基于功率分層的孤島直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

康家玉，史晨雨，王素娥，白一鍇

（陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安 710021）

0 引言

近年，以分布式電源為主要能量來源的微網(wǎng)發(fā)展迅速[1]，[2]。直流微網(wǎng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不存在頻率、相位、無功損耗等問題，而受到人們的關(guān)注[3]。母線電壓穩(wěn)定及系統(tǒng)功率平衡是微網(wǎng)穩(wěn)定工作的前提[4]，但分布式電源自身具有間歇性和不確定性，須配備相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)（Energy Storage System，ESS）作為平衡節(jié)點(diǎn)保證微網(wǎng)的穩(wěn)定[5]。

下垂控制因高可靠性、低通信依賴等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與ESS功率分配中。文獻(xiàn)[6]將母線電壓變化率引入下垂系數(shù)中，實(shí)現(xiàn)了ESS功率合理分配。文獻(xiàn)[7]利用不同類型的ESS針對(duì)性地平抑微網(wǎng)波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]，[9]設(shè)計(jì)了電壓分層協(xié)調(diào)控制策略來保證微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，利用實(shí)時(shí)電壓信號(hào)劃分工作模式，各子系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行模式采取相應(yīng)的控制方式。文獻(xiàn)[10]在電壓分層的基礎(chǔ)上，設(shè)置ESS下垂系數(shù)，在充電時(shí)正比于荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），放電時(shí)反比于荷電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了ESS之間基于SOC的動(dòng)態(tài)分配。但在母線電壓波動(dòng)時(shí)，易造成微網(wǎng)運(yùn)行模式異常頻繁切換，對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行造成沖擊。文獻(xiàn)[11]設(shè)置電壓滯環(huán)避免了模式異常切換，但又具有通信延遲。針對(duì)電壓分層的不足，文獻(xiàn)[12]提出了以功率信號(hào)為模式劃分條件的變功率控制策略，并對(duì)比驗(yàn)證了其優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[13]，[14]均以荷-源功率差作為微網(wǎng)運(yùn)行模式的切換依據(jù)，協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)的運(yùn)行方式。文獻(xiàn)[15]中，ESS根據(jù)自身SOC與極限功率承擔(dān)系統(tǒng)功率，但未考慮ESS功率分配超過最大功率的問題。文獻(xiàn)[16]通過補(bǔ)償蓄電池參考功率避免了功率越限。文獻(xiàn)[17]設(shè)置了功率越限修正環(huán)節(jié)，但修正后SOC均衡無體現(xiàn)，且沒有始終以電壓特性運(yùn)行的松弛終端為直流母線提供參考電壓。

本文以荷-源功率差為判別條件，劃分微網(wǎng)運(yùn)行模式，規(guī)避不同模式間的異常頻繁切換，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部功率平衡與母線電壓穩(wěn)定。采用并聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)（Parallel-connected Energy Storage System，P-ESS）提升系統(tǒng)可靠性與抗擾動(dòng)能力，利用下垂控制的U-P特性，實(shí)現(xiàn)了ESS基于自身功率調(diào)節(jié)能力平抑微網(wǎng)波動(dòng)。針對(duì)自適應(yīng)下垂控制可能存在ESS功率分配超過其最大功率的情況，設(shè)計(jì)了二次控制環(huán)節(jié)，在避免功率超限的同時(shí)降低了對(duì)于正常運(yùn)行ESS的影響。

1 孤島型直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文研究的孤島直流微網(wǎng)主要由光伏系統(tǒng)（Photovoltaic，PV）、ESS及負(fù)荷單元組成。根據(jù)各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作可將其分為松弛終端與功率終端[18]，松弛終端可根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整自身出力，而功率終端不具備調(diào)節(jié)能力。微網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中:PPV，PB-i，PL-1和PL-2分別為光伏輸出功率、ESS-i輸出功率、重要負(fù)荷功率和一般負(fù)荷功率；C為母線等效電容；UBUS為直流母線電壓。

圖1 孤島型直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of isoland DC microgrid system

記系統(tǒng)母線等效電容功率與系統(tǒng)損耗功率分別為PC和PS，規(guī)定ESS放電時(shí)為正，可得:

由式（1）可知，直流母線電壓與系統(tǒng)功率任一指標(biāo)穩(wěn)定即可保證另一指標(biāo)平衡，系統(tǒng)功率有冗余時(shí)會(huì)使母線電壓升高，系統(tǒng)功率缺額時(shí)母線電壓降低。

