基于DBS技術的直流微電網分層協調控制策略

趙中田，薛浩晨，邵選英，胡 健，李海濤

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2.北京東方華智石油工程有限公司，北京 100101）

·電網技術·

基于DBS技術的直流微電網分層協調控制策略

趙中田1，薛浩晨2，邵選英1，胡 健1，李海濤1

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2.北京東方華智石油工程有限公司，北京 100101）

新能源和新負荷在現代電力系統中的滲透率日益提高，直流微電網在整合新能源和新負荷方面具有諸多優勢，是未來智能配用電系統的重要組成部分。直流微電網系統內不存在無功控制與頻率穩定等問題，母線電壓是衡量系統供需功率是否平衡的首要指標。依據母線電壓信號將系統運行劃分為四個層級，在不同層級下母線電壓由不同的電源維持穩定。母線電壓在第一層至第三層時，電壓波動范圍較小由分布式電源維持母線電壓穩定；電壓在第四層級時，系統供需功率嚴重不平衡由交流電網維持母線電壓穩定。依據各個分布式電源的發電特性，采用不同的控制技術實現分布式電源的合理出力。最后，建立直流微電網的MATLAB／Simulink仿真模型，仿真結果表明所提出的策略具有有效性和可行性。

直流微電網；功率平衡；電壓分層；協調控制；下垂控制

Abstract:In recent years，the penetration of new energy and new loads in modern power system is increasing.DC microgrid has many advantages in the integration of new energy and new loads and is an important component of the future intelligent power distribution system.There is no issue such as reactive power control or frequency stability in the DC microgrid system.The bus voltage is the principal criterion to estimate whether the active power of the system is balanced.According to the bus voltage signal，the operation of the system is divided into four layers and at different level，the bus voltage is maintained by different power supplies.The bus voltage is regulated by the distributed power supply in the case that the bus voltage is in the first layer to the third layer and with small voltage fluctuations.The adjustment of the DC bus voltage provided by the AC power grid is put into effect in the case that the bus voltage is in the fourth layer which means the DC bus voltage seriously deviates from the nominal value and the power supply and demand are serious imbalance.According to the characteristics of the distributed generation，different control technologies are adopted to realize reasonable output of the distributed power supply.Finally，the MATLAB／Simulink simulation model of the DC microgrid is established，and the simulation results verify that the proposed strategy is effective and feasible.

Key words:DC microgrid；power balance；voltage hierarchy；coordination control；droop control

0 引言

近年來，新能源發電在電力系統中所占的比例日益提高，微電網在整合新能源發電和配電網方面有著諸多優勢，因此受到國內外的廣泛關注［1-3］。微電網一般由分布式發電單元、儲能單元、電力變換單元和負荷單元等組成。根據微電網系統中電流和電壓的類型，微電網可分為直流微電網、交流微電網和交直流混合微電網。相較于交流微電網，直流微電網具有諸多優勢［3］：1）部分直流負荷無需級聯變換器可直接連于公共母線上，降低系統損耗、提高系統效率；2）靈活簡便地整合多樣的分布式電源，如光電、風電、燃氣發電等；3）不需進行直流母線與配電網的同步控制。因此，直流微電網是未來智能配用電系統的重要組成部分。

直流微電網系統內不存在頻率穩定和無功優化等問題，直流母線電壓是唯一衡量系統有功功率是否平衡的依據［4］。因此，直流母線電壓的穩定是直流微電網運行控制的首要目標。直流微電網運行控制技術可分為集中式控制、分布式控制和分散式控制。分散式控制依據本地信息，協調直流微電網系統內各個變換器的運行，具有控制方式簡單且不受通信技術限制等優勢［5］。 直流母線信號（DC Bus Signal，DBS）技術由 John Sch?nberger等人提出［6］，是實現分散式控制的一種主要方法。DBS技術依據母線電壓狀態確定直流微電網的運行層級，在不同運行層級各電源變流器工作在不同的控制模態，實現清潔能源高效利用和直流微電網可靠運行。文獻［7］根據直流母線信號將直流微電網分為4個運行模式。在不同的模式下，母線電壓由不同的主控單元控制，維持直流母線電壓在允許偏差下運行，實現系統穩定工作和能量合理利用。為避免微電網運行模式在母線電壓分層臨界點頻繁切換，文獻［8］提出電壓滯環控制策略，實現平滑切換母線電壓在不同層級之間的運行模式。文獻［9］中分布式發電、儲能和配電網的變流器可在母線電壓控制和自控制模態之間依據DBS自適應切換。依據DBS本地信息完成控制目標，具有不能實現全局能量優化控制的弊端。因此，文獻［10］提出一種三層控制策略將DBS控制和高層能量管理系統相結合，實現孤島直流微電的經濟和可靠運行。

