自治直流微电网分层控制策略

邱摇摇，杨秀，何虹历

(上海电力学院电气工程学院，上海市 200090)

自治直流微电网分层控制策略

邱摇摇，杨秀，何虹历

(上海电力学院电气工程学院，上海市 200090)

分布式控制策略由于可以与系统的监测体系相结合，有效解决了传统下垂控制方法所带来的电压跌落等问题。鉴于已有分布式控制策略在电压跌落补偿以及储能系统管理等方面的不足，该文采用新的分层控制策略来实现孤立直流微电网的可靠运行。该策略分为2层，第1层控制是就地控制，采用本地母线电压信号作为电力平衡指标来划分系统的运行模式；第2层控制是依靠通信的系统级控制，采用低带宽通信技术来实现母线电压的实时调节，并且根据蓄电池荷电状态(stage of charge，SOC)调节下垂控制参数以达到SOC均衡化的目的。通过MATLAB/simulink搭建了光储直流微电网模型，仿真结果验证了第1层控制可以不依靠通信连接来实现系统可靠运行，加入依靠通信的第2层控制后，能有效解决传统下垂控制所带来的电压跌落问题，并实现蓄电池SOC的均衡化。

直流微电网；分层控制；电压调节；SOC均衡化

0 引 言

作为分布式能源接入电网的有效途径，微电网成为未来智能电网发展的重要组成部分。与交流电网相比，直流微电网具有运行效率高、控制系统简单以及方便分布式能源接入等优点，随着近年来对电能质量要求的提升，直流微电网也逐渐成为研究热点[1-3]，目前，已在数据中心和商业楼宇等独立供电系统中得到了广泛应用。

为了提高供电的可靠性，直流微电网在自治运行时，通常采用多种分布式电源并联运行的方式来承担负荷功率，因此，负荷的合理分配是直流微电网协调控制的重要目标[4-6]。

直流微电网的控制方法大体可以分为集中控制、分散控制和分布式控制3种[7]。其中集中控制对通讯系统可靠性要求较高[8-9]，而分散控制则会限制系统的稳定性以及最优工况[10]。因此，目前采用较多的是基于母线电压信号的分布式控制策略。文献[11-13]提出了使中央控制器与分布式能源控制器采用弱通信联系的分布式控制策略。

下垂控制由于可以利用母线电压信号来协调各变换器的工作方式，是实现分布式控制的一种有效方法，但存在电压跌落以及功率分配不均等问题。目前提出的解决方法主要有以下2类。(1)针对母线电压跌落问题，可以采用增加低带宽通信的二次控制来实现调压。文献[14-15]引入了适用于微电网的二次控制策略，以解决电压跌落问题；文献[16]根据变换器输出电压的差异确定下垂电阻，缺点是电压调节能力较弱。(2)针对线路阻抗导致的功率分配不均等问题，可以基于低带宽通信，通过计算功率的均值来补偿线路阻抗导致的功率分配误差。文献[17]提出了基于ISA-95的直流微网分级控制方法，实现微电源均流和电压的无差调节。以上文献虽然能有效解决电压跌落或者均流问题，却未考虑到通讯系统故障情况下系统的可靠运行问题。

本文在已有研究的基础上，将分布式控制策略与系统的监测体系相结合，对传统分布式控制以及二次控制进行完善，增加储能系统管理环节来保证二次控制的可靠性，即利用蓄电池的荷电状态(sate of charge, SOC)实现对下垂控制参数以及出力的实时调节。本文针对孤立直流微电网提出分层控制策略，第1层控制是就地控制，通过母线电压信号改变变换器的工作模式，可以保证在通信故障情况下，系统仍然可以可靠运行；第2层控制是依靠通信的系统级控制，在第1层控制的基础上增加低带宽通信技术，来实现二次控制。该策略既可以实现系统电压跌落补偿，又可以利用蓄电池的SOC调节下垂控制系数，进而对电池的功率进行调节，使蓄电池SOC均衡化。最后，为了验证所提控制方案在不同运行模式下均可以实现对直流微电网系统的有效控制，搭建基于Matlab/Simulink的光储直流微电网系统模型，对第1层控制下系统的可靠运行，第2层控制的电压跌落补偿及SOC调节效果进行仿真验证。

