控制策略，第1層控制是就地控制，通過母線電壓信號改變變換器的工作模式，可以保證在通信故障情況下，系統(tǒng)仍然可以可靠運行；第2層控制是依靠通信的系統(tǒng)級控制，在第1層控制的基礎(chǔ)上增加低帶寬通信技術(shù)，來實現(xiàn)二次控制。該策略既可以實現(xiàn)系統(tǒng)電壓跌落補償，又可以利用蓄電池的SOC調(diào)節(jié)下垂控制系數(shù)，進而對電池的功率進行調(diào)節(jié)，使蓄電池SOC均衡化。最后，為了驗證所提控制方案在不同運行模式下均可以實現(xiàn)對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的有效控制，搭建基于Matlab/Simulink的光儲直流微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，對第1層控制下系統(tǒng)的可靠運行，第2層控制的電壓跌落補償及SOC調(diào)節(jié)效果進行仿真驗證。

1 分層協(xié)調(diào)控制

直流母線電壓是衡量系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)。因此，直流微電網(wǎng)的控制要點是要保持直流母線電壓的穩(wěn)定，這就要求直流微電網(wǎng)系統(tǒng)對微電源、儲能系統(tǒng)和負(fù)荷進行協(xié)調(diào)控制，以滿足供電電源端與負(fù)荷端能量保持平衡，因此本文提出了直流微電網(wǎng)分層控制策略。圖1為直流微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)示意圖，其中第1層控制是就地控制，采用本地母線電壓信號來劃分系統(tǒng)的運行模式；第2層控制是依靠通信的系統(tǒng)級控制，利用蓄電池組進行電壓跌落補償并對儲能進行優(yōu)化。且由于第2層控制采用低帶寬通信，故而僅在通信系統(tǒng)正常時運行。需要說明的是，只有當(dāng)系統(tǒng)運行模式為蓄電池通過下垂控制穩(wěn)定直流母線電壓時，第2層控制才會對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

圖1 直流微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)

1.1 第1層控制

第1層控制的主要目的是保證系統(tǒng)在通信發(fā)生故障的情況下仍然能夠可靠運行，直流母線電壓穩(wěn)定是其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本層控制根據(jù)直流電壓的變化量對系統(tǒng)的運行模式進行劃分，在不同的運行模式下合理調(diào)節(jié)變換器的工作方式，使系統(tǒng)在不同工況下都能穩(wěn)定運行。圖2為第1層控制的下垂特性曲線。

圖2 第1層控制的下垂特性曲線

如圖2所示，按照系統(tǒng)運行的要求，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電壓閥值將母線電壓分為5個工作區(qū)。閾值之間的關(guān)系如式(1)所示：

UL2≤UL1≤UN≤UH1≤UH2

(1)

式中：UN是直流母線額定電壓；UH1和UL1是蓄電池充放電的閾值電壓；UL2和UH2分別為切負(fù)荷與光伏恒壓的閥值電壓。各區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的工作模式如表1所示。

表1 系統(tǒng)工作模式劃分

Table 1 System operation mode

(1)區(qū)域1：UL1

Ppv=Pload

(2)

式中Pload、Ppv分別為負(fù)荷吸收的功率與光伏發(fā)出的功率。

(2)區(qū)域2：UH1≤Udc

Pb=Ppv-Pload

(3)

式中Pb為蓄電池吸收的功率。

蓄電池的下垂控制曲線如圖2中的bc段所示，下垂控制特性公式可以表述為式(4)：

(4)

(5)

(3)區(qū)域3：UL2≤Udc

(6)

(4)區(qū)域4：Udc≥UH2，由于蓄電池的充電電流可能越限而維持在最大值，即運行在恒功率模式，故母線電壓超過UH2時，便超出了蓄電池的調(diào)節(jié)范圍，或者是因為蓄電池充滿而被切除，此時光伏由MPPT模式切換到下垂控制模式，參與調(diào)壓。下垂特性曲線如圖2中ab段所示，光伏的下垂控制特性如式(7)所示：

(7)

(5)區(qū)域5：Udc

為避免系統(tǒng)運行模式切換頻繁，在臨界電壓點處采用電壓滯環(huán)控制，滯環(huán)電壓即死區(qū)電壓。如圖2所示，本文在b、c、d和e處采用電壓滯環(huán)控制，滯環(huán)電壓范圍為-1～1 V。

