光儲直流微網分散式協調控制運行策略

李顯國++戴瑜興++周穩+畢大強

摘 要： 針對光儲直流微電網，提出一種完全分散式的協調控制運行策略。分析了系統內各個變流器接口控制及其協調控制方法、功率分配與能量管理原理。設計包含孤島、并網兩種工作運行模式，保障系統內新能源發電的充分利用、交流與直流重要負荷的可靠供電以及各工況下系統的穩定運行。采用Matlab/Simulink進行仿真研究，仿真結果表明了所提協調控制運行策略的正確性與可行性。

關鍵詞： 直流微網； 分散式協調控制； 能量管理； Matlab

中圖分類號： TN108+.4?34； TM712 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0001?05

Abstract： A fully decentralized coordination control operation strategy for DC microgrid of photovoltaic and energy storage system is put forward. The interface control， coordination control method， power distribution and energy management principle of each converter in the system are analyzed. The operation modes of island and grid connection are included in the strategy to guarantee the sufficient utilization of the new energy power generation in the system， reliable power supply for AC and DC important loads， and system stable operation under steady and transient conditions. The simulation research was performed with Matlab/Simulink. The simulation results show that the coordination control operation strategy is effective and feasible.

Keywords： DC microgrid； decentralized coordination control； energy management； Matlab

0 引 言

微電網因其很好地協調了分布式發電與大電網間的矛盾，近來得到了廣泛的研究，微電網分為直流微電網、交流微電網與交直流混合微電網三種形式[1?3]。直流微網與交流微網相比，無相位同步、集膚效應、交流損耗、頻率穩定性等問題，更便于光伏電池、蓄電池等直流電源和電動汽車、超級電容等直流負載的連接[4?5]。直流微網系統包括光伏接口變流器、儲能系統接口變流器、交直流接口變流器等變流單元，因此如何協調管理各接口單元的能量控制方法成為研究熱點[6?10]。

文獻[6]采用雙向DC?AC變流器作為集中控制器調節直流母線電壓，而光伏單元與儲能單元沒有參與系統能量管理，故系統可靠性較低且動態響應慢。文獻[7]針對光儲直流微網系統，提出一種基于直流母線電壓信息的能量管理方法，雖兼顧系統孤島和并網工況下的穩定運行，但其未考慮交流本地負荷，難以滿足實際應用。文獻[8]將直流母線電壓分層協同控制策略應用于風電直流微電網中，實現系統內各變流器無需相互通信的協調控制，但其在并網工況下，設計了削減風力發電出力的策略，不利于最大限度的利用新能源能量。文獻[9]提出一種主從形式協調控制方法，實現交直流混合微電網在孤島與并網工況下的功率平衡分配，但其需要通信線的集中控制，穩定性不高。

針對上述研究不足，本文結合當前供電方式，設計了一種光儲直流微電網結構，針對所設計結構，基于直流母線電壓信號分層策略，完全分散無需通信進行系統內的各能量源的協調控制，設計各個變流器的自治運行及其切換控制方法，維持直流母線平穩，保障直流與交流重要負荷的供電可靠性，實現新能源發電的最大化利用。

1 光儲直流微網系統結構

所設計的直流微網系統如圖1所示，光伏發電單元通過單向DC/DC變流器將能量送入直流母線。儲能單元通過雙向DC/DC 變流器與直流總線連接，實現能量的儲存與調節。DC/AC雙向變流器連接直流母線與大電網，實現能量的雙向流動。

2 接口變流器控制策略

本文設計的光儲直流微網系統結構內主要控制單元有光伏接口變流器、儲能接口變流器和交直流接口變流器。

2.1 光伏接口變流器控制方法

直流微網內部光伏電池可采取的控制策略有MPPT（最大功率點跟蹤），CVT（恒壓控制），圖2為其控制原理。圖中：，分別為光伏電池電壓、電流；為直流母線電壓；為恒壓控制（CVT）模式下參考電壓。

2.2 儲能接口變流器控制方法

儲能蓄電池采用雙向DC/DC進行充放電控制，圖3為其控制原理。根據直流母線電壓的不同，分為限流控制和穩壓控制模式。

圖3中，分別為儲能電池電流、電壓，為電池限流控制參考電流。

2.3 網側接口變流器控制方法

連接直流母線與大電網的雙向AC/DC變流器控制原理如圖4所示，并網時采用單位功率因素控制，孤島時采用恒頻恒壓（V/f）控制。圖中，，，分別為孤島控制模式下的參考頻率、參考電壓分量和參考相位。，，，分別為變流器輸出電壓和電流經Park變流得到的有功與無功分量。為直流母線電壓，為并網鎖相環（SPLL）輸出相位。

