直流微網混合無源控制及系統分層控制策略

孫石濤，王久和

（北京信息科技大學自動化學院，北京 100192）

近年來，隨著分布式電源的不斷發展，微電網越來越得到人們的關注，其中直流微電網由于不需要對電壓的相位和頻率進行控制，且無需考慮負載無功功率，使得其可控性和可靠性得到較大提高，具有廣闊的發展前景。

當直流微電網系統中具有多個變換器及負載時，存在系統穩定性下降、功率不平衡等問題，對此，國內外學者分別從不同角度對控制策略及穩定性做出了改進和研究。下垂控制作為直流微電網傳統的控制方式，不依賴通信算法、控制簡單，且能夠較好地平衡輸出功率。但下垂控制在進行功率平衡或均分時是以降低輸出電壓為前提的，使得系統母線電壓可能會出現一定偏差，當要同時兼顧母線電壓和功率平衡時，下垂控制參數設定較為困難。文獻[1]針對提升母線電壓精度及均分輸出電流提出協調控制策略，通過注入交流信號引入頻率這一電參量，代替固定的電壓設定值以適應不確定的線路阻抗，通過這種補償策略可增加系統穩定性，然而在直流微電網控制回路中注入交流信號頻率增加了控制和設計的難度。文獻[2]針對母線電壓分層控制下的直流微電網穩定性問題，通過增加阻尼電阻改善負載阻抗特性，使直流微電網系統穩定性得到提高。但設計僅對系統小信號穩定性做了研究，對大范圍母線電壓和負載功率變化時系統穩定性未作考慮。文獻[3]提出用分配電流控制（decentralized current control）代替傳統下垂控制中的電壓外環。雖然在一定程度上提高了系統穩定性，但面對拓撲結構復雜多變的直流微網設計過程顯得較為繁瑣。文獻[4-6]提出分層協調控制策略，改進了混合儲能控制并通過設計優化調度方案提高系統對功率的優化，而為此造成的復雜拓撲結構容易導致系統運行不穩定、動態穩定性不足等現象。

近幾年，基于通信網絡的協調控制以及一些先進的非線性控制算法也逐漸應用到直流微電網的控制中。文獻[7]提出了帶非線性負載的分級自整定控制（hierarchical self-commissioning control），通過采用PID控制器和分散狀態反饋控制器（decentralized state-feedback controller）作為主控制級和第二控制級，從而達到穩定電壓和平衡負載功率的目標。該設計針對拓撲結構繁瑣的直流微電網具有一定參考價值，但對于一般的直流微電網實用性較差。文獻[8]將無源控制理論應用到直流微電網控制器設計中，并與自適應控制相結合，使得系統在具有較強魯棒性的同時減小了穩態控制誤差。但該設計過程是針對整個直流微電網建立狀態平均模型，當單個變換器發生故障時容易導致整個系統崩潰。

針對以上控制策略研究的不足，本文提出將無源控制與母線電壓分層控制策略相結合，通過建立各單元變換器狀態平均模型，設計混合無源控制器以代替傳統的下垂控制器。母線電壓分層控制策略能夠針對不同負載變化，及時調整各變換器控制策略。仿真結果表明，該控制策略具有較好的控制效果。

1 直流微網拓撲結構及各變換器數學模型

1.1 直流微電網拓撲結構

直流微電網具有多種拓撲結構，本文選取圖1所示拓撲結構的直流微電網進行研究，該系統主要由兩組光伏電池、儲能裝置、電力電子變換器和可調阻性負載構成。

圖1 直流微電網拓撲結構Fig.1 Topology of DC microgrid

光伏單元電路如圖2所示，圖中Lpv、Rpv分別為電感及其等效串聯電阻；Cpv1和Cpv2分別為光伏電池側和母線側電容；Spv為Boost變換器開關管；upv和iLpv分別為光伏電池輸出電壓和電感器電流；idcpv和ubus分別為Boost變換器輸出電流和母線電壓。

