應用于直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制的自適應方法研究

竇 飛，汪惟源，楊 林，李 桃 ，錢 康，王靜怡，陳國年

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210024；2.江蘇省電力設計院，南京 211102)

研究與探索

應用于直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制的自適應方法研究

竇 飛1，汪惟源1，楊 林1，李 桃2，錢 康2，王靜怡1，陳國年1

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210024；2.江蘇省電力設計院，南京 211102)

直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制目標為直流母線電壓的恒定，根據(jù)分布式微電源的工作特點，提出了基于通信網(wǎng)絡的分布式微電源相互協(xié)商機制的穩(wěn)定控制方法。此方法不依賴唯一的微電網(wǎng)中心控制單元的全局調(diào)控，是一種適用于不同分布式微電源間相互競爭與協(xié)作的自適應方法。在確保直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的前提下，具有運行方式自由性、控制方法靈活性的優(yōu)點。仿真結果證明研究的自適應穩(wěn)定控制方法，不僅能保證直流微電網(wǎng)的母線電壓恒定，而且能實現(xiàn)各分布式微電源的既定運行方式和控制目標。

直流微電網(wǎng)；分布式微電源；自適應控制方法

微電網(wǎng)是由負荷和微電源組成的獨立可控系統(tǒng)，實現(xiàn)電能和熱能的同時供給，基于電力電子接口的微電源可提供控制的靈活性，以保證微電網(wǎng)獨立運行的穩(wěn)定性，同時這種控制的靈活性也確保微電網(wǎng)能夠作為可控單元實現(xiàn)并網(wǎng)運行，并且滿足負荷對于供電可靠性和安全性的需要[1-4]。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)具有控制簡單，電力電子接口應用較少，便于燃料電池、光伏(PV)、儲能單元等直流微電源接入等優(yōu)點[5-8]。

目前，對于直流微電網(wǎng)的研究尚不多見。文獻[6]提出由于無需考慮無功功率，直流母線電壓的恒定即為判斷系統(tǒng)運行穩(wěn)定的唯一標準。文獻[9]采用線性化狀態(tài)變量法建立的直流微電網(wǎng)復合系統(tǒng)模型，不僅能滿足直流微電網(wǎng)不同運行狀態(tài)下的研究需要，而且能用于更加復雜的交直流混合微電網(wǎng)研究中。文獻[10-11]利用直流母線電壓作為公共信息，能實現(xiàn)直流微電網(wǎng)不依賴于通信的對等控制策略。文獻[12-14]均提出基于智能通信網(wǎng)絡的兩級化直流微電網(wǎng)管理策略，在穩(wěn)定控制的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)層次化功率平衡的能量優(yōu)化目標，以對上級配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響。這些文獻多依賴于微電網(wǎng)集中控制單元的健壯性、智能性和高效性，適用于系統(tǒng)中各單元具有一致隸屬關系的應用范疇，但如果各分布式微電源具有不同產(chǎn)權特性，有各自不同的運行需求和控制目標，這些方法將很難適用。因此，針對這種具有不同自主意識實現(xiàn)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，設計相應的自適應穩(wěn)定控制方法，在保持母線電壓恒定的基礎上，滿足各單元的自主性需求。

1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)模型

圖1為含有不同產(chǎn)權屬性微電源的直流微電網(wǎng)結構模型，直流母線電壓額定值800V，包含PV、質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)以及超級電容(Super Capacitor, SC)等分布式微電源。假設圖1中各分布式微電源具有不同的產(chǎn)權屬性，因此不能采用基于微電網(wǎng)中心控制單元的全局統(tǒng)一控制方法。鑒于PEMFC、SOFC具有輸出可控性，SC具有靈活的充放電能力，為簡單起見，設定PEMFC、SOFC分別作為直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)B、C的穩(wěn)定控制單元，以滿足各子系統(tǒng)中交/直流負荷的需求。由于PV發(fā)電具有隨機性，且無光照條件下不具備供電能力，因此將SC與PV出口直流斬波器電路高壓側(cè)相連，以確保對直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)A中交/直流負荷的可靠供電。

