侯朋飛，王金全，徐 曄，李建科，嚴 鋆

（解放軍理工大學，江蘇省南京市 210007）

一種適用于直流微電網(wǎng)的自主式控制策略研究

侯朋飛，王金全，徐 曄，李建科，嚴 鋆

（解放軍理工大學，江蘇省南京市 210007）

本文對無通信總線的直流微網(wǎng)自主式控制系統(tǒng)進行研究，提出了直流微網(wǎng)自主式控制系統(tǒng)工作模式的設計方法，各微源利用母線電壓作為信息傳播的載體，基于直流母線電壓的波動來實現(xiàn)各種工作模式的自主切換。結合算例仿真對一個典型的直流微網(wǎng)系統(tǒng)進行研究，驗證了所提方法的有效性。

直流微電網(wǎng) 自主式 控制 工作模式

0 引言

隨著光伏、燃料電池、儲能裝置等具有直流輸出特性的微源在微網(wǎng)系統(tǒng)中大規(guī)模應用，與交流母線系統(tǒng)相比，采用直流母線的系統(tǒng)使用的電力電子開關器件少，能量轉換效率更高。而且直流系統(tǒng)中不存在電壓頻率和無功功率的概念，因此更容易控制[1]。采用自主式控制方法的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)不需要額外的通信總線，可以降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

微網(wǎng)是一種可以有效整合可再生能源的小型電力系統(tǒng)。按照母線類型分，微網(wǎng)具有直流和交流兩種形式。直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)相比具有控制簡單、電能轉換效率高、造價較低等優(yōu)勢，是未來智能電網(wǎng)一種可能的發(fā)展方向。微網(wǎng)系統(tǒng)中采用了大量的可再生能源和儲能單元，這種特點使得微網(wǎng)的能量管理問題變得突出[2]。一方面，如何保證直流微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行是一個函待解決的關鍵問題；另一方面，可再生能源和儲能單元價格昂貴，應對直流微網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行優(yōu)化，保證直流微網(wǎng)系統(tǒng)運行在經(jīng)濟性較優(yōu)的模式中。本文對無通信總線的直流微網(wǎng)的自主式控制系統(tǒng)進行研究，研究了無通信總線的直流微網(wǎng)自主式控制的工作模式及設計方法，使其既能實現(xiàn)微網(wǎng)可靠運行，又能保證微網(wǎng)優(yōu)先工作在經(jīng)濟性較優(yōu)的模式中。

在進行直流微電網(wǎng)自主式控制系統(tǒng)設計時，首要的控制目標是微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[3]。這里所說的“穩(wěn)定運行”，包括穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性是指在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況下，實現(xiàn)發(fā)電與負荷的功率平衡，使直流母線電壓維持在一個可接受的范圍內(nèi)；動態(tài)穩(wěn)定性是指發(fā)電或負荷發(fā)生突變時，系統(tǒng)具有動態(tài)穩(wěn)定性。通常情況下，可實現(xiàn)微網(wǎng)穩(wěn)定運行的控制策略并不是唯一的。在此基礎之上，進一步的控制目標是實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。通過對微網(wǎng)中各微源進行優(yōu)化調(diào)度，設計合理的工作模式，使直流微網(wǎng)系統(tǒng)運行在一種經(jīng)濟性較優(yōu)的模式中[4]。

2 直流微電網(wǎng)的自主式控制方法

按照功率流的方向來分，微網(wǎng)系統(tǒng)中的微源可分為三類：

1）只能向直流母線輸出功率的單元，即發(fā)電單元，包括光伏、風電以及柴油發(fā)電機等；

2）具有雙向功率流的單元，即儲能單元，包括蓄電池、飛輪、并網(wǎng)變流器等；

3）只能從直流母線吸收功率的單元，即負荷。

對于發(fā)電單元和儲能單元的控制稱為“供電側控制”，對于負荷的控制稱為“需求側控制”。要實現(xiàn)發(fā)電與負荷的功率平衡，就是要控制系統(tǒng)中多種發(fā)電單元和儲能單元協(xié)調(diào)工作。通常，光伏、風電等可再生發(fā)電方式和負荷都被認為是“不可控”的，儲能單元是“可控的”。常見的風光儲系統(tǒng)，就是通過控制儲能單元輸出功率或吸收功率，來平衡發(fā)電單元和負荷的之間的功率差[5]。

