直流微电网的控制技术综述

姜碧佳，叶远茂

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

随着新能源发电装机容量不断攀升，如何实现供配电系统的功率平衡并满足用户对电能质量和成本的要求，是当前发配电系统急需解决的重要关键问题。考虑到可再生能源具有高分散性、高波动性和难预测性，传统供配电系统的结构和调控策略很难适应分布式电源的大规模接入和间歇性生产。为此，微电网以一种全新的供配电形式应运而生[1]。它主要是由分布式能源、储能系统和柔性负荷组成，并集自治运行、综合管理、智能保护于一体，是一种既可独立运行，又可与大电网联网运行的微型发配电系统[2]。

根据母线电压类型不同，微电网可分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网[3-5]。尽管交流微电网是目前的主流，但随着越来越多的新能源发电设备、负载和储能系统都以直流电的形式存在，直流微电网的优势正不断凸显。首先，交流系统中的直流电源必须通过逆变装置与交流母线连接，到了用户侧又必须通过整流装置给直流负载供电；相比之下，在直流微电网中，以光伏为代表的直流电源和以LED灯为代表的直流负载只需通过DC/DC接口即可与直流母线连接，从而避免了逆变和整流装置带来的损耗，同时也使系统可靠性更高、结构更简单、成本更低。其次，在控制方面，直流微电网只需对母线电压进行控制[6-7]；相比之下，交流微电网中各种功率接口需要对频率、相位、无功潮流和谐波等问题进行综合控制。可见，无论从系统结构、建设成本、转换效率还是控制策略各个角度来说，直流微电网事实上是一种更为理想的、可有效提高可再生能源消纳能力的电力供配电系统[8]。

直流微电网中，各个分布式电源、储能设备和负载通过DC/DC或AC/DC电力电子功率接口与直流母线连接；为此，必须制订一套合理的控制策略来协调各功率接口的有序运行，从而确保整个系统可靠运行并提供稳定的母线电压。与交流电网不同，直流微电网在结构上具有底层复杂、上层简单且已完全电力电子化的物理特性，这使得直流微电网在控制层面上也异于交流电网且呈现出不同的控制模式和分类[9-11]。从控制系统的结构来说，直流微电网的控制可分为底层控制和协调层控制[12]。其中，直接针对各电力电子功率接口的底层控制是维持整个直流微电网系统稳定运行的基石，而协调层控制是在底层控制的基础上通过设置各电力电子功率接口的工作模式和控制参数来实现系统的功率平衡和母线电压稳定。根据直流微电网中电力电子功率接口之间的通信方式不同，直流微电网的协调层控制可细分为集中控制、分布式控制和分散控制[13]。此外，根据直流微电网中分布式电源所发挥的作用不同，有的文献也将直流微电网的控制模式分为主从控制、对等控制和分层控制[14]。本文从直流微电网底层复杂、上层简单的特性出发，认真总结国内外学者在直流微电网控制策略方面取得的成果，详细分析底层控制和协调层控制的关键技术和核心内容，并对各种协调层控制策略的优缺点和应用场景进行分析比较。

1 直流微电网的基本结构

一种典型的直流微电网结构如图1所示，其中，以光伏和燃料电池为代表的分布式直流电源通过DC/DC功率接口将电能输送到直流母线上，以风力机为代表的交流电源通过AC/DC功率接口与直流母线相连，以锂电池为代表的储能设备通过双向DC/DC功率接口进行充放电，直流负载和交流负载分别通过DC/DC和DC/AC功率接口与母线连接。此外，直流母线还可通过双向DC/AC变换器与交流大电网进行能量交换，电动汽车也可通过DC/DC接口实现高效充电[15]。可见，直流微电网是一个典型电力电子化的分布式电力系统。为确保系统稳定运行，必须合理设计各功率接口自身的控制器以及它们之间的协调控制策略。

