基于電壓分層控制的直流微電網(wǎng)及其儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略

郭 慧 汪 飛 顧永文 李玉菲

基于電壓分層控制的直流微電網(wǎng)及其儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略

郭 慧 汪 飛 顧永文 李玉菲

（上海大學機電工程與自動化學院上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室 上海 200444）

由于直流微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電具有隨機性和波動性等特點，儲能單元的配合可較好地解決這一問題。但是，現(xiàn)有基于直流母線電壓信號的分層控制未充分考慮多儲能單元的協(xié)調(diào)以及孤島系統(tǒng)容量不足的情況。因此，該文提出一種基于電壓分層控制的直流微電網(wǎng)及其儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略。為實現(xiàn)電壓分層下多儲能單元的分散協(xié)調(diào)控制，該文首先揭示已有微電網(wǎng)系統(tǒng)不同運行模式所對應的負載功率邊界。然后，提出基于多儲能單元荷電狀態(tài)（SOC）的改進模糊控制和下垂控制，以實現(xiàn)多儲能單元充放電功率自適應分配。針對孤島系統(tǒng)容量不足的情況，在儲能擴容單元容量計算的基礎上，提出一種基于過/欠電壓控制器的儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略，并分析其對已有系統(tǒng)功率邊界的影響，以保證直流微電網(wǎng)安全可靠運行。最后，通過仿真和實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的可行性和有效性。

直流微電網(wǎng) 儲能單元荷電狀態(tài)（SOC）電壓分層控制 儲能擴容控制

0 引言

隨著經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，能源需求與環(huán)境危機成為人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。以煤、石油、天然氣為主的傳統(tǒng)化石能源消耗，致使全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境破壞等問題日益突出。在此情況下，光能、風能等清潔能源發(fā)電備受關(guān)注，這類能源規(guī)模相對較小，運行成本低，被稱為分布式電源。為應對分布式電源類型多、數(shù)量大、較分散的特點，微電網(wǎng)作為連接分布式電源與配電網(wǎng)間的紐帶被提出[1-3]。

按照不同的供電方式，微電網(wǎng)可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。交流微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)展相似、技術(shù)較為成熟，不僅可以繼續(xù)使用原有交流電網(wǎng)中的設備，而且與交流負荷相兼容[4-6]。隨著微電網(wǎng)中新能源發(fā)電類型的增多，儲能技術(shù)的發(fā)展以及終端用戶負荷直流化趨勢明顯，直流微電網(wǎng)在減少能量變換環(huán)節(jié)、提高能源利用率和系統(tǒng)可靠性上體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[7-9]。交直流混合微電網(wǎng)包括各自獨立連接運行的交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)以及雙向變流器。本質(zhì)上，交直流混合微電網(wǎng)是在交流微電網(wǎng)的基礎上，結(jié)合了直流微電網(wǎng)的優(yōu)點發(fā)展而來。但交/直流功率的協(xié)調(diào)互動、運行模式的靈活多樣，給交直流混合微電網(wǎng)的運行控制帶來了諸多挑戰(zhàn)。同時，交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)在控制過程中均面臨電壓、頻率、相位、無功等難題，而直流微電網(wǎng)只需控制母線電壓，控制復雜程度降低。因此，本文針對直流微電網(wǎng)提出基于母線電壓信號的分層控制策略以實現(xiàn)系統(tǒng)及其儲能擴容單元的功率協(xié)調(diào)控制。

直流微電網(wǎng)中包含多種類型的分布式電源、儲能單元、負荷單元以及多功能集成的變換器。目前，國內(nèi)外學者對直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、運行模式和控制策略的研究不斷深入[10-14]。文獻[15-16]提出一種無電壓偏差的下垂控制策略，能同時實現(xiàn)多變換器間的功率分配，但是若母線發(fā)生單點故障將導致整個系統(tǒng)的崩潰。文獻[17]結(jié)合集中控制與分散控制的優(yōu)點，將直流微電網(wǎng)控制框架劃分為變流器控制層、母線控制層和調(diào)度管理層。通過各層的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)電力供給的經(jīng)濟化和智能化。文獻[18-20]提出了基于多智能體的一致性均流控制策略，需本地信息和相鄰信息對變換器進行二次調(diào)節(jié)實現(xiàn)直流母線電壓自恢復和均流控制。但是，未考慮儲能恒流充電和恒壓放電的不同控制目標，以及充放電功率的精確分配。文獻[21-22]在分析直流微電網(wǎng)各組成部分運行模式的基礎上提出電壓分層控制策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)的無通信運行和即插即用功能。但是，現(xiàn)有研究未充分考慮電壓分層控制下多儲能單元的分散協(xié)調(diào)控制以及孤島系統(tǒng)容量不足的情況。