但上述“不可控”和“可控”的說法并不嚴謹，微源的“可控性”取決于微源的控制方式及控制指令的大小。實際上，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的所有微源的功率都具有一個可控范圍：

其中 Pout表示微源的實際功率，Pmin表示微源的最小功率，Pmax表示微源的最大功率。當微源的功率指令 Pref處于微源功率的可控范圍內(nèi)，微源功率可以按照指令輸出；當微源的功率指令 Pref處于功率的可控范圍之外，則微源輸出飽和，不能跟蹤指令。即：

定義微源向母線輸出功率為正方向，則發(fā)電單元Pmin=0，Pmax＞0；儲能單元的Pmin＜0，Pmax＞0；負荷單元的Pmin=0，Pmax＜0。需要注意的是，Pmin和Pmax并不一定是常值。例如光伏Pmax的含義是MPPT控制下光伏的發(fā)電功率，它受到包括光照條件、溫度等環(huán)境因素的影響，隨著環(huán)境的變化而變化；又如蓄電池的Pmin和Pmax與蓄電池的剩余容量、老化特性等諸多因素有關。

要實現(xiàn)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，即通過控制發(fā)電單元和儲能單元的功率來滿足負荷需求，即：

通過上述分析可知，穩(wěn)態(tài)下直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡的條件是：

如果各微源功率滿足上式，說明直流微電網(wǎng)系統(tǒng)具備穩(wěn)定運行的條件，即發(fā)電單元和儲能單元具有滿足負荷單元功率需求的能力。在此基礎上，應該考慮多個微源的調(diào)度問題。

考慮到負荷的隨機波動性，當負荷較小的時候，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中只需要若干微源工作即可，其余微源可以處于關閉狀態(tài)；當負荷增大時，關閉的微源啟動投入到工作中。此外，直流微網(wǎng)系統(tǒng)還應該既可以并網(wǎng)運行，又可以在電網(wǎng)發(fā)生故障時脫網(wǎng)工作在孤島模式。因此，直流微網(wǎng)系統(tǒng)應該具有若干種工作模式，并且可以根據(jù)負荷的波動在這幾種工作模式中自主切換[6]。在所有工作模式中，我們都只選擇一個微源工作在電壓源狀態(tài)，用于控制直流母線電壓。其余微源均工作在電流源狀態(tài)進行功率輸出或者處于關閉狀態(tài)。這樣做的原因是：1)為了維持直流母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)中至少需要一個微源工作在電壓源狀態(tài)，用來平衡發(fā)電和負荷的功率差；2）如果系統(tǒng)中只有一個微源處于電壓源狀態(tài)的話，更容易控制直流母線電壓的穩(wěn)定。這個特點也可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文研究的直流微網(wǎng)系統(tǒng)中不包含通信總線，但對多個微源進行調(diào)度又必須有信息交互，因此只能利用各微源端口處可以測量到的信號量作為信息傳播的載體，即基于直流母線電壓來實現(xiàn)直流微網(wǎng)系統(tǒng)的自主式控制。

直流母線電壓具有以下兩個特點：

1）忽略線路阻抗的條件下，直流微網(wǎng)系統(tǒng)中各微源測量到的直流母線電壓相等；

2）直流母線電壓可以直接反映直流微網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電功率與負荷功率的關系。如果發(fā)電功率超過負荷功率，直流母線電壓就會上升；如果發(fā)電功率小于負荷功率，直流母線電壓就會下降。

一個自然的思路就是把直流微網(wǎng)系統(tǒng)中各微源的出力情況與直流母線電壓對應起來。從單個微源的角度看，直流母線電壓上升，說明發(fā)電單元出力過大，應該減少出力；直流母線下降，說明發(fā)電單元出力不足，應該增加出力。從包括多個微源的系統(tǒng)的角度看，可以給系統(tǒng)中各發(fā)電單元設定一個優(yōu)先級，負荷較小時，優(yōu)先級較高的發(fā)電單元投入工作即可滿足負荷需求，此時優(yōu)先級較低的發(fā)電單元不工作；當負荷增大后，再投入優(yōu)先級較低的發(fā)電單元。

