直流微電網(wǎng)集群多狀態(tài)運(yùn)行分級(jí)協(xié)調(diào)控制策略

朱曉榮，趙澄顥，馬英喬

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

0 引言

為了有效提升分布式發(fā)電單元接入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量和新能源利用率，美國(guó)電力可靠性解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）在2002 年提出將分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、換流器和負(fù)荷組合成一個(gè)微電網(wǎng)（MG）的概念［1］。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)沒(méi)有無(wú)功功率、相位差、諧波電壓等問(wèn)題，且由于系統(tǒng)中大部分分布式電源和負(fù)荷為直流形式，網(wǎng)絡(luò)采用直流結(jié)構(gòu)減少了很多電力電子設(shè)備成本［2-4］。因此，關(guān)于直流微電網(wǎng)的研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

為了提高直流微電網(wǎng)的可靠性和電能質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上提出了直流微電網(wǎng)集群的概念［5］。其主要思想是將地理或空間相近的直流微電網(wǎng)通過(guò)電氣與通信連接起來(lái)，形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的群體。集群內(nèi)部各個(gè)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)也可接受上級(jí)調(diào)度信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)功率和電壓的控制［6-8］。然而直流微電網(wǎng)集群涉及多個(gè)微電網(wǎng)，控制體系較單一微電網(wǎng)控制復(fù)雜得多，如何從系統(tǒng)級(jí)層面控制集群電壓以及在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)微電網(wǎng)間功率協(xié)調(diào)運(yùn)行策略是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)［9］選用直流斷路器連接各個(gè)子微電網(wǎng)，并提出了電壓互補(bǔ)的控制思路，即通過(guò)控制直流斷路器將一個(gè)電壓高于上限的微電網(wǎng)與一個(gè)電壓低于下限的微電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。這種方法在維持電壓穩(wěn)定的同時(shí)不會(huì)影響其余微電網(wǎng)的正常運(yùn)行，但是當(dāng)微電網(wǎng)間無(wú)法互補(bǔ)時(shí)該控制失效，且無(wú)法控制母線電壓為額定值。文獻(xiàn)［10］在集群控制方面將整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)大的微電網(wǎng)，采用對(duì)等控制實(shí)現(xiàn)各微電網(wǎng)間功率互濟(jì)，減少了單個(gè)微電網(wǎng)因功率不足而導(dǎo)致的切負(fù)荷行為，但控制中并沒(méi)有考慮控制微電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率，直流母線電壓波動(dòng)幅度也比較大。文獻(xiàn)［11］在電壓二次控制方面選用一致性算法用于調(diào)節(jié)每個(gè)微電網(wǎng)的直流母線電壓，在功率方面提出了一種自適應(yīng)下垂控制方法，根據(jù)電池的荷電狀態(tài)（SOC）值確定下垂系數(shù)，使各微電網(wǎng)蓄電池SOC 值趨于一致，但當(dāng)某子微電網(wǎng)負(fù)荷在正常范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)會(huì)波及其他微電網(wǎng)的正常運(yùn)行，子微電網(wǎng)的獨(dú)立性不足。文獻(xiàn)［12-14］通過(guò)測(cè)量本地電壓得到微電網(wǎng)平衡單元的出力情況，進(jìn)而控制聯(lián)絡(luò)線功率達(dá)到多微電網(wǎng)平衡單元協(xié)調(diào)控制的目的，但若通過(guò)本地電壓推算功率則較難對(duì)電壓實(shí)行二次控制以提升電壓水平。文獻(xiàn)［15-16］在電壓方面依靠各微電網(wǎng)分布式電源下垂控制控制電壓，在功率協(xié)調(diào)方面選用分布式一致性算法控制微電網(wǎng)中的蓄電池SOC 值趨于集群蓄電池SOC 值的平均值，該策略下子微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)受外部微電網(wǎng)影響較大，且由于僅采用下垂控制，存在電壓偏差。

微電網(wǎng)以集群方式運(yùn)行的控制目的應(yīng)該有以下3 個(gè)：第一，要盡可能使集群內(nèi)子微電網(wǎng)直流母線電壓保持在高水平，削弱負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電壓的影響；第二，要在集群正常運(yùn)行時(shí)保證子微電網(wǎng)的獨(dú)立性，在某子微電網(wǎng)能量不足或剩余時(shí)，各微電網(wǎng)可以功率互濟(jì)；第三，要考慮微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能元件SOC 值，避免其處于過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)，延長(zhǎng)儲(chǔ)能元件壽命。基于以上目的，本文采用設(shè)備級(jí)與系統(tǒng)級(jí)兩級(jí)控制體系，利用基于一致性算法的分布式電壓控制與基于直流微電網(wǎng)區(qū)域控制誤差（ACE）的聯(lián)絡(luò)線功率控制，在提升電壓質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率可控。然后根據(jù)子微電網(wǎng)蓄電池SOC值對(duì)微電網(wǎng)劃分了多個(gè)運(yùn)行模態(tài)，并針對(duì)不同運(yùn)行模態(tài)設(shè)計(jì)了不同的控制策略，從而使集群運(yùn)行符合上述第二個(gè)和第三個(gè)控制目的。為了驗(yàn)證本文提出的集群多狀態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的正確性和合理性，基于MATLAB／Simulink軟件搭建了系統(tǒng)模型，并對(duì)各種不同工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 直流微電網(wǎng)集群結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