基于上述分析，本文提出一種基于電壓分層控制的直流微電網(wǎng)及其儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略。首先揭示了電壓分層控制下已有微電網(wǎng)系統(tǒng)不同運行模式所對應的負載功率邊界，然后提出基于多儲能單元荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）改進的模糊控制和下垂控制策略，以實現(xiàn)多儲能單元的充放電功率自適應控制。針對孤島系統(tǒng)容量不足的情況，在儲能擴容單元容量計算的基礎上，提出一種基于過/欠電壓控制器的儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略，并對已有系統(tǒng)功率邊界的影響進行分析，以保證直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行。

1 直流微電網(wǎng)的構(gòu)成及運行模式

本文研究的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。包含1個光伏（Photovoltaics, PV）單元、3個儲能（Battery, BAT）單元及若干直流負載，下文將介紹主要設備單元及其運行模式。

圖1 直流微電網(wǎng)架構(gòu)

（1）發(fā)電單元：采用光伏作為發(fā)電單元，通過Boost變換器接入直流微電網(wǎng)中。Boost變換器通常運行于最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）模式，以盡可能地捕捉光伏發(fā)出的功率。但是，當光伏輸出功率大于儲能和負載吸收功率時，為維持母線電壓在允許范圍內(nèi)且保證光伏可靠運行，光伏單元轉(zhuǎn)換為電壓下垂模式，以實現(xiàn)降功率運行。

（2）儲能單元：采用鉛酸電池作為儲能單元，通過三相交錯并聯(lián)Buck-Boost變換器，實現(xiàn)不同電壓等級儲能單元與直流母線之間的連接，并且多儲能單元根據(jù)SOC自主實現(xiàn)改進的恒流充電模糊控制和恒壓放電下垂控制，具體過程將在2.2節(jié)闡述。

（3）負載單元：采用直流負載直接或通過DC- DC變換器接入直流微電網(wǎng)。分析系統(tǒng)在不同典型工況下（包括恒阻抗負載、恒電流負載和恒功率負載）的直流母線電壓波動范圍，合理設置系統(tǒng)參數(shù)如濾波器、滯環(huán)環(huán)寬等，有效抑制直流母線電壓波動對所提電壓分層控制的影響[23]。

2 基于電壓分層控制的功率協(xié)調(diào)控制

2.1 基于直流母線電壓信號的分層控制

2.1.1 直流母線電壓信號劃分

直流微電網(wǎng)電壓分層控制示意圖如圖2所示，將直流母線電壓額定值N設置為600V。根據(jù)±5%直流母線電壓允許波動最小值和最大值，設定L2和H2分別為570V和630V；設定L1和H1分別為580V和620V（即±3.33%直流母線電壓允許波動最小值和最大值），并使其對應儲能處于最大充電功率和最大放電功率的電壓臨界值。

圖2 直流微電網(wǎng)電壓分層控制示意圖

根據(jù)直流母線電壓范圍劃分區(qū)間并設定各單元的運行模式，dc_pv、dc_bat、dc_L分別為光伏變換器輸出側(cè)、儲能變換器輸出側(cè)和負載側(cè)直流電壓，為了方便后續(xù)控制策略的分析，統(tǒng)一寫作dc。pv、bat、load分別為光伏輸出功率、儲能輸出功率和負載消耗功率，pv_lim、dis_lim、cha_lim、load_lim分別為光伏最大輸出功率、儲能最大放電功率、儲能最大充電功率和系統(tǒng)允許最大負載功率。

需要說明的是，圖2中的各設備單元運行特性曲線并非一成不變，而是根據(jù)自身狀態(tài)加以調(diào)整，同時受到本地控制器的調(diào)度與管理。例如，光伏單元的最大輸出功率會受外界環(huán)境影響變化，儲能單元的最大充放電功率與其容量及SOC有關(guān)，負載曲線會根據(jù)整個系統(tǒng)中源-荷-儲之間的功率關(guān)系變化。

2.1.2 電壓分層控制及邊界分析

根據(jù)圖2，對電壓分層控制下直流微電網(wǎng)的運行模式及邊界進行分析。

1）運行模式1及其邊界分析

運行模式1下直流母線電壓的變化范圍為H1＜dc≤H2，光伏單元運行于電壓下垂模式，儲能單元運行于最大充電模式。光伏單元直流母線側(cè)輸出電壓dc及其下垂系數(shù)pv分別為

模式1與模式2的負載功率/阻值邊界：當直流母線電壓達臨界值H1時，光伏單元由電壓下垂控制模式切換至最大功率輸出模式，此時所對應的光伏最大輸出功率即為光伏單元模式切換點臨界功率。根據(jù)光伏單元模式切換點臨界功率和儲能單元最大充電功率，計算出此時的臨界負載功率load1和臨界阻值load1為

