適用于直流微電網的儲能控制仿真研究

胡子安，張紫凡，王 玕，王智東，羅偲綾，張曉蝶

（廣州城市理工學院，廣東 廣州 510800）

0 引言

為應對資源短缺和環境污染對電力系統發展提出的嚴峻挑戰，分布式發電技術得到了各國電力行業的廣泛關注。但大量分布式電源（如太陽能電池、燃料電池、風力機和小型燃氣輪機等）直接并網將會對公共電網調峰和系統安全運行造成顯著影響［1-4］。為充分發揮分布式電源的價值和效益，分布式電源采用微網形式并入主網［5-6］。傳統的電力系統屬于交流系統，因此對于微電網的研究大多集中在交流微電網方面［7-9］。而且由于直流形式分布式電源的發展、直流用電負荷比例的增高、儲能裝置使用的增多及敏感負荷對供電質量要求的提高，且直流系統不存在相位同步、諧波和無功功率損耗等方面的問題，因此采用直流方式組織電源、儲能、負載及監控裝置構成的直流微電網將成為未來用電領域的一種重要模式［10］。

直流微電網的研究重點和難點在于如何在直流微電網系統運行中維持母線電壓穩定，保證系統功率平衡。而直流微電網系統中多數可再生能源由于其能量本身具有不均勻性和不可控性，輸出的電能可能隨時發生變化。當外界的光照、溫度、風力等發生變化時，微源相應的輸出能量就會發生變化，這將導致系統內功率不平衡，進而造成直流母線電壓大范圍波動。為平抑母線電壓波動，解決能量供給波動性，提升系統可靠性，直流微電網系統中通常需要增加儲能裝置。因此，直流微電網系統中儲能系統充放電的控制方法成為研究熱點之一［11-15］。對變換器的控制是直流微電網最基礎亦是最重要的控制。目前，常用的功率分配方法有主從控制、平均電流控制和下垂控制［16］，而下垂控制作為直流微電網傳統的控制方式，不依賴通信算法、控制簡單，且能夠較好地平衡輸出功率，更適合在直流微電網中使用［17］。

本文根據典型直流微電網的系統結構，基于PSCAD 仿真平臺建立了直流微網的仿真模型。根據儲能系統的變流器紋波系數確定合理的濾波環節的參數值，并針對下垂系數對系統的影響進行了仿真分析。

1 直流微電網系統

一般直流微電網是指通過一條公共的直流母線將所有微電源連接起來的獨立可控系統。各個部分通過變換裝置連接在母線上，通過各個單元的功率交換實現系統的穩定和平衡，并對用戶提供電能和熱能［18］。

直流微電網一般由分布電源、用戶負載、儲能設備、轉換裝置、控制環節等組成。

1）分布式電源：以光伏發電和燃料電池為主，其發電以直流形式產生電能，可以經過DC-DC變換器直接接入直流配網，與接入交流電網相比可以省去了逆變環節。

2）儲能設備：多為直流設備，易于接入直流微電網。適用的電力儲能裝置主要有電池儲能、超導儲能等形式。

3）用戶負載：多為新型用電設備。如計算機、家用電器、開關電源、通信設備和電動汽車等，這些用電設備或者采用直流供電，或者具備直流環節。

4）轉換裝置：包括分布式能源接入母線的DC-DC轉換、蓄電池接入母線的雙向DC-DC轉換和直流微電網接入大電網的DC-AC逆變轉換。

5）控制環節：光伏系統一般采用MPPT控制方式，可以最大限度利用可再生能源。而DC-DC 變換器控制一般為下垂控制方式，可以實現各變換器的輸出功率按比例分配，以調節母線電壓，且儲能系統可以檢測并網與孤網狀態。

含光伏系統直流微電網結構如圖1 所示［19］，圖1中Ipv和Upv為光伏輸出電流和電壓，Ic為光伏發電系統輸出的電流，Udc為直流母線電壓，Ib1和Ib2分別為兩個DC/DC變換器輸出的電流。