3 系統能量協調控制策略

3.1 直流母線電壓的分層策略

本文提出的協調控制運行策略，將直流母線電壓的變化作為系統控制的關鍵信息量。依據在允許波動范圍內直流母線電壓的變化，對直流母線電壓劃分區域分析，如圖5所示。

圖5中y軸S代表直流母線電壓所處層次，y軸Udc為直流電壓標幺值處理。以參考電壓Ub為額定參照電壓Un，允許電壓在±10%內波動，將0.9Un～1.1Un內電壓分為5層。依據微網系統的狀態，在各個層級下，需要工作穩定在一個參考電壓，分別為Ua～Uc。其中Ua，Ub，Uc分別為第1層及第2層，第3層，第4層及第5層的參考電壓。圖中U1～U4為電壓分層切換的門檻電壓。

3.2 并網工況控制策略

根據直流母線電壓在并網模式下所處不同層次，系統各部分控制策略如表1所示。

表1 并網控制策略

由于微網內部負荷需求與微源之間能量供需會不斷變化，會引起直流母線電壓也發生相應變化。因此為充分利用光伏微源發電以及保障直流和交流重要負荷的持續穩定供電，根據直流母線電壓所處不同層次設計如下能量協調控制策略。

第1層時，負載持續重載，使Udc

式中：PPV為光伏接口提供功率；Pbat為儲能接口交換功率；Pg為網側變流器與大電網交換功率；Pload1為直流重要負荷；Pload2為直流可控負荷；Pload3為交流負荷。此時說明儲能最大上限放電，網側變流器整流輸出達上限。采取由變流器恒功率向直流微網側輸入電能，光伏電池繼續進行MPPT控制，卸載部分可控負荷，使直流母線上升，減少系統功率缺額，回到第2層穩定工作。

第2層時，直流母線電壓U1

第3層時，直流母線電壓U2

此時微網系統能自治運行，出于對大電網建立友好型微電網，希望與大電網的功率交換為Pg=0，儲能能夠維持系統內功率平衡。采用儲能進行調節維持直流母線電壓運行在額定電壓Ub，控制網側逆變供給交流負荷使與大電網交換能量為0。

第4層時，直流母線電壓Ub

此時，負荷持續輕載，光伏發電充足，儲能吸收已達到上限，此時直流微網側功率發電富余，儲能無法維持直流母線電壓，采用網側逆變穩壓控制向大電網輸送富余能量，使直流母線電壓維持在Uc穩定運行。

第5層時，直流母線電壓Udc>U4，系統內功率狀態：

此時，系統內負荷持續輕載，光伏發電充足，儲能吸收已達到上限，且網側變流器輸出功率也達到上限，導致直流母線電壓會持續上升。需要對光伏微源進行CVT控制，減少光伏發出功率來維持系統內功率供需平衡。

3.3 孤島工況控制策略

孤島模式下，無電網支撐，儲能接口將起主要穩壓作用，同時網側變流器將采取恒頻恒壓（V/f）控制。基于直流母線電壓所處不同層次，依然將直流母線電壓分為5層，各層控制策略設計如表2所示。

表2 孤島控制策略

第1層時，直流母線電壓Udc

系統內光伏微源發電不足、儲能放電達到輸出上限等情況，功率缺額較大，導致直流母線電壓下降，此時，為了保障系統正常運行，采取卸載可控直流負荷操作，儲能上限放電，使直流母線電壓回升至第2，3層工作。

第2層時，U1

系統內能量供需能夠維持平衡，但此時的功率負荷較重，導致直流母線電壓還是會比較低，采取儲能側放電將直流母線電壓穩定在Ua進行工作。

第3層時，U2

第4，5層時，U3

系統負荷輕載，大量功率富余，此時儲能系統工作方式為滿上限限流充電，促使直流母線電壓下降，同時通過調整光伏微源為恒壓控制（CVT）模式，降低光伏輸出功率，將電壓穩定在Uc工作。

4 仿真驗證

本文采用Matlab/Simulink進行了系統仿真研究，搭建了如圖1所示的直流微電網系統。光伏發電單元最大額定發電，輸出有功功率為30 kW，儲能蓄電池提供20 kW充放電支撐，充分保障孤島極端情況對重要負荷的供電，直流額定重要負荷為10 kW，交流額定負荷有功功率為10 kW，直流母線額定電壓為600 V。