2）運行模式2及其邊界分析

運行模式2下直流母線電壓的變化范圍為N＜dc≤H1，光伏單元運行于MPPT模式，儲能單元采用2.2.1節(jié)闡述的充電模糊控制策略，根據(jù)式（4）動態(tài)調(diào)整充電電流大小以實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，具體調(diào)整過程將在2.2.1節(jié)進行分析。

式中，ref為調(diào)整后充電電流參考值；*為充電電流給定參考值；DI為根據(jù)直流母線電壓和儲能SOC調(diào)節(jié)的動態(tài)電流偏差量。

模式2與模式3的負載功率/阻值邊界：考慮光伏單元處于MPPT模式，儲能不參與調(diào)節(jié)即bat=0，直流母線電壓為N，計算出此時的臨界負載功率load2和臨界阻值load2為

3）運行模式3及其邊界分析

運行模式3下直流母線電壓的變化范圍為L1＜dc≤N，光伏單元運行于MPPT模式，儲能單元采用2.2.2節(jié)闡述的放電下垂控制策略，根據(jù)式（6）對放電下垂曲線進行改進以實現(xiàn)多個儲能單元的合理功率分配，具體改進過程將在2.2.2節(jié)進行分析。

式中，m為功率電壓的下垂系數(shù)。

模式3與模式4的負載功率/阻值邊界：考慮光伏單元處于MPPT模式，儲能處于以最大功率放電狀態(tài)，直流母線電壓達到切換臨界值L1，計算出此時的臨界負載功率load3和臨界阻值load3為

4）運行模式4及其邊界分析

運行模式4下直流母線電壓的變化范圍為L2＜dc≤L1，光伏單元運行于MPPT模式，儲能單元運行于最大放電模式，由負載主導直流母線電壓在該層處于允許波動范圍內(nèi)。

模式4與模式5的負載功率/阻值邊界：考慮光伏單元處于MPPT模式，儲能處于以最大功率放電狀態(tài)，直流母線電壓達到允許波動的最小值L2，計算出此時的臨界負載功率load4和臨界阻值load4為

5）運行模式5及其邊界分析

運行模式5下直流母線電壓的變化范圍為dc≤L2，光伏單元運行于MPPT模式，儲能單元運行于最大放電模式，此時微電網(wǎng)系統(tǒng)無法滿足負載功率需求，為了防止系統(tǒng)電壓崩潰，應當改變負載的運行模式按照定義負荷L（=1, 2,…,）的優(yōu)先級依次適量切除非重要負荷，該模式下實際負載阻值＜load4。

模式1～模式5涵蓋了阻抗型負載運行的所有工況，其變化不僅由負載功率決定，同時取決于光伏單元最大輸出功率和儲能單元的最大充放電功率。當系統(tǒng)中投入較大的負荷功率時，可能使系統(tǒng)從運行模式1跳變到模式5，但不會影響所提方法的性能。

2.1.3 電壓分層控制邊界靈敏性分析

在直流微電網(wǎng)的實際運行中，由于光伏單元的光照強度和所處環(huán)境溫度的波動會使光伏單元的輸出功率發(fā)生變化，同時儲能單元的老化也會使儲能最大充放電功率減小。根據(jù)2.1.2節(jié)的負載邊界表達式，模式1～模式4所對應的負載邊界會根據(jù)光伏最大輸出功率和儲能最大充放電功率發(fā)生變化，其靈敏性分析見表1。

表1 各運行模式下負載邊界靈敏性分析

Tab.1 Sensitivity analysis of load boundary under each operation mode

由于H1＞N＞L1＞L2且cha_lim＞0,dis_lim＜0，當光伏最大輸出功率或儲能最大充放電功率發(fā)生變化時，模式1臨界阻值系數(shù)變化最大，即模式1的負載功率邊界受影響最大。當光伏最大輸出功率變化且不等于儲能最大充放電功率時，load1、load3和load4單調(diào)遞減；當儲能最大充放電功率變化且不等于光伏最大輸出功率時，load1、load3和load4單調(diào)遞增；當光伏最大輸出功率變化時，load2單調(diào)遞減，而儲能最大充放電功率變化不會影響load2。

2.2 電壓分層控制下多儲能單元功率協(xié)調(diào)控制

2.2.1 充電模糊控制策略

模糊控制是運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制策略，其重要特征是不需要對被控對象建立精確的數(shù)學模型，基于人工經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則，從而對具有不確定性、非線性以及時變性等特征的控制對象進行控制，魯棒性較強。為實現(xiàn)根據(jù)直流母線電壓動態(tài)調(diào)整充電電流的目的，本文將模糊控制與恒流充電控制相結(jié)合，不斷修正恒流充電電流參考值ref，該過程的控制框圖如圖3所示。