因為下垂控制有電壓跌落等問題，因此必須進行母線電壓跌落補償。此外，為了延長電池的使用壽命，有必要使蓄電池的SOC均衡化，可以根據(jù)蓄電池的SOC動態(tài)調(diào)節(jié)下垂控制參數(shù)，使蓄電池的SOC趨于一致。但是這需要蓄電池之間進行信息交換，本文利用低帶寬通信在第2層控制中得以實現(xiàn)。

1.2 第2層控制

為了改善第1層控制的局限性，第2層控制通過實時的信息交換對蓄電池的SOC進行調(diào)節(jié)，并且進行母線電壓的實時調(diào)節(jié)。蓄電池的控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 蓄電池控制結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 電壓跌落補償

第1層控制采用下垂控制實現(xiàn)，雖然優(yōu)點很多，但其在應(yīng)用時會引起母線電壓跌落，因此會對電壓質(zhì)量造成一定的影響。為了解決上述問題，本文引入了適用于微電網(wǎng)的第2層控制，以解決電壓跌落問題，提升母線電壓支撐能力，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，將母線電壓的閥值與實際值的差值經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)以及PI控制后疊加到母線電壓的參考值上，實現(xiàn)電壓的實時調(diào)節(jié)，這種方法對下垂控制的影響如圖4所示。

如圖4所示，若不考慮線路電阻等因素的影響，系統(tǒng)的下垂控制特性曲線為曲線1。因為線路電阻對下垂控制參數(shù)以及壓降的影響，系統(tǒng)實際運行時下

圖4 二次控制的下垂控制特性

垂控制特性表達(dá)式如式(8)所示：

U=UN+ΔU-(m+Δm)I

(8)

式中：UN為直流母線額定電壓；ΔU與Δm為線路電阻引起的壓降以及下垂控制參數(shù)變化。

此時，系統(tǒng)特性曲線為曲線2，本文通過第2層控制對電壓進行補償，將下垂特性由曲線2移至曲線3，減小了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的誤差。

1.2.2 儲能優(yōu)化

當(dāng)母線電壓在區(qū)域2和3范圍內(nèi)時均需要蓄電池穩(wěn)壓，因此蓄電池之間的協(xié)調(diào)控制也非常重要。本文對蓄電池進行協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)是實現(xiàn)SOC的均衡，方式是調(diào)節(jié)下垂控制參數(shù)。本文設(shè)置的下垂控制參數(shù)的表達(dá)式如式(9)所示：

(9)

式中：δi用于調(diào)整第i個變換器的下垂控制參數(shù)，較大的δi意味著SOC的值較高；kp用于調(diào)整充放電功率；SOCi為第i個蓄電池的SOC值；n是蓄電池數(shù)目。調(diào)整后的下垂控制參數(shù)如式(10)所示：

(10)

kp值對于SOC差值的影響如圖5所示，由圖5可知，增大kp時，SOC的差值減小較快，故可以通過調(diào)節(jié)kp，進而調(diào)節(jié)SOC均衡化的速率。

本文所提出的分層控制方案可以保證直流微電網(wǎng)的可靠與優(yōu)化運行。在正常運行時，系統(tǒng)通過第2層控制對第1層控制進行優(yōu)化，使蓄電池SOC均衡化，并能對電壓進行實時調(diào)節(jié)。通信系統(tǒng)發(fā)生故障時，直流微電網(wǎng)仍然可以僅在第1層控制下可靠運行，此時，每一個變換器將按照設(shè)定的閾值來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 變換器的控制

為了實現(xiàn)所提出的分層控制方案，變換器的控制至關(guān)重要。如圖6、7所示，各變換器根據(jù)本地的直流母線電壓信號確定各自的運行模式。

圖5 SOC之間差值隨時間的變化曲線

圖6 儲能接口變換器控制電路

圖7 光伏接口變換器控制電路

圖7中，通常情況下，光伏工作于MPPT模式下，Up，Ip分別表示光伏電池側(cè)的電壓和電流。若發(fā)生蓄電池切除，或者母線電壓越限等情況時，光伏也將切換為下垂控制來穩(wěn)壓。

