摘 要：针对传统协调方法基于直流电压信号在不同状态运行时会造成电压偏差的问题，提出一种基于双层电压信号的光储燃直流微电网分层协调控制策略.首先，考虑直流微电网多源的特点，研究以光伏和蓄电池为主要供电电源、燃料电池为辅助供电电源的直流微电网结构，光伏发电单元和蓄电池发电单元构成光储联合发电系统，消除光伏直接接入母线造成的电压波动.综合考虑微电源发电和负荷需求的优先级，对直流微电网运行状态按照稳定电压的微电源类型进行划分.其次，为协调光伏和蓄电池出力，内层控制基于光伏和蓄电池的输出电压信号自适应变更光伏和蓄电池的控制方式.为协调光储联合发电系统和燃料电池出力，外层控制基于母线电压信号自适应变更两者的控制方式.此外在外层协调控制中，光储联合发电系统采用一种基于运行状态驱动的自适应下垂控制方法，实现并联的各光储联合发电系统运行状态的统一.最后，基于 Matlab/Simulink 仿真平台搭建光储燃直流微电网模型，分别验证光储联合发电系统对光伏出力波动的抑制能力和光储燃直流微电网各运行状态的自适应切换的有效性，并与传统基于单层电压信号的协调控制方法进行对比.仿真结果表明，该协调控制策略可以保证母线电压稳定在额定值，实现独立直流微电网稳定运行.
关键词：直流微电网;协调控制;双层直流电压信号;自适应下垂控制;光储联合发电系统
微电网是分布式能源、储能设备和负荷有效集成的重要手段，可以运行在并网模式辅助大电网供电或运行在孤岛模式独立供电[1-3].相较于交流微电网，直流微电网不存在频率、相位等复杂控制，具有功率损耗小、扩展性强等优势[4]，因此，直流微电网逐渐受到广泛关注，未来直流微电网可以应用于配电系统、数据中心、通信站、海岛供电等领域[5-7].目前，直流微电网多为光储直流微电网或风光储直流微电网. 但是太阳能、风能等分布式能源出力具有间歇性和波动性，难以向负荷稳定可靠地供电[8].而燃料电池(fuel cell，FC)具有清洁、环保、高效的优点[9]，可以辅助光伏(photovoltaic，PV)和蓄电池(battery，bat)等单元向负荷长时间稳定供电，所以将燃料电池加入直流微电网可以更好地保障直流微电网安全可靠运行.
直流微电网中包含多种类型的分布式能源、负荷和储能设备，多源多负荷的特点决定了直流微电网的运行状态复杂多变.为满足不同运行状态需求，关键在于对不同发电单元进行协调控制[10].目前直流微电网协调控制的主要思路是基于电压[11-13]或功率信号[14-16]划分运行状态，对不同运行状态采取相应的控制方法，从而实现直流微电网各发电单元的协调控制.
相关知识推荐：核心期刊发表要求和注意事项
文献[17]根据母线电压波动幅值划分电压等级，进行多模式协调控制，可实现系统稳定运行.文献 [18]根据微电源控制能力和特性，提出系统不同模式下基于电压信息编码的扁平化管理与协调控制方法. 文献[19]针对光储直流微电网，引入运行时的能源支持与消耗(energy supporting and consumption，ESC) 优先级，基于一种协调下垂控制调整不同单元之间的功率流，实现了直流微电网的分散协调控制.但是基于电压信号分层的方式会导致电压在设定范围内波动，无法稳定到额定值.在实际应用中，直流微电网含有大量的恒功率负荷(constant power load， CPL)，因此直流电压偏离额定值有可能导致整个系统崩溃[20-21].
为解决直流母线电压不能稳定至额定值的问题，也有部分学者考虑以功率为改变运行状态的条件，避免电压分层.文献[22]依据系统净负荷和蓄电池充放电功率阈值划分了功率层，从而实现直流微电网不同运行状态的切换.文献[23]根据储能系统的功率状态切换分布式电源的控制方式来稳定母线电压和实现负荷功率分配.但是基于功率信号的方式对系统通信能力要求较高，相较于基于电压分层的方式更容易出现切换误判，从而危害直流微电网安全运行.而且当直流微电网中的设备退出或新设备加入后，需要对切换条件进行更新，无法实现即插即用.