圖3 儲能恒流充電控制框圖

（2）模糊控制器結(jié)構(gòu)：根據(jù)輸入變量為母線電壓和儲能SOC，輸出變量為電流動態(tài)調(diào)整偏差量，將所設計的模糊控制器確定為兩變量一維模糊控制器，并將三角形隸屬度函數(shù)用作輸入與輸出的隸屬度函數(shù)。

（3）模糊控制規(guī)則：在直流微電網(wǎng)電壓分層控制的基礎上，根據(jù)直流母線電壓越高，儲能單元SOC越小，充電電流越大；直流母線電壓越低，儲能單元SOC越大，充電電流越小的原則，建立模糊控制規(guī)則見表2。

表2 模糊控制規(guī)則

Tab.2 Fuzzy control rules

注：{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}表示{負大, 負中, 負小, 零, 正小, 正中, 正大}。

（4）模糊推理：采用廣泛使用的Mamdani模糊推理法，基于表2模糊控制規(guī)則得到模糊關(guān)系，求得給定輸入1和1對應的輸出1為

（5）反模糊化：運用最大隸屬度法實現(xiàn)反模糊化，選取推理結(jié)果模糊集合中隸屬度最大的元素作為輸出值，若輸出論域中存在多個與最大隸屬度相對應的輸出值v，則取所有具有最大隸屬度輸出的平均值為

其中

根據(jù)上述模糊控制，得到如圖4所示滿足模糊控制規(guī)則的模糊推理結(jié)果。當儲能SOC相同時，充電電流偏差量隨直流母線電壓偏差的升高而增大；在相同的直流母線電壓下，充電電流偏差量隨儲能SOC的升高而減小。

圖4 模糊控制推理結(jié)果

2.2.2 放電下垂控制策略

1）下垂控制策略

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可知

圖5 直流微電網(wǎng)簡化等效電路

當忽略線路電阻的影響時，可認為接入直流母線的各變換器輸出電壓相等（即dc_1=…=dc_i），則多個變換器輸出電流關(guān)系為

由式（12）可知，各變換器的輸出電流與其下垂系數(shù)成反比，即變換器下垂系數(shù)越大，輸出電流越小。

2）放電下垂控制策略優(yōu)化

為實現(xiàn)各儲能變換器的輸出電流與SOC相關(guān)，定義下垂系數(shù)為

式中，0為初始下垂系數(shù)；為冪指數(shù)常數(shù)。

結(jié)合式（12），可得

式（13）中，初始下垂系數(shù)0的選擇以及冪指數(shù)常數(shù)的選擇對直流微電網(wǎng)電壓分層控制模式3的電壓邊界以及多儲能變換器SOC均衡速率的影響較大，下面主要分析這兩個參數(shù)的選擇。

在本文研究中，考慮了線路電阻對分流的影響，為提高功率分配精度，提出改進下垂控制策略使得系統(tǒng)按式（12）運行。

為了確保系統(tǒng)中所有儲能單元功率分配按式（12）進行，僅需兩個相鄰儲能單元滿足

由式（15）可得，直流微電網(wǎng)電流分配精度補償器的原理如圖6所示。電流分配精度補償器的輸出補償量DIi可由式（16）獲得，其中，Gpic為帶限幅的PI調(diào)節(jié)器。

該補償器僅需采集相鄰儲能單元的下垂系數(shù)與電流信息，經(jīng)過電流分配精度補償器后將所得補償量疊加至下垂控制環(huán)，所得輸出電壓dcrefi為變換器給定電壓參考值，即

3 電壓分層控制下儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制

當孤島直流微電網(wǎng)處于運行模式1時，由于儲能單元充電功率有限使得光伏單元降功率運行，不能充分利用光伏發(fā)電；處于運行模式5時，由于儲能單元放電功率有限，若系統(tǒng)中重要負荷功率增加，則滿足不了需求。作為一種解決方案，可通過備用儲能單元的投入為孤島直流微電網(wǎng)進行擴容。

在擴容過程中，假定直流微電網(wǎng)中所有的設備均滿足可靠運行的要求，計算儲能單元擴容容量是系統(tǒng)規(guī)劃的首要問題。同時，考慮到系統(tǒng)后期規(guī)劃運行的靈活性，擬投入的備用儲能單元應能夠與已建成的直流微電網(wǎng)相融合，實現(xiàn)功率自主調(diào)節(jié)和免通信的協(xié)調(diào)控制。

3.1 儲能擴容單元容量計算

若擴容容量選擇較大，會產(chǎn)生高額的建設、運行和維護費用；若擴容容量選擇較小，則不能滿足系統(tǒng)中所有重要負荷的正常運行或新能源發(fā)電高峰時期的完全消納。因此，在擴容過程中應首先考慮系統(tǒng)所有重要負荷的供電需求，同時考慮系統(tǒng)中光伏單元輸出功率的波動范圍。

