船舶直流微電網(wǎng)的分層控制

孫 強(qiáng)， 仇 晨

(上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院， 上海 201306)

近年來，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，引起化石燃料的過度開發(fā)，能源枯竭、環(huán)境問題也在不斷惡化[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，化石燃料在交通業(yè)的使用占比較高[2]，而船舶作為交通運(yùn)輸業(yè)最主要的組成部分，對于化石燃料的使用量高達(dá)3億t。因此，船舶的節(jié)能減排成為了國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前，由于電力電子技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展和突破，在船舶中采用電力作為推進(jìn)方法的應(yīng)用越來越廣泛，隨著全球?qū)τ诖肮?jié)能減排的不斷重視，引入新能源為船舶提供電力和動力的方案也被提上了議事日程[[3]。然而，新能源具有隨機(jī)性強(qiáng)、波動性大的特點(diǎn)[4]，嚴(yán)重影響到船舶電力系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。為解決新能源的沖擊問題，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)采用限制、隔離新能源發(fā)電單元的方法，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，切除新能源發(fā)電單元。該方法極大地限制了新能源的應(yīng)用。為了充分利用新能源的優(yōu)勢，使新能源與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，學(xué)者們提出微電網(wǎng)的概念[5]，即一種由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[6]。

對于用戶端，微電網(wǎng)是可定制的發(fā)電單元，對于電力系統(tǒng)而言，微電網(wǎng)是可調(diào)度的負(fù)荷，因此，微電網(wǎng)可并網(wǎng)運(yùn)行以及在電力系統(tǒng)需要時孤島獨(dú)立運(yùn)行。從而解決了新能源接入電力系統(tǒng)的問題，極大地拓展了新能源的應(yīng)用領(lǐng)域，使得新能源在船舶上的應(yīng)用成為可能[7-8]。對船舶微電網(wǎng)進(jìn)行介紹，對船舶直流(direct current, DC)微電網(wǎng)分層控制技術(shù)進(jìn)行全面綜述；概述了分層控制中一次控制、二次控制、三次控制中采用的不同的控制方法，并對后續(xù)船舶直流微電網(wǎng)分層控制的研究做了展望。

1 船舶微電網(wǎng)的定義

參考已有陸地傳統(tǒng)微電網(wǎng)的概念，許多學(xué)者提出了船舶微電網(wǎng)的概念。文獻(xiàn)[9]中提出將陸地電網(wǎng)作為主電網(wǎng)，考慮到船舶在航行時，船舶電網(wǎng)主要運(yùn)行在脫網(wǎng)運(yùn)行模式，因而將船舶電網(wǎng)整體作為微電網(wǎng)來考慮。但該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于軍用艦船，以提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)體積和重量為重點(diǎn)，且為實(shí)現(xiàn)高能量密度，其發(fā)電系統(tǒng)采用高度集成中壓燃?xì)饣虿裼桶l(fā)電機(jī)組二沒有引入新能源發(fā)電系統(tǒng)，因而與傳統(tǒng)微電網(wǎng)的定義有所不同。文獻(xiàn)[9-10]則將船舶原有主電力系統(tǒng)定義為主電網(wǎng)，船舶微電網(wǎng)作為船舶功能電網(wǎng)替換升級的部分，在該結(jié)構(gòu)中，船舶微電網(wǎng)既可以采用海上新能源進(jìn)行發(fā)電，又可以起到應(yīng)急供電的作用，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對民用船舶，可以將船舶微電網(wǎng)定義如下。

G1、G2、G3、G4為主發(fā)電機(jī)；EG為應(yīng)急發(fā)電機(jī)；ACB為發(fā)電機(jī)主開關(guān)；ACBE為應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)；MSB為主配電板；AC-BUS為交流微電網(wǎng)配電板；MCB1～MCB9為配電開關(guān)；DSB為分配電板；RSB為弱電分配電板；ISB為照明配電板；IDSB為照明分配電板；AC/DC為交流變直流變換器；DC/AC為直流變交流變換器圖1 船舶微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Ship microgrid structure

船舶微電網(wǎng)是一個由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、船舶電網(wǎng)的部分重要負(fù)荷組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。其中，分布式電源是指采用清潔能源或可再生能源為主的小型發(fā)電系統(tǒng)[11-13]。