1 分层协调控制

直流母线电压是衡量系统功率平衡的唯一指标。因此，直流微电网的控制要点是要保持直流母线电压的稳定，这就要求直流微电网系统对微电源、储能系统和负荷进行协调控制，以满足供电电源端与负荷端能量保持平衡，因此本文提出了直流微电网分层控制策略。图1为直流微电网分层控制结构示意图，其中第1层控制是就地控制，采用本地母线电压信号来划分系统的运行模式；第2层控制是依靠通信的系统级控制，利用蓄电池组进行电压跌落补偿并对储能进行优化。且由于第2层控制采用低带宽通信，故而仅在通信系统正常时运行。需要说明的是，只有当系统运行模式为蓄电池通过下垂控制稳定直流母线电压时，第2层控制才会对系统进行优化。

图1 直流微电网分层控制结构

1.1 第1层控制

第1层控制的主要目的是保证系统在通信发生故障的情况下仍然能够可靠运行，直流母线电压稳定是其稳定运行的关键。本层控制根据直流电压的变化量对系统的运行模式进行划分，在不同的运行模式下合理调节变换器的工作方式，使系统在不同工况下都能稳定运行。图2为第1层控制的下垂特性曲线。

图2 第1层控制的下垂特性曲线

如图2所示，按照系统运行的要求，根据预先设定的电压阀值将母线电压分为5个工作区。阈值之间的关系如式(1)所示：

UL2≤UL1≤UN≤UH1≤UH2

(1)

式中：UN是直流母线额定电压；UH1和UL1是蓄电池充放电的阈值电压；UL2和UH2分别为切负荷与光伏恒压的阀值电压。各区域内系统的工作模式如表1所示。

表1 系统工作模式划分

Table 1 System operation mode

(1)区域1：UL1

Ppv=Pload

(2)

式中Pload、Ppv分别为负荷吸收的功率与光伏发出的功率。

(2)区域2：UH1≤Udc

Pb=Ppv-Pload

(3)

式中Pb为蓄电池吸收的功率。

蓄电池的下垂控制曲线如图2中的bc段所示，下垂控制特性公式可以表述为式(4)：

(4)

(5)

(3)区域3：UL2≤Udc

(6)

(4)区域4：Udc≥UH2，由于蓄电池的充电电流可能越限而维持在最大值，即运行在恒功率模式，故母线电压超过UH2时，便超出了蓄电池的调节范围，或者是因为蓄电池充满而被切除，此时光伏由MPPT模式切换到下垂控制模式，参与调压。下垂特性曲线如图2中ab段所示，光伏的下垂控制特性如式(7)所示：

(7)

(5)区域5：Udc

为避免系统运行模式切换频繁，在临界电压点处采用电压滞环控制，滞环电压即死区电压。如图2所示，本文在b、c、d和e处采用电压滞环控制，滞环电压范围为-1～1 V。

因为下垂控制有电压跌落等问题，因此必须进行母线电压跌落补偿。此外，为了延长电池的使用寿命，有必要使蓄电池的SOC均衡化，可以根据蓄电池的SOC动态调节下垂控制参数，使蓄电池的SOC趋于一致。但是这需要蓄电池之间进行信息交换，本文利用低带宽通信在第2层控制中得以实现。

1.2 第2层控制

为了改善第1层控制的局限性，第2层控制通过实时的信息交换对蓄电池的SOC进行调节，并且进行母线电压的实时调节。蓄电池的控制系统如图3所示。

图3 蓄电池控制结构图

1.2.1 电压跌落补偿

第1层控制采用下垂控制实现，虽然优点很多，但其在应用时会引起母线电压跌落，因此会对电压质量造成一定的影响。为了解决上述问题，本文引入了适用于微电网的第2层控制，以解决电压跌落问题，提升母线电压支撑能力，其结构如图3所示，将母线电压的阀值与实际值的差值经过延迟环节以及PI控制后叠加到母线电压的参考值上，实现电压的实时调节，这种方法对下垂控制的影响如图4所示。

如图4所示，若不考虑线路电阻等因素的影响，系统的下垂控制特性曲线为曲线1。因为线路电阻对下垂控制参数以及压降的影响，系统实际运行时下

图4 二次控制的下垂控制特性

垂控制特性表达式如式(8)所示：

U=UN+ΔU-(m+Δm)I

(8)