直流微電網(wǎng)集群的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，集群中包含3 個(gè)獨(dú)立的子微電網(wǎng)，微電網(wǎng)之間通過(guò)直流聯(lián)絡(luò)線相連接，每個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)部可包含不同種類的分布式電源（DG）、交流并網(wǎng)單元、儲(chǔ)能單元和負(fù)荷。微電網(wǎng)內(nèi)部采用完善的設(shè)備級(jí)控制方式保證微電網(wǎng)可獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)微電網(wǎng)之間通過(guò)系統(tǒng)級(jí)控制使整個(gè)微電網(wǎng)集群電壓功率協(xié)調(diào)可控［5，17］。

圖1 典型直流微電網(wǎng)集群結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of DC microgrid cluster

由于子微電網(wǎng)處于不同的地理位置，因此各微電網(wǎng)內(nèi)并網(wǎng)單元連接的交流配電網(wǎng)或配電網(wǎng)變壓器未必相同，圖1中的3個(gè)子微電網(wǎng)表示了位于不同地理位置的微電網(wǎng)集群結(jié)構(gòu)，根據(jù)并網(wǎng)單元接入位置，可將微電網(wǎng)集群基本結(jié)構(gòu)分為以下2 種：同電網(wǎng)型，多個(gè)地理位置相近的子微電網(wǎng)，通過(guò)同一交流配電網(wǎng)的不同饋線與本微電網(wǎng)并網(wǎng)換流器相連，如圖1中微電網(wǎng)1 與微電網(wǎng)2；異電網(wǎng)型，多個(gè)地理位置相距較遠(yuǎn)的子微電網(wǎng)不在同一交流配電網(wǎng)中或在同一配電網(wǎng)中與不同變壓器相連，因此通過(guò)不同上級(jí)電源與本微電網(wǎng)并網(wǎng)換流器相連，如圖1中微電網(wǎng)2與微電網(wǎng)3。

同電網(wǎng)型集群結(jié)構(gòu)中，各微電網(wǎng)通過(guò)同一配電網(wǎng)變壓器與配電網(wǎng)交換功率，電氣聯(lián)系緊密，但是當(dāng)配電網(wǎng)變壓器發(fā)生故障時(shí)將同時(shí)影響2 個(gè)微電網(wǎng)，可靠性較差。相比而言，異電網(wǎng)型集群結(jié)構(gòu)電氣聯(lián)系弱，但是由于各微電網(wǎng)連接的配電網(wǎng)變壓器不同，異電網(wǎng)型集群結(jié)構(gòu)的供電可靠性較高，也具備更多的運(yùn)行場(chǎng)景，因此本文采用如圖2 所示的三微電網(wǎng)異電網(wǎng)型集群結(jié)構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)集群控制策略進(jìn)行仿真說(shuō)明。圖中，MG1—MG3分別為異電網(wǎng)型集群內(nèi)微電網(wǎng)1—3；Z1，2、Z2，3分別為MG1和MG2之間、MG2和MG3之間的阻抗。

圖2 三微電網(wǎng)異電網(wǎng)型集群結(jié)構(gòu)Fig.2 Cluster structure of triple microgrids with different grid types

2 直流微電網(wǎng)集群兩級(jí)控制體系

2.1 直流微電網(wǎng)設(shè)備級(jí)控制

傳統(tǒng)的直流微電網(wǎng)控制體系可以分為設(shè)備級(jí)控制與系統(tǒng)級(jí)控制2層，如圖3所示。

圖3 直流微電網(wǎng)分級(jí)控制目標(biāo)Fig.3 Hierarchical control objectives of DC microgrid

設(shè)備級(jí)控制中，微電網(wǎng)內(nèi)部在電網(wǎng)單元出力未達(dá)功率上限時(shí)由電網(wǎng)單元平衡負(fù)荷變動(dòng)，在其功率超出限值之后由儲(chǔ)能單元作為微電網(wǎng)內(nèi)部平衡單元發(fā)出或吸收多余功率。其中并網(wǎng)單元選用電壓型脈寬調(diào)制（PWM）變流器連接交流電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。并網(wǎng)換流器采用定功率控制，通過(guò)微電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)度平衡內(nèi)部負(fù)荷波動(dòng)，其外環(huán)控制由系統(tǒng)調(diào)度給出功率參考值，通過(guò)電壓換算得到電流d軸分量參考值，電流q軸分量參考值為0；內(nèi)環(huán)控制采用PI 控制器，使實(shí)際d軸電流與q軸電流跟蹤外環(huán)電流參考值。其控制結(jié)構(gòu)框圖見附錄中圖A1。

儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向DC／DC 變流器與直流微電網(wǎng)進(jìn)行功率交互。其初級(jí)控制采用下垂控制，由外環(huán)P-U下垂控制給出功率參考值，經(jīng)過(guò)電壓折算得到蓄電池電流參考值。內(nèi)環(huán)控制采用PI 控制器，使蓄電池實(shí)際電流跟蹤外環(huán)電流參考值。其基本控制框圖見附錄中圖A2。

其他控制單元包括風(fēng)機(jī)單元與負(fù)荷單元，其中風(fēng)機(jī)單元采用永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由電壓型PWM 變流器接入直流微電網(wǎng)，采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制，使其能源利用率達(dá)到最大化。

2.2 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)控制

在設(shè)備級(jí)控制中，為了自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率分配，直流電壓控制單元往往采用下垂控制，但是由于下垂控制屬于一次控制，會(huì)造成直流母線電壓偏差，影響電壓質(zhì)量，因此在系統(tǒng)級(jí)控制中可以對(duì)電壓進(jìn)行二次控制，從而提升電壓水平。此外，為了控制微電網(wǎng)間功率流動(dòng)，在系統(tǒng)級(jí)控制中還應(yīng)考慮對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率的控制。

2.2.1 基于一致性算法的分布式電壓控制

在直流微電網(wǎng)集群控制中，各子微電網(wǎng)需要通過(guò)二次控制來(lái)消除由下垂控制導(dǎo)致的子微電網(wǎng)母線電壓跌落問(wèn)題，但微電網(wǎng)間有功率傳輸時(shí)無(wú)法保證所有微電網(wǎng)母線電壓控制在額定值。因此，本文利用基于一致性算法的電壓觀測(cè)器計(jì)算集群內(nèi)各母線電壓的平均值，控制其穩(wěn)定在額定電壓附近。

直流微電網(wǎng)集群中各子微電網(wǎng)之間的通信拓?fù)淇梢杂糜邢驁DGN?(VN，EN)來(lái)表示。各子微電網(wǎng)間通信拓?fù)淙鐖D4 所示，在直流微電網(wǎng)集群中每個(gè)子微電網(wǎng)可以看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)V={V1，V2，…，VN}為有向圖GN中所有節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)非空有限集合，EN?VN×VN為有向圖GN中節(jié)點(diǎn)序?qū)M成的一個(gè)邊集。

圖4 各子微電網(wǎng)間通信拓?fù)銯ig.4 Topology of communication between sub-microgrids

定義xi為節(jié)點(diǎn)i的狀態(tài)信息一致量，文獻(xiàn)［18］提出了一種一階連續(xù)時(shí)間一致性算法可表示為：

其中，vbusi和vbusj分別為第i個(gè)和第j個(gè)直流微電網(wǎng)母線電壓測(cè)量值；vavgi和vavgj分別為第i個(gè)和第j個(gè)直流微電網(wǎng)利用電壓觀測(cè)器計(jì)算得到的電壓觀測(cè)值，為集群平均電壓的估計(jì)值。

圖5 基于一致性算法的分布式電壓控制框圖Fig.5 Block diagram of distributed voltage control based on consensus algorithm

由圖5 可知，將電壓觀測(cè)器得到的電壓觀測(cè)值vavgi與vref進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI 控制器得到ΔvUi，其表達(dá)式為：

文獻(xiàn)［19］證明如果系統(tǒng)中通信圖至少包含一簇生成樹，則所有電壓觀測(cè)值vavgi都將趨于一致，并收斂于集群母線電壓的平均值，即：

在本文模型中選用儲(chǔ)能單元作為電壓控制單元控制直流母線電壓，其一次控制采用上述下垂控制，二次控制對(duì)一次下垂控制的參考值進(jìn)行修正，引入上述基于一致性算法計(jì)算得到的電壓修正量ΔvUi，從而改善母線電壓質(zhì)量，控制集群的母線平均電壓穩(wěn)定在額定值。