船舶微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。船舶微電網(wǎng)包含風(fēng)電、光伏發(fā)電等發(fā)電單元，蓄電池和電容等儲能單元，以及通過電力電子器件接入微電網(wǎng)的船舶負(fù)載。對于船舶微電網(wǎng)而言其負(fù)載一般為錨機(jī)等甲板機(jī)械，冷卻泵等機(jī)艙輔機(jī)，通風(fēng)機(jī)等冷藏通風(fēng)設(shè)備，照明設(shè)備以及導(dǎo)航設(shè)備等弱電設(shè)備。

2 船舶微電網(wǎng)的分類

船舶微電網(wǎng)按照母線電流形式不同分為兩類，即船舶交流微電網(wǎng)和船舶直流微電網(wǎng)。

交流微電網(wǎng)發(fā)展時間較長，所以可以沿用交流設(shè)備，保護(hù)技術(shù)相對成熟。但由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的負(fù)載與儲能裝置采用直流電。因此，學(xué)者們更加關(guān)注船舶直流微電網(wǎng)[14]，船舶直流微電網(wǎng)減少交流微電網(wǎng)中的部分能量轉(zhuǎn)換過程，并且沒有諧波問題，減少了控制復(fù)雜程度[15-16]。

圖2 船舶直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Ship direct current microgrid structure

如圖2所示，為典型船舶直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圖2中DC-BUS為直流微電網(wǎng)配電板。發(fā)電單元、儲能裝置、負(fù)荷都通過電力電子器件連接到微電網(wǎng)直流母線上，由于直流的特性，微電網(wǎng)的功率穩(wěn)定取決于直流母線的電壓穩(wěn)定。其中，風(fēng)力發(fā)電單元以及應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)通過AC/DC單向變換器，光伏發(fā)電單元以及燃料電池通過DC/DC單向變換器接入母線，因此，這四類單元僅作為發(fā)電單元，向母線傳輸電能。儲能裝置一般包括超級電容或者蓄電池，通過DC/DC雙向變換器連接至母線，既可以作為電源供電，又可以作為負(fù)載儲能。負(fù)載包括部分重要船舶直流負(fù)荷，通過DC/DC單向變換器接入母線，僅能作為負(fù)荷消耗電能。微電網(wǎng)整體通過應(yīng)急電網(wǎng)通過DC/AC雙向變換器接入主電網(wǎng)，當(dāng)主電網(wǎng)供能故障，不足以維持重要負(fù)荷時，微電網(wǎng)作為電源向主電網(wǎng)供能；當(dāng)主電網(wǎng)電能需求較少時，微電網(wǎng)作為儲能單元進(jìn)行充能。

Vref為參考工作電壓；V微為微電網(wǎng)母線電壓圖3 分層控制圖Fig.3 Hierarchical control structure

3 船舶直流微電網(wǎng)控制技術(shù)

相對于陸地微電網(wǎng)，船舶微電網(wǎng)本身是一個有源電力系統(tǒng)，母線電壓容易產(chǎn)生波動，導(dǎo)致系統(tǒng)的功率不穩(wěn)定，因此對于船舶微電網(wǎng)的穩(wěn)定性要求更高；船舶海上運(yùn)行時，工況復(fù)雜，需要微電網(wǎng)在各個單元之間進(jìn)行合理的功率分配，對于新能源發(fā)電單元的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，尤其是所連接的變換器，更是控制的核心裝置。目前，應(yīng)用于船舶直流微電網(wǎng)的能量管理策略大致分為集中式控制、分布式控制和分層控制[17]。

集中式控制采用一個集中控制器控制整個微電網(wǎng)系統(tǒng)。集中控制器對于微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行處理，然后將處理后的命令，發(fā)給每個單元。因此，集中式控制對于通信的要求和集中控制器的處理能力有較高的要求。分布式控制中，微電網(wǎng)單元都由局部控制器控制，因此大大減少了控制器的處理能力和通信能力的要求，但是，每個單元之間是獨(dú)立工作，缺少信息交流，因此，很難實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。圖3為分層控制圖，分層控制結(jié)合集中式控制和分布式控制的優(yōu)點(diǎn)[18]，既有集中控制器，又有局部控制器。集中控制器可以實(shí)現(xiàn)上層的優(yōu)化控制，局部控制器能夠?qū)崿F(xiàn)每個單元的獨(dú)立運(yùn)行[19]。

