基于功率分層的孤島直流微網(wǎng)協(xié)調控制策略

康家玉，史晨雨，王素娥，白一鍇

（陜西科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710021）

0 引言

近年，以分布式電源為主要能量來源的微網(wǎng)發(fā)展迅速[1]，[2]。直流微網(wǎng)由于結構簡單，且不存在頻率、相位、無功損耗等問題，而受到人們的關注[3]。母線電壓穩(wěn)定及系統(tǒng)功率平衡是微網(wǎng)穩(wěn)定工作的前提[4]，但分布式電源自身具有間歇性和不確定性，須配備相應的儲能系統(tǒng)（Energy Storage System，ESS）作為平衡節(jié)點保證微網(wǎng)的穩(wěn)定[5]。

下垂控制因高可靠性、低通信依賴等優(yōu)點被廣泛應用于微網(wǎng)協(xié)調控制與ESS功率分配中。文獻[6]將母線電壓變化率引入下垂系數(shù)中，實現(xiàn)了ESS功率合理分配。文獻[7]利用不同類型的ESS針對性地平抑微網(wǎng)波動。文獻[8]，[9]設計了電壓分層協(xié)調控制策略來保證微網(wǎng)的穩(wěn)定運行，利用實時電壓信號劃分工作模式，各子系統(tǒng)根據(jù)運行模式采取相應的控制方式。文獻[10]在電壓分層的基礎上，設置ESS下垂系數(shù)，在充電時正比于荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），放電時反比于荷電狀態(tài)，實現(xiàn)了ESS之間基于SOC的動態(tài)分配。但在母線電壓波動時，易造成微網(wǎng)運行模式異常頻繁切換，對微網(wǎng)的運行造成沖擊。文獻[11]設置電壓滯環(huán)避免了模式異常切換，但又具有通信延遲。針對電壓分層的不足，文獻[12]提出了以功率信號為模式劃分條件的變功率控制策略，并對比驗證了其優(yōu)勢。文獻[13]，[14]均以荷-源功率差作為微網(wǎng)運行模式的切換依據(jù)，協(xié)調控制各子系統(tǒng)的運行方式。文獻[15]中，ESS根據(jù)自身SOC與極限功率承擔系統(tǒng)功率，但未考慮ESS功率分配超過最大功率的問題。文獻[16]通過補償蓄電池參考功率避免了功率越限。文獻[17]設置了功率越限修正環(huán)節(jié)，但修正后SOC均衡無體現(xiàn)，且沒有始終以電壓特性運行的松弛終端為直流母線提供參考電壓。

本文以荷-源功率差為判別條件，劃分微網(wǎng)運行模式，規(guī)避不同模式間的異常頻繁切換，實現(xiàn)微網(wǎng)內部功率平衡與母線電壓穩(wěn)定。采用并聯(lián)型儲能系統(tǒng)（Parallel-connected Energy Storage System，P-ESS）提升系統(tǒng)可靠性與抗擾動能力，利用下垂控制的U-P特性，實現(xiàn)了ESS基于自身功率調節(jié)能力平抑微網(wǎng)波動。針對自適應下垂控制可能存在ESS功率分配超過其最大功率的情況，設計了二次控制環(huán)節(jié)，在避免功率超限的同時降低了對于正常運行ESS的影響。

1 孤島型直流微網(wǎng)結構

本文研究的孤島直流微網(wǎng)主要由光伏系統(tǒng)（Photovoltaic，PV）、ESS及負荷單元組成。根據(jù)各子系統(tǒng)實時工作可將其分為松弛終端與功率終端[18]，松弛終端可根據(jù)系統(tǒng)需求調整自身出力，而功率終端不具備調節(jié)能力。微網(wǎng)整體結構如圖1所示。圖中:PPV，PB-i，PL-1和PL-2分別為光伏輸出功率、ESS-i輸出功率、重要負荷功率和一般負荷功率；C為母線等效電容；UBUS為直流母線電壓。

圖1 孤島型直流微網(wǎng)系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of isoland DC microgrid system