图1 一种典型直流微电网结构

2 底层控制

在直流微电网中，各电力电子功率接口分散地并接在直流母线上，多源协调工作，共同维持母线电压的稳定及功率平衡。这些功率接口主要工作在恒压模式或恒功率模式，相应的控制策略构成了整个直流微电网的底层控制。底层控制功能一般包括对功率接口电压电流的控制、新能源发电单元最大功率追踪、电池储能单元的管理、功率接口间环流抑制和电流分配机制等。

2.1 功率接口的电压电流控制

为了使电力电子功率接口输出期望的电压和电流，基于电压闭环、电流闭环或电压电流双闭环的控制单元是直流微电网中功率接口的基本组成部分。脉宽和频率调制是电力电子功率接口的最常用调制方法。在此基础上，最为经典和常用的电压、电流闭环控制器是基于比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制或比例-积分( proportional-integral，PI)控制设计的[16]。这种经典控制器的参数是在功率接口小信号模型的基础上利用波特图通过零极点配置进行设置；然而在直流微电网中的电力电子功率接口通常会在不同的工作模式间切换，此时基于小信号模型建立的闭环系统有可能不稳定，这就促使人们研究其他更先进的控制策略来确保直流微电网中的功率接口稳定工作。于是，滑模控制、模糊控制、单周期控制、神经网络、边界控制和模型预测控制等新兴的控制算法相继被应用到功率接口的控制中[17-18]。其中，模糊逻辑能处理系统中的不确定性，消除对系统数学建模的需要，并能同时处理不同的控制目标，具有鲁棒性强的优点[19-20]。文献[21]基于模糊逻辑的下垂控制器，利用专家对系统预期行为的经验和知识来计算出合适的下垂系数，通过检测直流电压偏差和功率容差，更新下垂系数，从而减小直流电压偏差。模型预测控制对功率接口模型的精度要求不高，采用滚动优化策略，能及时弥补由于模型失配、畸变、干扰等因素引起的不确定性，动态性能较好。文献[22]中的模型预测控制器通过预测可再生发电的负荷需求和功率来控制电池的充放电，它相对传统PI控制器具有更宽的应用范围。各功率接口的底层控制器在最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)算法或电池荷电状态(state of charge，SoC)约束条件下确定模型预测控制器的参考电流，并将模型预测控制器成本函数最小化后的切换状态应用于功率接口的控制，实现了系统良好的动态特性和即插即用功能。

2.2 与微源相关的功能函数

在直流微电网中，以光伏和风力机为代表的分布式电源是整个系统能量的主要来源，因此需要控制这些分布式电源使其最大限度地从自然界中获取能量，相应的控制算法即为MPPT控制。MPPT根据环境条件的变化动态地控制新能源发电设备，使其能输出最多电能。文献[23-24]分别分析了直流微电网中的光伏发电单元和风力机的MPPT算法，并指出：传统MPPT算法，如爬坡法、增量电导法和扰动观察法方法因结构简单而存在固定步长缺陷，并导致系统在最大功率点附近振荡；风力机MPPT算法中，叶尖速比控制、最优转矩控制和功率信号反馈等控制方法均依赖于精确风力机参数和复杂传感网络来实现精确跟踪。因此，一些新的进化算法，如人工神经网络和蚁群优化算法、布谷鸟搜索算法等，成为优化MPPT的新手段。此外，为了平抑分布式电源的功率波动，保证系统能量供需平衡，同时避免储能电池的过充和过放，实现功率分配和SoC均衡，利用储能装置的SoC来进行管理与控制成为当前研究的重点[25]。其中，结合下垂控制的PI控制器是储能单元常用的自主SoC均衡控制方法，其原理是通过调节下垂控制的电压给定值或下垂系数，让SoC低的储能单元输出较小的功率，SoC高的储能单元输出更多的功率，从而使所有储能装置的SoC趋于一致；但是由于下垂控制其本身的缺点(详见第2.3.2节)，许多学者在二次控制层面引入各种智能算法，使其与相邻智能体传递目标参数的信息，最终实现所有储能单元SoC收敛一致[26]。