船舶直流微電網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，分層控制包括本地控制和系統(tǒng)控制，本地控制即一次控制，通過發(fā)電測并網(wǎng)變流器采取電流電壓，來實(shí)現(xiàn)本地非線性或不平衡負(fù)荷電壓的就地補(bǔ)償，避免污染直流母線電壓。

系統(tǒng)控制包括二次控制和三次控制。二次控制是結(jié)合直流微電網(wǎng)母線電壓，分析此時的電能質(zhì)量，對一次控制造成的電壓偏差進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到無差控制。三次控制是在二次控制的基礎(chǔ)上，引入管理策略和優(yōu)化算法，設(shè)定負(fù)荷的優(yōu)先級，并且制定針對不同工況下的優(yōu)化運(yùn)行策略，對于電能質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控。

3.1 一次控制技術(shù)

根據(jù)船舶直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖可知，發(fā)電單元都經(jīng)過電力電子器件接入微電網(wǎng)，由于發(fā)電單元尤其是新能源發(fā)電，穩(wěn)定性較差，因此發(fā)電單元輸出電壓電流變換較大且速度較快，因此，要求一次控制能夠跟隨發(fā)電單元的電壓變換，進(jìn)行快速就地補(bǔ)償，因此一次控制不能依賴通信系統(tǒng)。

因此，針對不同的微電網(wǎng)單元，采用不同的控制方法[20-27]，如表1所示。

表1 微電網(wǎng)單元對應(yīng)控制Table 1 Microgrid unit corresponding control

3.1.1 光伏發(fā)電控制技術(shù)

光伏發(fā)電單元的電流-電壓曲線具有非線性特點(diǎn)，且該特性曲線隨著溫度和光照強(qiáng)度的不同而變化，不易預(yù)測和控制。但是在特定的溫度和光照強(qiáng)度下，光伏發(fā)電單元總存在如圖4所示的最大功率點(diǎn)，因此，準(zhǔn)確、快速地追蹤最大功率點(diǎn)地研究非常重要。追蹤最大功率點(diǎn)過程可以近似為尋優(yōu)過程，目前，應(yīng)用較多的追蹤方法分為兩種，即擾動觀察法和電導(dǎo)增量法[28]。

圖4 光伏發(fā)電單元功率特性曲線Fig.4 Photovoltaic power generation unit power characteristic curve

(1)擾動觀察法，即周期性擾動光伏發(fā)電單元電壓，觀察此時功率與擾動前功率，選取較大值并且確定功率較大方向繼續(xù)進(jìn)行擾動和觀察。但是，發(fā)電單元已經(jīng)工作在最大功率點(diǎn)附近，仍會進(jìn)行電壓擾動，系統(tǒng)只能處于動態(tài)狀態(tài)。

因此，選擇合適的擾動值是非常重要的，如果擾動過小，搜索速度緩慢；如果擾動過大，系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩，且當(dāng)溫度或者光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，無法快速追蹤至新的最大功率點(diǎn)。

文獻(xiàn)[29]引入模糊控制方法，采用牧戶參數(shù)自校正比例積分微分控制(proportional integral derivative, PID)控制進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)電單元既能快速適應(yīng)環(huán)境變化進(jìn)行快速跟蹤，又能解決最大功率點(diǎn)附近的振蕩問題，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是，該方法易產(chǎn)生局部最優(yōu)問題。

文獻(xiàn)[30]提出將螢火蟲算法引用與MPPT控制，并且融入混沌優(yōu)化和高斯變異，在螢火蟲初始位置進(jìn)行混沌優(yōu)化，使起初始位置均勻分布，保證了全局搜索的有效性，然后在螢火蟲移動過程中采用高斯變異，使其避免陷入局部最優(yōu)，同時提高最優(yōu)解的精度，但是該方法計(jì)算量巨大，不適用于工程應(yīng)用。