式中：UN为直流母线额定电压；ΔU与Δm为线路电阻引起的压降以及下垂控制参数变化。

此时，系统特性曲线为曲线2，本文通过第2层控制对电压进行补偿，将下垂特性由曲线2移至曲线3，减小了系统稳态运行时的误差。

1.2.2 储能优化

当母线电压在区域2和3范围内时均需要蓄电池稳压，因此蓄电池之间的协调控制也非常重要。本文对蓄电池进行协调控制的目标是实现SOC的均衡，方式是调节下垂控制参数。本文设置的下垂控制参数的表达式如式(9)所示：

(9)

式中：δi用于调整第i个变换器的下垂控制参数，较大的δi意味着SOC的值较高；kp用于调整充放电功率；SOCi为第i个蓄电池的SOC值；n是蓄电池数目。调整后的下垂控制参数如式(10)所示：

(10)

kp值对于SOC差值的影响如图5所示，由图5可知，增大kp时，SOC的差值减小较快，故可以通过调节kp，进而调节SOC均衡化的速率。

本文所提出的分层控制方案可以保证直流微电网的可靠与优化运行。在正常运行时，系统通过第2层控制对第1层控制进行优化，使蓄电池SOC均衡化，并能对电压进行实时调节。通信系统发生故障时，直流微电网仍然可以仅在第1层控制下可靠运行，此时，每一个变换器将按照设定的阈值来保证系统的稳定运行。

2 变换器的控制

为了实现所提出的分层控制方案，变换器的控制至关重要。如图6、7所示，各变换器根据本地的直流母线电压信号确定各自的运行模式。

图5 SOC之间差值随时间的变化曲线

图6 储能接口变换器控制电路

图7 光伏接口变换器控制电路

图7中，通常情况下，光伏工作于MPPT模式下，Up，Ip分别表示光伏电池侧的电压和电流。若发生蓄电池切除，或者母线电压越限等情况时，光伏也将切换为下垂控制来稳压。

3 实验验证

本文进行相应的仿真实验来证明所提出的控制策略的有效性。本文采用的模型如图8所示，主要包括：光伏电池2组，容量为10 kW；蓄电池2组，额定电压为200 V，标称容量为100 A·h；2组负荷。线路电阻R1、R2、R3、R4的值分别为：0.100，0.196，0.280，0.120 Ω。阈值电压与额定电压的差值不宜过大或者过小，过小会导致频繁切换问题，过大会降低系统可靠性。本文所选取的阈值电压分别为UN=380 V，UH1=385 V，UL1=375 VUH2=390 V，UL2=370 V。

图8 仿真模型示意图

3.1 系统运行模式在区域1、2与3之间切换

系统初始运行时，光伏以MPPT模式运行，光伏发电功率与负荷消耗功率均为1 300 W，系统运行于区域1。在0.5 s时，光照增强，光伏发电功率达到 2 650 W，负荷功率不变，由于功率不平衡导致系统电压升高，达到386 V时，蓄电池运行在电压下垂控制模式下以维持母线电压稳定，母线电压稳定于388 V，此阶段系统运行在区域2。在1 s时，负荷功率增加到3 000 W，由于功率不平衡导致母线电压跌落，达到374 V时，蓄电池运行在电压下垂控制模式下以维持母线电压稳定，母线电压稳定于373 V，此阶段系统运行于区域3。系统功率和电压随时间的变化关系如图9、10所示。

图9 功率随时间的变化曲线

图10 母线电压随时间的变化曲线

由仿真结果可知，系统可以根据母线电压信号灵活地改变运行模式，使直流母线电压维持在电压阀值，验证了所提出控制策略的灵活性。并且光伏始终以MPPT模式运行，保证了可再生能源的最大化利用，验证了所提出控制策略的经济性。

3.2 系统运行模式由区域2过渡到区域4

系统初始运行时，光伏以MPPT模式运行，发电功率为4 000 W，负荷消耗功率为1 200 W，功率不平衡导致母线电压上升，达到386 V时，蓄电池充电以维持母线电压稳定，稳定时系统电压为387 V，系统运行于区域2。在0.5 s时，由于光伏发电功率增强，达到7 200 W，而此时蓄电池由于功率限制而处于恒功率控制模式，导致母线电压继续升高，达到391 V时，光伏系统稳压，将电压稳定在393 V，此时系统运行在区域4，1 s时负荷消耗功率增加，光伏系统也增加相应功率以保证系统功率平衡，1.5 s时负荷消耗功率降低，光伏系统也相应降低功率以保证系统功率平衡。系统功率和电压随时间的变化关系如图11、12所示。

