直流微电网改进分级控制策略研究

高崧耀

【摘要】：随着时代的发展，直流微电网已在很多方面得到了广泛的应用。相对于交流微电网而言，直流微电网具有无需跟踪频率以及电压相位、抗扰性更好、降低线路损耗、在基础设施的投资上较低等诸多优点，可见其未来的发展将不可估量。文章针对适用于任意用户的小型直流微电网，在分析其组成结构及发电单元输出特性的基础上，提出一种改进分级控制策略。

【关键词】：直流微电网；改进分级；控制策略

1、导言

为了协调大电网与分布式发电之间的矛盾，充分利用分布式发电的优势，并促进其大规模的整合与应用，学者们提出了微网（Microgrid）的概念。尽管对微网的定义各不相同，但国际上基本认为：微电网是由各种分布式电源/微电源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集合；具有灵活的运行方式和调度性能，即能在并网运行和孤岛运行两种模式间切换。

2、基于直流母线电压的控制策略

直流微网控制策略主要分为集中控制、分散控制和分布控制3种，其中分散控制不考虑直流母线变化使得各分布电源间的信息无法交互不予采用，集中控制由于需要一个传输速度较快的通信架构，目前实现较为困难，所以大部分直流微网的控制策略都选用分布控制，即基于直流母线电压的控制策略（DCbussignalcontrol）。直流母线电压的选取，依据文中对不同直流电压对负载和线路损耗的分析，得出选择直流母线电压为48V较为合适。直流微网作为电源输出时DBS的具体实现方式，变换器的U-I下垂控制线见图1，原理框图见图2，变换器通过将母线电压幅值与自身工作状态阀值电压比较，进而决定工作模式。

图1新能源放电时的控制器U-I下垂线

图2新能源放电时变换器控制框图

直流系统中包含3类电能单元：新能源、储能装置和负载单元。首先，直流母线电压的幅值作为信号，分为不同控制区域。当系统直流母线电压处于状态1时，仅将新能源并入直流母线，状态2中储能装置也被加入。其中新能源的放电阀值为U0，储能装置的放电阀值为U1。当负载小于新能源最大功率点（曲线PS1）时，新能源的变换器与直流母线交互，使得仅新能源并网，并且变换器工作在恒压输出状态，调制母线电压至其放电阀值。当负载电流增大，母线电压由于下垂线的控制逐渐降低，所以，当带负载PL1时，系统工作点在A点处。当负载超过新能源最大功率点，新能源变换器检测到该状态后，改变其工作状态至恒功率输出模式，限制其输出功率为PS1。由于按PS1曲线增长，电压会跌落较多，所以为了保持母线电压在一定范围内稳定，当电压跌落至U1以下，储能装置并入，提高整个系统的工作电压，当带负载PL2时，系统工作点在B点处。

图2控制模块是标准双环控制，电流内环响应速度快，电压外环通过PI调节保证电压稳定。在恒压工作模式中，PI控制器使得直流母线电压调制到其放电阀值电压，电流按照内环输出额定值。同时，设置了控制器的下垂曲线保证了不同新能源和储能装置能通过变换器实现功率均分。下垂曲线公式为

U0*=Un-kI0。（1）

式（1）中：Un为变换器放电阀值；I0为输出电流；k为下垂系数。恒功率运行时，新能源的变换器跟踪新能源的最大功率点运行，储能装置在母线电压达到放电阀值后，按下垂控制支撑母线电压。以上介绍了新能源模块放电方式的控制策略，对于整个系统，储能装置作为一个能量缓冲器，其控制器根据直流母线电压的不同分为充电控制和放电控制两部分，具体储能变换器的控制框图见图3。

图3储能变换器总体控制框图

图3中：Ub为检测的蓄电池电压；Ubh为相对于剩余容量95%时的电压；Ubl为相对于剩余容量40%时的电压，充放电电流最大值都有相应限制；Ib*为储能变换器的参考电流；Ib为变换器实际输出电流；D*为变换器的占空比；Udc为直流母线电压测量值；Udc_ref为给定参考值。

将Udc和Udc_ref比较后通过PI调节及限流环节得到电流控制环的输入参考值Ir2，若Ub小于Ubl，则Ir2=0，此时蓄电池为充电状态，参考电流为Ir1；若Ub大于Ubl，则参考电流为Ir2，此时蓄电池为放电状态。其中，充电状态时，将Ub和Ubh比较后通过PI调节和限流环节，得到参考电流Ib1=Ib*。通过Ib*的大小决定电池工作状态，当其大于0，变换器工作在放电状态，小于零则充电状态。Ubh和Ubl的设置实现了储能的过冲过放保护。

3、直流微电网的分级控制

3.1第3级控制

第3级控制主要实现上级电网对直流微电网的调度。直流微电网从上级电网吸收功率的最大值由直流微电网并网变换器的容量决定；直流微电网向上级电网输出功率的大小由上级电网的调度决定。直流微电网通过并网变换器与上级电网相联。采用电网电压定向的矢量控制策略时，并网变换器在dq坐标系下的交流侧有功功率和直流侧有功功率可以表示为

（1）

式中：Pac_g为并网变换器交流侧输出的有功功率，该值为调度层给定；Ug和Igd分别为并网变换器交流侧电压有效值和交流侧电流d轴分量有效值；Pg为并网变换器直流侧功率；Ig为并网变换器直流侧电流有效值。

根据功率守恒，忽略传输线路损耗，令Pac_g等于Pg，则上级电网调度时的并网变换器直流侧电流输出电流参考值Ig*为

（2）

3.2第2级控制

第2级控制使用直流母线电压作为调度信号，在直流微电网电压允许的波动范围内，实现对直流微电网中各个微源工作状态的调度管理。该调度策略可以根据设定的运行规律优先对分布式电源进行调度，分布式电源输出功率不够时，再根据并网或孤岛状态分别对并网变换器和储能装置进行调度，达到母线电压平衡和潮流控制的目的。直流微电网的工作模式示意图如图4，其中UN为额定电压，H2UN和L2UN分别为母线电压允许的最大值和最小值，系数需满足

（3）

图4直流微电网母线电压控制

3.3第1级控制

第1级控制根据母线控制层的调度要求实现对微源接口变换器的控制。

结论

综上所述，针对适用于任意用户的低压直流微电网，本文提出一种层次化优化控制策略，该层次化控制策略通过调度管理层与上级电网接口，实现上级电网对直流微电网的调度，母线电压控制层以直流母线电压作为信息载体实现对发电单元的调度及状态的调度，变换器控制层实现变换器的下垂及最大功率控制。

【参考文献】：

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[2]王毅，张丽荣，李和明，等.风电直流微网的电压分层协调控制[J].中国电机工程学报，2013，33（4）：16-24.