自治直流微電網分層控制策略

邱搖搖，楊秀，何虹歷

(上海電力學院電氣工程學院，上海市 200090)

自治直流微電網分層控制策略

邱搖搖，楊秀，何虹歷

(上海電力學院電氣工程學院，上海市 200090)

分布式控制策略由于可以與系統的監測體系相結合，有效解決了傳統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管理等方面的不足，該文采用新的分層控制策略來實現孤立直流微電網的可靠運行。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來劃分系統的運行模式；第2層控制是依靠通信的系統級控制，采用低帶寬通信技術來實現母線電壓的實時調節，并且根據蓄電池荷電狀態(stage of charge，SOC)調節下垂控制參數以達到SOC均衡化的目的。通過MATLAB/simulink搭建了光儲直流微電網模型，仿真結果驗證了第1層控制可以不依靠通信連接來實現系統可靠運行，加入依靠通信的第2層控制后，能有效解決傳統下垂控制所帶來的電壓跌落問題，并實現蓄電池SOC的均衡化。

直流微電網；分層控制；電壓調節；SOC均衡化

0 引 言

作為分布式能源接入電網的有效途徑，微電網成為未來智能電網發展的重要組成部分。與交流電網相比，直流微電網具有運行效率高、控制系統簡單以及方便分布式能源接入等優點，隨著近年來對電能質量要求的提升，直流微電網也逐漸成為研究熱點[1-3]，目前，已在數據中心和商業樓宇等獨立供電系統中得到了廣泛應用。

為了提高供電的可靠性，直流微電網在自治運行時，通常采用多種分布式電源并聯運行的方式來承擔負荷功率，因此，負荷的合理分配是直流微電網協調控制的重要目標[4-6]。

直流微電網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可靠性要求較高[8-9]，而分散控制則會限制系統的穩定性以及最優工況[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[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調各變換器的工作方式，是實現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調壓。文獻[14-15]引入了適用于微電網的二次控制策略，以解決電壓跌落問題；文獻[16]根據變換器輸出電壓的差異確定下垂電阻，缺點是電壓調節能力較弱。(2)針對線路阻抗導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致的功率分配誤差。文獻[17]提出了基于ISA-95的直流微網分級控制方法，實現微電源均流和電壓的無差調節。以上文獻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故障情況下系統的可靠運行問題。

本文在已有研究的基礎上，將分布式控制策略與系統的監測體系相結合，對傳統分布式控制以及二次控制進行完善，增加儲能系統管理環節來保證二次控制的可靠性，即利用蓄電池的荷電狀態(sate of charge, SOC)實現對下垂控制參數以及出力的實時調節。本文針對孤立直流微電網提出分層控制策略，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，系統仍然可以可靠運行；第2層控制是依靠通信的系統級控制，在第1層控制的基礎上增加低帶寬通信技術，來實現二次控制。該策略既可以實現系統電壓跌落補償，又可以利用蓄電池的SOC調節下垂控制系數，進而對電池的功率進行調節，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對直流微電網系統的有效控制，搭建基于Matlab/Simulink的光儲直流微電網系統模型，對第1層控制下系統的可靠運行，第2層控制的電壓跌落補償及SOC調節效果進行仿真驗證。

1 分層協調控制

直流母線電壓是衡量系統功率平衡的唯一指標。因此，直流微電網的控制要點是要保持直流母線電壓的穩定，這就要求直流微電網系統對微電源、儲能系統和負荷進行協調控制，以滿足供電電源端與負荷端能量保持平衡，因此本文提出了直流微電網分層控制策略。圖1為直流微電網分層控制結構示意圖，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的運行模式；第2層控制是依靠通信的系統級控制，利用蓄電池組進行電壓跌落補償并對儲能進行優化。且由于第2層控制采用低帶寬通信，故而僅在通信系統正常時運行。需要說明的是，只有當系統運行模式為蓄電池通過下垂控制穩定直流母線電壓時，第2層控制才會對系統進行優化。

圖1 直流微電網分層控制結構

1.1 第1層控制

第1層控制的主要目的是保證系統在通信發生故障的情況下仍然能夠可靠運行，直流母線電壓穩定是其穩定運行的關鍵。本層控制根據直流電壓的變化量對系統的運行模式進行劃分，在不同的運行模式下合理調節變換器的工作方式，使系統在不同工況下都能穩定運行。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，按照系統運行的要求，根據預先設定的電壓閥值將母線電壓分為5個工作區。閾值之間的關系如式(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分別為切負荷與光伏恒壓的閥值電壓。各區域內系統的工作模式如表1所示。

表1 系統工作模式劃分

Table 1 System operation mode

(1)區域1：UL1

Ppv=Pload

(2)