根據DBS控制技術理論并計及各分布式電源的特點，提出基于母線電壓信號技術的分層協調控制策略。根據直流微電網系統的DBS信息，將母線電壓波動范圍分為四個層級。母線電壓運行在不同的層級時，其穩定由分布式電源或交流電網維持。當某電源采用恒壓控制維持母線電壓穩定時，其余電源根據自身特性運行在功率控制模式或停機模式，實現清潔能源的最大化利用。為降低直流微電網對交流配電網的依靠程度，提高直流微電網運行的獨立性和高效利用清潔能源，當電源供給功率短時小于負荷需求功率時，小容量燃氣輪機啟用保障供電可靠性。同時，為避免系統功率波動過大所導致的切負荷和燃氣輪機長時間工作帶來的經濟性降低問題或分布式電源限功率運行等弊端，在母線電壓處于嚴重偏離額定值條件下將直流微電網與交流配電網互聯，保障直流微電網供電可靠性。最后，建立了直流微電網的MATLAB／Simulink仿真模型。仿真結果表明本文提出的協調運行策略具有有效性和可行性。

1 直流微電網系統結構

研究的直流微電網系統僅有一條公共母線并含有燃氣輪機非間歇性能源，如圖1所示。光伏單元通過DC／DC變換器接入直流母線。儲能系統由蓄電池和雙向DC／DC變換器構成，實現功率雙向流動。本地負載通過DC／DC與DC／AC變換器和直流母線相連。直流微電網和交流大電網通過雙向DC／AC變換器相連。圖中，Ppv是光伏單元的輸出功率，PESS是儲能系統的充放電功率，PFC為燃氣輪機向直流微電網系統輸入的功率，PL是本地直流負載消耗的功率，直流微電網和配電網的交換功率為PG。

圖1 直流微電網系統結構

2 分層協調控制策略與變換器控制

直流微電網中系統功率的波動由母線電壓唯一反映，因此保障系統內瞬時功率平衡是維持直流母線電壓恒定的關鍵。光電和風電等分布式發電易受環境影響，其輸出功率具有隨機性和間歇性。分布式發電的功率波動、負荷需求功率的波動以及直流微電網與配電網交換功率的波動均會影響系統的功率平衡，從而導致母線電壓發生波動。依據直流微電網內功率供需的關系設定母線電壓層級，在不同層級內母線電壓的穩定由不同的電源維持。

2.1 電壓分層協調控制

2.1.1 第一層控制

研究的直流微電網母線電壓額定值為400 V，即母線電壓 Udcn=400 V。 當 0.95Udcn＜Udc＜1.05Udcn時，母線電壓偏離額定值較小，母線電壓由儲能電池維持穩定。為提高儲能電池的使用壽命，當儲能電池的荷電狀態（State of Charge，SOC）達到臨界設定值后，儲能電池不再作為母線電壓的控制單元。在此控制層級下，系統運行在離網模式下，光伏發電單元采用最大功率追蹤控制（Maximum Power Point Tracking，MPPT），可以最大效率地利用可再生清潔能源，同時燃氣輪機不工作。

當 Udcn＜Udc＜1.05Udcn時，直流母線電壓高于額定值。因此儲能電池工作于充電模式下吸收額外功率，功率平衡條件如式（1）所示。如果儲能電池的荷電狀態高于90%，則系統切換到第二層控制。

當 0.95Udcn＜Udc＜Udcn時，系統供給功率小于負荷需求功率，母線電壓低于額定值。此時儲能電池工作于放電模式下保證電壓穩定和功率平衡，功率平衡條件如式 （2）所示。若儲能電池的荷電狀態低于10%，系統切換至第三層運行。

2.1.2 第二層控制

當 1.05Udcn＜Udc＜1.08Udcn時， 負荷功率小于系統的供給功率，母線電壓持續上升。同時由于儲能電池在第一控制層的連續充電，其荷電狀態大于90%，為防止儲能電池充電過度，儲能電池停止工作。此時系統工作在離網模式下，母線電壓由光伏單元維持，燃氣輪機不工作。在此控制層下，系統功率平衡條件為

2.1.3 第三層控制

由于儲能電池在第一層控制中連續放電使得荷電狀態低于10%。為防止儲能電池深度放電，損傷儲能電池性能，儲能電池停止工作。直流母線電壓Udc持續跌落。 當0.92Udcn＜Udc＜0.95Udcn時， 燃氣輪機啟動，短時維持直流母線電壓穩定。在此控制層級下，直流微電網仍然離網運行，光伏單元運行在MPPT模式下。在此控制層級下，系統功率平衡條件為

