直流微電網運行控制分析

武保東

摘 要：直流微電網是一種新興的微電網形式，與交流微電網相比，其結構簡單、電能轉化率高、電能質量高，可以提高分布式電源的效率，對于節能減排以及實現能源有效利用有重大意義。直流微電網在未來智能配用電系統中將發揮巨大作用，設備級控制和系統級控制是直流微電網運行控制的兩種主要方式，本文主要從這個兩個方面對直流微電網的運行控制進行了分析。

關鍵詞：直流微電網 設備級控制 系統級控制

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（c）-00-02

近年來，社會經濟的飛速發展，面臨的能源消耗及環境污染等問題日趨嚴重，國內外的學者開始關注新能源分布式發電技術，可再生能源微電網由于接入負荷的不確定性導致一系類波動性問題，造成系統運行的不穩定性以及安全性等問題，嚴重制約著新能源的消納。直流微電網作為一種新興的微電網形式，可獨立運行也可與主電網分離運行，提高了配電系統的安全性和供電可靠性，同時由于采用光伏、風能等新能源分布式發電，避免了化石能源的使用，有利于節能減排。相比于交流微電網，直流微電網使用直流母線將分布式電源連接成微電網，在許多方面優于交流微電網。例如，直流微網中的各類分布式電源與直流母線的連接方式簡單，使得新能源分布式電源更容易整合到直流微電網中，而且無需考慮交流電網中電壓的頻率、相位等問題。此外，通過分別控制直流母線電壓和電流可以實現直流微電網功率平衡控和潮流的控制。

目前，國內外關于直流微電網的研究得到了進一步發展，主要包括微電網的結構、運行的穩定性、利用效率等方面。本文結合國內外對直流微電網的研究現狀，主要對直流微網運行控制策略進行了分析。

1 控制目標分析

直流微電網與交流微電網的運行都包括并網運行和獨立運行兩種模式。當直流微電網以其中一種方式運行時，都是用直流母線電壓來反映系統功率是否平衡。對直流母線電壓的控制，可以通過直流微電網系統和大電網接口的變換器進行控制，也可以通過直流微網系統內的分布式發電系統、儲能單元來進行調節。

目前已有文獻提出基于直流母線電壓信號直流微電網運行的控制方法，這種控制方法一般適用于單一母線直流微電網的運行控制，但對含有多條母線和線路阻抗的復雜直流微電網來說實現協調控制仍具有一定的局限性，如直流母線電壓隨穩態運行點變化而發生變化、工作運行模式受限、儲能系統及直流微電網能量管理系統過于簡單導致無法實現系統經濟運行等。為此，有文獻提出了設備級和系統級控制的協調控制策略，該控制策略能夠在不同時間尺度上實現對系統的優化控制。設備級控制的目的在于保證母線電壓恒定，實現直流微電網功率平衡，從而使微網系統穩定運行。系統級控制的主要目的是在實現穩定運行的基礎上對系統進行集中管理和能量優化控制，繼而提升系統整體運行效率和可靠性，實現最優運行。

2 設備級控制策略

該策略以直流母線電壓控制為主要對象，根據控制方法的不同分為主從控制和對等控制。主從控制通常只有獨立控制器來控制直流母線電壓，對于復雜直流微電網，如果此控制器出現故障，直流微電網將失去功率平衡，造成電壓跌落甚至系統崩潰，所以主從控制的可靠性較差，對于簡單直流微電網比較適合。對等控制主要基于下垂控制方法，對復雜直流微電網母線電壓的穩定有很好的控制作用。該方法中，系統存在多個功能對等能夠控制直流母線電壓的器，每個主控制器都通過各自輸入端口接收直流母線功率和輸出端口直流電壓等本地信息，能夠共同協調控制，維持直流母線電壓穩定性以及功率的平衡。即使其中某個主控制器因故障退出運行，依然可通過剩下的控制器保證對直流微電網系統的穩定性運行控制。相比于主從控制，對等控制的可靠性得到了提高。

3 系統級控制策略

3.1 二次協調控制

上文中設備級控制主要面臨多電源均流和穩態電壓偏差等問題，為此，有文獻提出了二次協調控制，二次協調控制主要分為集中通信控制、集中通信分布式控制和分布式協同控制3種方式。

（1）集中通信控制。使用二次集中控制器實現對直流微網的二次協調控制。二次集中控制器檢測直流母線電壓以及參與直流母線電壓控制的各主控制器輸出功率，然后進行相應的直流母線電壓穩定和各單元輸出均流控制算法，來實現相應控制目的。此方法的最大缺陷就是當二次集中控制器出現故障時，系統無法完成二次協調控制，降低了系統控制的可靠性。

（2）集中通信分布式控制。不同于集中通信控制該方法是利用二次控制器嵌入各主控制器中，直接接收自身以及其他各主控制器出口直流電壓、輸出功率等檢測信息，發出下垂控制調整指令，二次協調控制算法在各個主控制器執行，因此系統可靠性得到提升。但是由于檢測的信息增多，增加了網絡通信容量。

（3）分布式協同控制。各主控制器只與鄰近控制器通信，通過接收自身及相鄰控制器發出的信息，輸出調節指令，從而達到分布式協同控制直流微電網二次電壓穩定和均流控制目的。此方法不僅提高了系統的可靠性，而且降低了通信網絡的壓力。

3.2 能量優化系統控制

能量優化控制策略是實現直流微電網分布式電源有效利用，安全運行的重要保障，能量管理系統主要有集中式、分布式和混合式3種。

（1）集中式控制。由統一的中央控制器對系統內各單元進行集中監控。該控制方式簡單，易于實現，但對中央控制器依賴性較高，可靠性不夠高。

（2）分布式控制。通常通過多代理方式，各單元控制其通過與鄰近單元進行相互通信實現協調控制，易于實現即插即用但缺乏統一協調和管理，且對分布式優化運行算法要求較高。

（3）混合式控制。在此種控制體系中，對系統進行區域有效劃分，每個控制區域都有分布式電源、儲能系統及負荷，并且每個區域有獨立的控制器負責本區域的優化運行控制，各區域之間各自的控制器通過互相通信協調控制實現全局優化控制。該控制方式集合了集中式和分布式控制的優點，不但對于多母線直流微網比較適用，而且使得直流微電網系統的可靠性和可擴展性得到了提高。

4 結語

本文主要從直流微電網設備級控制和系統級控制兩方面對微電網運行控制了分析。設備級控制主要通過控制直流母線電壓，實現系統內功率的平衡，從而保持直流微電網穩定運行；系統級控制對直流微電網系統進行集中管理和能量優化，提升了系統運行效率和可靠性，實現優化運行。如何提高設備級控制的魯棒性以及系統級控制的可靠性、靈活性和可擴展性，是未來直流微電網運行控制技術研究的重要方向。

參考文獻

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