直流微電網(wǎng)的控制技術(shù)綜述

姜碧佳，葉遠(yuǎn)茂

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

隨著新能源發(fā)電裝機(jī)容量不斷攀升，如何實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的功率平衡并滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和成本的要求，是當(dāng)前發(fā)配電系統(tǒng)急需解決的重要關(guān)鍵問題?？紤]到可再生能源具有高分散性、高波動(dòng)性和難預(yù)測(cè)性，傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和調(diào)控策略很難適應(yīng)分布式電源的大規(guī)模接入和間歇性生產(chǎn)。為此，微電網(wǎng)以一種全新的供配電形式應(yīng)運(yùn)而生[1]。它主要是由分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和柔性負(fù)荷組成，并集自治運(yùn)行、綜合管理、智能保護(hù)于一體，是一種既可獨(dú)立運(yùn)行，又可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的微型發(fā)配電系統(tǒng)[2]。

根據(jù)母線電壓類型不同，微電網(wǎng)可分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)[3-5]。盡管交流微電網(wǎng)是目前的主流，但隨著越來越多的新能源發(fā)電設(shè)備、負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)都以直流電的形式存在，直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)正不斷凸顯。首先，交流系統(tǒng)中的直流電源必須通過逆變裝置與交流母線連接，到了用戶側(cè)又必須通過整流裝置給直流負(fù)載供電；相比之下，在直流微電網(wǎng)中，以光伏為代表的直流電源和以LED燈為代表的直流負(fù)載只需通過DC/DC接口即可與直流母線連接，從而避免了逆變和整流裝置帶來的損耗，同時(shí)也使系統(tǒng)可靠性更高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低。其次，在控制方面，直流微電網(wǎng)只需對(duì)母線電壓進(jìn)行控制[6-7]；相比之下，交流微電網(wǎng)中各種功率接口需要對(duì)頻率、相位、無功潮流和諧波等問題進(jìn)行綜合控制?？梢?，無論從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、建設(shè)成本、轉(zhuǎn)換效率還是控制策略各個(gè)角度來說，直流微電網(wǎng)事實(shí)上是一種更為理想的、可有效提高可再生能源消納能力的電力供配電系統(tǒng)[8]。

直流微電網(wǎng)中，各個(gè)分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載通過DC/DC或AC/DC電力電子功率接口與直流母線連接；為此，必須制訂一套合理的控制策略來協(xié)調(diào)各功率接口的有序運(yùn)行，從而確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行并提供穩(wěn)定的母線電壓。與交流電網(wǎng)不同，直流微電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上具有底層復(fù)雜、上層簡(jiǎn)單且已完全電力電子化的物理特性，這使得直流微電網(wǎng)在控制層面上也異于交流電網(wǎng)且呈現(xiàn)出不同的控制模式和分類[9-11]。從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來說，直流微電網(wǎng)的控制可分為底層控制和協(xié)調(diào)層控制[12]。其中，直接針對(duì)各電力電子功率接口的底層控制是維持整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基石，而協(xié)調(diào)層控制是在底層控制的基礎(chǔ)上通過設(shè)置各電力電子功率接口的工作模式和控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡和母線電壓穩(wěn)定。根據(jù)直流微電網(wǎng)中電力電子功率接口之間的通信方式不同，直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)層控制可細(xì)分為集中控制、分布式控制和分散控制[13]。此外，根據(jù)直流微電網(wǎng)中分布式電源所發(fā)揮的作用不同，有的文獻(xiàn)也將直流微電網(wǎng)的控制模式分為主從控制、對(duì)等控制和分層控制[14]。本文從直流微電網(wǎng)底層復(fù)雜、上層簡(jiǎn)單的特性出發(fā)，認(rèn)真總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在直流微電網(wǎng)控制策略方面取得的成果，詳細(xì)分析底層控制和協(xié)調(diào)層控制的關(guān)鍵技術(shù)和核心內(nèi)容，并對(duì)各種協(xié)調(diào)層控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析比較。