基于以上分析，本文提出一种基于双层电压信号的光储燃直流微电网分层协调控制策略.综合考虑光伏、蓄电池和燃料电池的特点，提出一种以光储联合发电(combination of photovoltaic and battery，CPB)系统为主要电源，燃料电池为辅助电源的光储燃直流微电网结构.针对传统电压分层协调控制电压偏差的问题，提出一种基于双层电压信号的协调控制策略，内层通过协调光伏和蓄电池出力实现新能源的高效利用，外层通过协调 CPB 和燃料电池发电单元出力抑制母线电压波动，从而保证直流微电网的稳定运行. 此外，为均衡 CPB 间的出力，设计一种基于 CPB 不同运行状态的自适应下垂控制方法，实现直流微电网的优化运行. 通过仿真验证了提出的协调控制策略的有效性.
1 光储燃直流微电网架构
如图 1 所示，本文所设计的光储燃直流微电网系统由 n 组 CPB、m 组燃料电池、直流负荷以及相应的电力电子设备组成.
直流微电网中的 CPB 和蓄电池经过 DC/DC 变换器接入直流母线.其中，CPB 作为直流微电网的主要电源，由光伏阵列、蓄电池组以及相应的电力电子设备组成.正常情况下，直流负荷由主要电源供电，当主要电源不能负担直流负荷时，由燃料电池辅助供电.
2 光储燃直流微电网运行场景划分
母线电压是衡量直流微电网功率平衡和系统稳定的重要指标，当可再生能源或负荷波动时，功率的不平衡会影响母线电压稳定，直流母线电压和系统功率的关系为
为了提高系统的效率和可靠性，综合考虑微电源发电和负荷需求的优先级.对于发电端，直流微电网主要是通过光伏向负荷供电，应充分利用太阳能发电，光伏优先级别最高，其次是储存光伏功率的蓄电池，燃料电池的优先级别最低.对于需求端，直流微电网应优先向负荷供电，当负荷需求满足后，剩余能量提供给蓄电池.为避免燃料电池向蓄电池充电， CPB 的出力优先级高于燃料电池.
基于上述优先级原则，按照稳定外层电压的发电单元类型将光储燃直流微电网划分为 2 个运行状态 (operation state，OS)，本文记为 OS1和 OS2，分别对应 CPB 稳定电压和燃料电池稳定电压两种运行状态.此外，根据稳定内层电压的发电单元类型将 CPB 划分为 5 个 OS，分别对应光伏恒压下垂控制发电、蓄电池恒压下垂控制充电、蓄电池控制死区、蓄电池恒压下垂控制放电以及光伏和蓄电池满功率出力.
对不同的运行状态设计相应的电压工作区域，当源荷功率变化或部分发电单元加入、退出直流微电网运行而引起电压变化时，系统自动改变运行状态，实现微电网的功率平衡，具体的电压等级和运行状态如图 2 所示.
3 光储燃直流微电网协调运行控制策略
3.1 全局控制架构
在直流微电网中，母线电压可以作为公共信息，实现各发电单元之间的交流.基于此，本文提出一种光储燃直流微电网协调控制策略，分为内层协调控制和外层协调控制，实现光伏、蓄电池和燃料电池的出力协调，整体控制架构如图 3 所示.
在内层协调控制中，按照出力优先级和各单元的工作特性，设定光伏和蓄电池的电压运行区间，当电压超过当前电压区间的下限值或上限值时，各发电单元自行转变控制方式从而改变 CPB 的运行状态;在外层协调控制中，燃料电池发电单元和 CPB 根据出力优先级原则划分相应的电压运行区间，并根据外层母线电压幅值变换相应的控制方法实现直流微电网运行状态的改变以实现新的功率平衡.基于电压的协调控制方式发电单元可以依据电压区间实现控制方式的改变，无需模式判别.此外，为保证并联 CPB 运行状态接近，本文提出一种基于运行状态的自适应下垂系数计算方法，实现并联 CPB 的出力协调.