3.2 儲能擴容單元控制策略

首先，過/欠電壓控制器作為外部電壓環(huán)主要用于跟蹤電壓參考值，同時為電流環(huán)提供電流參考值，所得電流參考值經(jīng)過內(nèi)部電流環(huán)得到能夠控制變換器運行的PWM信號。其次，在過/欠電壓控制器中包含下垂控制，以實現(xiàn)多個儲能擴容單元的功率協(xié)調(diào)控制。過電壓控制器中的電壓偏差量經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后存在輸出下限，欠電壓控制器中的電壓偏差量經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后存在輸出上限。

圖7 儲能擴容單元控制框圖

為確保過/欠電壓控制器的運行滿足dc＞H_ref時達到最大充電電流，dc＜L_ref時達到最大放電電流，需要設定下垂系數(shù)使其在充放電過程中保持在一定的范圍之內(nèi)。根據(jù)直流母線電壓dc與過電壓參考值H_ref和欠電壓參考值L_ref的對比，將直流母線電壓分為三個區(qū)間展開討論。

1）區(qū)間一：dc≥H_ref

2）區(qū)間二：dc≤L_ref

3）區(qū)間三：L_ref＜dc＜H_ref

值經(jīng)整理化簡后得

由式（21）可知，當直流母線電壓位于該區(qū)間時，變換器按照下垂特性曲線運行，儲能單元可實現(xiàn)功率自適應調(diào)節(jié)。

由于本地儲能單元間的功率分配需要相鄰通信且未考慮不同容量對下垂系數(shù)的影響，故本節(jié)在過/欠電壓控制器的基礎上提出了一個與之相配合的改進下垂控制法。在改進下垂控制法中，考慮參與擴容的多個儲能單元的容量以及SOC，儲能擴容單元下垂系數(shù)與容量和SOC的關(guān)系如圖8所示。

圖8 基于過/欠電壓控制器的下垂曲線

從儲能擴容單元容量的角度考慮：當儲能擴容單元容量較大時，則應使其獲得較大的充放電功率，故下垂系數(shù)越小。從儲能單元SOC的角度考慮：放電模式下若儲能擴容單元SOC越大，則應使其輸出較大的電流，加快放電速度，故下垂系數(shù)越小；在充電模式下儲能擴容單元下垂系數(shù)的設計與放電模式相反。

當容量和SOC均不同時，根據(jù)式（21）計算所得下垂系數(shù)實現(xiàn)功率分配，本文采取的下垂系數(shù)調(diào)整方案為

式中，SOC、pi、0_i、分別為第臺儲能單元的SOC、充放電下垂系數(shù)、容量調(diào)節(jié)系數(shù)、SOC均衡系數(shù)。0_i根據(jù)儲能單元的調(diào)節(jié)能力設定，其表達式為

3.3 儲能擴容單元對電壓分層控制的影響

微電網(wǎng)擴容對系統(tǒng)不同電壓層的負載功率邊界也會產(chǎn)生影響，以2.1節(jié)已建成直流微電網(wǎng)不同運行模式下的負載功率邊界為基礎展開研究。

當直流母線電壓在VN時，對應的負載功率邊界上限為

將擴容前后直流微電網(wǎng)各運行模式的負載臨界功率進行對比，見表3。為便于觀察，將各運行模式的臨界功率點通過平滑的曲線連接，如圖9d所示，對應的負載曲線由原先的虛線轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵕€。

表3 擴容前后各運行模式臨界功率對比

Tab.3 Critical power comparison of each operation mode before and after expansion

結(jié)合圖9和表3可知，當直流微電網(wǎng)母線電壓為H1時，擴容后對應負載功率邊界值減小；當直流微電網(wǎng)母線電壓為N時，擴容后對應負載功率邊界值不變；當直流母線電壓為L1時，擴容后對應負載功率邊界值增大；當直流母線電壓為L2時，擴容后對應負載功率邊界值增大。因此，擴容后的直流微電網(wǎng)所允許的負載功率增大，相同負載功率下直流母線電壓更接近額定值。

4 仿真證明

為驗證所提出的基于電壓分層控制的直流微電網(wǎng)及其儲能擴容單元功率協(xié)調(diào)控制策略的可行性，搭建了如圖1所示的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，仿真參數(shù)見表4。

表4 系統(tǒng)參數(shù)

Tab.4 System parameters

4.1 電壓分層控制仿真結(jié)果

根據(jù)理論分析得到負載邊界式（3）、式（5）、式（7）和式（8），結(jié)合仿真參數(shù)計算不同運行模式對應的負載邊界，load1=410W、load2=200W、load3= 75W、load4=69W。設定對應五個運行模式的典型負載為2 000W、300W、120W、73W、53W，以驗證負荷投切時電壓分層控制策略的可行性，負荷投切時電壓分層控制仿真結(jié)果如圖10所示。