式中Pload、Ppv分別為負荷吸收的功率與光伏發出的功率。

(2)區域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)區域3：UL2≤Udc

(6)

(4)區域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節范圍，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)區域5：Udc

為避免系統運行模式切換頻繁，在臨界電壓點處采用電壓滯環控制，滯環電壓即死區電壓。如圖2所示，本文在b、c、d和e處采用電壓滯環控制，滯環電壓范圍為-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，可以根據蓄電池的SOC動態調節下垂控制參數，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。

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進行調節，并且進行母線電壓的實時調節。蓄電池的控制系統如圖3所示。

圖3 蓄電池控制結構圖

1.2.1 電壓跌落補償

第1層控制采用下垂控制實現，雖然優點很多，但其在應用時會引起母線電壓跌落，因此會對電壓質量造成一定的影響。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，其結構如圖3所示，將母線電壓的閥值與實際值的差值經過延遲環節以及PI控制后疊加到母線電壓的參考值上，實現電壓的實時調節，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以及壓降的影響，系統實際運行時下

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變化。

此時，系統特性曲線為曲線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，減小了系統穩態運行時的誤差。

1.2.2 儲能優化

當母線電壓在區域2和3范圍內時均需要蓄電池穩壓，因此蓄電池之間的協調控制也非常重要。本文對蓄電池進行協調控制的目標是實現SOC的均衡，方式是調節下垂控制參數。本文設置的下垂控制參數的表達式如式(9)所示：

(9)

式中：δi用于調整第i個變換器的下垂控制參數，較大的δi意味著SOC的值較高；kp用于調整充放電功率；SOCi為第i個蓄電池的SOC值；n是蓄電池數目。調整后的下垂控制參數如式(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，故可以通過調節kp，進而調節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的可靠與優化運行。在正常運行時，系統通過第2層控制對第1層控制進行優化，使蓄電池SOC均衡化，并能對電壓進行實時調節。通信系統發生故障時，直流微電網仍然可以僅在第1層控制下可靠運行，此時，每一個變換器將按照設定的閾值來保證系統的穩定運行。

2 變換器的控制

為了實現所提出的分層控制方案，變換器的控制至關重要。如圖6、7所示，各變換器根據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的電壓和電流。若發生蓄電池切除，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壓。

3 實驗驗證

本文進行相應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，標稱容量為100 A·h；2組負荷。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，過小會導致頻繁切換問題，過大會降低系統可靠性。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 系統運行模式在區域1、2與3之間切換

系統初始運行時，光伏以MPPT模式運行，光伏發電功率與負荷消耗功率均為1 300 W，系統運行于區域1。在0.5 s時，光照增強，光伏發電功率達到 2 650 W，負荷功率不變，由于功率不平衡導致系統電壓升高，達到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定，母線電壓穩定于388 V，此階段系統運行在區域2。在1 s時，負荷功率增加到3 000 W，由于功率不平衡導致母線電壓跌落，達到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定，母線電壓穩定于373 V，此階段系統運行于區域3。系統功率和電壓隨時間的變化關系如圖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

由仿真結果可知，系統可以根據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濟性。

3.2 系統運行模式由區域2過渡到區域4

系統初始運行時，光伏以MPPT模式運行，發電功率為4 000 W，負荷消耗功率為1 200 W，功率不平衡導致母線電壓上升，達到386 V時，蓄電池充電以維持母線電壓穩定，穩定時系統電壓為387 V，系統運行于區域2。在0.5 s時，由于光伏發電功率增強，達到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，導致母線電壓繼續升高，達到391 V時，光伏系統穩壓，將電壓穩定在393 V，此時系統運行在區域4，1 s時負荷消耗功率增加，光伏系統也增加相應功率以保證系統功率平衡，1.5 s時負荷消耗功率降低，光伏系統也相應降低功率以保證系統功率平衡。系統功率和電壓隨時間的變化關系如圖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

由仿真結果可知，當光伏發電功率過大導致母線電壓運行于區域4時，則系統運行模式切換為光伏穩壓模式，使系統不會因為蓄電池受功率限制而導致電壓失去穩定性，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

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

(1)母線電壓跌落補償。系統初始運行時，光伏以MPPT模式運行，發電功率為2 600 W，負荷消耗功率為1 400 W，功率不平衡導致母線電壓上升，達到386 V時，蓄電池充電以維持母線電壓穩定，穩定時系統電壓為388 V，在0.8 s時通信系統發生故障，導致系統由第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的效果是比較明顯的。系統功率和電壓隨時間的變化關系如圖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優化。系統初始運行時，光伏以MPPT模式運行，發電功率為2 600 W，負荷消耗功率為1 400 W，功率不平衡導致母線電壓上升，達到386 V時，蓄電池充電以維持母線電壓穩定，蓄電池SOC上升，SOC差值逐漸減小，0.8 s時，通信系統發生故障，SOC優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