2 基于功率分層的孤島直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

設(shè)計(jì)孤島型微網(wǎng)控制策略時(shí)，須要同時(shí)考慮光伏的最大化利用和ESS的健康運(yùn)行。即PV系統(tǒng)盡可能運(yùn)行在MPPT模式；ESS在正常的SOC區(qū)間運(yùn)行，并約束其輸出功率[19]。為避免ESS深度充放電，設(shè)置蓄電池工作區(qū)間為20%～80%。當(dāng)ESS-i的SOC越過充、放電閥值時(shí)將其切換為空閑模式，待放、充電信號(hào)到來時(shí)重新接入微網(wǎng)。

2.1 微網(wǎng)工作模式劃分

定義光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率為PPVmax，ESS-i極限充、放電功率分別為PB-imax-c，PB-imax-d。為便于分析，本文忽略PC與PS的影響，規(guī)定系統(tǒng)凈功率ΔP=PL-PPV。以ΔP與P-ESS最大平抑能力的關(guān)系為模式劃分依據(jù)，劃分情況如表1所示。

表1 孤島型直流微網(wǎng)運(yùn)行模式Table 1 Operation mode of isoland DC microgrid

續(xù)表1

模式2:PV系統(tǒng)發(fā)電功率小于負(fù)荷消耗的功率，ESS不須要極限放電即可補(bǔ)充微網(wǎng)功率缺額。此時(shí)PV，ESS分別以MPPT、下垂放電方式運(yùn)行，ESS放電功率為

模式3:PV系統(tǒng)發(fā)電功率大于負(fù)荷消耗的功率，ESS可吸收微網(wǎng)冗余功率。此時(shí)PV，ESS分別以MPPT、下垂充電方式運(yùn)行，ESS吸收功率為

模式4:以MPPT模式運(yùn)行的PV系統(tǒng)輸出電能遠(yuǎn)大于負(fù)荷消耗功率，ESS不能完全吸收微網(wǎng)冗余功率，需要PV系統(tǒng)切換至恒壓模式。此時(shí)光伏系統(tǒng)發(fā)出功率為

由模式劃分情況可知:模式1，2，3下ESS作為松弛終端平抑系統(tǒng)波動(dòng)，PV系統(tǒng)作為功率終端以最大功率輸出電能；模式4下ESS無法平抑系統(tǒng)波動(dòng)，PV系統(tǒng)切換為恒壓模式作為松弛終端參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，此時(shí)ESS相當(dāng)于功率終端，保證了微網(wǎng)在不同運(yùn)行模式下，均存在松弛終端維持微網(wǎng)功率平衡。

2.2 微網(wǎng)各子系統(tǒng)運(yùn)行控制

2.2.1 PV系統(tǒng)運(yùn)行控制

PV系統(tǒng)作為微網(wǎng)的能量來源，在本文中具有MPPT與恒壓兩種運(yùn)行方式。其中MPPT控制通過電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance Method，INC）來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)整體控制原理如圖2所示。

圖2 PV系統(tǒng)運(yùn)行控制Fig.2 Control of PV system

圖中:UPV，UBus，UBusref和IPV分別為光伏電池輸出電壓、直流母線實(shí)時(shí)電壓、直流母線電壓參考值和光伏電池輸出電流。在恒壓運(yùn)行方式下，由于存在電壓閉環(huán)，PV系統(tǒng)可在調(diào)整輸出功率時(shí)，使母線電壓快速收斂于參考值。

2.2.2 ESS的運(yùn)行控制

ESS作為平衡節(jié)點(diǎn)對(duì)微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。由模式劃分情況可知，ESS分為下垂、恒功率以及空閑3種工作方式。下垂控制作為實(shí)現(xiàn)ESS功率分配的典型方法，其表達(dá)式為

由式（10）可知:充電時(shí)SOC高且極限充電功率小的ESS功率調(diào)節(jié)能力低，SOC低且極限充電功率大的ESS功率調(diào)節(jié)能力高；放電時(shí)反之。實(shí)現(xiàn)了ESS基于實(shí)時(shí)功率調(diào)節(jié)能力決定自身出力，有效地避免了ESS過充過放。為了進(jìn)一步提升母線電壓質(zhì)量，本文在電壓外環(huán)中引入前饋補(bǔ)償量δU，以間接補(bǔ)償電壓偏差，記PI控制器傳遞函數(shù)為GΔU，補(bǔ)償原理的表達(dá)式為