在0.5s負荷為2 000W，系統(tǒng)運行于模式1，直流母線電壓在620～630V之間，三組儲能單元達到最大充電電流6A，光伏單元處于降功率運行模式。在1s負荷變?yōu)?00W，系統(tǒng)運行于模式2，直流母線電壓在600～620V之間，三組儲能單元按照SOC越大、充電電流越小的原則進行功率分配，光伏單元以最大功率輸出。在2s負荷變?yōu)?20W，系統(tǒng)運行于模式3，直流母線電壓在580～600V之間，三組儲能單元按照SOC值越大、放電電流越大的原則進行功率分配，光伏單元以最大功率輸出。在3s負荷變?yōu)?3W，系統(tǒng)運行于模式4，直流母線電壓在570～580V之間，三組儲能單元達到最大放電電流20A，光伏單元以最大功率輸出。在=3.5s負荷變?yōu)?3W，由于直流母線電壓跌落超出允許范圍，通過切除非重要類型負載最終使得系統(tǒng)穩(wěn)定運行于模式4。

圖10的仿真結(jié)果證明了負荷波動/投切下基于直流母線電壓信號的分層控制可實現(xiàn)不同運行模式的自適應切換以及儲能功率自主分配。

4.2 線路電阻對分流的影響

對運行于模式3的直流微電網(wǎng)分別設置3個儲能單元到公共點處的線路電阻為1W、3W和5W，下面采用傳統(tǒng)下垂控制和改進下垂控制對比分析線路電阻對分流的影響：

1）傳統(tǒng)下垂控制

多儲能單元基于傳統(tǒng)下垂控制的kIbati仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，當線路電阻不滿足

圖11 多儲能單元基于傳統(tǒng)下垂控制的kiIbati仿真結(jié)果

2）改進下垂控制

多儲能單元基于改進下垂控制的kIbati仿真結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，采用本文所提改進下垂控制即使存在較大線路電阻，也能實現(xiàn)多個儲能單元的kIbati趨于一致，表征多個儲能的電流可按比例精確分配，能有效降低線路電阻對電流分配精度的影響。

圖12 多儲能單元基于改進下垂控制的kiIbati仿真結(jié)果

4.3 電壓分層控制下儲能擴容單元仿真結(jié)果

4.3.1 儲能擴容單元充電模式仿真結(jié)果

圖13 儲能擴容單元充電模式仿真結(jié)果

在0.5～1.5s，系統(tǒng)運行于模式1，光伏單元以電壓下垂模式運行，本地儲能單元以最大充電電流充電。在1.5s儲能擴容單元投入到直流微電網(wǎng)中，光伏單元由電壓下垂模式轉(zhuǎn)為MPPT模式，本地儲能單元充電電流減小，相同負載功率下基于過/欠電壓控制器使直流母線電壓更接近額定電壓參考值，同時參與擴容的兩個儲能單元也能夠根據(jù)SOC越大、充電電流越小的規(guī)則實現(xiàn)功率分配。

4.3.2 儲能擴容單元放電模式仿真結(jié)果

圖14為儲能擴容單元工作在放電模式的仿真結(jié)果，在0.5～1.5s系統(tǒng)運行于模式4，光伏以MPPT模式運行，本地儲能單元達到最大放電電流。在1.5s時將儲能擴容單元投入到直流微電網(wǎng)中，光伏單元一直以MPPT模式運行，本地儲能單元放電電流減小，儲能擴容單元按照SOC越大、放電電流越大的規(guī)則進行放電，相同負載功率下直流母線電壓更接近額定參考值。

圖14 儲能擴容單元放電模式仿真結(jié)果

5 實驗驗證

本文搭建了如圖15所示由倍福PLC、工控機和Vacon變流器等組成的基于以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（Ethernet for Control Automation Technology, Ether CAT）通信的直流微電網(wǎng)實驗平臺。

該平臺由3個儲能單元蓄電池、1個直流電壓源、若干電阻型負載、4個DC-DC變流器、兩個直流衛(wèi)士（可控制直流母線電壓上升、過電流和短路保護及線纜過載監(jiān)測）以及兩個DC-AC變流器構(gòu)成，主要參數(shù)見表5。

圖15 實驗平臺

表5 實驗平臺參數(shù)

Tab.5 Experimental platform parameters

5.1 電壓分層控制策略驗證

結(jié)合實驗參數(shù)計算出負載邊界值，分別設定對應直流微電網(wǎng)5個運行模式的典型負載為∞（空載）、480W、150W、120W和96W，實驗結(jié)果如圖16所示。當負載功率發(fā)生變化時，光伏單元和儲能單元根據(jù)直流母線電壓信號進行模式識別和模式切換，直流母線電壓最終穩(wěn)定在各運行模式的電壓閾值內(nèi)，同時各運行模式下儲能單元按照電壓分層控制策略自適應調(diào)節(jié)充放電功率。