圖1 直流微電網的組成和控制方式圖Fig.1 Composition and control mode of DC microgrid

2 儲能設備的下垂控制

2.1 儲能設備的下垂控制原理

目前大多數的DC/DC 控制采用的都是電壓內環電流外環的雙閉環控制，其可以根據母線電壓調節變換器的輸出電流，控制功率輸出大小。所以傳統的下垂控制就是在原有雙環控制的基礎上加入了下垂控制環節作為外環控制，通過控制DC/DC 變換器的輸出電壓期望值，通過外環控制得到參考電壓，然后再進行電壓電流雙閉環控制，得到控制信號。

下垂控制方法還有嵌入式下垂控制法、虛擬電抗下垂控制、分段下垂控制法等，但在工程中虛擬電阻下垂控制應用最為普遍，因此本文的研究對象是虛擬電阻下垂控制。 虛擬電阻下垂控制法（Virtual Impedance Based Droop Control，VIBDC），其控制原理主要為通過加在變流器控制環節中的虛擬電阻來調節變流器參考電壓從而實現分配變流器輸出功率的控制目的，VIBDC的控制如圖2所示［20-22］。

圖2 中，Urate為額定電壓，Uref為下垂輸出參考電壓，Iref為下垂輸出參考電流，d為導通比，Udc為母線電壓，iL為DC/DC 電感的電流，r為下垂系數。下垂控制的原理為

圖2 下垂控制的控制框圖Fig.2 Control block diagram of droop control

由此可知，它是通過減少輸出電流，減少PI 控制器的參考值，然后通過電壓電流內外雙環調節來實現對母線電壓的控制，以及對設備輸出功率的調配。

根據下垂控制原理，系統中的兩個儲能設備可以根據下垂系數分配功率輸出變換器的下垂控制運行原理如圖3，其中r1、r2分別為兩個儲能變流器的下垂系數，1、2 點為兩儲能系統運行的狀態點。當I為正，表示儲能系統放電，當I為負則放電，Uref為兩儲能系統運行狀態的電壓。

圖3 下垂控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of droop control

3.2 DC/DC變流器的參數選擇

本文采用的DC/DC變流器，要求輸入電壓Uo穩定在230 V，輸出的電壓U穩定在100 V 左右，輸出負載電阻為12.5 Ω，IGBT開關頻率fs為1 kHz。DC/DC電路圖如圖4 所示，其中io為輸入電流，iL為電感電流，i為輸出電流。

圖4 雙向DC/DC變換電路Fig.4 Bidirectional DC/DC conversion circuit

在已有的單向BUSK和BOOST電路基礎上通過元件串并聯來實現能量的雙向流動。兩個IGBT 不能同時導通，正向時下面的IGBT導通，反向時上面的IGBT導通，分別構成BUSK和BOOST電路。

假設器件理想，運行正常。輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直。忽略電感阻值。通過下列計算，得導通比

3 基于PSCAD的仿真驗證及分析

為了驗證下垂系數對功率分配的影響，通過仿真系統用2個并聯結構的儲能設備通過雙向DC/DC共同為負荷供電。基于上文所述模型結構與計算求得的參數，在PSCAD搭建了直流微電網的模型，2個儲能裝置采用下垂控制，光伏系統用1 A的電源代替，母線電壓Urate為100 V。負載電阻在0 s～2.5 s為25 Ω，負載功率約為400 W，在2.5 s～5 s負載增加，增加后的負載電阻值為12.5 Ω，負載功率約為800 W。運行仿真模型，分析得到以下不同參數設置下的仿真結果。設置r1、r2分別為0.5和0.5。運行模型，得到結果如圖5-圖6所示。

圖5 光伏系統母線電壓運行結果1Fig.5 Bus voltage operation results 1 of photovoltaic system

圖6 光伏系統的功率分配結果圖1Fig.6 Power distribution results of photovoltaic system figure 1

從圖5-圖6可以看出，母線電壓Udcc為在0 s～2.5 s為99.1 V 左右，而在2.5 s～5 s 為98.4 V 左右。運行情況良好，運行穩定且跟蹤良好，電壓偏差ΔU不大。