1 直流微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

一種典型的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，以光伏和燃料電池為代表的分布式直流電源通過DC/DC功率接口將電能輸送到直流母線上，以風(fēng)力機(jī)為代表的交流電源通過AC/DC功率接口與直流母線相連，以鋰電池為代表的儲(chǔ)能設(shè)備通過雙向DC/DC功率接口進(jìn)行充放電，直流負(fù)載和交流負(fù)載分別通過DC/DC和DC/AC功率接口與母線連接。此外，直流母線還可通過雙向DC/AC變換器與交流大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，電動(dòng)汽車也可通過DC/DC接口實(shí)現(xiàn)高效充電[15]。可見，直流微電網(wǎng)是一個(gè)典型電力電子化的分布式電力系統(tǒng)。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須合理設(shè)計(jì)各功率接口自身的控制器以及它們之間的協(xié)調(diào)控制策略。

圖1 一種典型直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 底層控制

在直流微電網(wǎng)中，各電力電子功率接口分散地并接在直流母線上，多源協(xié)調(diào)工作，共同維持母線電壓的穩(wěn)定及功率平衡。這些功率接口主要工作在恒壓模式或恒功率模式，相應(yīng)的控制策略構(gòu)成了整個(gè)直流微電網(wǎng)的底層控制。底層控制功能一般包括對(duì)功率接口電壓電流的控制、新能源發(fā)電單元最大功率追蹤、電池儲(chǔ)能單元的管理、功率接口間環(huán)流抑制和電流分配機(jī)制等。

2.1 功率接口的電壓電流控制

為了使電力電子功率接口輸出期望的電壓和電流，基于電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)或電壓電流雙閉環(huán)的控制單元是直流微電網(wǎng)中功率接口的基本組成部分。脈寬和頻率調(diào)制是電力電子功率接口的最常用調(diào)制方法。在此基礎(chǔ)上，最為經(jīng)典和常用的電壓、電流閉環(huán)控制器是基于比例-積分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制或比例-積分( proportional-integral，PI)控制設(shè)計(jì)的[16]。這種經(jīng)典控制器的參數(shù)是在功率接口小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上利用波特圖通過零極點(diǎn)配置進(jìn)行設(shè)置；然而在直流微電網(wǎng)中的電力電子功率接口通常會(huì)在不同的工作模式間切換，此時(shí)基于小信號(hào)模型建立的閉環(huán)系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定，這就促使人們研究其他更先進(jìn)的控制策略來確保直流微電網(wǎng)中的功率接口穩(wěn)定工作。于是，滑模控制、模糊控制、單周期控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、邊界控制和模型預(yù)測(cè)控制等新興的控制算法相繼被應(yīng)用到功率接口的控制中[17-18]。其中，模糊邏輯能處理系統(tǒng)中的不確定性，消除對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的需要，并能同時(shí)處理不同的控制目標(biāo)，具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[19-20]。文獻(xiàn)[21]基于模糊邏輯的下垂控制器，利用專家對(duì)系統(tǒng)預(yù)期行為的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來計(jì)算出合適的下垂系數(shù)，通過檢測(cè)直流電壓偏差和功率容差，更新下垂系數(shù)，從而減小直流電壓偏差。模型預(yù)測(cè)控制對(duì)功率接口模型的精度要求不高，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略，能及時(shí)彌補(bǔ)由于模型失配、畸變、干擾等因素引起的不確定性，動(dòng)態(tài)性能較好。文獻(xiàn)[22]中的模型預(yù)測(cè)控制器通過預(yù)測(cè)可再生發(fā)電的負(fù)荷需求和功率來控制電池的充放電，它相對(duì)傳統(tǒng)PI控制器具有更寬的應(yīng)用范圍。各功率接口的底層控制器在最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)算法或電池荷電狀態(tài)(state of charge，SoC)約束條件下確定模型預(yù)測(cè)控制器的參考電流，并將模型預(yù)測(cè)控制器成本函數(shù)最小化后的切換狀態(tài)應(yīng)用于功率接口的控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性和即插即用功能。