記系統(tǒng)母線等效電容功率與系統(tǒng)損耗功率分別為PC和PS，規(guī)定ESS放電時為正，可得:

由式（1）可知，直流母線電壓與系統(tǒng)功率任一指標穩(wěn)定即可保證另一指標平衡，系統(tǒng)功率有冗余時會使母線電壓升高，系統(tǒng)功率缺額時母線電壓降低。

2 基于功率分層的孤島直流微網(wǎng)協(xié)調控制

設計孤島型微網(wǎng)控制策略時，須要同時考慮光伏的最大化利用和ESS的健康運行。即PV系統(tǒng)盡可能運行在MPPT模式；ESS在正常的SOC區(qū)間運行，并約束其輸出功率[19]。為避免ESS深度充放電，設置蓄電池工作區(qū)間為20%～80%。當ESS-i的SOC越過充、放電閥值時將其切換為空閑模式，待放、充電信號到來時重新接入微網(wǎng)。

2.1 微網(wǎng)工作模式劃分

定義光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率為PPVmax，ESS-i極限充、放電功率分別為PB-imax-c，PB-imax-d。為便于分析，本文忽略PC與PS的影響，規(guī)定系統(tǒng)凈功率ΔP=PL-PPV。以ΔP與P-ESS最大平抑能力的關系為模式劃分依據(jù)，劃分情況如表1所示。

表1 孤島型直流微網(wǎng)運行模式Table 1 Operation mode of isoland DC microgrid

續(xù)表1

模式2:PV系統(tǒng)發(fā)電功率小于負荷消耗的功率，ESS不須要極限放電即可補充微網(wǎng)功率缺額。此時PV，ESS分別以MPPT、下垂放電方式運行，ESS放電功率為

模式3:PV系統(tǒng)發(fā)電功率大于負荷消耗的功率，ESS可吸收微網(wǎng)冗余功率。此時PV，ESS分別以MPPT、下垂充電方式運行，ESS吸收功率為

模式4:以MPPT模式運行的PV系統(tǒng)輸出電能遠大于負荷消耗功率，ESS不能完全吸收微網(wǎng)冗余功率，需要PV系統(tǒng)切換至恒壓模式。此時光伏系統(tǒng)發(fā)出功率為

由模式劃分情況可知:模式1，2，3下ESS作為松弛終端平抑系統(tǒng)波動，PV系統(tǒng)作為功率終端以最大功率輸出電能；模式4下ESS無法平抑系統(tǒng)波動，PV系統(tǒng)切換為恒壓模式作為松弛終端參與系統(tǒng)調節(jié)，此時ESS相當于功率終端，保證了微網(wǎng)在不同運行模式下，均存在松弛終端維持微網(wǎng)功率平衡。

2.2 微網(wǎng)各子系統(tǒng)運行控制

2.2.1 PV系統(tǒng)運行控制

PV系統(tǒng)作為微網(wǎng)的能量來源，在本文中具有MPPT與恒壓兩種運行方式。其中MPPT控制通過電導增量法（Incremental Conductance Method，INC）來實現(xiàn)，系統(tǒng)整體控制原理如圖2所示。

圖2 PV系統(tǒng)運行控制Fig.2 Control of PV system

圖中:UPV，UBus，UBusref和IPV分別為光伏電池輸出電壓、直流母線實時電壓、直流母線電壓參考值和光伏電池輸出電流。在恒壓運行方式下，由于存在電壓閉環(huán)，PV系統(tǒng)可在調整輸出功率時，使母線電壓快速收斂于參考值。

2.2.2 ESS的運行控制

ESS作為平衡節(jié)點對微網(wǎng)穩(wěn)定運行非常重要。由模式劃分情況可知，ESS分為下垂、恒功率以及空閑3種工作方式。下垂控制作為實現(xiàn)ESS功率分配的典型方法，其表達式為

由式（10）可知:充電時SOC高且極限充電功率小的ESS功率調節(jié)能力低，SOC低且極限充電功率大的ESS功率調節(jié)能力高；放電時反之。實現(xiàn)了ESS基于實時功率調節(jié)能力決定自身出力，有效地避免了ESS過充過放。為了進一步提升母線電壓質量，本文在電壓外環(huán)中引入前饋補償量δU，以間接補償電壓偏差，記PI控制器傳遞函數(shù)為GΔU，補償原理的表達式為

