基于電壓偏移量的直流微電網分層控制策略仿真研究

黃 莉， 孫淑蓮

（1.浙江同濟科技職業學院機電系，杭州 311231；2.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310000）

基于電壓偏移量的直流微電網分層控制策略仿真研究

黃 莉1， 孫淑蓮2

（1.浙江同濟科技職業學院機電系，杭州 311231；2.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310000）

對直流微電網母線電壓穩定進行了控制策略的探討和仿真研究。對微電網的結構進行建模，在此基礎上進行關鍵設備變換器的設計，并采取合適的控制策略。根據直流微電網電壓和功率之間的關系，提出了一種基于電壓偏移量的分層控制策略，通過檢測電壓偏移量決定系統的運行層區及采取相應的穩壓措施。最后利用matlab/simulink軟件對控制策略的效果進行仿真分析。結果表明，系統能承受負載投切沖擊、光伏功率突卸和運行模式切換等干擾，維持母線電壓穩定和系統的安全運行。

直流微電網；電壓穩定；變換器；分層控制策略；仿真分析

0 引言

微電網技術[1-2]是目前電網技術發展的新方向，它的出現為解決大電網的諸多問題提供了契機，同時還為各種分布式電源的利用和開發提供了新的思路。作為微電網技術的分支，直流微電網技術以其可靠性高、效率高、便于控制以及節省成本等優點在很多需要高供電可靠性的用電場合廣為應用[3-5]。

與交流微電網相比，直流微電網的發展起步較晚，國內外學者對直流微電網的控制策略已做了一些初步探索。文獻[6]通過簡化，構建了電壓和功率的傳遞函數模型，描述了2種運行模式，并以電壓變化作為工況的切換標準。文獻[7]研究了下垂控制理論在直流微電網中的應用，并對系統進行了動態穩定性分析。文獻[8]采用多代理系統方法研究了直流微電網的穩定性控制問題。文獻[9]研究了直流微電網中多種變流裝置的平均模型，進行了狀態空間建模，并基于時域仿真結果，采用小擾動分析法研究了直流微電網的電壓穩定性問題。鑒于直流微電網母線電壓穩定控制的重要性，為確保其可靠、穩定運行，對電壓控制策略還需深入探討。

在直流微電網中系統中不考慮無功功率的流動，直流母線電壓是反映系統功率平衡的唯一指標，控制直流母線電壓穩定則可保證直流微電網穩定運行[10]。直流微電網內大量分散式的可再生能源發電單元及負荷等具有明顯的隨機波動性，這類波動功率尤其是短時功率沖擊將可能對直流母線電壓造成沖擊。在系統遭遇大擾動沖擊下，有可能導致電壓失去穩定進而引起繼電保護動作或甩負荷，甚至還會危及配電網的安全運行。因此具備強魯棒性和抗擾能力的直流母線電壓控制策略對于直流微電網的穩定運行及直流負載供電質量的保證十分關鍵。在上述研究的基礎上，本文以穩定電壓水平為目標，設計了直流微電網中變換器這一關鍵設備的主電路及相應控制策略，提出了一種基于電壓偏移量的分層控制策略，根據檢測電壓偏移量決定系統所處的控制層，通過設計不同松弛端口達到穩壓的目的，并給出直流微電網電壓在各種干擾條件下的仿真結果。

1 直流微電網結構與關鍵設備

設計的直流微電網采用400 V直流母線，并網側采用三相兩電平橋式DC/AC變換器；儲能通過雙向交錯并聯DC/DC降壓變換器接入400 V直流母線，光伏發電單元通過DC/DC變換器與直流母線連接。另外，系統中還包括220 V交流負載、220 V直流電源負載、110 V直流電源負載以及48 V直流負載，其構架如圖1所示。