2.2 與微源相關(guān)的功能函數(shù)

在直流微電網(wǎng)中，以光伏和風(fēng)力機(jī)為代表的分布式電源是整個(gè)系統(tǒng)能量的主要來源，因此需要控制這些分布式電源使其最大限度地從自然界中獲取能量，相應(yīng)的控制算法即為MPPT控制。MPPT根據(jù)環(huán)境條件的變化動(dòng)態(tài)地控制新能源發(fā)電設(shè)備，使其能輸出最多電能。文獻(xiàn)[23-24]分別分析了直流微電網(wǎng)中的光伏發(fā)電單元和風(fēng)力機(jī)的MPPT算法，并指出：傳統(tǒng)MPPT算法，如爬坡法、增量電導(dǎo)法和擾動(dòng)觀察法方法因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而存在固定步長(zhǎng)缺陷，并導(dǎo)致系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近振蕩；風(fēng)力機(jī)MPPT算法中，葉尖速比控制、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制和功率信號(hào)反饋等控制方法均依賴于精確風(fēng)力機(jī)參數(shù)和復(fù)雜傳感網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。因此，一些新的進(jìn)化算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蟻群優(yōu)化算法、布谷鳥搜索算法等，成為優(yōu)化MPPT的新手段。此外，為了平抑分布式電源的功率波動(dòng)，保證系統(tǒng)能量供需平衡，同時(shí)避免儲(chǔ)能電池的過充和過放，實(shí)現(xiàn)功率分配和SoC均衡，利用儲(chǔ)能裝置的SoC來進(jìn)行管理與控制成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[25]。其中，結(jié)合下垂控制的PI控制器是儲(chǔ)能單元常用的自主SoC均衡控制方法，其原理是通過調(diào)節(jié)下垂控制的電壓給定值或下垂系數(shù)，讓SoC低的儲(chǔ)能單元輸出較小的功率，SoC高的儲(chǔ)能單元輸出更多的功率，從而使所有儲(chǔ)能裝置的SoC趨于一致；但是由于下垂控制其本身的缺點(diǎn)(詳見第2.3.2節(jié))，許多學(xué)者在二次控制層面引入各種智能算法，使其與相鄰智能體傳遞目標(biāo)參數(shù)的信息，最終實(shí)現(xiàn)所有儲(chǔ)能單元SoC收斂一致[26]。

2.3 功率接口間電流共享機(jī)制

在直流微電網(wǎng)中，由于各發(fā)電單元容量不同，相連的線纜阻抗也存在差異，為防止其中一個(gè)或多個(gè)功率接口電流過大，影響系統(tǒng)可靠性，多個(gè)并聯(lián)功率接口需要明確電流共享機(jī)制[27]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)提出了多種電流分配機(jī)制，其中有源電流共享和下垂控制方法應(yīng)用最為廣泛[28-29]。

2.3.1 有源電流共享

有源電流共享主要有2種實(shí)現(xiàn)方式，分別是主從控制和平均電流共享。

主從控制是其中一個(gè)功率接口作為主控單元，通過電壓閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)恒壓控制，從而穩(wěn)定直流母線電壓，其余功率接口作為從控單元，從控單元通常采用電流控制，其基準(zhǔn)信號(hào)來自主變換器[30-32]。主從控制有效避免了轉(zhuǎn)換器之間的環(huán)流，理想情況下可以根據(jù)變換器容量的大小精確分配電流；但該方法對(duì)通信要求高，若主控單元通信故障會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，存在單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。

平均電流共享法是對(duì)所有功率接口的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)然后求取平均負(fù)載電流，并利用平均負(fù)載電流和各功率接口實(shí)際電流值之間的差值來調(diào)節(jié)功率接口輸出電流的增減，最后實(shí)現(xiàn)各功率接口的電流與平均負(fù)載電流一致，即實(shí)現(xiàn)電流的平均分配[33-34]。該方法具有良好的電流共享與精確電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)；但與主從控制一樣也存在需要實(shí)時(shí)通信的缺點(diǎn)，通信故障也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