工作于恒功率與待機方式下的ESS均采用電流單環(huán)控制，ESS整體運行控制原理如圖3所示。

圖3 ESS運行控制Fig.3 Control of ESS

圖中:IB-i，IB-iref分別為ESS-i輸出電流與輸出電流參考值。當ESS在下垂方式運行時，下垂控制器產生的參考電壓經(jīng)過前饋補償，作為電壓外環(huán)的給定值，使ESS實時追蹤電壓給定并調整輸出功率。

2.2.3 負荷單元運行控制

負荷單元在微網(wǎng)運行控制中始終作為功率終端。模式1下，通過斷路器切除一般負荷以保證重要負荷供電不受影響，其余模式下將一般負荷重新接入系統(tǒng)。負荷單元控制原理如圖4所示。

圖4 負荷單元的控制Fig.4 Control of load unit

2.3 微網(wǎng)的二次運行控制

此時式（7），（10）不再成立，無法達成預定控制目標，也對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響[11]，[16]。

本節(jié)設置功率修正環(huán)節(jié)對功率分配超限ESS進行二次控制，可實時檢測是否存在ESS功率分配值越過其最大充放電功率，出現(xiàn)這種情況時功率修正環(huán)節(jié)動作，只須將超限ESS由下垂模式切換為最大功率輸出模式，其余ESS仍然按照下垂系數(shù)進行功率分配，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時避免影響其余ESS正常充放電。以模式2時ESS運行曲線來說明功率修正環(huán)節(jié)運行機理，如圖5所示。P-ESS由3組ESS構成，忽略SOC短時間內變化，ESS-2，3最大功率相等均表示為PB-2max-d。圖中，ESS-1，2，3在下垂放電模式下的初始運行曲線分別為1，2，3，無最大功率限制與電壓前饋時ESS-1，2，3分別工作于A，B，C點?？芍狤SS-3功率分配P3大于其最大功率，考慮最大功率后ESS-3會被鉗制在CLimit點，輸出功率為PB-2max-d，此時系統(tǒng)功率缺額（P3-PB-2max-d），ESS-1，2須沿各自下垂曲線移動至A′，B′點進行二次下垂分配以補償系統(tǒng)功率缺額。可知ESS-3輸出電壓異于其余ESS，會導致母線電壓質量與系統(tǒng)運行穩(wěn)定性降低。此時功率修正環(huán)節(jié)動作，將ESS-3由下垂模式切換為恒功率模式，其工作點將從CLimit下降至C′以適應母線電壓，但母線電壓UBus-2相比參考電壓產生了較大偏差，電壓前饋環(huán)節(jié)的存在將調節(jié)母線電壓至參考電壓UBusref，ESS-1，2下垂曲線變?yōu)?′，2′，ESS-3工作點隨之上升，最終ESS工作點穩(wěn)定于A″，B″，C″。隨著工況的改變，ESS-3功率分配不超過最大功率時退回下垂模式。即:

圖5 ESS運行曲線Fig.5 Operation curve of energy storage system

整個過程中避免了因ESS-3功率分配超限造成的不利影響，同時ESS-1，ESS-2還能按照其設定功率配比平抑波動。二次下垂分配后，如ESS-1或ESS-2功率分配超過其極限功率，須要功率修正環(huán)節(jié)再次動作調整其工作方式，在最極端情況下仍能保證至少存在一組ESS以下垂特性運行。恒功率運行方式下的ESS與MPPT運行方式下的PV系統(tǒng)，或負荷單元的作用相同，只作為功率終端而不再給微網(wǎng)母線提供電壓支撐，此時由下垂運行模式的ESS發(fā)揮電壓松弛作用。一般情況下，ESS-i功率修正環(huán)節(jié)動作條件為

式中:∑PBmax，∑（1/mB）分別為工作于恒功率方式的ESS總極限功率和工作于下垂方式ESS下垂系數(shù)的倒數(shù)之和，兩者均不計ESS-i自身功率。