2.2.2 基于ACE的聯(lián)絡(luò)線功率控制

直流微電網(wǎng)集群是由多個(gè)子微電網(wǎng)構(gòu)成的集體，每個(gè)子微電網(wǎng)有獨(dú)立的運(yùn)行方式和運(yùn)行場(chǎng)景，因此集群功率控制既要充分發(fā)揮微電網(wǎng)集群各子微電網(wǎng)可以功率互濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，也要考慮到子微電網(wǎng)的獨(dú)立性。本文提出了一種基于ACE 的聯(lián)絡(luò)線功率控制方法，以聯(lián)絡(luò)線功率控制為主體完成不同運(yùn)行場(chǎng)景下各子微電網(wǎng)的功率控制。

交流電網(wǎng)中，為了實(shí)現(xiàn)以高水平電能質(zhì)量為前提的電力供需平衡，采用自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）。實(shí)現(xiàn)AGC 的控制方式有很多，但其關(guān)鍵的控制量是區(qū)域控制誤差量δACE。交流電網(wǎng)中常用的控制方式包括：①定頻率控制，δACE=KΔfij；②定交換功率控制，δACE=ΔPij；③聯(lián)絡(luò)線偏差控制，δACE=ΔPij+KΔfij。其中，K為區(qū)域頻率偏差系數(shù)；Δfij為兩交流電網(wǎng)i、j間的頻率差值；ΔPij為交換功率，即兩交流電網(wǎng)i、j間聯(lián)絡(luò)線實(shí)際功率和參考功率的差值。

本文將上述交流電網(wǎng)中ACE 控制用于直流微電網(wǎng)，提出基于直流微電網(wǎng)的ACE 控制方式，選用定交換功率控制方式控制兩微電網(wǎng)間的δACE。在此模式中，交換功率ΔPij為直流微電網(wǎng)i、j聯(lián)絡(luò)線實(shí)際功率和參考功率的差值，即：

其中，Pijref為直流微電網(wǎng)i、j聯(lián)絡(luò)線參考功率，可根據(jù)不同的運(yùn)行場(chǎng)景由不同的控制策略給出，詳見第3節(jié)。

結(jié)合直流ACE 控制與分布式電壓控制的儲(chǔ)能單元總體控制框圖如圖6 所示。圖中，Ubi和ibi分別為直流微電網(wǎng)i蓄電池側(cè)電壓和電流；ibiref為直流微電網(wǎng)i蓄電池內(nèi)環(huán)電流參考值；ibusi為直流微電網(wǎng)i母線電流；Zbi為直流微電網(wǎng)i蓄電池側(cè)阻抗；Di為直流微電網(wǎng)i變流器占空比。

圖6 儲(chǔ)能單元總體控制框圖Fig.6 Overall control block diagram of energy storage unit

由圖6 可知，交換功率經(jīng)過(guò)PI 控制器后與P-U下垂控制輸出相加，所得信號(hào)再經(jīng)過(guò)電壓換算后得到內(nèi)環(huán)電流參考值，將其與實(shí)際蓄電池電流作差再經(jīng)過(guò)PI控制器得到換流器占空比。

3 聯(lián)絡(luò)線功率控制策略

在上述聯(lián)絡(luò)線功率控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。通過(guò)功率控制期望達(dá)到的目的是：在各微電網(wǎng)內(nèi)部電源出力能夠滿足負(fù)荷需求時(shí)，各微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行；當(dāng)某些微電網(wǎng)內(nèi)部電源充裕而無(wú)法消納或電源不足而無(wú)法滿足負(fù)荷需求時(shí)，若其余微電網(wǎng)有能力提供功率支持，則調(diào)整聯(lián)絡(luò)線功率值，由集群功率單元吸收過(guò)剩功率或發(fā)出不足功率。因此，需根據(jù)集群的不同運(yùn)行場(chǎng)景制定不同的聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。

3.1 運(yùn)行場(chǎng)景劃分

本文選用鉛酸蓄電池平衡集群功率，為了保證蓄電池的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，根據(jù)蓄電池容量水平區(qū)分不同運(yùn)行場(chǎng)景。參照文獻(xiàn)［20］，鉛酸蓄電池的SOC 值上、下限分別為90%和10%，其SOC值理想工作范圍應(yīng)為50%～80%。因此，將微電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景按照蓄電池SOC 值分為圖7 所示的5 個(gè)模態(tài)。

圖7 儲(chǔ)能單元的不同模態(tài)Fig.7 Different modes of energy storage units

圖7 中坐標(biāo)刻度值為蓄電池SOC 值，在蓄電池SOC 值為50%～80%時(shí)，蓄電池處于理想工作范圍，微電網(wǎng)正常運(yùn)行；蓄電池SOC 值小于50%時(shí)，可分為淺過(guò)放與深過(guò)放2 種狀態(tài)，處于淺過(guò)放狀態(tài)時(shí)蓄電池雖然容量不處于理想工作狀態(tài)但還可以正常放電，但當(dāng)蓄電池SOC 值低于10%時(shí)，蓄電池處于深過(guò)放狀態(tài)，應(yīng)該停止供電，退出運(yùn)行。同理，蓄電池SOC 值大于80%時(shí)可分為淺過(guò)充與深過(guò)充2 種狀態(tài)，當(dāng)蓄電池SOC 值大于90%時(shí)，蓄電池處于深過(guò)充狀態(tài)，停止充電。