2.3.2 下垂控制

在直流微電網(wǎng)中，直流母線電壓的波動(dòng)直接反映了系統(tǒng)功率信息，因此可采用基于直流母線電壓信號(hào)的控制策略。下垂控制作為一種典型表征電壓和電流關(guān)系的電流共享方法，通常嵌入到功率接口內(nèi)部的電壓電流環(huán)路頂部，其輸出特性可等效為轉(zhuǎn)換器串聯(lián)一個(gè)虛擬電阻，使得輸出電壓隨電流的增大而線性減小。

(1)

(2)

圖2 含2個(gè)功率接口的并聯(lián)下垂控制簡(jiǎn)化框圖

根據(jù)式(1)和(2)可得出2個(gè)變換器輸出電流的關(guān)系為

(3)

由式(3)可知,當(dāng)下垂控制的虛擬電阻Rd1和Rd2均遠(yuǎn)大于線纜阻抗Rline1和Rline2時(shí)，2個(gè)功率接口的電流分配可近似表示為

(4)

可見，通過在功率接口的底層控制中嵌入一個(gè)虛擬電阻，下垂控制可有效解決功率接口間的環(huán)流問題并實(shí)現(xiàn)合理電流分配。此外，與有源電流共享策略相比，下垂控制能有效避免功率變換器間因通信點(diǎn)故障引起的系統(tǒng)癱瘓問題。但需要注意的是，式(4)所述功率接口的電流分配機(jī)制是在虛擬電阻Rd1和Rd2均遠(yuǎn)大于線纜阻抗Rline1和Rline2的情況下得到的。當(dāng)虛擬電阻Rd1和Rd2減小到不遠(yuǎn)大于線纜阻抗時(shí)，這種電流分配機(jī)制的精度就將受到線纜阻抗Rline1和Rline2的影響；且虛擬電阻Rd1和Rd2的值越小，這種影響就越大，即電流分配的精度越低。此外，將式(4)帶入式(1)和式(2)可將實(shí)際直流母線的電壓值Uload進(jìn)一步表示為

(5)

由此可見，虛擬電阻的嵌入雖然解決了功率接口間環(huán)流問題，但同時(shí)也帶來了直流母線電壓跌落的問題，且隨著虛擬電阻的增加，母線電壓跌落的幅值越大?？梢姡麓箍刂茖?dǎo)致母線電壓偏差和電流分配精度之間出現(xiàn)了不可調(diào)和的矛盾[35]。

為了消除傳統(tǒng)控制引起的直流母線電壓偏差和提高電流分配精度，可在下垂函數(shù)中加入一個(gè)修正項(xiàng)，如平移下垂曲線，或調(diào)整下垂系數(shù)，或兩者混合。文獻(xiàn)[36]詳細(xì)闡述了有關(guān)改進(jìn)下垂控制的幾種方法：①經(jīng)典的偏差調(diào)節(jié)，即對(duì)下垂曲線的縱截距作出補(bǔ)償，主要有解決電壓偏差問題的平移下垂曲線法和調(diào)整傳輸功率的平移下垂曲線法；②根據(jù)不同控制目標(biāo)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)，如基于電壓變化率或基于儲(chǔ)能單元剩余容量的下垂系數(shù)調(diào)整法；③混合補(bǔ)償，即同時(shí)對(duì)下垂系數(shù)與下垂曲線縱截距進(jìn)行補(bǔ)償，既補(bǔ)償了傳統(tǒng)下垂控制引起的電壓偏差，又提高了電流分配的精度。上述控制方法都是應(yīng)用在二次控制層面上，通過增加多個(gè)可改變的自由度來適應(yīng)系統(tǒng)的不同要求，是對(duì)傳統(tǒng)下垂方法的改進(jìn)。