根据上述协调控制策略，以 FC1 和 CPBn 为例，光储燃直流微电网中各发电单元具体控制结构如图 4 所示.在 CPBn 中，光伏发电单元具有最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)和下垂控制两种控制方式，并根据内层母线电压 Von 实现两种控制方式的切换;蓄电池发电单元采用下垂控制稳定电压，可以根据 Von 的大小在下垂控制、满功率输出以及不工作之间进行切换.CPB 和燃料电池通过 DC/DC 变换器连接至公共母线，前者的控制方式为自适应下垂控制，可以根据 CPB 的运行情况相应改变下垂系数，后者作为备用电源，采用下垂控制在光伏和蓄电池发电不足时稳定电压.
3.2 基于内层电压信号的协调控制
为了充分利用新能源并提高发电效率，光伏发电单元应当主要运行在 MPPT 状态[23]，由蓄电池通过下垂控制稳定母线电压.但是由于实际蓄电池容量的限制，当光伏或负荷波动，系统净负荷 ΔP 为负且大于蓄电池的承受极限时，光伏发电单元应当采用电压控制，减小功率输出以维持系统的功率平衡.
4 仿真验证
为了验证所提出的直流微电网协调控制策略的有效性，在 Matlab/Simulink 仿真平台搭建直流微电网系统仿真模型，并设置了负荷功率波动、光伏功率波动、传统下垂控制和自适应下垂控制对比分析以及基于单层电压信号的协调控制和本文协调控制的对比分析 4 个仿真场景仿真.仿真结构如图 6 所示，图中包含两个 CPB 和两个燃料电池，每个 CPB 又分别由一组光伏和一组蓄电池组成.
4.1 负荷功率波动
为验证所提出的策略中各运行状态及其转换的有效性，模拟负荷波动.仿真情景设置为：初始负荷为 1.60 kW，1 s 时负荷增长至 4.00 kW，2 s 时负荷增长至 7.33 kW，3 s 时负荷减少至 2.74 kW，4 s 时负荷减少至 0.72 kW，5 s 时负荷增加至 1.52 kW，仿真结果如图 7 所示.
由图 7 可以看出，在 0～1 s 期间直流微电网运行在 OS1,2 ，PV1、PV2 出力达到了最大功率点，其工作在 MPPT 状态，由 Bat1、Bat2 放电即可稳定母线电压，因此此时 FC1、FC2 不工作;在 1～2 s 期间直流微电网运行在 OS1,4 ，PV1、PV2 保持依然保持在 MPPT 状态，负荷功率减小，此时 Bat1、Bat2 由放电转换到充电并稳定母线电压，而 FC1、FC2 不工作;在 2～3 s 期间，直流微电网运行在OS2,5 ，Bat1、Bat2 达到最大放电状态，此时需要借助 FC1、FC2 出力才能稳定母线电压;在 3～4 s 期间，直流微电网运行在 OS1,3 ，PV1、PV2 保持在 MPPT 状态，而 Bat1、Bat2和 FC1、FC2 都不工作;在 4～5 s 期间，直流微电网运行在 OS1,1 ，为了保持母线电压稳定，PV1、PV2 转换为下垂控制稳定电压，而 Bat1、Bat2 以最大功率充电，FC1、FC2 不工作;在 5～6 s 期间，直流微电网重新运行在OS1,2 .
综上所述，所提运行策略能够使直流微电网内的各微电源根据负荷变化自行改变其的运行状态，以达到稳定母线电压的目的.
4.2 光伏功率波动
为验证所提出的策略能降低光伏出力波动对带负荷母线电压的影响，模拟光伏在小波动和大波动两种波动.仿真结果如图 8 和图 9 所示.