因此，文獻(xiàn)[31]采用改進(jìn)粒子群算法，對于MPPT控制進(jìn)行優(yōu)化，針對光伏陣列存在陰影時可能出現(xiàn)跟蹤失效，陷入局部最優(yōu)點(diǎn)、收斂速度慢、跟蹤精度不高的問題，當(dāng)粒子過早出現(xiàn)嚴(yán)重聚焦情況時，將符合變異條件的粒子進(jìn)行變異，以保證種群的多樣性，解決局部最優(yōu)問題。

(2)電導(dǎo)增量法，其原理是比較光伏發(fā)電單元的增量電導(dǎo)和瞬時電導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的[32]，由光伏電池的功率-電壓(P-V)特性可知，光伏電池在任意工作點(diǎn)的輸出功率為

P=VI

(1)

式(1)中：P為光伏電池功率；V為光伏電池電壓；I為光伏電池電流。

忽略光伏發(fā)電單元中分流電阻和串聯(lián)電阻的影響，則光伏發(fā)電單元表達(dá)式為

(2)

式(2)中：Ig為光生電流；Isat為二極管的反向飽和電流；q為電子電荷，q=1.602 9×10-19C；K為Botzman系數(shù)，K=1.381 9×10-23J/K；A為二極管的理想因子；T為光伏模塊的節(jié)溫。

求導(dǎo)后可得

(3)

即

(4)

設(shè)：

(5)

當(dāng)光伏發(fā)電單元工作在最大功率點(diǎn)時，有：

(6)

由上述過程可知，該算法相對復(fù)雜，且易產(chǎn)生最大功率點(diǎn)的判斷誤差，同時，該算法需要數(shù)字信號處理器，增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性及應(yīng)用。

文獻(xiàn)[33]將電導(dǎo)增量發(fā)與改進(jìn)粒子群算法結(jié)合，相比傳統(tǒng)增量法，可以在一定程度上提高光伏發(fā)電單元的跟蹤精度，減少跟蹤時間，減小功率曲線的振蕩幅度，降低算法運(yùn)算量，減少功率損耗，提升太陽能利用率。

3.1.2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)

與太陽能相似，風(fēng)能隨機(jī)性強(qiáng)、不穩(wěn)定、不易控制，該能源的獲取與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性和對應(yīng)控制方法相關(guān)，控制方法應(yīng)能達(dá)到隨風(fēng)速改變風(fēng)輪速度，從而保持發(fā)電機(jī)在最佳葉尖速比狀態(tài)下運(yùn)行，從而高效獲得風(fēng)能。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，目前應(yīng)用較為廣泛的可以分為登山搜索法和葉尖速比法。

(1)葉尖速比法，即通過風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等相關(guān)量[34]，最終計(jì)算出此時發(fā)電機(jī)葉尖速比，與最佳葉尖速比對比，并向接近最佳葉尖速比的方向進(jìn)行調(diào)整，直到發(fā)電機(jī)工作在最佳葉尖速比狀態(tài)[35]。該算法易實(shí)現(xiàn)，目前，工程上僅采用比例積分(proportional integral, PI)控制器就可以達(dá)到該算法的需求[36]，但是該算法控制精度較低，該算法需要實(shí)時測量風(fēng)速，增加了系統(tǒng)成本[37]。

文獻(xiàn)[38]將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速-功率曲線和風(fēng)速-功率曲線進(jìn)行結(jié)合，分析出該機(jī)型最佳葉尖速比，通過最佳葉尖速比得到對應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速-功率曲線，并控制轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)保持在最佳葉尖速比狀態(tài)，提高發(fā)電效率。

(2)登山搜索算法，周期性的擾動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，比較擾動前后發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際的輸出功率，并且控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速向功率增大方向不斷靠近最大功率點(diǎn)。該算法易于實(shí)現(xiàn)，算法與風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身特性無關(guān)，不需要實(shí)時測量風(fēng)速，但是該方法僅適用于慣性較小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

文獻(xiàn)[39]針對恒定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提出一種新的登山搜索算法，不依賴于發(fā)電機(jī)模型和先驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)功率曲線，并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