值得注意的是，下垂控制參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。文獻(xiàn)[37]在小信號(hào)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過特征根分析了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中變換器的下垂系數(shù)、線路電感、恒功率負(fù)荷及母線電容與直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系，其結(jié)果表明增加下垂系數(shù)和母線電容能提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。為降低線路阻抗的影響，文獻(xiàn)[38]提出在本地控制器的下垂控制環(huán)節(jié)中補(bǔ)充虛擬電阻，即基于負(fù)載電壓檢測(cè)的魯棒下垂控制方法，具體是將線路阻抗作為變換器輸出阻抗的一部分進(jìn)行補(bǔ)償控制，通過調(diào)節(jié)魯棒系數(shù)來最小化負(fù)載分配的不準(zhǔn)確性，但這種方法具有調(diào)節(jié)能力不足的缺陷。文獻(xiàn)[14]提出的自適應(yīng)阻抗二次控制方法為混合補(bǔ)償，通過平移下垂曲線解決了均流精度問題和電壓跌落太大的問題；同時(shí)，為應(yīng)對(duì)負(fù)載突變，還通過調(diào)節(jié)下垂曲線系數(shù)使得各并聯(lián)變換器外特性阻抗趨于一致；另外，可在典型下垂控制中引入具有帶通濾波功能的前饋補(bǔ)償函數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生[39]。文獻(xiàn)[40]分析了微電網(wǎng)慣性問題，提出提高瞬態(tài)響應(yīng)的虛擬慣性注入方法，缺點(diǎn)是沒考慮虛擬電容的潛在分布。文獻(xiàn)[41]利用電壓變化率對(duì)下垂控制進(jìn)行補(bǔ)償，有效改善了電流分配精度，但沒有考慮到儲(chǔ)能單元的SoC，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[42]中利用并網(wǎng)模式下估計(jì)的線路電阻，并考慮電池的SoC，實(shí)現(xiàn)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來初步實(shí)現(xiàn)電流合理分配與母線電壓穩(wěn)定，而協(xié)調(diào)控制將對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化。

3 協(xié)調(diào)層控制

為了彌補(bǔ)底層控制引起的母線電壓偏差和電流分配精度不足，直流微電網(wǎng)還通常在底層控制的基礎(chǔ)上增加協(xié)調(diào)各功率接口協(xié)同工作的控制算法。根據(jù)各功率接口間是否需要通信以及通信方式的不同，協(xié)調(diào)層控制可細(xì)分為圖3所示的分散控制、分布式控制和集中控制3種。

圖3 協(xié)調(diào)層控制的3種基本結(jié)構(gòu)

3.1 分散控制

分散控制完全由本地控制器實(shí)現(xiàn)，各單元無需通信，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。分散控制不但具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，且非常利于即插即用。

最常見的分散控制是基于直流母線電壓信號(hào)(DC bus signaling，DBS)的協(xié)調(diào)控制。在直流微電網(wǎng)中，各種微源、負(fù)載和儲(chǔ)能單元并聯(lián)到直流母線上，在不考慮線纜阻抗情況下，各并聯(lián)單元的端口電壓相等，這樣就可得到相同的電壓參考值。通過檢測(cè)直流母線電壓信號(hào)并將其作為調(diào)度信號(hào)，預(yù)設(shè)不同模式下對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器閾值電壓，可依據(jù)母線電壓變化適時(shí)切換變換器的工作狀態(tài)[43]?？刂撇呗匀鐖D4所示，其中，UN為直流母線額定電壓，UN2,L和UN2,H為直流微電網(wǎng)允許工作的臨界電壓下限和上限，UN1,L、UN1,H為各變換器工作狀態(tài)自主切換控制的閾值電壓下限和上限。