圖1 直流微電網結構

2 變換器模型及其控制策略

2.1 交流側并網變換器

并網變換器的作用是實現直流母線與公共交流電網之間的電能交換。變換器主電路采用平均模型，交直流解耦建模，如圖2所示。

圖2 并網變換器的主電路

考慮到交流側并網變換器采用兩電平橋式電路電壓源型變換器，系統中采用基于交流電壓矢量定向的矢量閉環控制策略。三相電壓輸入數字鎖相環模塊獲得dq軸電壓Udq以及頻率ω和電壓相位角θ。三相電流輸入經abc/dq變換后得到dq軸電流Idq。電流Idq與Idq_ref命令比較后，通過電流環比例積分調節器得到電壓調整分量，再與旋轉電動勢補償分量以及dq軸電壓相加后得到電壓命令輸出Vdq_ref，其控制策略模型如圖3所示。

圖3 并網變換器的電流閉環控制策略

2.2 儲能變換器

儲能變換器主電路為雙向DC/DC變換器，如圖4所示。低壓側為受控電壓源模型，通過集中直流電感（將3個并聯電感看作一個整體）接入直流微電網母線電容側。低壓側為受控直流電流源模型通過并聯電容接入電池模型，電流源參考方向為電池放電電流方向。

圖4 儲能雙向變換器主電路

儲能變換器電流環控制目標為低壓側并聯電感總電流Idc_L，控制器輸入為直流母線側電壓Vdc、低壓側并聯電感總電流Idc_L和電流命令參考值Idc_L_ref，輸出為雙向變換器低壓側電壓命令Vdc_conv。其控制框圖如圖5所示。

圖5 儲能雙向變換器電流閉環控制策略

3 基于電壓偏移量的分層控制策略

3.1 基于電壓波動的控制原理

直流系統的母線簡化模型如圖6所示，圖中電壓和功率可由公式（1）和（2）表達：

式中：Vdc為直流母線功率；C為母線電容；PS為母線輸入功率；PP為母線輸出功率。

圖6 簡化的直流母線模型

式（2）表明，當母線輸入功率等于輸出功率時，系統功率平衡，電壓的微分即電壓的變化率為零。當輸入功率PS大于輸出功率PP時，系統電壓上升，其上升速率與功率差值成線性關系；反之，當輸入功率PS小于輸出功率PP時，系統電壓下降，其下降速率與功率差值成線性關系。這說明，對于某一特定直流系統，系統潮流信息與直流電壓的變化率具有一一對應關系，系統直流電壓穩定也就意味著系統潮流的平衡與穩定。

3.2 直流端口的定義

按照對直流微電網系統功率平衡的影響不同，直流系統中的端口可以分為功率端口和松弛端口，這兩類端口之間可以相互轉化。

功率端口是指直流系統中，完全根據自身需求獲取或發出功率的端口，典型的功率端口是處于“即插即用”狀態的負載端口和處于“最大功率點跟蹤”狀態的光伏端口。功率端口是直流微電網中產生功率擾動的源頭，不能主動平衡直流微電網系統中的功率。

與之相對，松弛端口是指在運行中承擔平衡功率、穩定直流電壓功能的端口。典型例子為并網狀態下處于調壓狀態的交流并網變換器端口和孤島狀態下處于調壓狀態的儲能端口。松弛端口可以主動實時平衡直流微電網內的瞬時功率潮流，維持直流微電網電壓的穩定，使流入微電網的功率等于流出微電網的功率。

3.3 基于電壓波動的分層控制策略及運行模式切換

為保證直流微電網的實時功率平衡，系統中應至少存在一個松弛端口。為此，需采用基于電壓偏移量的分層控制策略（如圖7所示），根據母線電壓偏移量ΔVdc=Vdc-VN（Vdc為各端口本地采集的直流母線電壓，VN為微網額定直流電壓）的大小，將系統分為1，2+，2-，3+，3-共5個層級，并為每個層級對應設計不同松弛端口。

圖7 基于電壓偏移量的分層控制策略

Level 1對應直流微電網并網運行狀態，松弛端口可以為交流側并網變換器VSC和儲能端口。當交流側發生故障，交流側并網變換器閉鎖，由松弛端口轉化為功率端口。系統進入孤島運行狀態，此時系統電壓將偏離Level 1。若此時系統輸入凈功率為正，電壓將進入Level 2+區域；若此時系統輸入凈功率為負，電壓將進入Level 2-區域。

當電壓進入Level 2+區域時，儲能系統成為系統唯一松弛端口。當電壓進入Level 2-區域時，儲能系統和可控發電系統（例如帶整流器的柴油發電機）成為系統松弛端口。