5.2 儲能擴容單元功率控制策略驗證

由于DC-DC變換器的數(shù)量有限，將其中一臺作為本地儲能單元，另外兩臺作為儲能擴容單元展開實驗驗證，實驗結(jié)果如圖17所示。

圖16 直流微電網(wǎng)電壓分層控制實驗結(jié)果

圖17 儲能擴容單元功率控制實驗結(jié)果

6 結(jié)論

本文以孤島直流微電網(wǎng)為研究對象，分析并揭示了基于直流母線電壓劃分的五種運行模式所對應的負載功率邊界；提出電壓分層控制下基于多儲能單元SOC的改進模糊控制和下垂控制策略，以實現(xiàn)儲能單元間的充放電功率自適應控制；面向已建成直流微電網(wǎng)，提出一種基于過/欠電壓控制器的儲能擴容單元功率控制策略，以實現(xiàn)柔性擴容的目的，并結(jié)合負載功率邊界分析儲能擴容單元對既定電壓分層控制的影響。通過仿真與實驗驗證了上述控制策略的可行性與有效性。

[1] 劉彥呈, 莊緒州, 張勤進, 等. 基于虛擬頻率的直流微電網(wǎng)下垂控制策略[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(8): 1693-1702.

Liu Yancheng, Zhuang Xuzhou, Zhang Qinjin, et al. A virtual current-frequency droop control in DC microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1693-1702.

[2] Kirakosyan A, El-Saadany E F, Moursi M S E, et al. Communication-free current sharing control strategy for DC microgrids and its application for AC/DC hybrid microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2020, 35(1): 140-151.

[3] 朱曉榮, 李錚, 孟凡奇. 基于不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(1): 166-178.

Zhu Xiaorong, Li Zheng, Meng Fanqi. Stability analysis of DC microgrid based on different grid structures[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(1): 166-178.

[4] Khayat Y, Shafiee Q, Heydari R, et al. On the secondary control architectures of AC microgrids: an overview[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(6): 6482-6500.

[5] 趙競涵, 于淼, 劉佳寧, 等. 基于分散式阻抗判據(jù)的多換流器接入交流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(10): 3575-3584.

Zhao Jinghan, Yu Miao, Liu Jianing, et al. Decentra- lized impedance criteria for stability analysis of multi-converter AC microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(10): 3575-3584.

[6] 朱珊珊, 汪飛, 郭慧, 等. 直流微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)研究綜述[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(1): 72-84, 344.

Zhu Shanshan, Wang Fei, Guo Hui, et al. Overview of droop control in DC microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(1): 72-84, 344.

[7] 李忠文, 程志平, 張書源, 等. 考慮經(jīng)濟調(diào)度及電壓恢復的直流微電網(wǎng)分布式二次控制[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(21): 4482-4492.

Li Zhongwen, Cheng Zhiping, Zhang Shuyuan, et al. Distributed secondary control for economic dispatch and voltage restoration of DC microgrid[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(21): 4482-4492.

[8] Sanjeev P, Padhy N P, Agarwal P. Autonomous power control and management between standalone DC microgrids[J]. IEEE Transactions on Industrial Infor- matics, 2018, 14(7): 2941-2950.

[9] 楊美輝, 周念成, 王強鋼, 等. 基于分布式協(xié)同的雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制策略[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(3): 634-645.

Yang Meihui, Zhou Niancheng, Wang Qianggang, et al. Unbalanced voltage control strategy of bipolar DC microgrid based on distributed cooperation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 634-645.

[10] Dragi?evi? T, Lu Xiaonan, Vasquez J C, et al. DC microgrids-part II: a review of power architectures, applications and standardization issues[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(5): 3528-3549.

[11] Ma W J, Wang Jianhui, Lu Xiaonan, et al. Optimal operation mode selection for a DC microgrid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016, 7(6): 2624-2632.

[12] Alshareef M, Lin Zhengyu, Li Fulong, et al. A grid interface current control strategy for DC micro- grids[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2021, 5(3): 249-256.

[13] 郭偉, 趙洪山. 基于事件觸發(fā)機制的直流微電網(wǎng)多混合儲能系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)控制方法[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(5): 1140-1151.

Guo Wei, Zhao Hongshan. Coordinated control method of multiple hybrid energy storage system in DC microgrid based on event-triggered mechanism[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1140-1151.

[14] 張偉亮, 張輝, 支娜, 等. 環(huán)形直流微電網(wǎng)故障分析與保護[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(24): 105- 110.

Zhang Weiliang, Zhang Hui, Zhi Na, et al. Fault analysis and protection of ring DC microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(24): 105-110.