3 控制器設計

3.1 并網(wǎng)變流器控制器設計

并網(wǎng)變流器在兩相同步旋轉坐標系的表達式如下:

式中ud、uq分別是電網(wǎng)電壓進行旋轉變換后的dq軸分量。id、iq分別是電網(wǎng)電流進行旋轉變換后的dq軸分量，LR分別是并網(wǎng)電感和并網(wǎng)電阻，rd、urq是變流器交流側輸出電壓。

從式（5）中可以看出，引入電流反饋ωLiq，-ωLid可以實現(xiàn)dq軸解耦。在此基礎上，為進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時克服電網(wǎng)電壓波動帶來的系統(tǒng)擾動，可以引入電網(wǎng)電壓ud、uq前饋補償，獨立控制dq軸電流。

在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器與電網(wǎng)只有有功功率的交換，沒有無功功率的交換，所以iq=0。為維持直流母線電壓穩(wěn)定，可采用電壓反饋作為外環(huán)加電流反饋作為內(nèi)環(huán)的串級控制結構，用電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為d軸電流的給定值，直接反映了并網(wǎng)變流器和電網(wǎng)的有功功率交換。

并網(wǎng)變流器的控制結構如圖 1所示，Vdc、Vdc_ref分別為直流母線電壓和直流母線電壓的參考電壓，Usα、Usβ分別是兩相旋轉坐標系中電網(wǎng)電壓的αβ分量，D*為控制器輸出的PWM控制信號。并網(wǎng)變流器采用了雙閉環(huán)控制，其中，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流環(huán)需要快速跟隨電壓環(huán)輸出的電流指令，獲取高性能的電流動態(tài)響應，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；外環(huán)為電壓環(huán)，電壓環(huán)主要用于消除母線電壓誤差，提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能。

圖1 并網(wǎng)變流器控制框圖

3.2 光伏發(fā)電單元變換器控制設計

光伏單元有兩種工作模式：MPPT模式和恒電壓控制模式，控制框圖如圖2所示。其中，Vdc是檢測到實際的直流母線電壓，Vdcref=370 V是模式II的參考電壓。恒電壓控制利用電壓閉環(huán)，控制直流母線 Vdc穩(wěn)定到參考電壓 Vdcref。Vpv、Ipv分別為光伏模塊的輸出電壓和輸出電流，經(jīng)MPPT控制算法計算出當前外界條件下的最大功率點電壓VMPPT作為光伏模塊的參考電壓，與Vpv做差后進行PI閉環(huán)，實現(xiàn)MPPT控制。

光伏發(fā)電單元MPPT控制與恒壓控制切換的標準是恒壓控制器是否正飽和，當恒壓控制器輸出正飽和時，光伏發(fā)電單元工作在 MPPT模式；否則光伏發(fā)電單元工作在恒壓控制模式。系統(tǒng)工作在Mode I，Mode III，Mode IV時，母線電壓分別為360 V、350 V、340 V，此時恒壓控制器輸出正飽和，光伏發(fā)電單元工作于MPPT模式。

圖2 光伏單元控制框圖

當系統(tǒng)工作Mode III或Mode IV時，光伏發(fā)電單元工作在MPPT模式；負載減小時，母線電壓上升，當電壓上升至370 V，光伏單元的恒壓控制器開始退飽和，由MPPT控制模式轉入恒壓控制模式。

3.3 蓄電池單元變換器控制設計

蓄電池單元的雙向 DC/DC變換器控制結構如圖3所示，采用雙環(huán)控制結構，外環(huán)為母線電壓閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為電池電流閉環(huán)。其中，Vdc是實際檢測到的直流母線電壓，Vdc_ref=350 V是模式III的直流母線電壓參考值。經(jīng)過電壓外環(huán)計算得到電流內(nèi)環(huán)的參考電流值I*bat，與實際檢測到的電池電流Ibat。做差后進行PI控制，得到占空比D*[7]。