文獻(xiàn)[40]針對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提出梯度式登山搜索法，在初期采用大梯度搜索，從而迅速達(dá)到最大功率點(diǎn)附近，再減小梯度，追蹤到最大功率點(diǎn)。

3.1.3 儲能系統(tǒng)與負(fù)荷控制技術(shù)

下垂控制[41]，在船舶直流微電網(wǎng)中，直流母線電壓的波動直接反映了系統(tǒng)功率傳輸?shù)男畔?。特別是在船舶環(huán)境下，直流母線上的電壓并不是一個固定的值，而是在一個范圍內(nèi)的波動值。因此，在船舶直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中通常采用基于直流母線電壓信號的控制策略。那么表征電壓和功率、電壓和電流等關(guān)系的下垂控制就是一種既簡單有可靠的選擇方案。

如圖5所示為直流微電網(wǎng)下垂控制框圖，在變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制之外，引入下垂曲線控制，作為控制外環(huán)，根據(jù)變換器輸出電壓參考值，再進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)控制。 圖5中，U0和I經(jīng)過下垂曲線計(jì)算，得出變換器的給定輸出電壓，后經(jīng)過電壓控制和電流控制得到控制信號，控制信號用于調(diào)節(jié)直流側(cè)的開關(guān)管，保證母線電壓、電流相對穩(wěn)定，達(dá)到母線電壓V-I下垂控制的目的。

U0為變換器設(shè)定的參考電壓；I和Udc分別為單元輸出實(shí)際電流和電壓圖5 傳統(tǒng)下垂控制框圖Fig.5 Traditional droop control block diagram

下垂控制V-I表達(dá)式為

(7)

(8)

(9)

由式(8)、式(9)可得到兩組分布式電源之間的關(guān)系：

(10)

由式(10)可知，變換器的輸出電流與線纜阻抗和輸出阻抗成比例關(guān)系，采用了下垂控制，則提高了虛擬阻抗R1、R2的數(shù)值，因此當(dāng)R1遠(yuǎn)大于RL1時，可忽略線纜阻抗對于分流精度的影響。

但是，實(shí)際運(yùn)行過程中，線纜阻抗并不能忽略，考慮線纜阻抗時，每個分布式發(fā)電單元電壓并不完全相同，導(dǎo)致分流精度降低。

圖7為傳統(tǒng)下垂控制局限性示意圖。從圖7可以看出，當(dāng)選取較小的下垂系數(shù)時，電壓偏差較小，

U1、U2為2個DC/DC變換器初始電壓；Idc1和Idc2為變換器1和變換器2輸出電流;Udc1和Udc2為變換器1和變換器2輸出電壓；RL1和RL2為線纜阻抗；R1和R2為2個DC/DC變換器輸出阻抗；Ro、Io、Uo分別為負(fù)載端電阻、電流、電壓圖6 下垂控制等效電路Fig.6 Droop control equivalent circuit

圖7 傳統(tǒng)下垂控制局限示意圖Fig.7 Schematic diagram of the limitations of traditional droop control

但是對應(yīng)分流精度較差。當(dāng)選取較大的下垂系數(shù)時，電壓偏差較大，分流精度較好。因此，傳統(tǒng)下垂控制再電壓偏差與分流精度之間存在固有矛盾需要二次控制進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 二次控制技術(shù)

針對一次控制的局限性，二次控制需要提升船舶直流微電網(wǎng)的動態(tài)特性，對傳統(tǒng)下垂控制策略即一次控制的最末控制進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到微電網(wǎng)與主電網(wǎng)各項(xiàng)值相同，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步化，同步過程完成之后，微電網(wǎng)就可以通過靜態(tài)開關(guān)與主電網(wǎng)進(jìn)行連接。目前的補(bǔ)償方式可以分為3類，即平移曲線、調(diào)整曲線系數(shù)和兩者同時改變的混合法。

3.2.1 平移下垂曲線

文獻(xiàn)[42]利用動態(tài)平均電壓和電流一致性算法，用以修改下垂曲線的設(shè)定廚師電壓值，即平移下垂曲線。同時，該控制策略中還增加了多智能體滑?？刂破?，用以實(shí)現(xiàn)儲能單元的剩余容量的充電狀態(tài)(state of charge, SOC)平衡。具體實(shí)現(xiàn)方法使通過本地滑膜控制器，產(chǎn)生一個控制信號，該控制信號決定了本單元在下垂控制中參與的程度，以最終實(shí)現(xiàn)本地的SOC與相鄰單元的平均SOC之間達(dá)到平衡。