[15] 劉子文, 苗世洪, 范志華, 等. 基于自適應下垂特性的孤立直流微電網(wǎng)功率精確分配與電壓無偏差控制策略[J]. 電工技術(shù)學報, 2019, 34(4): 795-806.

Liu Ziwen, Miao Shihong, Fan Zhihua, et al. Accurate power allocation and zero steady-state error voltage control of the islanding DC microgrid based on adaptive droop characteristics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(4): 795-806.

[16] 喻禮禮, 張兆云, 劉藝濤. 基于改進自適應下垂的直流微電網(wǎng)穩(wěn)定分析與研究[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(5): 28-32.

Yu Lili, Zhang Zhaoyun, Liu Yitao. Stability analysis and research of DC microgrid based on improved adaptive drooping[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(5): 28-32.

[17] 李武華, 顧云杰, 王宇翔, 等. 新能源直流微網(wǎng)的控制架構(gòu)與層次劃分[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(9): 156-163.

Li Wuhua, Gu Yunjie, Wang Yuxiang, et al. Control architecture and hierarchy division for renewable energy DC microgrids[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(9): 156-163.

[18] 呂振宇, 吳在軍, 竇曉波, 等. 基于離散一致性的孤立直流微網(wǎng)自適應下垂控制[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(17): 4397-4407.

Lü Zhenyu, Wu Zaijun, Dou Xiaobo, et al. An adaptive droop control for the islanded DC microgrid based on discrete consensus algorithm[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(17): 4397-4407.

[19] Morstyn T, Savkin A V, Hredzak B, et al. Multi-agent sliding mode control for state of charge balancing between battery energy storage systems distributed in a DC microgrid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2018, 9(5): 4735-4743.

[20] 劉忠, 楊陳, 蔣瑋, 等. 基于一致性算法的直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)功率分配技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(7): 61-69.

Liu Zhong, Yang Chen, Jiang Wei, et al. Consensus algorithm based power distribution technology for energy storage system in DC microgrid[J]. Auto- mation of Electric Power Systems, 2020, 44(7): 61-69.

[21] Xiao Jianfang, Wang Peng, Setyawan L. Hierarchical control of hybrid energy storage system in DC microgrids[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(8): 4915-4924.

[22] Li Fulong, Lin Zhengyu, Qian Zhongnan, et al. A dual-window DC bus interacting method for DC microgrids hierarchical control scheme[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2020, 11(2): 652-661.

[23] Pang Shengzhao, Hashjin S A, Nahid-Mobarakeh B, et al. Large-signal stabilization of power converters cascaded input filter using adaptive energy shaping control[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2021, 7(2): 838-853.

[24] 陸曉楠, 孫凱, 黃立培, 等. 直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中帶有母線電壓跌落補償功能的負荷功率動態(tài)分配方法[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(16): 37-46, 20.

Lu Xiaonan, Sun Kai, Huang Lipei, et al. Dynamic load power sharing method with elimination of bus voltage deviation for energy storage systems in DC micro-grids[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(16): 37-46, 20.

Coordinated Power Control Strategy for DC Microgrid and Storage Expansion Unit Based on Voltage Hierarchical Control

（Shanghai Key Lab of Power Station Automation Technology School of Mechatronics Engineering and Automation Shanghai University Shanghai 200444 China）

The collaboration of storage units can better solve the randomness and volatility of distributed power generation in DC microgrids. However, the existing hierarchical control based on the DC bus voltage signal doesn’t fully consider the coordination of multiple storage units and the insufficient capacity of islanding systems. Therefore, a coordinated power control strategy for DC microgrid and storage expansion unit based on voltage hierarchical control is proposed. In order to realize the decentralized coordination of multiple storage units under the voltage hierarchical control, the load power boundary corresponding to different operation modes of the existing microgrid is revealed firstly. Then, the improved fuzzy control and droop control based on the SOC of multiple storage units are proposed to realize the adaptive allocation of charging and discharging power. For the insufficient capacity of islanding systems, a power control strategy based on the over/under voltage controller is proposed for storage expansion units according to the capacity calculation, and its influence on the power boundary of the existing system is analyzed, to ensure the safe and reliable operation of DC microgrids. Finally, simulation and experimental results verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategies.

DC microgrid, SOC of storage units, voltage hierarchical control, energy storage expansion control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211116

TM721

郭 慧 女，1988年生，博士，研究方向為分布式能源與智能電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: huiguo@shu.edu.cn

汪 飛 男，1981年生，教授，博士生導師，研究方向為新能源發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: f.wang@shu.edu.cn（通信作者）

2021-07-20

2022-02-12

國家自然科學基金（51977126）和中國博士后科學基金（2020M681262）資助項目。

（編輯 陳 誠）