工作于恒功率與待機(jī)方式下的ESS均采用電流單環(huán)控制，ESS整體運(yùn)行控制原理如圖3所示。

圖3 ESS運(yùn)行控制Fig.3 Control of ESS

圖中:IB-i，IB-iref分別為ESS-i輸出電流與輸出電流參考值。當(dāng)ESS在下垂方式運(yùn)行時(shí)，下垂控制器產(chǎn)生的參考電壓經(jīng)過前饋補(bǔ)償，作為電壓外環(huán)的給定值，使ESS實(shí)時(shí)追蹤電壓給定并調(diào)整輸出功率。

2.2.3 負(fù)荷單元運(yùn)行控制

負(fù)荷單元在微網(wǎng)運(yùn)行控制中始終作為功率終端。模式1下，通過斷路器切除一般負(fù)荷以保證重要負(fù)荷供電不受影響，其余模式下將一般負(fù)荷重新接入系統(tǒng)。負(fù)荷單元控制原理如圖4所示。

圖4 負(fù)荷單元的控制Fig.4 Control of load unit

2.3 微網(wǎng)的二次運(yùn)行控制

此時(shí)式（7），（10）不再成立，無法達(dá)成預(yù)定控制目標(biāo)，也對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響[11]，[16]。

本節(jié)設(shè)置功率修正環(huán)節(jié)對(duì)功率分配超限ESS進(jìn)行二次控制，可實(shí)時(shí)檢測(cè)是否存在ESS功率分配值越過其最大充放電功率，出現(xiàn)這種情況時(shí)功率修正環(huán)節(jié)動(dòng)作，只須將超限ESS由下垂模式切換為最大功率輸出模式，其余ESS仍然按照下垂系數(shù)進(jìn)行功率分配，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)避免影響其余ESS正常充放電。以模式2時(shí)ESS運(yùn)行曲線來說明功率修正環(huán)節(jié)運(yùn)行機(jī)理，如圖5所示。P-ESS由3組ESS構(gòu)成，忽略SOC短時(shí)間內(nèi)變化，ESS-2，3最大功率相等均表示為PB-2max-d。圖中，ESS-1，2，3在下垂放電模式下的初始運(yùn)行曲線分別為1，2，3，無最大功率限制與電壓前饋時(shí)ESS-1，2，3分別工作于A，B，C點(diǎn)?？芍狤SS-3功率分配P3大于其最大功率，考慮最大功率后ESS-3會(huì)被鉗制在CLimit點(diǎn)，輸出功率為PB-2max-d，此時(shí)系統(tǒng)功率缺額（P3-PB-2max-d），ESS-1，2須沿各自下垂曲線移動(dòng)至A′，B′點(diǎn)進(jìn)行二次下垂分配以補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額?？芍狤SS-3輸出電壓異于其余ESS，會(huì)導(dǎo)致母線電壓質(zhì)量與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性降低。此時(shí)功率修正環(huán)節(jié)動(dòng)作，將ESS-3由下垂模式切換為恒功率模式，其工作點(diǎn)將從CLimit下降至C′以適應(yīng)母線電壓，但母線電壓UBus-2相比參考電壓產(chǎn)生了較大偏差，電壓前饋環(huán)節(jié)的存在將調(diào)節(jié)母線電壓至參考電壓UBusref，ESS-1，2下垂曲線變?yōu)?′，2′，ESS-3工作點(diǎn)隨之上升，最終ESS工作點(diǎn)穩(wěn)定于A″，B″，C″。隨著工況的改變，ESS-3功率分配不超過最大功率時(shí)退回下垂模式。即:

圖5 ESS運(yùn)行曲線Fig.5 Operation curve of energy storage system

整個(gè)過程中避免了因ESS-3功率分配超限造成的不利影響，同時(shí)ESS-1，ESS-2還能按照其設(shè)定功率配比平抑波動(dòng)。二次下垂分配后，如ESS-1或ESS-2功率分配超過其極限功率，須要功率修正環(huán)節(jié)再次動(dòng)作調(diào)整其工作方式，在最極端情況下仍能保證至少存在一組ESS以下垂特性運(yùn)行。恒功率運(yùn)行方式下的ESS與MPPT運(yùn)行方式下的PV系統(tǒng)，或負(fù)荷單元的作用相同，只作為功率終端而不再給微網(wǎng)母線提供電壓支撐，此時(shí)由下垂運(yùn)行模式的ESS發(fā)揮電壓松弛作用。一般情況下，ESS-i功率修正環(huán)節(jié)動(dòng)作條件為