1) 光伏出力波动小
图 8 为光伏在小范围波动的仿真结果.由图 8 可以看出，以光伏最大工作点功率为满功率 100%，PV1的输出功率波动在 95.4%～98.1%，PV2 的输出功率波动在 94.6%～97.5%，光伏波动范围小于 5%;以蓄电池最大工作点功率为满功率 100%，Bat1 的充电功率波动在 50.1%～62.0%，Bat2 的充电功率波动在 53.1%～60.1%;CPB1 的输出功率稳定在 1.072 kW，电压波动 0.07%，CPB2 的输出功率稳定在 0.54 kW，电压波动 0.06%;由此可见，CPB 的输出功率和电压平滑，光伏出力在小范围波动时对输出母线电压影响小.
2) 光伏出力波动大
图 9 为光伏在大范围波动的仿真结果.由图 9 可以看出，以光伏最大工作点功率为满功率 100%， PV1 的输出功率波动在 72.1%～97.8%，PV2 的输出功率波动在 69.7%～96.6%，光伏波动范围超过 20%;以蓄电池最大工作点功率为满功率 100%，Bat1 的充电功率波动在 10.4%～58.9%，Bat2 的充电功率波动在 17.9% ～ 60.2% ;CPB1 的 输 出功率稳定在 1.072 kW，电压波动 0.89%，CPB2 的输出功率稳定在 0.54 kW，电压波动 0.42%;由此可见，CPB 的输出功率和电压平滑，光伏出力在大范围波动时对输出母线电压影响较小.
综上，CPB 可以较好地抑制光伏出力波动对母线电压的影响，从而保障直流微电网的安全运行.
4.3 自适应下垂控制与传统下垂控制方法对比分析
为验证基于状态的自适应下垂控制的有效性，仿真情景设置：CPB1 和 CPB2 容量为 2∶1，一开始直流微电网运行在 OS1,2 ，蓄电池充电稳定电压，1 s 时退出 CPB1 中 PV1，仿真结果如图 10 所示.
由图 10 可以看出，在 0～1 s 时 CPB1 和 CPB2 均运行在OS1,2 ，蓄电池 1 和蓄电池 2 充电，CPB1 和 CPB2 输出功率比例为 2∶1.1 s 时，PV1 退出运行， CPB1 运行在OS1,4 ，CPB2 仍运行在OS1,2 .CPB1 和 CPB2 的容量之比不再是 2∶1，此时采用传统固定下垂系数的控制方法，CPB2 输出保持不变，Bat1 由充电模式转向放电模式，增大输出以保证 CPB1 和 CPB2 的输出功率为 2∶1.在 2 s 时采用基于运行状态的自适应下垂控制方法，CPB1 和 CPB2 均运行在 OS1,4 ，且由两系统的输出功率接近 1∶1，蓄电池 1 和蓄电池 2 均运行在放电状态.
以上仿真结果表明，当直流微电网发生突发状况、设备退出或加入直流微电网时，各发电单元发电容量发生变化，若还按照原先设定好的下垂系数进行功率分配，会导致不均衡发电;采用自适应下垂控制，可以根据 CPB 的运行状态以及电压偏离设定值的程度，改变下垂系数，从而实现功率更合理的分配，保证不同发电单元的状态更接近.
4.4 与传统基于单层电压信号控制方法对比分析
为验证本文所提出策略的有效性，对传统基单层电压的控制方法进行仿真，仿真参数设置与第 4.1 节中相同，仿真结果如图 11 所示.
由图 11 可以看出，在当前设定的负荷波动情况下，传统基于单层电压信号的协调控制策略电压在 0.962～1.022 p.u.波动，波动范围为 6.0%;本文提出的基于双层电压信号的协调控制策略电压在 0.986～ 1.011 p.u.波动，波动范围为 2.5%，比传统方法的电压波动范围小了 1 倍;此外，传统策略的公共母线电压在不同区间变化，基于双层电压信号的方法公共母线电压除运行状态变化时有波动，其余时刻均稳定在额定值，提高了电能质量.
由此可以得出，传统策略电压波动较大，而本文提出的方案能够将电压稳定在额定值附近的同时不影响直流微电网运行状态的更改，从而提高电能质量，保障直流微电网的安全稳定运行.——论文作者：杨健维，张 雪，廖 凯，郑舜玮
转载请注明来自：http://www.lunwencheng.com/lunwen/dzi/21041.html