2.3 功率接口间电流共享机制

在直流微电网中，由于各发电单元容量不同，相连的线缆阻抗也存在差异，为防止其中一个或多个功率接口电流过大，影响系统可靠性，多个并联功率接口需要明确电流共享机制[27]。对此，国内外学者己经提出了多种电流分配机制，其中有源电流共享和下垂控制方法应用最为广泛[28-29]。

2.3.1 有源电流共享

有源电流共享主要有2种实现方式，分别是主从控制和平均电流共享。

主从控制是其中一个功率接口作为主控单元，通过电压闭环来实现恒压控制，从而稳定直流母线电压，其余功率接口作为从控单元，从控单元通常采用电流控制，其基准信号来自主变换器[30-32]。主从控制有效避免了转换器之间的环流，理想情况下可以根据变换器容量的大小精确分配电流；但该方法对通信要求高，若主控单元通信故障会使整个系统瘫痪，存在单点故障风险。

平均电流共享法是对所有功率接口的输出电流进行监测然后求取平均负载电流，并利用平均负载电流和各功率接口实际电流值之间的差值来调节功率接口输出电流的增减，最后实现各功率接口的电流与平均负载电流一致，即实现电流的平均分配[33-34]。该方法具有良好的电流共享与精确电压调节的优点；但与主从控制一样也存在需要实时通信的缺点，通信故障也会导致系统瘫痪。

2.3.2 下垂控制

在直流微电网中，直流母线电压的波动直接反映了系统功率信息，因此可采用基于直流母线电压信号的控制策略。下垂控制作为一种典型表征电压和电流关系的电流共享方法，通常嵌入到功率接口内部的电压电流环路顶部，其输出特性可等效为转换器串联一个虚拟电阻，使得输出电压随电流的增大而线性减小。

(1)

(2)

图2 含2个功率接口的并联下垂控制简化框图

根据式(1)和(2)可得出2个变换器输出电流的关系为

(3)

由式(3)可知,当下垂控制的虚拟电阻Rd1和Rd2均远大于线缆阻抗Rline1和Rline2时，2个功率接口的电流分配可近似表示为

(4)

可见，通过在功率接口的底层控制中嵌入一个虚拟电阻，下垂控制可有效解决功率接口间的环流问题并实现合理电流分配。此外，与有源电流共享策略相比，下垂控制能有效避免功率变换器间因通信点故障引起的系统瘫痪问题。但需要注意的是，式(4)所述功率接口的电流分配机制是在虚拟电阻Rd1和Rd2均远大于线缆阻抗Rline1和Rline2的情况下得到的。当虚拟电阻Rd1和Rd2减小到不远大于线缆阻抗时，这种电流分配机制的精度就将受到线缆阻抗Rline1和Rline2的影响；且虚拟电阻Rd1和Rd2的值越小，这种影响就越大，即电流分配的精度越低。此外，将式(4)带入式(1)和式(2)可将实际直流母线的电压值Uload进一步表示为

(5)

由此可见，虚拟电阻的嵌入虽然解决了功率接口间环流问题，但同时也带来了直流母线电压跌落的问题，且随着虚拟电阻的增加，母线电压跌落的幅值越大。可见，下垂控制导致母线电压偏差和电流分配精度之间出现了不可调和的矛盾[35]。

为了消除传统控制引起的直流母线电压偏差和提高电流分配精度，可在下垂函数中加入一个修正项，如平移下垂曲线，或调整下垂系数，或两者混合。文献[36]详细阐述了有关改进下垂控制的几种方法：①经典的偏差调节，即对下垂曲线的纵截距作出补偿，主要有解决电压偏差问题的平移下垂曲线法和调整传输功率的平移下垂曲线法；②根据不同控制目标确定关联函数，如基于电压变化率或基于储能单元剩余容量的下垂系数调整法；③混合补偿，即同时对下垂系数与下垂曲线纵截距进行补偿，既补偿了传统下垂控制引起的电压偏差，又提高了电流分配的精度。上述控制方法都是应用在二次控制层面上，通过增加多个可改变的自由度来适应系统的不同要求，是对传统下垂方法的改进。