經(jīng)過二次控制后，微網(wǎng)整體的控制邏輯如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體控制邏輯Fig.6 System overall control logic diagram

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型。其中PV最大輸出功率為6 kW，負荷包含3 kW重要負荷和2 kW一般負荷，P-ESS中包含3組ESS，容量均為5 A·h，極限功率分別為±1.5kW，±1.5 kW和±1 kW，默認初始SOC為40%，60%和60%，設置母線電壓參考值為380 V。通過光伏出力的改變、負荷變化及ESS運行方式的切換模擬系統(tǒng)波動，在不同工況下進行仿真驗證。

3.1 ESS正常工作情況

該工況下，PV系統(tǒng)恒工作于MPPT模式，其輸出功率在0～1 s，1～2 s和2～3 s內因光照及溫度變化分別為6，4 kW和0.5 kW，各子系統(tǒng)仿真波形如圖7所示。

圖7 微網(wǎng)子系統(tǒng)輸出特性Fig.7 Output characteristics of microgrid subsystem

由圖7可知，在0.05 s時系統(tǒng)達到穩(wěn)定，0.05～1 s內系統(tǒng)運行于模式3。t=1 s時，隨著PV出力減少，ESS放電補充系統(tǒng)功率缺額，系統(tǒng)運行于模式2。t=2 s時，系統(tǒng)功率缺額超出ESS調節(jié)范圍，須要切除一般負荷，系統(tǒng)工作于模式1。各子系統(tǒng)均能快速根據(jù)系統(tǒng)功率的變化切換自身工作方式以平抑波動。

分別采用傳統(tǒng)下垂控制和本文自適應下垂控制后，ESS之間的功率分配及SOC變化情況分別如圖8，9所示。

圖8 ESS之間的功率分配Fig.8 Power sharing among ESS

圖9 ESS荷電狀態(tài)變化情況Fig.9 Change of ESS state of charge

由圖8，9可知，傳統(tǒng)下垂控制中ESS依據(jù)其最大功率進行功率分配，無法顧及ESS的SOC，易造成ESS的過充過放。而本文所用下垂控制將實時SOC引入其中，實現(xiàn)了基于實時功率調節(jié)能力充放電，有效地避免ESS過充過放。

運行過程中母線電壓變化如圖10所示。

圖10 母線電壓變化Fig.10 Changes in bus voltage

本文控制策略在未引入電壓前饋環(huán)節(jié)時，ESS充、放電時分別會抬高或降低母線電壓，且隨著ESS承擔功率的增加，母線電壓偏差相應變大，而在引入電壓前饋后，母線電壓偏差得到有效補償。

3.2 ESS功率分配超限情況

變更ESS初始SOC分別為35%，50%，65%。其中PV在0～4 s均工作于MPPT模式，在0～1 s，1～3 s和3～4 s輸出功率分別為5.2，6 kW和2 kW，重要負荷在t=2 s時接入系統(tǒng)。分別用文獻[17]與本文所提控制策略進行對比驗證，兩種控制策略子系統(tǒng)輸出特性相似且模式劃分情況相同，仿真結果如圖11所示。

圖11 微網(wǎng)子系統(tǒng)輸出特性Fig.11 Output characteristics of microgrid subsystem

圖11中，系統(tǒng)在0.15～3 s運行于模式3，3～4 s運行于模式2，ESS在0.15～1 s，1～2 s和2～3 s分別吸收3.2，4 kW和1 kW功率，3～4 s釋放3 kW功率。運行過程中內部功率始終保持動態(tài)平衡，兩種控制策略中ESS之間承擔功率情況如圖12所示。