圖3 蓄電池單元控制框圖

4 工作模式設計

4.1 參數(shù)說明

系統(tǒng)中的微源有4類，因此對應于4種工作模式，見表2。在4種工作模式中，從環(huán)保的角度出發(fā)選擇“最大化利用可再生能源”和“最小化利用非可再生能源”，從降低財務成本的角度出發(fā)選擇“為延長電池壽命，要盡量少用電池”。綜合考慮這些因素后，4種工作模式為模式 I(并網(wǎng)狀態(tài)，并網(wǎng)變流器做電壓源，直流母線電壓360 V)，模式II(孤島狀態(tài)，系統(tǒng)輕載，光伏單元做電壓源，直流母線電壓370 V)，模式III(孤島狀態(tài)，系統(tǒng)中度負載，電池做電壓源，直流母線電壓350V)，模式 IV(孤島狀態(tài)，系統(tǒng)重載，柴油發(fā)電機單元做電壓源，直流母線電壓340 V)。工作模式的優(yōu)先級為模式II＞模式I＞模式III＞模式IV。

4.2 不同微源電壓閉值間隔的選擇

本文所述的自主式控制方法是基于直流母線電壓波動實現(xiàn)的。從提高負荷用電質(zhì)量的角度考慮，不同微源的工作電壓閾值相差應該盡量小，這樣直流母線電壓波動的幅度比較小。但從控制效果的角度考慮，不同微源工作電壓閾值應該盡量大。采用具有通信總線的集中式控制方法的話，中央控制器和各個微源通信可以進行精確的調(diào)度。但在自主式控制方法中，兩個具有相同工作電壓閾值的微源，可能并不能同時投入工作，原因是直流母線上的線路阻抗可能導致不同微源測量到的直流母線電壓并不一致，同時，測量電壓的過程也會有一定的測量誤差。當直流母線的線路阻抗較小的時候，這個問題并不顯著；但當直流母線的線路阻抗較大時，這個問題不能忽略。由于不同微源測量到的母線電壓不同，可能導致系統(tǒng)工作在設計好的工作模式以外的狀態(tài)中，例如有多個微源工作在電壓源狀態(tài)，但這對系統(tǒng)的穩(wěn)定性并無影響。因此，微源工作電壓閾值的設定應該結合實際系統(tǒng)的情況。

表1 算例的系統(tǒng)參數(shù)

表2 算例的工作模式

4.3 單電壓源模式與多電壓源模式

直流微網(wǎng)系統(tǒng)具有多種工作模式。但是穩(wěn)態(tài)情況下，每種工作模式中有且只有一個微源工作在電壓源模式，但是系統(tǒng)中有多個微源工作在電壓源模式并不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果有多個光伏單元，可以對不同光伏單元劃分優(yōu)先級；也可使這些光伏單元在360 V至370 V的范圍內(nèi)進行下垂控制。兩種控制方式都可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只是功率分配方式不同：前者優(yōu)先使用優(yōu)先級高的光伏發(fā)電，當優(yōu)先級高的光伏達到MPPT狀態(tài)時才啟用優(yōu)先級較低的光伏單元；后者是把負荷平均分配到各光伏單元。因此，對于微源個數(shù)較多的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，設計工作模式時可先按照屬性對微源進行分類，每種工作模式中有且只有一類微源工作在電壓源模式。

5 仿真實驗與分析

在 MATLAB/Simulink中建立了光伏單元、柴油發(fā)電機組、蓄電池、并網(wǎng)變流器和負荷的模型，仿真模型為離散狀態(tài)，采用ode4（Runge-Kutta）求解器，仿真步長為1×10-5s。算例有4種工作模式，隨著負載和環(huán)境的變化，任意兩種工作模式都有可能發(fā)生切換，如圖4所示。

需要說明的是，并網(wǎng)變流器和電池的功率流是雙向的，所以作為電壓源工作時，并網(wǎng)變流器和電池的狀態(tài)各有兩種。在模式I中，并網(wǎng)變流器可能工作在逆變狀態(tài)(對應模式稱為I_inv)或整流狀態(tài)(對應模式稱為 I_rec)；在模式 III中，電池可能工作在充電狀態(tài)(對應模式稱為 III_cha)或放電狀態(tài)(對應模式稱為III_dis )。本文選取了4個具有代表性的模式切換案例進行分析，這4個案例分別對應于圖4所示的4種工作模式切換過程。