圖1 含有不同產(chǎn)權屬性微電源的直流微電網(wǎng)結構模型

2 直流微電網(wǎng)自適應穩(wěn)定控制方法

根據(jù)直流微電網(wǎng)的運行特點，其母線電壓的恒定即為系統(tǒng)穩(wěn)定性的唯一判據(jù)。當供求平衡關系破壞時，直流母線電壓的升高表征電能供大于求的運行狀態(tài)，反之則表示系統(tǒng)內(nèi)的供電能力無法滿足負荷需求。因此，針對含有不同產(chǎn)權屬性微電源的直流微電網(wǎng)的組成特點，研究基于通信網(wǎng)絡的直流微電網(wǎng)自適應穩(wěn)定控制策略，實現(xiàn)方法在于各子系統(tǒng)中的分布式微電源通過采樣直流母線電壓值，以判斷當前系統(tǒng)運行狀態(tài)，根據(jù)自身發(fā)電能力以判斷是否需要通過通信手段以尋求外部電源的電能支援，并根據(jù)協(xié)商結果控制子系統(tǒng)間聯(lián)絡開關的通斷。因此，直流微電網(wǎng)中各子系統(tǒng)的基本工作流程如圖2所示。

圖2 直流微電網(wǎng)中子系統(tǒng)工作流程

從圖1的結構模型中可以看出，子系統(tǒng)B、C均是單電源系統(tǒng)，并且PEMFC和SOFC具有良好的輸出功率調(diào)節(jié)性能。子系統(tǒng)A是不可控PV與可靈活充放的SC構成的復合系統(tǒng)，具有內(nèi)部先決判斷流程，工作流程與子系統(tǒng)B、C相比更為復雜。以圖1中直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)A為例，分別從PV出力大于負荷所需和PV發(fā)電能力無法滿足負荷需求2個角度，研究直流微電網(wǎng)自適應穩(wěn)定控制策略。

2.1 PV出力大于負荷需求

根據(jù)我國電力行業(yè)的管理規(guī)定，可再生能源發(fā)電享受優(yōu)先調(diào)度權和電量被全額收購的優(yōu)惠[15]，因此PV采用最大功率跟蹤控制方法，以實現(xiàn)太陽能與電能間的最高效率轉(zhuǎn)化。當PV輸出有功功率超過子系統(tǒng)A中交/直流負荷總量時，子系統(tǒng)A的直流母線電壓增大，當PV控制器采樣母線電壓大于額定電壓800 V時，通過查詢SC充電裕度信息決定是否閉合SC的并網(wǎng)開關SSC以進行充電穩(wěn)壓操作。如果此時SC不具備充電條件或受限于最大充電電流，無法快速吸收系統(tǒng)內(nèi)的多余有功功率時，子系統(tǒng)A中的PV以廣播的方式與子系統(tǒng)B、C內(nèi)的PEMFC和SOFC通信，向其出售這部分多余的電力。由于圖1中各分布式微電源屬于不同業(yè)主，為實現(xiàn)利益最大化，當PEMFC和SOFC收到PV關于多余電力的出售通知時，均會積極響應并回復相關報價，在得到后兩者的回饋報價信息后，PV控制器選擇價高者作為交易對象，通過閉合兩子系統(tǒng)間的聯(lián)絡開關以完成電能交易。如果PEMFC和SOFC子系統(tǒng)內(nèi)負荷也較輕，無法吸收PV的多余功率時，PV控制器可從最大功率跟蹤控制模式切換為穩(wěn)壓控制功能。因此，在采用最大功率跟蹤控制模式下的PV輸出功率大于系統(tǒng)負荷所需時，PV的決策過程比PEMFC、SOFC的工作流程更為復雜，如圖3所示。