3.2 分場(chǎng)景控制策略

下面以2 個(gè)微電網(wǎng)為例，說(shuō)明不同運(yùn)行場(chǎng)景下的集群聯(lián)絡(luò)線功率控制策略，當(dāng)模型采用多微電網(wǎng)集群模型時(shí)應(yīng)用該策略依然可以實(shí)現(xiàn)集群功率控制目標(biāo)。

3.2.1 模態(tài)1（兩微電網(wǎng)正常運(yùn)行）

兩微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元處于正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)并網(wǎng)換流器未達(dá)功率限值時(shí)，由并網(wǎng)換流器平衡自身微電網(wǎng)負(fù)荷；當(dāng)并網(wǎng)換流器達(dá)到功率限值時(shí)，由儲(chǔ)能單元充電或放電來(lái)平衡負(fù)荷。聯(lián)絡(luò)線功率參考值設(shè)為0，保證集群正常運(yùn)行時(shí)各個(gè)微電網(wǎng)的獨(dú)立性。

3.2.2 模態(tài)2（微電網(wǎng)1 正常運(yùn)行，微電網(wǎng)2 處于過(guò)充狀態(tài)）

此模態(tài)下，微電網(wǎng)2 并網(wǎng)換流器輸出功率達(dá)到限值，過(guò)剩功率給其蓄電池充電。當(dāng)微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元處于淺過(guò)充狀態(tài)時(shí)，仍有部分容量空間，聯(lián)絡(luò)線功率參考值設(shè)置為0。當(dāng)微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元處于深過(guò)充狀態(tài)時(shí)，該儲(chǔ)能單元停止充電，調(diào)整聯(lián)絡(luò)線功率參考值，由微電網(wǎng)1 儲(chǔ)能單元吸收微電網(wǎng)2 多余功率。當(dāng)微電網(wǎng)1 儲(chǔ)能單元達(dá)到淺過(guò)充狀態(tài)時(shí)，再次設(shè)置聯(lián)絡(luò)線功率為0，微電網(wǎng)2則實(shí)行棄風(fēng)或棄光。

3.2.3 模態(tài)3（微電網(wǎng)1 正常運(yùn)行，微電網(wǎng)2 處于過(guò)放狀態(tài)）

此模態(tài)下，微電網(wǎng)2 并網(wǎng)換流器吸收功率達(dá)到限值，缺額功率由儲(chǔ)能單元放電來(lái)提供。當(dāng)微電網(wǎng)2儲(chǔ)能單元處于淺過(guò)放狀態(tài)時(shí)，聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)為0，保證微電網(wǎng)運(yùn)行的獨(dú)立性。當(dāng)微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元處于深過(guò)放狀態(tài)時(shí)，該儲(chǔ)能單元停止放電，調(diào)整聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)定值，由微電網(wǎng)1儲(chǔ)能單元向微電網(wǎng)2提供缺額功率。當(dāng)微電網(wǎng)1 儲(chǔ)能單元達(dá)到淺過(guò)放狀態(tài)時(shí)，聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)置為0，微電網(wǎng)1 停止向微電網(wǎng)2 提供功率，微電網(wǎng)2切負(fù)荷。

3.2.4 模態(tài)4（微電網(wǎng)1 處于過(guò)充狀態(tài)，微電網(wǎng)2 處于過(guò)放狀態(tài)）

此狀態(tài)下，微電網(wǎng)1 儲(chǔ)能單元處于過(guò)充狀態(tài)，并網(wǎng)換流器輸出功率達(dá)到限值；微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元處于過(guò)放狀態(tài)，并網(wǎng)換流器吸收功率達(dá)到限值。當(dāng)微電網(wǎng)1 儲(chǔ)能單元充電功率大于微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元放電功率時(shí)，設(shè)置聯(lián)絡(luò)線功率參考值為微電網(wǎng)1 儲(chǔ)能單元的充電功率，在滿足微電網(wǎng)2 負(fù)荷功率的同時(shí)向微電網(wǎng)2儲(chǔ)能單元充電；當(dāng)微電網(wǎng)1儲(chǔ)能單元充電功率小于微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元放電功率時(shí)，設(shè)置聯(lián)絡(luò)線功率參考值為微電網(wǎng)2 儲(chǔ)能單元輸出功率，保證集群能夠不切負(fù)荷正常運(yùn)行，充分體現(xiàn)微電網(wǎng)間功率互濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。