圖4 直流微電網(wǎng)DBS控制策略

根據(jù)直流母線電壓從高到低將系統(tǒng)工作模式劃分為4種：在模式1，分布式電源工作在下垂控制模式，在滿足負(fù)載功率平衡基礎(chǔ)上，多余功率通過并網(wǎng)逆變器輸送給電網(wǎng)，其值大小由調(diào)度指令設(shè)定，儲(chǔ)能接口工作在充電狀態(tài)；在模式2，由并網(wǎng)逆變器工作在下垂控制模式保證母線電壓穩(wěn)定，其余功率接口均工作在電流源模式下實(shí)現(xiàn)各個(gè)微源的平衡調(diào)度；在模式3，分布式電源工作在電流源模式，儲(chǔ)能接口根據(jù)SoC通過下垂控制充電，如果達(dá)到最大SoC，則儲(chǔ)能裝置不工作，此時(shí)由并網(wǎng)單元工作在下垂整流狀態(tài)并穩(wěn)定母線電壓。在模式4，并網(wǎng)變換器工作在電流源模式，此時(shí)儲(chǔ)能裝置通過下垂控制補(bǔ)充功率缺額。此外，為了避免頻繁切換狀態(tài)，文獻(xiàn)[44]采用電壓滯環(huán)控制將系統(tǒng)設(shè)為3個(gè)控制層，每層控制下至少有一個(gè)功率接口工作在下垂模式以確保系統(tǒng)內(nèi)母線電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[45]提出了一種基于自適應(yīng)分散控制的直流微電網(wǎng)能量管理策略，利用直流母線電壓信號(hào)確定模式轉(zhuǎn)換，該方法根據(jù)電壓范圍的不同，為變換器設(shè)置了3種工作模式。在基于DBS的分散控制中，考慮到系統(tǒng)母線瞬時(shí)波動(dòng)和暫態(tài)沖擊，如何提高直流母線電壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)成為關(guān)鍵。為此，基于擾動(dòng)電流或功率前饋的直流母線電壓電流雙環(huán)控制策略成了當(dāng)前解決這一問題最廣泛的方法[46-47]。

可見，基于DBS的分散控制具有成本低和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，消除了對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求；但仍然存在一些其他的主要問題，如電壓的調(diào)整范圍是有限的，不能無限制地對(duì)電源和儲(chǔ)能單元進(jìn)行電壓等級(jí)劃分。并且，考慮到母線電壓的瞬時(shí)波動(dòng)和測(cè)量干擾，必須引進(jìn)先進(jìn)的控制算法和信號(hào)采集技術(shù)來防止由于微電網(wǎng)系統(tǒng)在不同工作模式間頻繁切換導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。

另一種常見的直流微電網(wǎng)分散控制是基于電力載波(power line communication，PLC)[48]，它將特定頻率的高頻通信信號(hào)注入到直流母線中，允許每個(gè)設(shè)備發(fā)送和接收關(guān)于其狀態(tài)、性能、歷史或內(nèi)部運(yùn)行模式的信息。雖然PLC依賴于數(shù)字通信，但由于電力線是唯一的通信媒介，所以在這里也將它歸類為分散控制。為了實(shí)現(xiàn)母線注入信號(hào)的零穩(wěn)態(tài)誤差，文獻(xiàn)[49]對(duì)儲(chǔ)能單元注入3種不同PLC信號(hào)，使其作為模式轉(zhuǎn)換的切換依據(jù)，并分別用來指明儲(chǔ)能單元自己的SoC和其他單元的狀態(tài)變化。

通常情況下，PLC方法要比DBS方法的控制策略更加復(fù)雜，它一般只用于切換操作模式或關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)故障單元，且高頻周期性通信信號(hào)的注入對(duì)直流母線電壓波形質(zhì)量有一定影響，并容易對(duì)電纜產(chǎn)生噪聲。此外，PLC方法需要電力載波信號(hào)準(zhǔn)確注入和檢測(cè)，相對(duì)于基于DBS的分散控制來說，PLC方法也增加了系統(tǒng)成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