图11 功率随时间的变化曲线

图12 母线电压随时间的变化曲线

由仿真结果可知，当光伏发电功率过大导致母线电压运行于区域4时，则系统运行模式切换为光伏稳压模式，使系统不会因为蓄电池受功率限制而导致电压失去稳定性，验证了所提出控制策略的可靠性。

3.3 层间控制策略的切换

仿真分析系统由第2层控制过渡到第1层控制时，系统电压以及蓄电池的SOC状况。为了分析第2层控制对系统的影响，对第2层控制中的电压跌落补偿以及SOC优化分别进行仿真分析。

(1)母线电压跌落补偿。系统初始运行时，光伏以MPPT模式运行，发电功率为2 600 W，负荷消耗功率为1 400 W，功率不平衡导致母线电压上升，达到386 V时，蓄电池充电以维持母线电压稳定，稳定时系统电压为388 V，在0.8 s时通信系统发生故障，导致系统由第2层控制切换至第1层控制，电压跌落补偿功能由于无通信连接而失败，导致母线电压升高至390 V，观察0.8 s前后电压幅值的变化，可以看到母线电压跌落补偿的效果是比较明显的。系统功率和电压随时间的变化关系如图13、14所示。

图13 功率随时间的变化曲线

图14 母线电压随时间的变化曲线

(2)SOC优化。系统初始运行时，光伏以MPPT模式运行，发电功率为2 600 W，负荷消耗功率为1 400 W，功率不平衡导致母线电压上升，达到386 V时，蓄电池充电以维持母线电压稳定，蓄电池SOC上升，SOC差值逐渐减小，0.8 s时，通信系统发生故障，SOC优化功能由于无通信连接而失败，SOC的差值基本维持不变。由图13、14可知，故障前SOC高的蓄电池吸收功率少，SOC低的蓄电池吸收功率多，SOC差值逐渐减小，而在发生故障后2个蓄电池吸收功率一致，这样SOC之间差值基本不变。系统功率以及SOC的差值随时间的变化如图15、16所示。

图15 功率随时间的变化曲线

由仿真结果可知，在通信发生故障的情况下，由于缺少了依靠通信的第2层控制，系统仅工作在第1层控制下，仍然可以有效地维持直流母线电压稳定，验证了所提出控制策略的可靠性。

4 结 论

本文所提出的分层控制方案可以满足直流微电网可靠性、经济性和灵活性的要求，具有以下特点：

图16 SOC之间差值随时间的变化曲线

(1)第1层控制可以实现可再生能源的最大化利用以及蓄电池的优化使用，利于系统的经济运行；

(2)第2层控制是依靠通信的系统级优化控制，利用低带宽技术实现信息的交换，对系统电压进行补偿，并通过蓄电池SOC调节下垂系数，进而调节蓄电池的功率，使其SOC达到均衡。

[1] KAKIGANO H，MIURA Y，ISE T. Distribution voltage control for DC microgrids using fuzzy control and gain-scheduling technique[J] . IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5)：246-2258.

[2] WU T，CHANG C，LIN L， et al. DC-bus voltage control with a three-phase bidirectional inverter for DC distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(4)：1890-1899.

[3] 郭媛，祁兵.直流微电网的电能路由算法[J].电力建设， 2016，37(1) ：45-49. GUO Yuan， QI Bing.Power routing algorithm of DC micro-grid [J].Electric Power Construction，2016 ，37(1) ：45-49.

[4] 张庆海，彭楚武，陈燕东，等.一种微电网多逆变器并联运行控制策略[J].中国电机工程学报， 2012， 32(25)：126-132. ZHANG Qinghai，PENG Chuwu，CHEN Yandong，et al.A control strategy for parallel operation of multi-inverters in microgrid[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(25)：126-132.

[5] 韩华，刘尧，孙尧，等.一种微电网无功均分的改进控制策略[J].中国电机工程学报， 2014， 34(16)： 2639-2648. HAN Hua，LIU Yao，SUN Yao，et al.An improved control strategy for reactive power sharing in microgrids[J].Proceedings of the CSEE，2014，36(16)：2639-2648.