3.2.5 模態(tài)5（兩微電網(wǎng)均處于過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)）

兩微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元均處于過(guò)充狀態(tài)時(shí)，無(wú)需聯(lián)絡(luò)線功率交換，此時(shí)設(shè)定聯(lián)絡(luò)線功率參考值為0。微電網(wǎng)進(jìn)行棄風(fēng)或棄光控制，維持微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡。兩微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元均處于過(guò)放狀態(tài)時(shí)，聯(lián)絡(luò)線參考值也設(shè)定為0，集群內(nèi)電源已無(wú)法滿足負(fù)荷需求，此時(shí)進(jìn)行切負(fù)荷控制。

不同模態(tài)下聯(lián)絡(luò)線傳輸功率參考值如圖8 所示。圖中，PT12為微電網(wǎng)1 向微電網(wǎng)2 傳輸?shù)墓β手担籔B1、PB2為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率前微電網(wǎng)1、2 的蓄電池功率值；δSOC1、δSOC2分別為蓄電池1、2的SOC值。

圖8 多模態(tài)聯(lián)絡(luò)線功率控制策略Fig.8 Multi-mode tie-line power control strategy

4 仿真分析

本文利用MATLAB／Simulink 軟件搭建了圖2所示的直流微電網(wǎng)集群系統(tǒng)。集群系統(tǒng)中包含3 個(gè)子微電網(wǎng)，均包括交流電網(wǎng)單元、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷單元與風(fēng)機(jī)單元，3 個(gè)微電網(wǎng)的通信拓?fù)淙鐖D4 所示。該系統(tǒng)內(nèi)直流母線電壓額定值為400 V。各換流器限制功率、聯(lián)絡(luò)線限制功率以及系統(tǒng)其他運(yùn)行參數(shù)見附錄中表A1。

下面對(duì)未加入本文所提控制策略與加入所提控制策略之后的各個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 工況1（模態(tài)1）

工況1為正常運(yùn)行模態(tài)，該工況下3個(gè)微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元初始SOC 值均設(shè)為55%，MG1風(fēng)機(jī)采用最大功率跟蹤控制，風(fēng)速為8 m／s，輸出功率為20.5 kW，初始負(fù)荷為30 kW，t=5 s 時(shí)負(fù)荷波動(dòng)至54 kW，此時(shí)并網(wǎng)換流器吸收功率達(dá)到上限，儲(chǔ)能單元放電。MG2風(fēng)機(jī)單元不參與運(yùn)行，初始負(fù)荷為20 kW，t=8 s時(shí)負(fù)荷波動(dòng)至35 kW，此時(shí)并網(wǎng)換流器吸收功率達(dá)到限值，儲(chǔ)能單元放電滿足負(fù)荷需求。MG3風(fēng)機(jī)單元不參與運(yùn)行，初始負(fù)荷為10 kW，t=2 s時(shí)負(fù)荷波動(dòng)至31 kW，該微電網(wǎng)并網(wǎng)換流器吸收功率達(dá)到限值，蓄電池放電。加入本文所提控制策略前、后聯(lián)絡(luò)線功率變化情況如圖9所示。

圖9 工況1下的聯(lián)絡(luò)線功率Fig.9 Tie-line power under working Condition 1

由圖9可見，由于3個(gè)微電網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線連接在一起，如果沒(méi)有采用聯(lián)絡(luò)線功率控制，t=2 s時(shí)MG3負(fù)荷增加，會(huì)有功率從MG1流向MG2，從MG2流向MG3；t=5 s 時(shí)MG1負(fù)荷增加，會(huì)有功率從MG2流向MG1；t=8 s時(shí)MG2負(fù)荷增加，MG1與MG3共同向MG2傳輸功率。加入了本文提出的聯(lián)絡(luò)線控制后，在3 個(gè)微電網(wǎng)能保證內(nèi)部功率平衡的情況下，各自獨(dú)立運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)線上傳輸?shù)墓β蕿?，保證了正常運(yùn)行狀態(tài)下子微電網(wǎng)運(yùn)行的獨(dú)立性。此工況下加入控制策略前后各微電網(wǎng)母線電壓以及儲(chǔ)能單元SOC值變化情況見附錄中圖A3。

4.2 工況2（模態(tài)1切換至模態(tài)3）

工況2 為模態(tài)1 到模態(tài)3 的切換，初始時(shí)刻MG2處于淺過(guò)放狀態(tài)，MG1和MG3蓄電池處于正常狀態(tài)，并網(wǎng)換流器均未達(dá)到限值，3 個(gè)微電網(wǎng)各自獨(dú)立運(yùn)行。為了更好地表現(xiàn)兩狀態(tài)的切換過(guò)程，仿真從MG1儲(chǔ)能單元SOC 值為58%、MG2儲(chǔ)能單元SOC 值為15%、MG3儲(chǔ)能單元SOC 值為55%開始。t=2 s 時(shí)MG2負(fù)荷增加，使得該微電網(wǎng)并網(wǎng)換流器滿載且蓄電池開始放電；t=5 s時(shí)MG1負(fù)荷減少，使得該微電網(wǎng)并網(wǎng)換流器送出功率達(dá)到限值，過(guò)剩功率給蓄電池充電。加入本文所提控制策略前、后聯(lián)絡(luò)線功率變化情況如圖10所示。