光伏系統的功率Pv保持在0.1 kW 左右。在0 s～2.5 s 時，母線功率Pload為0.39 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.145 kW和0.145 kW；在2.5 s～5 s時，母線功率Pload為0.77 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.33 kW和0.33 kW。可以看出關系有

把r1、r2分別設置為0.5 和1，其余設置不變，運行模型，得到結果如圖7-圖8所示。

圖7 光伏系統母線電壓運行結果2Fig.7 Bus voltage operation results 2 of photovoltaic system

圖8 光伏系統的功率分配結果圖2Fig.8 Power distribution results of photovoltaic system figure 2

從圖7、圖8 可以看出，母線電壓Udcc在0 s～2.5 s時為98.7 V 左右，而在2.5 s～5 s 時為97.6 V 左右，運行情況良好，運行穩定且跟蹤良好，電壓偏差ΔU不大。

光伏系統功率Pv保持在0.1 kW 左右，在0 s～2.5 s時，母線功率Pload為0.39 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.19 kW 和0.095 kW；在2.5 s～5 s 時，母線功率Pload為0.765 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.44 kW和0.22 kW。

母線的功率分別由兩個儲能設備輸出，且按虛擬電阻的比例進行分配。

1）再把r1、r2分別設置為0.5 和2，其余設置不變。運行模型，得到結果如圖9-圖10所示。

圖9 光伏系統母線電壓運行結果3Fig.9 Bus voltage operation results 3 of photovoltaic system

圖10 光伏系統的功率分配結果圖3Fig.10 Power distribution results of photovoltaic system figure 3

從圖9、圖10 可以看出，母線電壓Udcc為在0 s～2.5 s 為98.7 V 左右，而在2.5 s～5 s 為97.3 V 左右。運行情況良好，運行穩定且跟蹤良好，電壓偏差ΔU不大。

光伏系統的功率Pv保持在0.1 kW 左右。在0 s～2.5 s 時，母線功率Pload為0.39 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.23 kW和0.06 kW；在2.5 s～5 s時，母線功率Pload為0.75 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.52 kW和0.13 kW。可以看出關系有

2）再把r1、r2分別設置為1 和2，其余設置不變。運行模型，得到結果如圖11-圖12所示。

圖11 光伏系統母線電壓運行結果4Fig.11 Bus voltage operation results 4 of photovoltaic system

圖12 光伏系統的功率分配結果圖4Fig.12 Power distribution results of photovoltaic system figure 4

從圖11、圖12可看出，母線電壓Udcc在0 s～2.5 s時為98.1 V左右，而在2.5 s～5 s時為95.6 V左右，運行情況良好，運行穩定且跟蹤良好，電壓偏差ΔU不大。

光伏系統功率Pv保持在0.1 kW 左右，在0 s～2.5 s時，母線功率Pload為0.384 kW，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.19 kW和0.95 kW；在2.5 s～5 s時，母線功率Pload為0.73 k W，兩儲能裝置的功率Pess3、Pess4為0.42 kW和0.21 kW。可以看出關系有

運行結果與情況（2）相似

4種情況在2.5 s～5 s時的結果如表1所示。

表1 多組下垂系數組合運行結果Table 1 Combined operation results of multi-sets sag coefficients

根據運行結果可以看出，該模型在下垂系數都較小時，跟蹤效果好，電壓可以較為穩定跟蹤設定值，有偏差低于100 V 設定值但不大，基本沒有什么電壓波動。但隨著任意一個下垂系數的增大，電壓偏差會不斷增大，越來越偏離設定值100 V。當負載電阻變小時，母線電壓偏差也會增大，功率輸出比較穩定，無太大波動和損耗，功率分配可以很好地根據下垂系數組合比例來進行調節。

4 結語

本文以傳統下垂控制為研究對象，著重研究了直流微電網結構和下垂控制原理，并搭建了相關模型，分析了不同下垂系數對直流微網的影響，得到如下結論：1）功率分配根據下垂系數組合比例來進行調節，與下垂系數大小無關；2）母線電壓偏差受下垂系數大小影響，下垂系數越大母線電壓越偏離設定值；3）負載功率受下垂系數大小影響隨著下垂系數增大，負載功率減少。負載電阻越小時，這種影響越明顯。