3 實驗驗證

本文進行相應(yīng)的仿真實驗來證明所提出的控制策略的有效性。本文采用的模型如圖8所示，主要包括：光伏電池2組，容量為10 kW；蓄電池2組，額定電壓為200 V，標(biāo)稱容量為100 A·h；2組負(fù)荷。線路電阻R1、R2、R3、R4的值分別為：0.100，0.196，0.280，0.120 Ω。閾值電壓與額定電壓的差值不宜過大或者過小，過小會導(dǎo)致頻繁切換問題，過大會降低系統(tǒng)可靠性。本文所選取的閾值電壓分別為UN=380 V，UH1=385 V，UL1=375 VUH2=390 V，UL2=370 V。

圖8 仿真模型示意圖

3.1 系統(tǒng)運行模式在區(qū)域1、2與3之間切換

系統(tǒng)初始運行時，光伏以MPPT模式運行，光伏發(fā)電功率與負(fù)荷消耗功率均為1 300 W，系統(tǒng)運行于區(qū)域1。在0.5 s時，光照增強，光伏發(fā)電功率達(dá)到 2 650 W，負(fù)荷功率不變，由于功率不平衡導(dǎo)致系統(tǒng)電壓升高，達(dá)到386 V時，蓄電池運行在電壓下垂控制模式下以維持母線電壓穩(wěn)定，母線電壓穩(wěn)定于388 V，此階段系統(tǒng)運行在區(qū)域2。在1 s時，負(fù)荷功率增加到3 000 W，由于功率不平衡導(dǎo)致母線電壓跌落，達(dá)到374 V時，蓄電池運行在電壓下垂控制模式下以維持母線電壓穩(wěn)定，母線電壓穩(wěn)定于373 V，此階段系統(tǒng)運行于區(qū)域3。系統(tǒng)功率和電壓隨時間的變化關(guān)系如圖9、10所示。

圖9 功率隨時間的變化曲線

圖10 母線電壓隨時間的變化曲線

由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)可以根據(jù)母線電壓信號靈活地改變運行模式，使直流母線電壓維持在電壓閥值，驗證了所提出控制策略的靈活性。并且光伏始終以MPPT模式運行，保證了可再生能源的最大化利用，驗證了所提出控制策略的經(jīng)濟性。

3.2 系統(tǒng)運行模式由區(qū)域2過渡到區(qū)域4

系統(tǒng)初始運行時，光伏以MPPT模式運行，發(fā)電功率為4 000 W，負(fù)荷消耗功率為1 200 W，功率不平衡導(dǎo)致母線電壓上升，達(dá)到386 V時，蓄電池充電以維持母線電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定時系統(tǒng)電壓為387 V，系統(tǒng)運行于區(qū)域2。在0.5 s時，由于光伏發(fā)電功率增強，達(dá)到7 200 W，而此時蓄電池由于功率限制而處于恒功率控制模式，導(dǎo)致母線電壓繼續(xù)升高，達(dá)到391 V時，光伏系統(tǒng)穩(wěn)壓，將電壓穩(wěn)定在393 V，此時系統(tǒng)運行在區(qū)域4，1 s時負(fù)荷消耗功率增加，光伏系統(tǒng)也增加相應(yīng)功率以保證系統(tǒng)功率平衡，1.5 s時負(fù)荷消耗功率降低，光伏系統(tǒng)也相應(yīng)降低功率以保證系統(tǒng)功率平衡。系統(tǒng)功率和電壓隨時間的變化關(guān)系如圖11、12所示。

圖11 功率隨時間的變化曲線

圖12 母線電壓隨時間的變化曲線

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)光伏發(fā)電功率過大導(dǎo)致母線電壓運行于區(qū)域4時，則系統(tǒng)運行模式切換為光伏穩(wěn)壓模式，使系統(tǒng)不會因為蓄電池受功率限制而導(dǎo)致電壓失去穩(wěn)定性，驗證了所提出控制策略的可靠性。

3.3 層間控制策略的切換

仿真分析系統(tǒng)由第2層控制過渡到第1層控制時，系統(tǒng)電壓以及蓄電池的SOC狀況。為了分析第2層控制對系統(tǒng)的影響，對第2層控制中的電壓跌落補償以及SOC優(yōu)化分別進行仿真分析。