圖2 光伏單元電路Fig.2 Circuit of PV unit

1.2 光伏單元變換器數學模型

1.3 儲能單元變換器數學模型

圖3 儲能單元電路Fig.3 Circuit of energy-storage unit

式中，db為開關管Sb2的占空比。

2 母線電壓分層及控制策略研究

根據負載功率變化將母線電壓分為不同控制層區，無需通信，可提高微電網的可靠性和動態性能。設定母線電壓的工作范圍380 V＜ubus＜420 V；蓄電池電荷量最大值Smax=0.85、最小值Smin=0.25；負載額定功率為PN，實際功率為P。將直流微電網劃分為3個運行層區。在系統運行過程中，當蓄電池電荷量超出設定的上下限時，通過增加或減小負載功率以切換不同的控制策略。

2.1 第1運行層區及控制策略

層區1：410 V＜ubus＜420 V。當 P＜PN，且蓄電池電荷量未超出設定的上下限時，光伏單元采用混合無源控制方式，儲能單元采用無源控制方式，可穩定直流母線電壓并對蓄電池充電。

圖4 光伏單元混合無源控制框圖Fig.4 Block diagram of hybrid passivity-based control of PV unit

儲能單元控制框圖如圖5所示。

圖5 儲能單元控制框圖Fig.5 Control block diagram of energy-storage unit

2.2 第2運行層區及控制策略

層區2：395 V＜ubus＜410 V。當 P=PN，且蓄電池電荷量未超出設定的上下限時，光伏單元采用最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制方式，儲能裝置采用混合無源控制進行充電。

光伏單元MPPT控制框圖如圖6所示，其中MPPT控制通過電壓擾動觀察法實現，儲能單元控制方式與層區1運行時控制方式相同。

圖6 光伏單元MPPT控制框圖Fig.6 MPPT control block diagram of PV unit

2.3 第3運行層區及控制策略

層區3：380 V＜ubus＜395 V。當 P＞PN，且蓄電池電荷量未超出設定的上下限時，光伏單元采用MPPT控制模式，儲能單元采用混合無源控制方式向負載供能。

層區3光伏單元控制方式與層區2光伏單元控制方式相同，儲能單元控制方式與層區1儲能單元控制方式相同。

3 混合無源控制器設計

以光伏單元為例給出無源控制器設計過程，儲能單元無源控制器設計按照同樣步驟進行，在此不再贅述。

3.1 光伏單元無源控制器設計

將式（3）寫成EL模型

設狀態變量與期望的誤差為xe=x-x*，并取誤差能量函數

(5) 川藏高速公路的大規模修建，人類活動在短時間內對坡體的應力場、滲流場、溫度場等產生了較大的改變，使原有的自然營力條件下形成的邊坡穩定性失去平衡而導致崩塌的發生，這是工程建設期間崩塌災害呈現大規模上升的直接原因。

其對時間的導數為

將式（7）代入到式（6）中可得

從而使式（8）轉換為

由于Rpv、Ra均為正定矩陣，故誤差能量函數能夠收斂，且收斂速度取決于(Rpv+Ra)。

由式（11）可得開關管驅動信號

將驅動信號dp1、dp2分別帶入到式（3）驗證后得dp1為可實現的驅動信號。

3.2 混合無源控制器電壓外環設計

由光伏單元混合無源控制框圖4，PI控制作為電壓外環得到電流期望值輸入到無源控制器。表達式為

通過設定不同的虛擬阻抗，平衡光伏單元變換器輸出電流。虛擬阻抗Kpv取值與母線電壓的工作范圍ΔU、最小值Umin和變換器額定功率Ppv有關，即

直流微電網控制總框圖如圖7所示。負載功率與額定功率通過功率比較模塊進行比較，確定相應控制層區。當直流微電網運行于層區1時，開關J1、J2均連通下側，采用無源控制，開關J3連通下側低電平，開關J4連通上側輸出控制信號，雙向DC-DC變換器工作在Buck狀態；當直流微電網運行于層區2時，開關J1、J2均接通上側，采用MPPT控制，開關J3連通下側低電平，開關J4連通上側輸出控制信號，雙向DC-DC變換器仍工作在Buck狀態；當直流微電網運行于層區3時，開關J1、J2仍連通上側，采用MPPT控制，開關J3連通上側輸出控制信號，開關J4連通下側低電平，雙向DC-DC變換器工作在Boost狀態。容量檢測模塊通過檢測蓄電池電荷量，當電荷量超過設定值上限時，通過增加負載使蓄電池放電；當電荷量低于設定值下限時，通過減小負載使蓄電池充電。