圖10 工況2下的聯(lián)絡(luò)線功率Fig.10 Tie-line power under working Condition 2

由圖10 可見，如果沒(méi)有采用聯(lián)絡(luò)線功率控制，微電網(wǎng)之間的功率傳輸方向與大小由各微電網(wǎng)下垂控制確定，當(dāng)某微電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，其他微電網(wǎng)功率也會(huì)隨之波動(dòng)，聯(lián)絡(luò)線功率改變。加入本文提出的聯(lián)絡(luò)線控制后，當(dāng)各微電網(wǎng)能夠平衡各自負(fù)荷時(shí)，保持獨(dú)立運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率為0；t=6.5 s 時(shí)MG2蓄電池SOC 值不足10%，進(jìn)入深過(guò)放狀態(tài)，MG2蓄電池停止放電，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)切換至模態(tài)3，MG1與MG3向MG2傳輸功率，保證MG2的功率平衡，傳輸功率按照兩微電網(wǎng)蓄電池SOC值分配。此工況下加入控制策略前后各微電網(wǎng)母線電壓以及儲(chǔ)能單元SOC值變化情況見附錄中圖A4。

4.3 工況3（模態(tài)3切換至模態(tài)4）

工況3 為模態(tài)3 到模態(tài)4 的切換。初始時(shí)刻MG1運(yùn)行正常，并網(wǎng)換流器滿載，儲(chǔ)能單元SOC 值為77%并處于充電狀態(tài)；MG2處于淺過(guò)放狀態(tài)，儲(chǔ)能單元SOC 值為11%；MG3運(yùn)行正常，儲(chǔ)能單元SOC 值為55%；聯(lián)絡(luò)線不傳輸功率。t=2 s 時(shí)MG2和MG3負(fù)荷增加使得兩微電網(wǎng)并網(wǎng)換流器吸收功率達(dá)到限值；t=5 s 時(shí)MG2負(fù)荷增加，蓄電池開始放電。加入本文所提控制策略前、后聯(lián)絡(luò)線功率變化情況如圖11所示。

由圖11 可見，當(dāng)沒(méi)有采用聯(lián)絡(luò)線功率控制時(shí)，由下垂控制確定微電網(wǎng)之間的功率傳輸。初始時(shí)刻MG1就向MG2傳輸功率，MG2向MG3傳輸功率；t=5 s MG2負(fù) 荷 變 動(dòng) 時(shí)，MG1向MG2傳 輸 功 率 增 加，MG2轉(zhuǎn)為從MG3吸收功率。加入本文所提聯(lián)絡(luò)線控制后，t=7.2 s 前運(yùn)行方式與工況1 類似；t=7.2 s 時(shí)MG2進(jìn)入深過(guò)放狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)控制策略，MG2儲(chǔ)能單元停止放電，MG1與MG3通過(guò)聯(lián)絡(luò)線向MG2傳輸功率維持功率平衡，傳輸功率按照兩微電網(wǎng)蓄電池SOC 值分配；t=11.1 s 時(shí)MG1進(jìn)入淺過(guò)充狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)行狀態(tài)切換至模態(tài)4，MG1與MG2聯(lián)絡(luò)線傳輸功率設(shè)置為MG1儲(chǔ)能單元充電功率，所以聯(lián)絡(luò)線傳輸功率增加，多余功率將給MG2蓄電池充電，能使其盡快恢復(fù)至正常狀態(tài)，MG3則不再向MG2傳輸功率。此工況下加入控制策略前、后各微電網(wǎng)母線電壓以及儲(chǔ)能單元SOC值變化情況見附錄中圖A5。

圖11 工況3下的聯(lián)絡(luò)線功率Fig.11 Tie-line power under working Condition 3

4.4 工況4（模態(tài)2切換至模態(tài)5）

工況4 為模態(tài)2 到模態(tài)5 的切換。初始時(shí)刻MG1正常運(yùn)行，儲(chǔ)能單元SOC 值為77%，并網(wǎng)換流器輸出功率滿載，蓄電池充電，t=5 s 時(shí)負(fù)荷進(jìn)一步降低，蓄電池充電功率增大；初始時(shí)刻MG2運(yùn)行在淺過(guò)充狀態(tài)，儲(chǔ)能單元SOC 值設(shè)為89%，t=2 s 時(shí)負(fù)荷減少，MG2并網(wǎng)換流器送出功率達(dá)到限值，蓄電池開始充電；初始時(shí)刻MG3處于淺過(guò)充狀態(tài)，儲(chǔ)能單元SOC值設(shè)為80%，t=2 s 時(shí)負(fù)荷降低使得MG3并網(wǎng)換流器送出功率達(dá)到限值，蓄電池開始充電。加入本文所提控制策略前、后聯(lián)絡(luò)線功率變化情況如圖12所示。