值得注意的是，下垂控制参数选择不当会影响系统的稳定性问题。文献[37]在小信号数学模型的基础上，通过特征根分析了直流微电网系统中变换器的下垂系数、线路电感、恒功率负荷及母线电容与直流微电网系统稳定性的关系，其结果表明增加下垂系数和母线电容能提高系统稳定裕度。为降低线路阻抗的影响，文献[38]提出在本地控制器的下垂控制环节中补充虚拟电阻，即基于负载电压检测的鲁棒下垂控制方法，具体是将线路阻抗作为变换器输出阻抗的一部分进行补偿控制，通过调节鲁棒系数来最小化负载分配的不准确性，但这种方法具有调节能力不足的缺陷。文献[14]提出的自适应阻抗二次控制方法为混合补偿，通过平移下垂曲线解决了均流精度问题和电压跌落太大的问题；同时，为应对负载突变，还通过调节下垂曲线系数使得各并联变换器外特性阻抗趋于一致；另外，可在典型下垂控制中引入具有带通滤波功能的前馈补偿函数，增强系统阻尼，抑制系统不稳定现象发生[39]。文献[40]分析了微电网惯性问题，提出提高瞬态响应的虚拟惯性注入方法，缺点是没考虑虚拟电容的潜在分布。文献[41]利用电压变化率对下垂控制进行补偿，有效改善了电流分配精度，但没有考虑到储能单元的SoC，不利于系统的稳定。文献[42]中利用并网模式下估计的线路电阻，并考虑电池的SoC，实现了功率的完全共享。

由上述可知，下垂控制在本地控制中主要用来初步实现电流合理分配与母线电压稳定，而协调控制将对上述目标进一步优化。

3 协调层控制

为了弥补底层控制引起的母线电压偏差和电流分配精度不足，直流微电网还通常在底层控制的基础上增加协调各功率接口协同工作的控制算法。根据各功率接口间是否需要通信以及通信方式的不同，协调层控制可细分为图3所示的分散控制、分布式控制和集中控制3种。

图3 协调层控制的3种基本结构

3.1 分散控制

分散控制完全由本地控制器实现，各单元无需通信，其结构如图3(a)所示。分散控制不但具有系统结构简单的优点，且非常利于即插即用。

最常见的分散控制是基于直流母线电压信号(DC bus signaling，DBS)的协调控制。在直流微电网中，各种微源、负载和储能单元并联到直流母线上，在不考虑线缆阻抗情况下，各并联单元的端口电压相等，这样就可得到相同的电压参考值。通过检测直流母线电压信号并将其作为调度信号，预设不同模式下对应转换器阈值电压，可依据母线电压变化适时切换变换器的工作状态[43]。控制策略如图4所示，其中，UN为直流母线额定电压，UN2,L和UN2,H为直流微电网允许工作的临界电压下限和上限，UN1,L、UN1,H为各变换器工作状态自主切换控制的阈值电压下限和上限。

图4 直流微电网DBS控制策略

根据直流母线电压从高到低将系统工作模式划分为4种：在模式1，分布式电源工作在下垂控制模式，在满足负载功率平衡基础上，多余功率通过并网逆变器输送给电网，其值大小由调度指令设定，储能接口工作在充电状态；在模式2，由并网逆变器工作在下垂控制模式保证母线电压稳定，其余功率接口均工作在电流源模式下实现各个微源的平衡调度；在模式3，分布式电源工作在电流源模式，储能接口根据SoC通过下垂控制充电，如果达到最大SoC，则储能装置不工作，此时由并网单元工作在下垂整流状态并稳定母线电压。在模式4，并网变换器工作在电流源模式，此时储能装置通过下垂控制补充功率缺额。此外，为了避免频繁切换状态，文献[44]采用电压滞环控制将系统设为3个控制层，每层控制下至少有一个功率接口工作在下垂模式以确保系统内母线电压稳定。文献[45]提出了一种基于自适应分散控制的直流微电网能量管理策略，利用直流母线电压信号确定模式转换，该方法根据电压范围的不同，为变换器设置了3种工作模式。在基于DBS的分散控制中，考虑到系统母线瞬时波动和暂态冲击，如何提高直流母线电压控制系统的稳定裕度和动态响应成为关键。为此，基于扰动电流或功率前馈的直流母线电压电流双环控制策略成了当前解决这一问题最广泛的方法[46-47]。