此外，自適應(yīng)下垂控制法也是常用的分散控制方法，它一般不考慮到模式切換，是下垂控制法的拓展。自適應(yīng)下垂控制法主要針對(duì)儲(chǔ)能單元間的SoC均衡，防止過充過放。文獻(xiàn)[50]提出了一種瞬時(shí)下垂指數(shù)計(jì)算方法，其值為歸一化電流共享差值和輸出功率損耗的函數(shù)，即通過跟蹤負(fù)載電流變化來瞬時(shí)改變下垂虛擬電阻值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此方法的可行性。文獻(xiàn)[51]基于自適應(yīng)下垂控制增加了功率精確分配策略和電壓無偏差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了本地負(fù)荷和公共負(fù)荷共同參與分布式電源的功率分配，各分布式電源按各自容量成比例地進(jìn)行功率分配，且直流母線電壓維持在額定值。而文獻(xiàn)[52]中各儲(chǔ)能單元依據(jù)SoC設(shè)定初始虛擬電阻，然后通過自適應(yīng)下垂控制對(duì)負(fù)荷功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配：當(dāng)各SoC互相接近時(shí)，再通過功率平衡級(jí)控制，即采用模糊控制器調(diào)節(jié)虛擬電阻，使各儲(chǔ)能之間功率和SoC都達(dá)到均衡狀態(tài)。文獻(xiàn)[53]提出在無通信情況下基于Metropolis準(zhǔn)則自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)。文獻(xiàn)[54]提出一種基于最優(yōu)潮流算法的自適應(yīng)控制來選擇最佳下垂增益值，提高了潮流共享精度；但需要不斷修改系統(tǒng)參數(shù)，降低了控制實(shí)時(shí)性，且下垂系數(shù)值計(jì)算繁瑣，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)引起潛在的不穩(wěn)定性。

3.2 分布式控制

分布式控制是在底層控制器之間一對(duì)一的通過低帶寬通信來交換信息[55-56]，其結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。底層控制器之間直接交換的信息只能包含本地可用的變量。換句話說，如果2個(gè)單元之間沒有通信連接，它們就不能直接訪問彼此的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的觀察也非常有限。為了解決這個(gè)問題，并使底層控制器的識(shí)別類似于中央控制器，文獻(xiàn)[57-58]提出基于一致性算法的多代理電壓控制策略，任何節(jié)點(diǎn)只需要采集相鄰單元電壓電流和功率信息，所有代理通過局部分布式算法漸近地達(dá)成某種共同協(xié)議的群體行為。該算法消除了對(duì)中央控制器的需求，但仍然能夠維持最低的通信需求來確保信息即時(shí)性，最大限度提高可再生能源的本地消納。文獻(xiàn)[59-60]將底層控制器分為控制底層、補(bǔ)償層、代理層，利用一致性算法動(dòng)態(tài)跟蹤相鄰儲(chǔ)能單元的本地電壓并快速收斂至平均電壓進(jìn)而調(diào)整下垂曲線，有效維持母線電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[61]提出功率接口(由電氣彈簧實(shí)現(xiàn))采用下垂控制方法，而協(xié)調(diào)層控制是基于動(dòng)態(tài)協(xié)商算法設(shè)計(jì)的SoC控制器和電壓檢測(cè)器。該方法中，協(xié)調(diào)層負(fù)責(zé)更新局部電壓設(shè)定值，定義功率和SoC相關(guān)的狀態(tài)變量，使電氣彈簧的功率分配與SoC成比例，避免了電氣彈簧之間的環(huán)流，僅利用鄰域間的信息就可以實(shí)現(xiàn)不同電氣彈簧之間的輸出電壓一致并保持SoC均衡。

3.3 集中控制

如圖3(c)所示，集中控制是由一個(gè)集中控制單元通過高速通信與各底層控制單元進(jìn)行信息交換，以保證各功率接口間的協(xié)調(diào)運(yùn)行和微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。從系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方面來講，主從控制也可看成是一個(gè)典型集中控制系統(tǒng)。對(duì)于小型直流微電網(wǎng)，每個(gè)單元可直接由集中控制單元來控制其工作模式和功率大??；但這種方法對(duì)通信依賴程度高，存在單點(diǎn)故障[62-63]。