4.1 并網運行

仿真為驗證在并網情況下第3.2節所設計的控制策略的正確性，通過變動直流負荷，造成功率波動，從而改變直流母線電壓，來驗證不同層的協調控制情況。設計每0.1 s改變直流母線電壓，仿真結果如圖6所示。

t=0～0.1 s時，圖6（a）中此時直流母線電壓分層處于第3層工作狀態，此時直流負荷處于額定負荷范圍內，光伏電池與儲能可以向直流負荷與交流負荷穩定供電。由圖6（b）可知儲能進行放電穩壓，由于交流負荷一直是滿載有功功率10 kW。由圖6（c）可知，網側變流器能夠逆變穩定提供。由圖6（d）可知，電網側無能量輸入，啟動有部分輸送是電網對交流負荷與直流微電網進行支撐，過0.02 s一個工頻周期后，開始正常工作。

t=0.1～0.2 s時，通過大量減少直流負荷造成直流微網系統內能量剩余，這種情況出現的可能性比較小，一般處于直流微網內空載，且微源全力發電，儲能限流吸收時。圖6（b）儲能以設定功率大量充電，此時如圖6（c）所示網側變流器逆變輸出功率大幅增加，而電網側如圖6（d）所示還能有交流負荷滿額消耗后多余能量輸入。

t=0.2～0.3 s時，通過調節直流負荷至輕載，直流母線電壓如圖6（a）回落至第4層。如圖6（b）中可知儲能側以輸入上限充電，此時直流母線電壓由圖6（c）所示網側逆變調節穩壓，如圖6（d）中反應大電網一直吸收富余能量。

t=0.3～0.4 s時，采取額定直流負荷稍微減小，使光伏微源完全獨立供給額定直流負荷與交流負荷，且有富余由儲能穩壓吸收。

t=0.4～0.5 s時，為系統內直流負荷滿載至重載情況，微源出力不足。母線電壓如圖6（a）跌至第1層，儲能需要如圖6（b）所示快速上限大電流放電，同時大電網側如圖6（d）所示大量整流輸出提供支撐，同時卸載部分可控負荷，使直流母線回升穩定至圖6（a）所示第2層工作，由圖6（b）所示儲能側進行非輸出上限限流放電，交流主網如圖6（c）、（d）所示通過網側接口進行整流輸出來達到穩壓控制及給交流負載供電。

4.2 孤島工況

搭建的仿真模型與并網工況一樣，但是斷開大電網。對第3.3節中所設計策略進行驗證，仿真結果如圖7所示。

t=0～0.1 s時，如圖7（a）所示直流母線電壓維持在第3層，通過圖7（b）所示儲能維持在額定電壓，交流重要負荷設定為10 kW，如圖7（c）中所示一直持續采用V/f對其穩定供電。光伏微源由圖7（d）可知一直做MPPT控制。

t=0.1～0.2 s時，如圖7（d）可知此時仿真光伏停止工作，由儲能滿載運行，孤島運行存在設計額定儲能最大輸出功率，光伏微源不出力情況下且無大電網支撐，無法滿足內部負荷滿載。需要進行卸荷保證重要負荷的持續供電。

當負荷過重如圖7（a）中所示電壓跌落至第1層，馬上通過卸荷操作，使負荷減壓回升至第2層，由圖7（b）、圖7（c）所示可知儲能能夠大量放電穩壓的同時也保障了直流與交流重要負荷持續供電。

t=0.2～0.4 s時，每0.1 s減輕加入的可控直流負荷Pload2，如圖7（d）所示光伏微源做MPPT控制，供給負荷之外的余量如圖7（b）儲能側吸收充電調節穩壓，直流母線電壓如圖7（a）所示，通過儲能維持在額定電壓。

t=0.4～0.5 s時，模擬輕載且光伏發電充足情況下，微網內部將有大量富余能量，如圖7（a）所示電壓將抬升至第4層，此時通過如圖7（b）所示儲能大量吸收，以及如圖7（c）保障交流負荷持續供電時，光伏側出力進行調整，如圖7（d）采用CVT控制，使直流微網內部直流母線電壓穩定。

5 結 語

本文針對光儲直流微電網系統，設計一種直流微電網結構，理論分析了相關接口變流器之間的協調控制原理和孤島、并網兩種工況的運行原理。仿真結果表明，微電網系統實現了各工況下無需通信線的分散控制和自治運行；充分利用了新能源發電，實現了就地消納；保障了光儲直流微電網中直流母線電壓穩定、系統內重要負荷的供電可靠性。

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