可见，基于DBS的分散控制具有成本低和系统结构简单的优点，消除了对通信网络的需求；但仍然存在一些其他的主要问题，如电压的调整范围是有限的，不能无限制地对电源和储能单元进行电压等级划分。并且，考虑到母线电压的瞬时波动和测量干扰，必须引进先进的控制算法和信号采集技术来防止由于微电网系统在不同工作模式间频繁切换导致的系统不稳定问题。

另一种常见的直流微电网分散控制是基于电力载波(power line communication，PLC)[48]，它将特定频率的高频通信信号注入到直流母线中，允许每个设备发送和接收关于其状态、性能、历史或内部运行模式的信息。虽然PLC依赖于数字通信，但由于电力线是唯一的通信媒介，所以在这里也将它归类为分散控制。为了实现母线注入信号的零稳态误差，文献[49]对储能单元注入3种不同PLC信号，使其作为模式转换的切换依据，并分别用来指明储能单元自己的SoC和其他单元的状态变化。

通常情况下，PLC方法要比DBS方法的控制策略更加复杂，它一般只用于切换操作模式或关闭系统内部某个故障单元，且高频周期性通信信号的注入对直流母线电压波形质量有一定影响，并容易对电缆产生噪声。此外，PLC方法需要电力载波信号准确注入和检测，相对于基于DBS的分散控制来说，PLC方法也增加了系统成本和结构的复杂度。

此外，自适应下垂控制法也是常用的分散控制方法，它一般不考虑到模式切换，是下垂控制法的拓展。自适应下垂控制法主要针对储能单元间的SoC均衡，防止过充过放。文献[50]提出了一种瞬时下垂指数计算方法，其值为归一化电流共享差值和输出功率损耗的函数，即通过跟踪负载电流变化来瞬时改变下垂虚拟电阻值，实验结果证明了此方法的可行性。文献[51]基于自适应下垂控制增加了功率精确分配策略和电压无偏差补偿，实现了本地负荷和公共负荷共同参与分布式电源的功率分配，各分布式电源按各自容量成比例地进行功率分配，且直流母线电压维持在额定值。而文献[52]中各储能单元依据SoC设定初始虚拟电阻，然后通过自适应下垂控制对负荷功率进行动态分配：当各SoC互相接近时，再通过功率平衡级控制，即采用模糊控制器调节虚拟电阻，使各储能之间功率和SoC都达到均衡状态。文献[53]提出在无通信情况下基于Metropolis准则自适应调节下垂系数。文献[54]提出一种基于最优潮流算法的自适应控制来选择最佳下垂增益值，提高了潮流共享精度；但需要不断修改系统参数，降低了控制实时性，且下垂系数值计算繁琐，设计不当会引起潜在的不稳定性。

3.2 分布式控制

分布式控制是在底层控制器之间一对一的通过低带宽通信来交换信息[55-56]，其结构如图3(b)所示。底层控制器之间直接交换的信息只能包含本地可用的变量。换句话说，如果2个单元之间没有通信连接，它们就不能直接访问彼此的数据，对系统的观察也非常有限。为了解决这个问题，并使底层控制器的识别类似于中央控制器，文献[57-58]提出基于一致性算法的多代理电压控制策略，任何节点只需要采集相邻单元电压电流和功率信息，所有代理通过局部分布式算法渐近地达成某种共同协议的群体行为。该算法消除了对中央控制器的需求，但仍然能够维持最低的通信需求来确保信息即时性，最大限度提高可再生能源的本地消纳。文献[59-60]将底层控制器分为控制底层、补偿层、代理层，利用一致性算法动态跟踪相邻储能单元的本地电压并快速收敛至平均电压进而调整下垂曲线，有效维持母线电压稳定。文献[61]提出功率接口(由电气弹簧实现)采用下垂控制方法，而协调层控制是基于动态协商算法设计的SoC控制器和电压检测器。该方法中，协调层负责更新局部电压设定值，定义功率和SoC相关的状态变量，使电气弹簧的功率分配与SoC成比例，避免了电气弹簧之间的环流，仅利用邻域间的信息就可以实现不同电气弹簧之间的输出电压一致并保持SoC均衡。