當系統處于Level 2運行狀態時，如果對應的松弛端口不能繼續維持運行，系統將進入Level 3區域。當微電網輸入凈功率為正時，系統進入Level 3+區域，系統由非可控發電系統作為松弛端口維持平衡，如光伏或風力發電機切除或限功率運行；當微電網輸入凈功率為負時，系統進入Level 3-區域，系統由負載作為松弛端口，維持系統平衡，如負載切除或限功率運行。

系統基于電壓偏移量的就地分層控制策略需預先植入各直流端口中，由各直流端口根據本地檢測到的電壓偏移量就地自主執行。各端口之間的切換點和不同模式下的運行參數可由中央控制器一次性下發后，在線調整優化。

4 仿真分析

基于工程實際，建立了基于matlab/simulink的時域仿真模型用以測試系統的微觀穩定運行狀態。直流微電網仿真模型由直流網絡、30 kW交流并網變換器端口、550 V 30 kW儲能端口、30 kW負載端口和30 kW光伏發電端口組成。考慮到系統的仿真效率，以及系統采用了較大的直流濾波元件，并網變換器和儲能端口的建模均采用平均模型，直流網絡的配電線纜也采用集中型阻抗模型。由于恒阻抗負載在小信號特征上對系統的穩定有促進作用，恒電流負載對直流微電網的穩定性影響較小，而恒功率負載是直流微電網中最為常見也是最易導致系統失去穩定的負載類型，因此負載采用集中型的恒功率模型，即采用集中型功率受控的電流源模型接入直流母線。光伏發電系統采用集中型恒功率模型即功率受控的電流源模型接入直流母線。仿真實驗主要測試系統在并網運行條件下不同負載投切、電源投切和儲能充放電對并網系統穩定性和電能質量的影響。

4.1 Level1恒功率負載瞬時投切仿真

并網條件下，在運行時間為3 s和6 s時分別投入和切除一定大小的恒功率負載，觀察負載的瞬時投切引發的直流母線電壓波動情況，選擇的負載大小以及引起的電壓波動數值如表1所示。

表1 投切不同大小負載所產生的電壓偏移量

從表1中的數據可以看出，瞬時投入或切除的負載越大，電壓瞬時波動就越大。極端情況下，投切系統額定功率的負載將會產生接近20%額定電壓的電壓波動。

圖8所示為直流微電網系統在并網條件下，30 kW恒功率負載瞬時投切引發的系統階躍響應仿真實驗。在運行時間為3 s和6 s時，系統分別投入和切除30 kW恒功率型負載，響應功率完全由并網側變換器平衡。此時直流電壓分別產生-80 V和80 V左右的瞬時電壓波動，并在10～20 ms內回到額定電壓。該仿真實驗說明直流微電網系統可以承受額定功率的負載投切沖擊，并維持穩定運行。

圖8 30 kW恒功率負載階躍響應

4.2 Level2-并網-孤島-并網運行切換仿真

圖9所示為直流微電網凈功率（即發電功率減去總負載功率）為30 kW時由并網切換至孤島運行，再切換回并網運行的系統運行仿真實驗。初始狀態下，各端口功率交換均為零；在系統仿真時刻為0.5 s時，30 kW恒功率型負載投入，直流母線在經歷瞬間跌落后，由交流并網端口補償該負載功率，電壓迅速恢復至額定值；在系統仿真時刻為5 s時，交流側電網出現故障，交流并網端口功率降為零，此時直流電壓出現偏移，儲能端口檢測到直流系統的偏移后，切換至松弛端口模式，完全補償直流微電網凈功率缺口，使電壓維持在304.6 V左右，系統完全穩定在孤島運行模式；在仿真時刻為7 s時，交流并網端口檢測到交流側故障排除，恢復至松弛端口模式，電壓被并網端口重新拉回到額定電壓400 V，儲能端口退出松弛端口模式，系統恢復至并網運行狀態。仿真實驗表明，當負載與發電凈功率為-30 kW時，直流微電網系統具備由并網快速切換至孤島運行、再重新平滑并網的能力。