圖3 PV出力大于負荷需求時的工作流程

2.2 PV出力小于負荷需求

當PV按最大功率跟蹤模式輸出仍無法滿足子系統(tǒng)A內(nèi)部交/直流負荷所需功率時，子系統(tǒng)A內(nèi)的直流母線電壓下降。當?shù)陀?00 V的額定電壓時，通過查詢SC放電裕度信息來決定是否閉合SC的并網(wǎng)開關SSC以進行放電穩(wěn)壓操作，與此同時PV控制器通過判斷子系統(tǒng)A是否向其他子系統(tǒng)輸出功率，以決定是否斷開相對應的聯(lián)絡開關。如果子系統(tǒng)A沒有對外功率支撐聯(lián)系，或者此時子系統(tǒng)A作為功率受進端，則繼續(xù)判斷引起母線電壓下降的原因是來自于內(nèi)部負荷波動，還是由外部互聯(lián)系統(tǒng)供需關系不平衡所引發(fā)的。對于后者PV控制器無需進行額外的操作，但對于前者PV控制器需根據(jù)SSC聯(lián)絡開關的變化狀態(tài)，決定是否以廣播的方式與子系統(tǒng)B、C內(nèi)的PEMFC和SOFC控制器通信，向其申請功率支撐。如果PEMFC和SOFC在滿足各自子系統(tǒng)負荷所需的前提下，仍具備供電備用能力，出于經(jīng)濟性的盈利考慮，PEMFC和SOFC可以不低于本系統(tǒng)售電價的報價予以回復。在得到兩者的回饋報價信息后，PV控制器既可選擇價低者作為交易對象，通過閉合兩子系統(tǒng)間的聯(lián)絡開關以完成電能交易，也可以測算購電成本與子系統(tǒng)A內(nèi)部的切負荷補償成本間的大小關系，以形成綜合決策。如果PEMFC和SOFC均不具備足夠的預留備用，并且此時SSC已閉合，則PV無法實現(xiàn)子系統(tǒng)A內(nèi)部的供需平衡，為了確保母線電壓的穩(wěn)定性，PV控制器將不得不采取切負荷操作。除此之外，在已連接的動態(tài)運行過程中，由于各子系統(tǒng)供求關系的實時變化，不僅SC會因自身放電裕度衰減，而且PEMFC或SOFC也會出于對所在子系統(tǒng)負荷突變時的優(yōu)先供電要求，而主動斷開與子系統(tǒng)A的聯(lián)絡開關。此時PV控制器需要重新尋找新的連接合作關系，或直接采用切負荷的電壓恢復方法。因此，在采用最大功率跟蹤控制模式下的PV輸出功率小于系統(tǒng)負荷所需時，PV的決策過程比PEMFC、SOFC的工作流程更為復雜，如圖4所示。

圖4 PV出力小于負荷需求時的控制器決策流程

當PV出力與負荷需求間的供需關系變化影響系統(tǒng)母線電壓時，PV控制器需與PEMFC和SOFC進行通信以確定能否進行電能交易，得到的信息反饋不僅反應了其他子系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，而且代表了后者的意愿與態(tài)度，也就是所屬業(yè)主的意志與運行目標。因此，在沒有微電網(wǎng)中心控制單元的全局指揮下，基于通信技術的自適應穩(wěn)定控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)各產(chǎn)權單元的自行溝通與決策，從而完成整個直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。

3 仿真分析

由于PV出力小于負荷需求時，PV的工作決策流程更復雜。根據(jù)圖1所示直流微電網(wǎng)結構特征，利用MATLAB軟件構建仿真模型，在百兆以太網(wǎng)環(huán)境下，模擬系統(tǒng)負荷大于PV出力且不斷增大時的系統(tǒng)運行情況。

鑒于采用最大功率跟蹤控制方法的PV輸出功率與自然條件密切相關，會造成接口斬波器電路輸出電壓波動，為避免SC頻繁啟動，設定SC的動作門檻值為20 V，滿足文獻[6]所述電壓波動小于±5%的穩(wěn)定范圍要求。仿真結果如圖5所示。