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

4 結 論

本文所提出的分層控制方案可以滿足直流微電網可靠性、經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層控制可以實現可再生能源的最大化利用以及蓄電池的優化使用，利于系統的經濟運行；

(2)第2層控制是依靠通信的系統級優化控制，利用低帶寬技術實現信息的交換，對系統電壓進行補償，并通過蓄電池SOC調節下垂系數，進而調節蓄電池的功率，使其SOC達到均衡。

[1] KAKIGANO H，MIURA Y，ISE T. Distribution voltage control for DC microgrids using fuzzy control and gain-scheduling technique[J] . IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5)：246-2258.

[2] WU T，CHANG C，LIN L， et al. DC-bus voltage control with a three-phase bidirectional inverter for DC distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(4)：1890-1899.

[3] 郭媛，祁兵.直流微電網的電能路由算法[J].電力建設， 2016，37(1) ：45-49. GUO Yuan， QI Bing.Power routing algorithm of DC micro-grid [J].Electric Power Construction，2016 ，37(1) ：45-49.

[4] 張慶海，彭楚武，陳燕東，等.一種微電網多逆變器并聯運行控制策略[J].中國電機工程學報， 2012， 32(25)：126-132. ZHANG Qinghai，PENG Chuwu，CHEN Yandong，et al.A control strategy for parallel operation of multi-inverters in microgrid[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(25)：126-132.

[5] 韓華，劉堯，孫堯，等.一種微電網無功均分的改進控制策略[J].中國電機工程學報， 2014， 34(16)： 2639-2648. HAN Hua，LIU Yao，SUN Yao，et al.An improved control strategy for reactive power sharing in microgrids[J].Proceedings of the CSEE，2014，36(16)：2639-2648.

[6] LEE C T，CHU C C，CHENG P T.A new droop control method for the autonomous operation of distributedenergy resource interface converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(4)：1980-1993.

[7] SCHONBERGER J, DUKE R, ROUND S D. DC-bus signaling: a distributed control strategy for a hybrid renewable nanogrid [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(5) :1453-1460.

[8] BARKLUND E，POGAKU N，PRODANOVIC M，et al.Energy management in autonomous microgrid using stability-constrained droop control of inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(5)：2346-2352.

[9] MENG L X，DRAGICEVIC T，GUERRERO J M，et al.Dynamic consensus algorithm based distributed global efficiency optimization of a droop controlled DC microgrid[C]//2014 IEEE International Energy Conference.Cavtat：IEEE，2014：1276-1283.

[10] LIANG H，CHOI B J，ZHUANG W,et al. Stability enhancement of decentralized inverter control through wireless communications in microgrids[J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2013，4(1) ：321-331.

[11]王毅，張麗榮，李和民，等.風電直流微網的電壓分層協調控制[J].中國電機工程學報，2013，33(4)：16-24. WANG Yi，ZHANG Lirong，LI Heming，et al.Hierarchical coordinated control of wind turbine-based DC microgrid[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(4)：16-24.

[12]李圣清，徐天俊，張彬，等.光伏直流微網母線電壓穩定控制[J].電氣傳動，2015，45(3)：48-52. LI Shengqing，XU Tianjun，ZHANG Bin, et al.Bus voltage stable sontrol in the photovoltaic DC micro-grid. Electric Drive, 2015 45 (3):48-52.

[13]蔣東榮，顏瑞凡，申丹偉，等.多能互補直流微網電壓與能量分層協調控制策略[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2015，29(5)：103-111. JIANG Dongrong，YAN Ruifan，SHEN Danwei，et al.Research on hierarchical coordinated control strategy of voltage and energy for multi- energy complementary DC microgrid[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2015，29(5):103 -111.

[14]BICZEL P.Power electronic converters in DC microgrid [C]//Compatibility in Power Electronics.Gdansk，Poland：CPE，2007:1-6.

[15] KUMAR M, SRIVASTAVA S C, SINGH S N. Control Strategies of a DC microgrid for grid connected and islanded operations[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(4): 1588-1601.

[16] AUGUSTINE S, MISHRA M K, LAKSHMINARASAMMA N. Adaptive droop control strategy for load sharing and circulating current minimization in low-voltage standalone DC microgrid[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 6(1): 132-141.

[17] GURRERO J M，VASQUEZ J C，MATAS J，et al.Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrid：ageneral approach toward standardization[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1) :158-172.

(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

國家自然科學基金項目(71203137)；國家電網公司科技項目(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穩定與控制；

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

何虹歷(1991)，男，碩士研究生，研究方向為微電網穩定與控制。

Project supported by Natural Science Foundation of China(71203137)