直流微电网运行控制分析

武保东

摘 要：直流微电网是一种新兴的微电网形式，与交流微电网相比，其结构简单、电能转化率高、电能质量高，可以提高分布式电源的效率，对于节能减排以及实现能源有效利用有重大意义。直流微电网在未来智能配用电系统中将发挥巨大作用，设备级控制和系统级控制是直流微电网运行控制的两种主要方式，本文主要从这个两个方面对直流微电网的运行控制进行了分析。

关键词：直流微电网 设备级控制 系统级控制

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（c）-00-02

近年来，社会经济的飞速发展，面临的能源消耗及环境污染等问题日趋严重，国内外的学者开始关注新能源分布式发电技术，可再生能源微电网由于接入负荷的不确定性导致一系类波动性问题，造成系统运行的不稳定性以及安全性等问题，严重制约着新能源的消纳。直流微电网作为一种新兴的微电网形式，可独立运行也可与主电网分离运行，提高了配电系统的安全性和供电可靠性，同时由于采用光伏、风能等新能源分布式发电，避免了化石能源的使用，有利于节能减排。相比于交流微电网，直流微电网使用直流母线将分布式电源连接成微电网，在许多方面优于交流微电网。例如，直流微网中的各类分布式电源与直流母线的连接方式简单，使得新能源分布式电源更容易整合到直流微电网中，而且无需考虑交流电网中电压的频率、相位等问题。此外，通过分别控制直流母线电压和电流可以实现直流微电网功率平衡控和潮流的控制。

目前，国内外关于直流微电网的研究得到了进一步发展，主要包括微电网的结构、运行的稳定性、利用效率等方面。本文结合国内外对直流微电网的研究现状，主要对直流微网运行控制策略进行了分析。

1 控制目标分析

直流微电网与交流微电网的运行都包括并网运行和独立运行两种模式。当直流微电网以其中一种方式运行时，都是用直流母线电压来反映系统功率是否平衡。对直流母线电压的控制，可以通过直流微电网系统和大电网接口的变换器进行控制，也可以通过直流微网系统内的分布式发电系统、储能单元来进行调节。

目前已有文献提出基于直流母线电压信号直流微电网运行的控制方法，这种控制方法一般适用于单一母线直流微电网的运行控制，但对含有多条母线和线路阻抗的复杂直流微电网来说实现协调控制仍具有一定的局限性，如直流母线电压随稳态运行点变化而发生变化、工作运行模式受限、储能系统及直流微电网能量管理系统过于简单导致无法实现系统经济运行等。为此，有文献提出了设备级和系统级控制的协调控制策略，该控制策略能够在不同时间尺度上实现对系统的优化控制。设备级控制的目的在于保证母线电压恒定，实现直流微电网功率平衡，从而使微网系统稳定运行。系统级控制的主要目的是在实现稳定运行的基础上对系统进行集中管理和能量优化控制，继而提升系统整体运行效率和可靠性，实现最优运行。

2 设备级控制策略

该策略以直流母线电压控制为主要对象，根据控制方法的不同分为主从控制和对等控制。主从控制通常只有独立控制器来控制直流母线电压，对于复杂直流微电网，如果此控制器出现故障，直流微电网将失去功率平衡，造成电压跌落甚至系统崩溃，所以主从控制的可靠性较差，对于简单直流微电网比较适合。对等控制主要基于下垂控制方法，对复杂直流微电网母线电压的稳定有很好的控制作用。该方法中，系统存在多个功能对等能够控制直流母线电压的器，每个主控制器都通过各自输入端口接收直流母线功率和输出端口直流电压等本地信息，能够共同协调控制，维持直流母线电压稳定性以及功率的平衡。即使其中某个主控制器因故障退出运行，依然可通过剩下的控制器保证对直流微电网系统的稳定性运行控制。相比于主从控制，对等控制的可靠性得到了提高。

3 系统级控制策略

3.1 二次协调控制

上文中设备级控制主要面临多电源均流和稳态电压偏差等问题，为此，有文献提出了二次协调控制，二次协调控制主要分为集中通信控制、集中通信分布式控制和分布式协同控制3种方式。

（1）集中通信控制。使用二次集中控制器实现对直流微网的二次协调控制。二次集中控制器检测直流母线电压以及参与直流母线电压控制的各主控制器输出功率，然后进行相应的直流母线电压稳定和各单元输出均流控制算法，来实现相应控制目的。此方法的最大缺陷就是当二次集中控制器出现故障时，系统无法完成二次协调控制，降低了系统控制的可靠性。

（2）集中通信分布式控制。不同于集中通信控制该方法是利用二次控制器嵌入各主控制器中，直接接收自身以及其他各主控制器出口直流电压、输出功率等检测信息，发出下垂控制调整指令，二次协调控制算法在各个主控制器执行，因此系统可靠性得到提升。但是由于检测的信息增多，增加了网络通信容量。

（3）分布式协同控制。各主控制器只与邻近控制器通信，通过接收自身及相邻控制器发出的信息，输出调节指令，从而达到分布式协同控制直流微电网二次电压稳定和均流控制目的。此方法不仅提高了系统的可靠性，而且降低了通信网络的压力。

3.2 能量优化系统控制

能量优化控制策略是实现直流微电网分布式电源有效利用，安全运行的重要保障，能量管理系统主要有集中式、分布式和混合式3种。

（1）集中式控制。由统一的中央控制器对系统内各单元进行集中监控。该控制方式简单，易于实现，但对中央控制器依赖性较高，可靠性不够高。

（2）分布式控制。通常通过多代理方式，各单元控制其通过与邻近单元进行相互通信实现协调控制，易于实现即插即用但缺乏统一协调和管理，且对分布式优化运行算法要求较高。

（3）混合式控制。在此种控制体系中，对系统进行区域有效划分，每个控制区域都有分布式电源、储能系统及负荷，并且每个区域有独立的控制器负责本区域的优化运行控制，各区域之间各自的控制器通过互相通信协调控制实现全局优化控制。该控制方式集合了集中式和分布式控制的优点，不但对于多母线直流微网比较适用，而且使得直流微电网系统的可靠性和可扩展性得到了提高。

4 结语

本文主要从直流微电网设备级控制和系统级控制两方面对微电网运行控制了分析。设备级控制主要通过控制直流母线电压，实现系统内功率的平衡，从而保持直流微电网稳定运行；系统级控制对直流微电网系统进行集中管理和能量优化，提升了系统运行效率和可靠性，实现优化运行。如何提高设备级控制的鲁棒性以及系统级控制的可靠性、灵活性和可扩展性，是未来直流微电网运行控制技术研究的重要方向。

参考文献

[1] 张犁，孙凯，吴田进，等.基于光伏发电的直流微电网能量变换与管理[J].电工技术学报，2013，28（2）：248-254.

[2] 薛贵挺，张焰，祝达康.孤立直流微电网运行控制策略[J].电力自动化设备，2013，33（3）：112-117.

[3] 张国荣，徐宏.直流微网中的关键技术综述[J].電器与能效管理技术，2012（15）：1-5.

[4] Fletcher S D A，Norman PJ，Fong K，et al. High-Speed Differential Protection for Smart DC Distribution Systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（5）：2610-2617.