對(duì)于大型的微電網(wǎng)，在滿足基本電壓控制、電流控制、功率控制要求的同時(shí)，還需要更高級(jí)的智能控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一些超前目標(biāo)，如電能質(zhì)量控制、提供輔助服務(wù)、參與能源市場(chǎng)、最小化運(yùn)營(yíng)成本等。有學(xué)者提出分級(jí)控制概念，其中主控制實(shí)現(xiàn)功率共享，提高并聯(lián)功率接口的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上采用二次控制補(bǔ)償一次控制引起的電壓偏差。為了保證不同的電力系統(tǒng)母線之間最優(yōu)調(diào)度，還可運(yùn)用三次控制器來設(shè)置二級(jí)控制的參考值，管理微電網(wǎng)內(nèi)與外部微電網(wǎng)之間的潮流，實(shí)現(xiàn)整個(gè)直流微電網(wǎng)的優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行[64-65]。文獻(xiàn)[66]提出在三次控制中實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制任務(wù)：當(dāng)SoC在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，通過電池單元管理雙向整流逆變接口潮流來控制系統(tǒng)輸出功率；當(dāng)SoC不在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)SoC管理電池充放電恢復(fù)母線電壓，雙向整流逆變接口在潮流控制和電池管理之間進(jìn)行智能自動(dòng)切換。文獻(xiàn)[67]中主控制采用自適應(yīng)下垂控制法，提出系統(tǒng)阻尼自動(dòng)控制的二次控制尋找最佳下垂增益值，將遺傳算法集成到三次控制中，并通過對(duì)優(yōu)化問題的求解，在一定程度上提高了系統(tǒng)的效率。一般來說，上一層控制都會(huì)比下一層控制在時(shí)間尺度上慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此底層控制是響應(yīng)最快的，這種分級(jí)控制相比傳統(tǒng)的集中控制保留了本地控制的獨(dú)立性，即使上層控制通信失敗也不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

4 結(jié)束語

本文綜述了直流微電網(wǎng)底層控制和協(xié)調(diào)控制層的研究現(xiàn)狀。本地控制器通常在電壓電流閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上嵌入下垂控制來抑制功率接口間的環(huán)流和實(shí)現(xiàn)電流的有效分配，相比于有源電流共享機(jī)制，該方法不但結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，而且可靠性更高，所以有望成為直流微電網(wǎng)中底層控制的標(biāo)準(zhǔn)形式。為了解決底層控制中虛擬電阻引起的電壓偏差與電流分配機(jī)制之間的矛盾，合理的協(xié)調(diào)層控制也是直流微電網(wǎng)的重要部分。其中：以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠性高的特性，基于DBS的分散控制比較適用于小型且結(jié)構(gòu)基本固定的直流微電網(wǎng)；對(duì)于中型且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)常變化的直流微電網(wǎng)，為了滿足電源和負(fù)載的即插即用，分布式控制和集中控制比較適合；而對(duì)于功率等級(jí)更高的直流微電網(wǎng)，需要更復(fù)雜的能量管理算法和調(diào)度策略來確保各個(gè)微源和負(fù)載的協(xié)調(diào)運(yùn)行，因此采用含有中央控制器的集中控制是最為理想的。可見，在未來的直流微電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程中，根據(jù)系統(tǒng)容量和規(guī)模的不同，底層控制的結(jié)構(gòu)已基本成熟，但對(duì)于協(xié)調(diào)層，需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景采用不同的控制結(jié)構(gòu)和算法。此外，隨著通信技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，直流微電網(wǎng)將以重要的角色參與到智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程中。在這一過程中，各種先進(jìn)的智能控制算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于直流微電網(wǎng)的控制器中，使得直流微電網(wǎng)成為一種更高效、更智能的供配電系統(tǒng)。