3.3 集中控制

如图3(c)所示，集中控制是由一个集中控制单元通过高速通信与各底层控制单元进行信息交换，以保证各功率接口间的协调运行和微电网系统的稳定。从系统协调控制运行方面来讲，主从控制也可看成是一个典型集中控制系统。对于小型直流微电网，每个单元可直接由集中控制单元来控制其工作模式和功率大小；但这种方法对通信依赖程度高，存在单点故障[62-63]。

对于大型的微电网，在满足基本电压控制、电流控制、功率控制要求的同时，还需要更高级的智能控制系统来实现一些超前目标，如电能质量控制、提供辅助服务、参与能源市场、最小化运营成本等。有学者提出分级控制概念，其中主控制实现功率共享，提高并联功率接口的稳定性，在此基础上采用二次控制补偿一次控制引起的电压偏差。为了保证不同的电力系统母线之间最优调度，还可运用三次控制器来设置二级控制的参考值，管理微电网内与外部微电网之间的潮流，实现整个直流微电网的优化、经济、高效运行[64-65]。文献[66]提出在三次控制中实现多目标控制任务：当SoC在预定范围内时，通过电池单元管理双向整流逆变接口潮流来控制系统输出功率；当SoC不在预定范围内时，根据SoC管理电池充放电恢复母线电压，双向整流逆变接口在潮流控制和电池管理之间进行智能自动切换。文献[67]中主控制采用自适应下垂控制法，提出系统阻尼自动控制的二次控制寻找最佳下垂增益值，将遗传算法集成到三次控制中，并通过对优化问题的求解，在一定程度上提高了系统的效率。一般来说，上一层控制都会比下一层控制在时间尺度上慢一个数量级，因此底层控制是响应最快的，这种分级控制相比传统的集中控制保留了本地控制的独立性，即使上层控制通信失败也不会使整个系统崩溃。

4 结束语

本文综述了直流微电网底层控制和协调控制层的研究现状。本地控制器通常在电压电流闭环控制器的基础上嵌入下垂控制来抑制功率接口间的环流和实现电流的有效分配，相比于有源电流共享机制，该方法不但结构更简单，而且可靠性更高，所以有望成为直流微电网中底层控制的标准形式。为了解决底层控制中虚拟电阻引起的电压偏差与电流分配机制之间的矛盾，合理的协调层控制也是直流微电网的重要部分。其中：以结构简单和可靠性高的特性，基于DBS的分散控制比较适用于小型且结构基本固定的直流微电网；对于中型且系统结构会经常变化的直流微电网，为了满足电源和负载的即插即用，分布式控制和集中控制比较适合；而对于功率等级更高的直流微电网，需要更复杂的能量管理算法和调度策略来确保各个微源和负载的协调运行，因此采用含有中央控制器的集中控制是最为理想的。可见，在未来的直流微电网发展进程中，根据系统容量和规模的不同，底层控制的结构已基本成熟，但对于协调层，需要针对不同的应用场景采用不同的控制结构和算法。此外，随着通信技术和人工智能的快速发展，直流微电网将以重要的角色参与到智能电网和能源互联网的发展进程中。在这一过程中，各种先进的智能控制算法和数据处理技术将被广泛应用于直流微电网的控制器中，使得直流微电网成为一种更高效、更智能的供配电系统。