2.1.4 第四層控制

第四層控制中，直流母線電壓Udc偏離額定值較大，Udc＞1.08Udcn或 Udc＜0.92Udcn。 此時，直流母線電壓波動范圍較大，分布式電源輸出功率和負荷需求功率不平衡，直流微電網的功率流動不能自平衡。為保障直流微電網系統的供電可靠性，直流微電網與配電網互聯，網側變換器啟用，維持直流母線電壓穩定。在該控制層下，光伏發電采用MPPT模式以實現最大功率輸出，燃氣輪機停止工作。

當直流母線電壓Udc＞1.08Udcn時，分布式電源發出功率大于負荷需求功率，并且儲能電池SOC大于90%，儲能電池停止工作。因此，網側變換器工作在逆變狀態下維持母線電壓穩定。當直流母線電壓Udc＜0.92Udcn時，分布式電源發出功率小于負荷需求功率，母線電壓下降。網側變換器工作在整流狀態，向直流微電網輸入功率。此時，儲能電池SOC低于10%，儲能電池工作在充電模式下。在該控制層下，系統功率平衡條件為

2.2 變換器控制

2.2.1 儲能單元變換器控制

直流母線電壓在第一控制層下，母線電壓由儲能電池維持恒定。為防止儲能電池頻繁充放電對電池性能的損害，電壓在0.98Udcn～1.02Udcn之間時，儲能單元不工作，允許母線電壓在此范圍內自由波動。若母線電壓超出該范圍后，儲能電池則通過吸收或輸出功率維持源荷功率平衡。儲能電池變換器采用自適應下垂控制，相關下垂特性曲線如圖2所示。自適應下垂系數為mi；Ibmax和Ibmin分別為儲能電池最大放電電流和最小充電電流；UH2、UH1分別為在母線電壓Udc高于額定值Udcn時儲能電池自適應下垂控制的上限值和下限值；UL1、UL2分別為在母線電壓Udc低于額定值Udcn時儲能電池自適應下垂控的上限值和 下 限 值 。 本 文 分 別 設 定 UH2、UH1、UL1、UL2為1.05Udcn、1.02Udcn、0.98Udcn、0.95Udcn。

圖2 儲能電池下垂特性曲線

由圖2可知，儲能電池充放電電流與母線電壓之間關系為

自適應充放電下垂系數mi根據電池的實時荷電狀態而自調整。下垂系數mi由式（7）確定。

式中：mb為儲能電池的初始下垂系數；λ為第i個電池的荷電狀態SOCi和所有電池SOC的平均值的比值，即為

因此，根據儲能電池SOC計算得到儲能電池的自適應下垂系數。本文儲能電池變換器采用雙PI控制，將自適應下垂控制引入變換器的電壓外環控制中，其控制方式如圖3所示。

圖3 儲能電池變換器控制

2.2.2 光伏單元變換器控制

光伏單元通過DC／DC變換器接入直流母線，變換器可在最大功率追蹤和母線電壓控制兩種模式之間切換。當母線電壓在第二控制層級時，分布式發電輸出功率大于負荷需求功率，光伏單元采用母線電壓控制模式維持母線電壓穩定；當母線電壓在第三控制層，分布式發電輸出功率小于負荷側需求功率，光伏單元采用MPPT控制輸出最大功率，母線電壓由其余單元維持。光伏單元變換器的控制方式如圖4所示。

圖4 光伏變換器控制

光伏單元的母線電壓控制與MPPT控制均采用雙PI控制。最大功率追蹤控制采用增量電導法計算得到電壓外環的參考電壓，母線電壓控制環節依據下垂特性計算得到電壓外環的參考電壓。IL為光伏變換器的輸出電流。

2.2.3 燃氣輪機變換器控制

直流微電網中的燃氣輪機可在恒壓和空閑兩種模式之間切換。燃氣輪機僅在電壓下降較大時啟用以提高直流微電網的清潔能源利用率。燃氣輪機亦采用雙PI控制，電壓外環的參考電壓Uref取值為0.94Udcn。燃氣輪機控制如圖5所示。其中，IL為燃氣輪機變換器的輸出電流。

圖5 燃氣輪機變換器控制

2.2.4 網側變換器控制

配電網通過AC／DC變換器接入直流母線上，如果直流微電網系統功率波動范圍很大，網側變換器則啟用維持直流母線電壓恒定。AC／DC變換器采用雙閉環解耦控制，如圖6所示，其中外環為電壓控制和無功功率控制，內環為電流環控制。根據直流母線電壓所在的控制層確定直流母線電壓的參考值。當直流母線電壓Udc＞1.08Udcn時，設定母線電壓參考值為 1.09Udcn；當 Udc＜0.92Udcn時，設定直流母線參考電壓為0.91Udcn。無功功率參考值Qref由AC／DC變換器輸出無功功率的控制目標獲得，本文設定為零。網側變換器的控制如圖6所示。