文獻(xiàn)[43]利用平均電壓補(bǔ)償和電流補(bǔ)償?shù)姆椒?，對于下垂曲線進(jìn)行平移，補(bǔ)償了下垂曲線的縱橫結(jié)局，可以同時提高系統(tǒng)的電流分配和電壓恢復(fù)能力，但該方法較依賴通信系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[44]結(jié)合微電源、線路阻抗差異、輸出電壓幅值及微電網(wǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素，根據(jù)負(fù)荷電壓幅值的下垂特性，加入傳輸線路壓降和微電源接入點(diǎn)電壓幅值反饋的方法，使微電網(wǎng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)時各位電源輸出電壓幅值相同，從而提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.2 調(diào)整曲線系數(shù)

文獻(xiàn)[45]提出利用粒子群算法，通過下垂控制模塊采集線路信息包括有功偏差、無功偏差、環(huán)流和頻率偏差等參數(shù)信息，與粒子群算法模塊進(jìn)行信息交互，在線路阻抗失衡的時候，辨識出系統(tǒng)運(yùn)行不平衡狀態(tài)，并實(shí)時調(diào)整下垂控制系數(shù)。該方法可以實(shí)現(xiàn)功率分配、電壓調(diào)節(jié)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，需要實(shí)時對于系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)檢測和計(jì)算，加大了系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜程度。

文獻(xiàn)[46]提出利用模糊控制算法，采集電壓作為輸入量，實(shí)時調(diào)整下垂曲線系數(shù)，達(dá)到減少負(fù)荷波動對于系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)分布式發(fā)電和儲能單元的協(xié)同控制，達(dá)到單元間存儲能量的平衡和減小直流母線電壓波動的目的。

文獻(xiàn)[47]提出帶自動補(bǔ)償動態(tài)下垂控制策略，采用多組小容量系統(tǒng)維持微電網(wǎng)直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，改善單組儲能系統(tǒng)存在變換器電流過大問題，對微電網(wǎng)在不同工況模式進(jìn)行分析，系統(tǒng)都能夠正常運(yùn)行。同時，采用帶自補(bǔ)償動態(tài)下垂控制策略的數(shù)學(xué)模型推到出母線電壓動態(tài)補(bǔ)償算法，降低傳統(tǒng)的二次控制復(fù)雜程度。

文獻(xiàn)[48]提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)下垂控制策略，通過引入功率影響因子，實(shí)現(xiàn)下垂系數(shù)的閉環(huán)控制，當(dāng)傳輸功率較低的時候，系統(tǒng)側(cè)重于維持直流電壓穩(wěn)定以提高電壓質(zhì)量；當(dāng)傳輸功率較高的時候，系統(tǒng)側(cè)重于功率分配，避免換流站容量超限和過流。

綜上所述，二次控制對于改進(jìn)下垂控制，主要是應(yīng)用優(yōu)化的控制算法，輸入量為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的需要調(diào)整的物理量，輸出量為下垂曲線中的相關(guān)參數(shù)，從而可以改變下垂曲線，實(shí)現(xiàn)對下垂控制改進(jìn)的目的。

3.3 三次控制技術(shù)

二次控制的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)負(fù)載點(diǎn)或并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)方式主要是通過對于一次控制結(jié)果計(jì)算一個補(bǔ)償量[49]。但是二次控制存在如下問題。

(1)所有微電網(wǎng)中的發(fā)電單元的補(bǔ)償出力相同，并未考慮每個發(fā)電單元的容量的差異。

(2)不同的負(fù)荷對于電能質(zhì)量的需求可能不同，而二次控制無法響應(yīng)不同負(fù)荷的需求。

(3)未考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性、安全性等問題。

因此，需要再一次控制和二次控制的基礎(chǔ)上，加入三次控制，該層控制主要涉及微電網(wǎng)的最優(yōu)化運(yùn)行。近年來許多學(xué)者采取不同方法進(jìn)行分析和解決上述問題。