圖5 PV出力小于負荷需求時系統(tǒng)仿真結果

在初始狀態(tài)下，設定PEMFC所在子系統(tǒng)B中供需關系緊平衡，SOFC所在的子系統(tǒng)C中尚有發(fā)電裕度，同時子系統(tǒng)A中PV供電能力略小于負荷需求，導致直流母線電壓下降，當?shù)陀趧幼髟O定值時SC具備放電穩(wěn)壓能力。因此，SSC聯(lián)絡開關收到閉合信號于0.2 s左右合閘，如圖5(d)所示；隨著子系統(tǒng)A交流負荷分別于0.3、0.7、1.5 s的遞增，SC儲能裝置不斷增大輸出功率以維持母線電壓的穩(wěn)定，如圖5(b)所示；至2 s時由于負荷突增，子系統(tǒng)A的直流母線電壓再次低于動作設定值，由于SSC開關已閉合，PV向PEMFC和SOFC廣播功率支援信號，并且得到SOFC的同意回復，因此在2.3 s時兩子系統(tǒng)間的S2聯(lián)絡開關閉合，由此導致SOFC輸出功率增大，而且兩子系統(tǒng)直流母線具有一致的電壓波形，如圖5(a)、5(c)、5(d)所示。

當子系統(tǒng)A、C構成的互聯(lián)系統(tǒng)母線電壓逐步恢復額定值并維持穩(wěn)定運行過程中，設定子系統(tǒng)C內(nèi)部交流負荷于4.5 s突增。由此導致互聯(lián)系統(tǒng)直流母線電壓再次降低，PV判定此波動不是子系統(tǒng)A內(nèi)部負荷變化所造成，因此不采取任何動作。但對SOFC而言由于內(nèi)部負荷的增大，SOFC輸出功率激增，在接近最大工作功率時，為保證對自身所帶負荷的高質(zhì)量可靠供電，SOFC于5.2 s斷開與子系統(tǒng)A間的S2聯(lián)絡開關，如圖5(d)所示。此后SOFC輸出功率逐漸回落并穩(wěn)定，而子系統(tǒng)C的直流母線電壓經(jīng)短暫波動后穩(wěn)定在額定電壓運行。但對PV而言，由于外部支援功率的缺失并且內(nèi)部無備用電源，因此PV發(fā)出切負荷穩(wěn)壓操作指令以維持子系統(tǒng)A的直流母線電壓的穩(wěn)定。

4 結語

隨著我國鼓勵新能源發(fā)電建設的政策相繼出臺，分布式發(fā)電項目得到廣泛發(fā)展，并形成一定區(qū)域內(nèi)分屬于不同用戶、以分布式電源為主導、自帶負荷的新型微電網(wǎng)，各子系統(tǒng)間既相互依存又相互競爭。針對這種情況，以直流微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性為研究對象，提出基于通信網(wǎng)絡的自適應控制方法，并針對子系統(tǒng)內(nèi)的不同供需關系給出了相應的決策流程。仿真結果驗證了所提策略不僅滿足了不同用戶和業(yè)主自主性的表達，而且削弱了傳統(tǒng)微電網(wǎng)控制理論對于中心控制器健壯性、智能性和高效性的依賴，為研究多微電源間、多微電網(wǎng)間的競爭與協(xié)作提供了技術方案。

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(本文編輯：趙艷粉)

Adaptive Method for DC Microgrid Stability Control

DOU Fei1, WANG Weiyuan1, YANG Lin1, LI Tao2, QIAN Kang2, WANG Jingyi1, CHEN Guonian1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Nanjing 210024, China;2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

DC micro power grid stability control aims for DC bus voltage constancy. According to the operating features of distributed micro power, this paper proposes the stability control method based on communication network distributed micropower mutual consultation mechanism. This method, free from the dependence on the only global regulation of the micro grid center control unit, is an adaptive method suitable for the competition and cooperation between different distributed micropowers. This method can ensure the stable operation of DC microgrid, and it has the advantages of the flexibility of operation mode and control method. Simulation results prove that the adaptive control method can not only guarantee DC microgrid constant bus voltage, but also realize the set operation mode and control objectives of distributed micropower.

DC microgrid; distributed micropower; adaptive control method

10.11973/dlyny201703012

竇 飛(1979—)，男，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃及研究工作。

TM76

A

2095-1256(2017)03-0268-05

2017-03-16