圖6 網側變換器控制

3 仿真分析

為驗證所提電壓分層協調控制策略的有效性，搭建如圖1所示的直流微電網MATLAB／Simulink仿真模型。光伏單元與風機單元采用Simulink元件庫中的已有模型；燃氣輪機用直流電壓源代替；交流電網采用三相電源模型模擬；設定直流微電網中的負荷僅為電阻性負荷。因此，根據提出的電壓分層協調控制策略，可得仿真波形如圖7所示。

圖7 分層協調控制策略仿真波形

設定直流母線額定電壓為400 V，圖7（a）為根據控制策略得到的直流母線的仿真波形；圖7（b）表示光伏單元的輸出功率；圖7（c）為儲能電池與直流微電網的交換功率，放電時功率為負，充電時功率為正；圖 7（d）為燃氣輪機的輸出功率；圖 7（e）為交流電網與直流微電網的交換功率，功率為負值時直流微電網向交流電網輸送功率，功率為正時則反之；圖7（f）為負載消耗的功率。

0≤t＜2 s：母線電壓在第一控制層，儲能電池作為電壓控制單元，母線電壓被維持在額定值400 V。本地負荷的需求功率為1000W。光伏工作在MPPT模式，其輸出功率為1 500 W，大于負載的需求功率。儲能電池工作在充電模式，充電功率為500W。

2 s≤t＜4 s：在 t=2 s時，儲能電池的荷電狀態大于90%，此時儲能電池停止工作。光伏單元從最大功率追蹤控制切換到恒壓控制模式，母線電壓維持在424 V。光伏的輸出功率限制在1 000 W，等于負載功率。

4 s≤t＜6 s：當 t=4 s時，負載減少至 800 W，導致母線電壓上升。此時系統功率波動較大，網側變換器投入工作，調整母線電壓，母線電壓控制在436V。光伏切換到MPPT工作模式，輸出功率為1 500 W。在此層控制中，直流微電網中的700 W剩余功率輸入到交流電網。

6 s≤t＜8 s：在 t=6 s時，光伏的輸出功率減小到300 W，負載功率仍然是800 W。儲能電池工作在放電模式下調節母線電壓，網側變換器停止工作。放電功率為500W，母線電壓穩定在400V。

8s≤t＜10s：當t=8s時，儲能電池的SOC小于10%，為防止儲能電池深度放電對電池造成的損傷，儲能電池停止工作。光伏的輸出功率300W小于本地負載需求功率800W。因此，燃氣輪機開始輸出1000 W功率，母線電壓控制在376V。為提高微電網供電可靠性，儲能電池進行充電儲能，充電功率為500W。

10 s≤t＜12 s：在 t=10 s 時，負載功率增加到1500W，光伏輸出功率為300W。此時系統功率波動較大，網側變換器投入工作，其輸出功率為1 200 W。網側變換器維持母線電壓在364 V。此時，儲能電池和燃氣輪機不工作。

12 s≤t＜14 s：當 t=12 s時，直流微電網中的負荷為0W，此時直流微電網不帶負荷。網側變換器停止工作，母線電壓由儲能電池維持在400 V。由于負荷需求功率為0，并且儲能電池SOC大于90%，所以各個微源停止工作，其輸出功率為0W。

4 結語

分散式控制可根據本地局部信息在無通信互聯的基礎上，實現不同電源出力的合理分配。根據DBS控制技術所提出的母線電壓分層控制策略可協調直流微電網內不同的電源，確保各個電源之間功率的合理分配，實現直流微電網能量平滑流動并保證母線電壓恒定。設定母線電壓包含四個層級，在每層級下母線電壓可由不同的電源維持穩定。當系統內有功供需嚴重不平衡時，母線電壓由網側變換器維持，依靠配電網容量大的優勢維持母線電壓穩定。最后，仿真結果驗證了所提出策略的有效性和可行性。

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Hierarchical Coordinated Control Strategy Based on DBS Technology for DC Microgrid

ZHAO Zhongtian1，XUE Haochen2，SHAO Xuanying1，HU Jian1，LI Haitao1
（1.Shandong University of Technology，College of electrical and electronic engineering，Zibo 255049，China；2.Beijing Orient Huazhi Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100101，China）

TM721

A

1007－9904（2017）09－0001－05

國家自然科學基金項目（51407112）

2017-06-20

趙中田（1990），男，碩士研究生，研究方向為直流微電網運行控制和穩定性分析。