圖12 ESS之間的功率分配Fig.12 Power sharing among ESS

系統(tǒng)約在0.15 s達到穩(wěn)定，在0.15～1 s內，兩種控制策略中的ESS-1功率分配均超過極限功率，文獻[17]控制策略中修正環(huán)節(jié)動作，3組ESS按照極限功率比值吸收冗余功率，ESS-2，ESS-3也失去根據(jù)自身SOC決定吸收功率的能力。而本文所提控制策略將ESS-1退出下垂模式，并以1.5 kW恒功率充電，ESS-2，ESS-3仍在下垂模式下依據(jù)SOC與極限功率吸收冗余功率。t=1 s時，繼續(xù)減小，在文獻[17]控制策略下，3組ESS均以極限功率充電；本文控制策略中，ESS-2功率分配超限，二次控制環(huán)節(jié)動作將ESS-2也切換為恒功率充電方式，ESS-3作為唯一松弛終端以電壓特性運行穩(wěn)定母線電壓。在t=2 s時，隨著重要負荷接入系統(tǒng)，兩種控制策略的二次調整環(huán)節(jié)均退出調節(jié)，3組ESS均按照初始設定功率比出力。t=3 s時，兩種控制策略的二次控制環(huán)節(jié)均動作以避免功率分配超限，文獻[17]3組ESS還是以極限功率比補充微網(wǎng)功率缺額，而本文控制策略中兩組功率未超限單元仍以初始下垂比例釋放能量。

本文所提控制策略最大限度保證了ESS之間根據(jù)自身功率調節(jié)能力決定自身出力，整個運行過程中，母線電壓變化情況如圖13所示。

圖13 母線電壓變化Fig.13 Changes in bus voltage

由圖13可知，兩種控制策略均能保證母線電壓穩(wěn)定在參考值附近，但本文所提出控制策略恒存在以電壓特性運行的松弛終端穩(wěn)定母線電壓，在系統(tǒng)功率突變時母線電壓波動較小，提升了微網(wǎng)的魯棒性。

3.3 部分ESS退出運行情況

PV在0～4 s均工作于MPPT模式，在0～2 s，2～4 s內輸出功率分別為3，6 kW。ESS-2在t=1 s時退出運行，t=3 s時重新接入運行，微網(wǎng)各子系統(tǒng)仿真波形如圖14所示。

圖14 微網(wǎng)子系統(tǒng)輸出特性Fig.14 Output characteristics of microgrid subsystem

由圖14可知，在0.15～2 s，2～4 s時系統(tǒng)分別工作于模式2，3，整個運行過程中系統(tǒng)內部功率始終保持平衡。

運行過程中各ESS功率分配情況如圖15所示。

圖15 ESS之間的功率分配Fig.15 Power sharing among ESS

由圖15可知，0.15～1 s運行于下垂放電模式。在t=1 s時，ESS-2故障退出運行，其余ESS仍可平抑波動，但ESS-3的分配功率超限，二次控制環(huán)節(jié)動作將ESS-3切換為恒功率放電模式。t=2 s時，PV輸出功率增加，ESS-1，3工作于下垂充電模式。ESS-2在t=3 s時重新接入系統(tǒng)，3組ESS按其下垂系數(shù)進行功率分配。

運行過程中母線電壓變化情況如圖16所示。由圖16可知，儲能系統(tǒng)退出或加入系統(tǒng)對母線電壓影響較小，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時實現(xiàn)ESS的功率動態(tài)分配，表明了此策略可實現(xiàn)微網(wǎng)“即插即用”特性。

圖16 母線電壓變化Fig.16 Changes in bus voltage

4 結束語

本文提出基于功率分層的孤島直流微網(wǎng)協(xié)調控制策略，正常運行下以ESS主導平抑系統(tǒng)功率波動，超出ESS調節(jié)范圍后PV或負荷參與系統(tǒng)調節(jié)。微網(wǎng)內部功率始終保持動態(tài)平衡，且任何工作模式下均存在以電壓特性運行的松弛終端控制母線電壓穩(wěn)定。仿真算例表明，帶電壓前饋的自適應下垂控制可實現(xiàn)ESS基于實時功率調節(jié)能力平抑微網(wǎng)波動并且補償母線電壓偏差，避免ESS過充過放，設計的二次控制環(huán)節(jié)有效地解決了ESS功率分配超限問題，并保證其余ESS仍可按照自身功率調節(jié)能力平抑系統(tǒng)波動。驗證了本文所提控制策略的有效性與優(yōu)越性。