(1)母線電壓跌落補償。系統(tǒng)初始運行時，光伏以MPPT模式運行，發(fā)電功率為2 600 W，負(fù)荷消耗功率為1 400 W，功率不平衡導(dǎo)致母線電壓上升，達(dá)到386 V時，蓄電池充電以維持母線電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定時系統(tǒng)電壓為388 V，在0.8 s時通信系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)由第2層控制切換至第1層控制，電壓跌落補償功能由于無通信連接而失敗，導(dǎo)致母線電壓升高至390 V，觀察0.8 s前后電壓幅值的變化，可以看到母線電壓跌落補償?shù)男Ч潜容^明顯的。系統(tǒng)功率和電壓隨時間的變化關(guān)系如圖13、14所示。

圖13 功率隨時間的變化曲線

圖14 母線電壓隨時間的變化曲線

(2)SOC優(yōu)化。系統(tǒng)初始運行時，光伏以MPPT模式運行，發(fā)電功率為2 600 W，負(fù)荷消耗功率為1 400 W，功率不平衡導(dǎo)致母線電壓上升，達(dá)到386 V時，蓄電池充電以維持母線電壓穩(wěn)定，蓄電池SOC上升，SOC差值逐漸減小，0.8 s時，通信系統(tǒng)發(fā)生故障，SOC優(yōu)化功能由于無通信連接而失敗，SOC的差值基本維持不變。由圖13、14可知，故障前SOC高的蓄電池吸收功率少，SOC低的蓄電池吸收功率多，SOC差值逐漸減小，而在發(fā)生故障后2個蓄電池吸收功率一致，這樣SOC之間差值基本不變。系統(tǒng)功率以及SOC的差值隨時間的變化如圖15、16所示。

圖15 功率隨時間的變化曲線

由仿真結(jié)果可知，在通信發(fā)生故障的情況下，由于缺少了依靠通信的第2層控制，系統(tǒng)僅工作在第1層控制下，仍然可以有效地維持直流母線電壓穩(wěn)定，驗證了所提出控制策略的可靠性。

4 結(jié) 論

本文所提出的分層控制方案可以滿足直流微電網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟性和靈活性的要求，具有以下特點：

圖16 SOC之間差值隨時間的變化曲線

(1)第1層控制可以實現(xiàn)可再生能源的最大化利用以及蓄電池的優(yōu)化使用，利于系統(tǒng)的經(jīng)濟運行；

(2)第2層控制是依靠通信的系統(tǒng)級優(yōu)化控制，利用低帶寬技術(shù)實現(xiàn)信息的交換，對系統(tǒng)電壓進行補償，并通過蓄電池SOC調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，進而調(diào)節(jié)蓄電池的功率，使其SOC達(dá)到均衡。

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(編輯 張小飛)

A Hierarchical Control Strategy of Autonomous DC Microgrid

QIU Yaoyao,YANG Xiu,HE Hongli

(College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

The distributed control strategy with the supervision system has effectively solved the problem of voltage deviation brought by conventional droop control method. Considering the drawback of the previous distributed control strategy in voltage drop compensation and energy storage management, this paper proposes a novel hierarchical control strategy to achieve the reliable and optimal operation of stand-alone DC microgrid. The proposed control strategy includes two hierarchical layers. The primary control layer, which is the local control layer, uses bus voltage signal as an indicator of the power balance to change the operation modes of system. The secondary control layer is the system control layer based on communication links, which can achieve real-time bus voltage regulation by low-bandwidth communication technology, and adjust the drop control coefficient based on the battery state of charge (SOC) to balance the SOC between different batteries. This paper constructs the model for PV storage DC microgrid in MATLAB/simulink, whose simulation results verify that the primary control layer can ensure the reliable operation of the system without communication links, and after the addition of the second control layer with communication links, it can solve the problem of voltage deviation brought by conventional droop control method, and realize the balance of the SOC between different batteries.

DC microgrid; hierarchical control; voltage regulation; SOC balance

國家自然科學(xué)基金項目(71203137)；國家電網(wǎng)公司科技項目(H2013-042)

TM 732

A

1000-7229(2016)10-0041-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.006

2016-04-21

邱搖搖(1991)，男，碩士研究生，研究方向為直流微電網(wǎng)穩(wěn)定與控制；

楊秀(1972)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為分布式發(fā)電與微電網(wǎng)運行與仿真；

何虹歷(1991)，男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)穩(wěn)定與控制。

Project supported by Natural Science Foundation of China(71203137)