圖7 直流微電網控制總框圖Fig.7 Overall control block diagram of DC microgrid

4 仿真研究

4.1 參數選擇

依據圖7直流微電網控制框圖，利用Matlab/Simulink中的電力電子模塊搭建直流微電網仿真模型，系統主要參數如表1所示。

表1 系統參數Tab.1 System parameters

表1中：Cpv11和Cpv12分別為1號光伏單元中光伏電池側和直流母線側的電容值；Cpv21和Cpv22為2號光伏單元中相應側電容值。設定負載額定功率為5 kW，在1、2、3層區運行時負載功率分別為1.15 kW、5 kW和15 kW，兩組光伏單元工作在MPPT模式下共輸出功率10 kW。

4.2 仿真結果

為研究系統穩態性能，對不同控制層區運行時分別進行仿真測試，得到系統各參數波形變化如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 層區1運行下系統各參數波形Fig.8 Waveforms of system parameters under operation in layer 1

圖9 層區2運行下系統各參數波形Fig.9 Waveforms of system parameters under operation in layer 2

圖10 層區3運行下系統各參數波形Fig.10 Waveforms of system parameters under operation in layer 3

從圖8可以看出，層區1運行時該控制策略能夠快速使母線電壓穩定在415 V，且光伏單元輸出功率平衡，均在740 W左右。負載功率增加后，由圖9、圖10可見，母線電壓能夠較快穩定在期望范圍內，且雙向DC-DC變換器能夠根據負載功率變化對儲能裝置進行充放電。系統穩態工作點參數如表2所示，其中，PR為負載功率。

表2 系統穩態工作點參數Tab.2 Steady-state operating point parameters of system

負載功率為1.15 kW時，系統穩定運行在層區1；在0.25 s突加負載至5 kW，系統切換至層區2運行，光伏單元由混合無源控制變為MPPT控制。由圖11可見，母線電壓波動較小，快速穩定在層區2電壓工作范圍內，光伏單元輸出功率逐漸上升到最大值。

圖11 層區1切換至層區2時母線電壓變化Fig.11 Changes in bus voltage when layer 1 is switched to layer 2

負載功率為5 kW時，系統穩定運行在層區2；當蓄電池電荷量超過0.85時，將負載增加至15 kW，系統切換至層區3運行，光伏單元保持MPPT控制不變，儲能單元由充電狀態轉變為放電狀態。由圖12可見，母線電壓能夠快速穩定。蓄電池電荷量變化如圖13所示。綜上分析，該控制策略能夠保證系統具有較好的穩定性，且具有較高的控制精度，在負載功率發生突變時，能夠快速切換相應的控制方式，系統具有較好的動態性能和魯棒性。

圖12 層區2切換至層區3時母線電壓變化Fig.12 Changes in bus voltage when layer 2 is switched to layer 3

圖13 層區2切換至層區3時蓄電池電荷量變化Fig.13 Changes in battery charge when layer 2 is switched to layer 3

5 結語

針對多變換器直流微電網系統控制，采取了將混合無源控制與母線電壓分層控制策略相結合，在負載功率突變時能夠采取恰當的控制方式保證系統穩定運行。仿真結果表明，該控制策略具有較好的控制性能。該控制策略設計過程簡捷，適用于常規結構的直流微電網，當直流微電網拓撲更為復雜或具有特殊控制要求時，仍需結合通信控制以及其他非線性控制策略，這也是需要進一步研究的內容。