圖12 工況4下的聯(lián)絡(luò)線功率Fig.12 Tie-line power of working Condition 4

由圖12 可見，加入聯(lián)絡(luò)線功率控制后，0～5 s MG1正常運(yùn)行，MG2與MG3處于淺過(guò)充狀態(tài)，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率為0；t=6.2 s時(shí)MG2儲(chǔ)能單元進(jìn)入深過(guò)充狀態(tài)，MG2儲(chǔ)能單元停止充電，多余電能通過(guò)聯(lián)絡(luò)線輸送到MG1；t=9.3 s 時(shí)MG1儲(chǔ)能單元進(jìn)入淺過(guò)充狀態(tài)時(shí)，根據(jù)模態(tài)5 的控制要求，聯(lián)絡(luò)線輸送功率設(shè)置為0，控制MG2降低風(fēng)機(jī)出力4 kW 以維持MG2的功率平衡。若不加入本文所提控制策略，t=2 s 時(shí)MG2負(fù)荷降低，MG1向MG2傳輸功率減少，MG2向MG3傳輸功率增加；t=5 s 時(shí)MG1負(fù)荷降低，MG1向MG2傳輸功率升高，MG2向MG3傳輸功率繼續(xù)增加；t=6.2 s 時(shí)MG2進(jìn)入深過(guò)充狀態(tài)，此時(shí)控制MG2降低風(fēng)機(jī)出力12.9 kW，由于采用下垂控制，MG1反而向MG2傳輸更多功率，MG2不再向MG3傳輸功率。相比而言，采用聯(lián)絡(luò)線功率控制后集群切除風(fēng)機(jī)出力較少，時(shí)間也較晚，提升了微電網(wǎng)集群的消納能力。此工況下加入控制策略前、后各微電網(wǎng)母線電壓以及儲(chǔ)能單元SOC值變化情況見附錄中圖A6。

5 結(jié)論

（1）本文針對(duì)多端直流微電網(wǎng)集群，提出了一種多模態(tài)分級(jí)協(xié)調(diào)控制策略，在系統(tǒng)級(jí)控制方面選用基于一致性算法的分布式電壓控制方法與基于直流ACE 的聯(lián)絡(luò)線功率控制方法，并且根據(jù)儲(chǔ)能單元SOC 值劃分了多個(gè)集群運(yùn)行模態(tài)。針對(duì)不同運(yùn)行模態(tài)采用不同的聯(lián)絡(luò)線功率控制策略，當(dāng)儲(chǔ)能單元SOC 值處于正常水平時(shí)，微電網(wǎng)間不傳輸功率；當(dāng)儲(chǔ)能單元處于過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)時(shí)，考慮其過(guò)充或過(guò)放程度更改聯(lián)絡(luò)線功率參考值，從而達(dá)到集群控制的目的。

（2）通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性，從電壓水平角度出發(fā)，采用控制策略后在不同運(yùn)行工況下集群母線電壓優(yōu)于未采用控制策略時(shí)的電壓，電壓偏差不超過(guò)1%；從儲(chǔ)能單元使用情況角度出發(fā)，控制策略根據(jù)儲(chǔ)能單元SOC 值對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行分模態(tài)控制，盡可能使其運(yùn)行在正常狀態(tài)，避免其運(yùn)行在深度過(guò)充、過(guò)放狀態(tài)，提高了其運(yùn)行效率；從功率控制角度出發(fā)，通過(guò)控制聯(lián)絡(luò)線功率，集群在正常運(yùn)行時(shí)保證了各微電網(wǎng)的獨(dú)立性。在某子微電網(wǎng)功率不平衡時(shí)考慮其余微電網(wǎng)供給能力給其提供功率支持，使集群運(yùn)行更加合理，更加穩(wěn)定。

（3）本文主要研究的是直流微電網(wǎng)集群中并網(wǎng)換流器滿載之后由儲(chǔ)能單元調(diào)控聯(lián)絡(luò)線功率的控制策略，下一步將繼續(xù)研究當(dāng)并網(wǎng)換流器未滿載時(shí)如何有效合理地由并網(wǎng)換流器與儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)控制聯(lián)絡(luò)線功率的策略。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。