圖9 凈功率-30 kW并網-孤島-并網切換運行

4.3 Level3+光伏發電系統功率突卸仿真

實際系統中，一般不存在光伏發電系統瞬時投入的情況，但由于環境劇烈變化或者系統故障，存在光伏系統電源瞬時下降的可能。本仿真實驗主要用于模擬測試系統出現此類情況時的運行特性。

圖10為光伏發電系統25 kW功率突卸仿真實驗。系統自0.5 s起以7.5 kW/s的恒定速率投入光伏發電功率。在仿真時間到達5.5 s時，25 kW光伏功率瞬時切除，此時直流電壓產生80 V左右的跌落，雖在此過程中產生較大振蕩，但在200 ms內由并網變換器迅速補償回到額定電壓。此外，分別將光伏發電系統的功率設為20 kW，15 kW，10 kW以及5 kW，研究恒功率型光伏發電功率瞬時卸除對直流電壓穩定性的影響。實驗發現：瞬時切除的發電功率越大，電壓瞬時波動就越大；極端情況下，投切系統額定功率的負載將會產生接近20%額定電壓的電壓波動，并在約200 ms以內產生一定程度的振蕩，但是直流電壓能迅速恢復到額定值。該實驗表明，系統具備該功率等級光伏功率突卸后維持穩定運行的能力。

圖10 25 kW光伏發電功率突卸階躍響應

4.4 Level3-負荷切除仿真

圖11所示為孤島狀態下30 kW恒功率負載以恒定速率切除再以恒定速率投入的仿真實驗，用以遍歷孤島條件下系統凈功率為負時的運行狀態。初始狀態下，各端口功率交換均為零；在系統仿真時刻為0.5 s時，30 kW恒功率負載投入，由交流并網端口平衡該發電功率，電壓基本穩定在額定值；在系統仿真時刻為3 s時，交流側電網出現故障，交流并網端口功率降為零，此時直流電壓出現偏移，儲能端口檢測到直流系統的偏移后，切換至松弛端口模式，完全補償直流微電網凈功率缺口，系統完全穩定在孤島運行模式；在仿真時刻為4 s時，30 kW負載以15 kW/s速率逐步切除至0；在仿真時刻為7 s時，負載以15 kW/s速率逐步投入直至達到30 kW。本仿真實驗表明，當凈功率為負值時，直流微電網系統具備在額定負載范圍內所有工作點穩定運行的能力。

圖11 孤島30 kW負載斜坡響應

5 結語

直流微電網作為一種新型電網，憑借其特有的顯著優勢得到越來越多的應用。針對直流微電網的母線電壓穩定性問題，構建了包含光伏、儲能系統和負載的典型直流微電網構架，并對各種類型變換器進行建模，以及對直流電壓控制策略進行研究，最后利用Matlab/simulink對系統在不同層次運行模式下各種干擾對電壓穩定性及電能質量的影響進行仿真。實驗表明，系統基于電壓偏移量的就地分層控制策略可以使系統在負載投切、電源功率卸載、并離網模式切換過程中維持電壓穩定，從而保證系統安全可靠運行。

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（本文編輯：方明霞）

Simulation of DC Microgrid Hierarchical Control Strategy Based on Voltage Deviation

HUANG Li1，SUN Shulian2
（1.Zhejiang Tongji Vocational College of Science&Technology，Hangzhou 311231，China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310000，China）

The control strategy of bus voltage stability in DC microgrid is investigated and simulated.The structure of the microgrid is modeled；besides，key device converters are designed and the appropriate control strategy is adopted.According to the relationship between voltage and power of DC microgrid，a hierarchical control strategy based on voltage deviation is proposed，which determines the system operating layer and takes the corresponding voltage stabilization measures by detecting the voltage deviation.At last，the effect of the control strategy is simulated and analyzed by using Matlab/Simulink.The result shows that the system can withstand disturbances such as load switching impulse，sudden photovoltaic power discharge and operation mode switching so as to maintain the stability of the bus voltage and the operation safety of the system.

DC microgrid；voltage stability；converter；hierarchical control strategy；simulation analysis

TM712

：A

：1007-1881（2016）05-0007-06

2016-03-21

黃 莉（1978），女，副教授，從事電力系統自動化研究工作。