圖4 系統(tǒng)工作模式轉移圖

算例1：模式I_ inv至模式II

仿真結果如圖5所示，初始系統(tǒng)處于模式I，光伏發(fā)電單元均工作在MPPT控制模式，電池以最大電流恒流充電，系統(tǒng)負載較輕，并網(wǎng)變換器工作在逆變模式保證系統(tǒng)功率平衡，直流母線電壓穩(wěn)定在360 V。在1 s時，電網(wǎng)發(fā)生故障，并網(wǎng)變換器停止工作，此時光伏單元發(fā)電功率大于負載需求，直流母線電壓上升，光伏單元由 MPPT模式切換到恒壓控制模式，使母線電壓穩(wěn)定在370 V，此時系統(tǒng)切換至模式II。整個過程中，柴油機不需要投入工作。

圖5 模式I_ inv至模式II仿真結果

算例2：模式III_dis至模式IV

仿真結果如圖6所示，系統(tǒng)工作在孤島模式，初始時負載較重，電池作為電壓源工作，放電以實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，直流母線電壓穩(wěn)定在350 V。在1秒時，負載增加，電池放電電流增加到最大值后，直流母線電壓開始下降。降至340 V時，柴油機投入工作，作為電壓源控制直流母線電壓穩(wěn)定在340 V。

圖6 模式III_dis至模式IV仿真結果

算例3：模式II至模式IV

仿真結果如圖7所示，初始時系統(tǒng)處于模式II，光伏單元作為電壓源平衡系統(tǒng)功率，母線電壓穩(wěn)定在370 V。在1 s時，負載增加，光伏單元達到MPPT點，直流母線電壓降低，電池以最大電流放電，仍未滿足負載需求，直流母線電壓繼續(xù)下降至340 V，柴油機投入工作，直流母線電壓穩(wěn)定在340 V。

圖7 模式II至模式IV仿真結果

算例4：模式IV至模式I_rec

仿真結果如圖8所示，初始時系統(tǒng)處于模式IV，柴油發(fā)電機作為電壓源，控制直流母線電壓在340 V。光伏單元工作在MPPT狀態(tài)，電池以最大電流放電。在1 s時，電網(wǎng)從故障中恢復，并網(wǎng)變流器開始工作在整流狀態(tài)，柴油機停止工作，電池由放電轉為最大電流充電，直流母線電壓上升至 360 V。這個過程中，光伏單元保持MPPT狀態(tài)。

圖8 模式IV至模式I_rec仿真結果

6 結論

直流微電網(wǎng)中母線電壓可以直接反映系統(tǒng)中發(fā)電功率與負荷功率的關系，在忽略線路阻抗的條件下，系統(tǒng)中各微源測量到的母線電壓相等。因此，在微網(wǎng)中不存在通信總線的限制下，各微源利用母線電壓作為信息傳播的載體，基于直流母線電壓的波動來實現(xiàn)各種工作模式的自主切換。本文對直流微網(wǎng)系統(tǒng)中的各類分布式單元進行分類，基于控制目標研究并改進了無通信總線的直流微網(wǎng)系統(tǒng)在自主式控制下的工作模式及設計方法。每個模式指定一類分布式單元工作在電壓源模式，其余分布式單元均工作在電流源模式，以保證微網(wǎng)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。根據(jù)特定的經(jīng)濟指標對不同的子模式設定優(yōu)先級，令微網(wǎng)優(yōu)先工作在經(jīng)濟性較好的模式中，以保證微網(wǎng)系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性。通過仿真結果與分析，驗證了本文所提的直流微網(wǎng)自主式控制系統(tǒng)的工作模式設計方法的可行性，指出在單元動特性己知的條件下，本文方法具有良好的穩(wěn)定性和參數(shù)魯棒性。

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Adaptive Control Strategy for DC Microgrid

Hou Pengfei, Wang Jinquan, Xu Ye, Li Jianke, Yan Jun
(PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

This paper studies the key control of the autonomous control system without communication bus. In this paper, we study and improve the DC microgrid autonomous control system design method, the bus voltage is used as the carrier of information transmission to realize the automatic switching of various operating modes based on the fluctuation of the DC bus voltage. The simulation of a typical DC microgrid system is carried out to verify the effectiveness of the proposed method.

DC microgrid; autonomous; control; working mode

TM727

A

1003-4862（2017）02-0005-06

2016-09-06

國家自然青年科學基金項目 (51507188)

侯朋飛(1989-)，男，博士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)自動化。E-mail: 19890224hpf@163.com