式中:∑PBmax，∑（1/mB）分別為工作于恒功率方式的ESS總極限功率和工作于下垂方式ESS下垂系數(shù)的倒數(shù)之和，兩者均不計(jì)ESS-i自身功率。

經(jīng)過二次控制后，微網(wǎng)整體的控制邏輯如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體控制邏輯Fig.6 System overall control logic diagram

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型。其中PV最大輸出功率為6 kW，負(fù)荷包含3 kW重要負(fù)荷和2 kW一般負(fù)荷，P-ESS中包含3組ESS，容量均為5 A·h，極限功率分別為±1.5kW，±1.5 kW和±1 kW，默認(rèn)初始SOC為40%，60%和60%，設(shè)置母線電壓參考值為380 V。通過光伏出力的改變、負(fù)荷變化及ESS運(yùn)行方式的切換模擬系統(tǒng)波動(dòng)，在不同工況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 ESS正常工作情況

該工況下，PV系統(tǒng)恒工作于MPPT模式，其輸出功率在0～1 s，1～2 s和2～3 s內(nèi)因光照及溫度變化分別為6，4 kW和0.5 kW，各子系統(tǒng)仿真波形如圖7所示。

圖7 微網(wǎng)子系統(tǒng)輸出特性Fig.7 Output characteristics of microgrid subsystem

由圖7可知，在0.05 s時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，0.05～1 s內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行于模式3。t=1 s時(shí)，隨著PV出力減少，ESS放電補(bǔ)充系統(tǒng)功率缺額，系統(tǒng)運(yùn)行于模式2。t=2 s時(shí)，系統(tǒng)功率缺額超出ESS調(diào)節(jié)范圍，須要切除一般負(fù)荷，系統(tǒng)工作于模式1。各子系統(tǒng)均能快速根據(jù)系統(tǒng)功率的變化切換自身工作方式以平抑波動(dòng)。

分別采用傳統(tǒng)下垂控制和本文自適應(yīng)下垂控制后，ESS之間的功率分配及SOC變化情況分別如圖8，9所示。

圖8 ESS之間的功率分配Fig.8 Power sharing among ESS

圖9 ESS荷電狀態(tài)變化情況Fig.9 Change of ESS state of charge

由圖8，9可知，傳統(tǒng)下垂控制中ESS依據(jù)其最大功率進(jìn)行功率分配，無法顧及ESS的SOC，易造成ESS的過充過放。而本文所用下垂控制將實(shí)時(shí)SOC引入其中，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)功率調(diào)節(jié)能力充放電，有效地避免ESS過充過放。

運(yùn)行過程中母線電壓變化如圖10所示。

圖10 母線電壓變化Fig.10 Changes in bus voltage

本文控制策略在未引入電壓前饋環(huán)節(jié)時(shí)，ESS充、放電時(shí)分別會(huì)抬高或降低母線電壓，且隨著ESS承擔(dān)功率的增加，母線電壓偏差相應(yīng)變大，而在引入電壓前饋后，母線電壓偏差得到有效補(bǔ)償。

3.2 ESS功率分配超限情況

變更ESS初始SOC分別為35%，50%，65%。其中PV在0～4 s均工作于MPPT模式，在0～1 s，1～3 s和3～4 s輸出功率分別為5.2，6 kW和2 kW，重要負(fù)荷在t=2 s時(shí)接入系統(tǒng)。分別用文獻(xiàn)[17]與本文所提控制策略進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，兩種控制策略子系統(tǒng)輸出特性相似且模式劃分情況相同，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 微網(wǎng)子系統(tǒng)輸出特性Fig.11 Output characteristics of microgrid subsystem

圖11中，系統(tǒng)在0.15～3 s運(yùn)行于模式3，3～4 s運(yùn)行于模式2，ESS在0.15～1 s，1～2 s和2～3 s分別吸收3.2，4 kW和1 kW功率，3～4 s釋放3 kW功率。運(yùn)行過程中內(nèi)部功率始終保持動(dòng)態(tài)平衡，兩種控制策略中ESS之間承擔(dān)功率情況如圖12所示。