[6] LEE C T，CHU C C，CHENG P T.A new droop control method for the autonomous operation of distributedenergy resource interface converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(4)：1980-1993.

[7] SCHONBERGER J, DUKE R, ROUND S D. DC-bus signaling: a distributed control strategy for a hybrid renewable nanogrid [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(5) :1453-1460.

[8] BARKLUND E，POGAKU N，PRODANOVIC M，et al.Energy management in autonomous microgrid using stability-constrained droop control of inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(5)：2346-2352.

[9] MENG L X，DRAGICEVIC T，GUERRERO J M，et al.Dynamic consensus algorithm based distributed global efficiency optimization of a droop controlled DC microgrid[C]//2014 IEEE International Energy Conference.Cavtat：IEEE，2014：1276-1283.

[10] LIANG H，CHOI B J，ZHUANG W,et al. Stability enhancement of decentralized inverter control through wireless communications in microgrids[J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2013，4(1) ：321-331.

[11]王毅，张丽荣，李和民，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. WANG Yi，ZHANG Lirong，LI Heming，et al.Hierarchical coordinated control of wind turbine-based DC microgrid[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(4)：16-24.

[12]李圣清，徐天俊，张彬，等.光伏直流微网母线电压稳定控制[J].电气传动，2015，45(3)：48-52. LI Shengqing，XU Tianjun，ZHANG Bin, et al.Bus voltage stable sontrol in the photovoltaic DC micro-grid. Electric Drive, 2015 45 (3):48-52.

[13]蒋东荣，颜瑞凡，申丹伟，等.多能互补直流微网电压与能量分层协调控制策略[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2015，29(5)：103-111. JIANG Dongrong，YAN Ruifan，SHEN Danwei，et al.Research on hierarchical coordinated control strategy of voltage and energy for multi- energy complementary DC microgrid[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2015，29(5):103 -111.

[14]BICZEL P.Power electronic converters in DC microgrid [C]//Compatibility in Power Electronics.Gdansk，Poland：CPE，2007:1-6.

[15] KUMAR M, SRIVASTAVA S C, SINGH S N. Control Strategies of a DC microgrid for grid connected and islanded operations[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(4): 1588-1601.

[16] AUGUSTINE S, MISHRA M K, LAKSHMINARASAMMA N. Adaptive droop control strategy for load sharing and circulating current minimization in low-voltage standalone DC microgrid[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 6(1): 132-141.

[17] GURRERO J M，VASQUEZ J C，MATAS J，et al.Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrid：ageneral approach toward standardization[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1) :158-172.

(编辑 张小飞)

A Hierarchical Control Strategy of Autonomous DC Microgrid

QIU Yaoyao,YANG Xiu,HE Hongli

(College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

The distributed control strategy with the supervision system has effectively solved the problem of voltage deviation brought by conventional droop control method. Considering the drawback of the previous distributed control strategy in voltage drop compensation and energy storage management, this paper proposes a novel hierarchical control strategy to achieve the reliable and optimal operation of stand-alone DC microgrid. The proposed control strategy includes two hierarchical layers. The primary control layer, which is the local control layer, uses bus voltage signal as an indicator of the power balance to change the operation modes of system. The secondary control layer is the system control layer based on communication links, which can achieve real-time bus voltage regulation by low-bandwidth communication technology, and adjust the drop control coefficient based on the battery state of charge (SOC) to balance the SOC between different batteries. This paper constructs the model for PV storage DC microgrid in MATLAB/simulink, whose simulation results verify that the primary control layer can ensure the reliable operation of the system without communication links, and after the addition of the second control layer with communication links, it can solve the problem of voltage deviation brought by conventional droop control method, and realize the balance of the SOC between different batteries.

DC microgrid; hierarchical control; voltage regulation; SOC balance

国家自然科学基金项目(71203137)；国家电网公司科技项目(H2013-042)

TM 732

A

1000-7229(2016)10-0041-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.006

2016-04-21

邱摇摇(1991)，男，硕士研究生，研究方向为直流微电网稳定与控制；

杨秀(1972)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为分布式发电与微电网运行与仿真；

何虹历(1991)，男，硕士研究生，研究方向为微电网稳定与控制。

Project supported by Natural Science Foundation of China(71203137)