文獻(xiàn)[50]采用遺傳算法建立了優(yōu)化配置模型，提高了微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，但是該算法只考慮了較少的微電網(wǎng)發(fā)電單元文獻(xiàn)[51]考慮了風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)和儲能裝置的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮了并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式，降低了發(fā)電成本和環(huán)境成本，但該模型沒有考慮功率平衡和微電源的出力問題；文獻(xiàn)[52]考慮微電園的燃料成本、維護(hù)成本和環(huán)境成本的同時，以功率平衡和微電源出力約束為約束條件，優(yōu)化了微電網(wǎng)的安全可靠性。

文獻(xiàn)[53]考慮了對蓄電池的控制保護(hù)，采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)對各發(fā)電單元的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，但是該算法尋優(yōu)速度較慢；文獻(xiàn)[54]提出改進(jìn)粒子群算法，降低了微電網(wǎng)運(yùn)行總成本，減少了平均運(yùn)算時間，具有更好的尋優(yōu)能力和更快的收斂速度；文獻(xiàn)[55]則通過改變慣性權(quán)重，調(diào)整慣性因子的方法，提高了算法搜索能力，減小搜索空間，從而能夠快速對微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，并且考慮經(jīng)濟(jì)性的同時，提高整個微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性；文獻(xiàn)[56]針對蓄電池壽命進(jìn)行評估，使系統(tǒng)中蓄電池投資費(fèi)用和容量配置結(jié)果更加精確，并設(shè)計(jì)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行微電網(wǎng)優(yōu)化配置。

文獻(xiàn)[57]將分布式電源功率隨機(jī)性問題通過場景生成和削減技術(shù)轉(zhuǎn)化成多個場景下的確定性問題中，并引入到多目標(biāo)優(yōu)化模型中，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[58]則考慮不同優(yōu)化目標(biāo)下，儲能系統(tǒng)充放電策略的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行；文獻(xiàn)[59]定量地評估可中斷負(fù)荷對于微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果的影響，結(jié)合可中斷負(fù)荷的影響建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，提高了微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[60]將多目標(biāo)優(yōu)化和粒子群算法進(jìn)行結(jié)合，考慮微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性，建立運(yùn)行成本和環(huán)境成本的模型，通過粒子群算法進(jìn)行求解，保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和安全可靠。

4 結(jié)論與展望

(1)船舶直流微電網(wǎng)一次控制中，需要本地快速控制，不能依賴于通信，該層控制主要有MPPT控制、下垂控制，通過控制器設(shè)定相應(yīng)的控制算法和預(yù)設(shè)值，但為了實(shí)現(xiàn)控制的快速性，一次控制中，存在快速性和準(zhǔn)確性之間的固有矛盾。

(2)二次控制，結(jié)合一次控制反饋的電路參數(shù)，采用優(yōu)化算法，對一次控制的缺陷進(jìn)行修正和無差補(bǔ)償，該層控制由于需要算法計(jì)算和通信系統(tǒng)，所以該層算法快速性較一次控制慢，但可達(dá)到準(zhǔn)確無差。

(3)三次控制，在一次二次控制的基礎(chǔ)上，將船舶直流微電網(wǎng)各組成部分參數(shù)匯總，并且對于此時微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，再通過通信系統(tǒng)控制各組成部分進(jìn)行策略切換，達(dá)到母線電壓的穩(wěn)定，從而達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定。

未來的船舶直流微電網(wǎng)控制技術(shù)展望如下。

(1)降低通信流量：未來船舶直流微電的分層協(xié)調(diào)控制會更加依賴高速、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，冗余的信息會影響整體信息的傳遞速度，導(dǎo)致通信阻塞，因此，在有限的通信條件下，設(shè)計(jì)既能滿足性能需求，同時降低通信流量的分層協(xié)調(diào)控制非常重要。

(2)算法的優(yōu)化改進(jìn)：目前的控制，由于傳統(tǒng)算法的固有矛盾，因此整個系統(tǒng)的固有弊端仍然較大，未來借助通信速度的提升，設(shè)計(jì)采用高速低損耗通信部分取代本地控制的控制策略更加具有研究前景。