圖12 ESS之間的功率分配Fig.12 Power sharing among ESS

系統(tǒng)約在0.15 s達(dá)到穩(wěn)定，在0.15～1 s內(nèi)，兩種控制策略中的ESS-1功率分配均超過極限功率，文獻(xiàn)[17]控制策略中修正環(huán)節(jié)動(dòng)作，3組ESS按照極限功率比值吸收冗余功率，ESS-2，ESS-3也失去根據(jù)自身SOC決定吸收功率的能力。而本文所提控制策略將ESS-1退出下垂模式，并以1.5 kW恒功率充電，ESS-2，ESS-3仍在下垂模式下依據(jù)SOC與極限功率吸收冗余功率。t=1 s時(shí)，繼續(xù)減小，在文獻(xiàn)[17]控制策略下，3組ESS均以極限功率充電；本文控制策略中，ESS-2功率分配超限，二次控制環(huán)節(jié)動(dòng)作將ESS-2也切換為恒功率充電方式，ESS-3作為唯一松弛終端以電壓特性運(yùn)行穩(wěn)定母線電壓。在t=2 s時(shí)，隨著重要負(fù)荷接入系統(tǒng)，兩種控制策略的二次調(diào)整環(huán)節(jié)均退出調(diào)節(jié)，3組ESS均按照初始設(shè)定功率比出力。t=3 s時(shí)，兩種控制策略的二次控制環(huán)節(jié)均動(dòng)作以避免功率分配超限，文獻(xiàn)[17]3組ESS還是以極限功率比補(bǔ)充微網(wǎng)功率缺額，而本文控制策略中兩組功率未超限單元仍以初始下垂比例釋放能量。

本文所提控制策略最大限度保證了ESS之間根據(jù)自身功率調(diào)節(jié)能力決定自身出力，整個(gè)運(yùn)行過程中，母線電壓變化情況如圖13所示。

圖13 母線電壓變化Fig.13 Changes in bus voltage

由圖13可知，兩種控制策略均能保證母線電壓穩(wěn)定在參考值附近，但本文所提出控制策略恒存在以電壓特性運(yùn)行的松弛終端穩(wěn)定母線電壓，在系統(tǒng)功率突變時(shí)母線電壓波動(dòng)較小，提升了微網(wǎng)的魯棒性。

3.3 部分ESS退出運(yùn)行情況

PV在0～4 s均工作于MPPT模式，在0～2 s，2～4 s內(nèi)輸出功率分別為3，6 kW。ESS-2在t=1 s時(shí)退出運(yùn)行，t=3 s時(shí)重新接入運(yùn)行，微網(wǎng)各子系統(tǒng)仿真波形如圖14所示。

圖14 微網(wǎng)子系統(tǒng)輸出特性Fig.14 Output characteristics of microgrid subsystem

由圖14可知，在0.15～2 s，2～4 s時(shí)系統(tǒng)分別工作于模式2，3，整個(gè)運(yùn)行過程中系統(tǒng)內(nèi)部功率始終保持平衡。

運(yùn)行過程中各ESS功率分配情況如圖15所示。

圖15 ESS之間的功率分配Fig.15 Power sharing among ESS

由圖15可知，0.15～1 s運(yùn)行于下垂放電模式。在t=1 s時(shí)，ESS-2故障退出運(yùn)行，其余ESS仍可平抑波動(dòng)，但ESS-3的分配功率超限，二次控制環(huán)節(jié)動(dòng)作將ESS-3切換為恒功率放電模式。t=2 s時(shí)，PV輸出功率增加，ESS-1，3工作于下垂充電模式。ESS-2在t=3 s時(shí)重新接入系統(tǒng)，3組ESS按其下垂系數(shù)進(jìn)行功率分配。

運(yùn)行過程中母線電壓變化情況如圖16所示。由圖16可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)退出或加入系統(tǒng)對(duì)母線電壓影響較小，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)ESS的功率動(dòng)態(tài)分配，表明了此策略可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)“即插即用”特性。

圖16 母線電壓變化Fig.16 Changes in bus voltage

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于功率分層的孤島直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，正常運(yùn)行下以ESS主導(dǎo)平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)，超出ESS調(diào)節(jié)范圍后PV或負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。微網(wǎng)內(nèi)部功率始終保持動(dòng)態(tài)平衡，且任何工作模式下均存在以電壓特性運(yùn)行的松弛終端控制母線電壓穩(wěn)定。仿真算例表明，帶電壓前饋的自適應(yīng)下垂控制可實(shí)現(xiàn)ESS基于實(shí)時(shí)功率調(diào)節(jié)能力平抑微網(wǎng)波動(dòng)并且補(bǔ)償母線電壓偏差，避免ESS過充過放，設(shè)計(jì)的二次控制環(huán)節(jié)有效地解決了ESS功率分配超限問題，并保證其余ESS仍可按照自身功率調(diào)節(jié)能力平抑系統(tǒng)波動(dòng)。驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性與優(yōu)越性。