适用于直流微电网的储能控制仿真研究

胡子安，张紫凡，王 玕，王智东，罗偲绫，张晓蝶

（广州城市理工学院，广东 广州 510800）

0 引言

为应对资源短缺和环境污染对电力系统发展提出的严峻挑战，分布式发电技术得到了各国电力行业的广泛关注。但大量分布式电源（如太阳能电池、燃料电池、风力机和小型燃气轮机等）直接并网将会对公共电网调峰和系统安全运行造成显著影响［1-4］。为充分发挥分布式电源的价值和效益，分布式电源采用微网形式并入主网［5-6］。传统的电力系统属于交流系统，因此对于微电网的研究大多集中在交流微电网方面［7-9］。而且由于直流形式分布式电源的发展、直流用电负荷比例的增高、储能装置使用的增多及敏感负荷对供电质量要求的提高，且直流系统不存在相位同步、谐波和无功功率损耗等方面的问题，因此采用直流方式组织电源、储能、负载及监控装置构成的直流微电网将成为未来用电领域的一种重要模式［10］。

直流微电网的研究重点和难点在于如何在直流微电网系统运行中维持母线电压稳定，保证系统功率平衡。而直流微电网系统中多数可再生能源由于其能量本身具有不均匀性和不可控性，输出的电能可能随时发生变化。当外界的光照、温度、风力等发生变化时，微源相应的输出能量就会发生变化，这将导致系统内功率不平衡，进而造成直流母线电压大范围波动。为平抑母线电压波动，解决能量供给波动性，提升系统可靠性，直流微电网系统中通常需要增加储能装置。因此，直流微电网系统中储能系统充放电的控制方法成为研究热点之一［11-15］。对变换器的控制是直流微电网最基础亦是最重要的控制。目前，常用的功率分配方法有主从控制、平均电流控制和下垂控制［16］，而下垂控制作为直流微电网传统的控制方式，不依赖通信算法、控制简单，且能够较好地平衡输出功率，更适合在直流微电网中使用［17］。

本文根据典型直流微电网的系统结构，基于PSCAD 仿真平台建立了直流微网的仿真模型。根据储能系统的变流器纹波系数确定合理的滤波环节的参数值，并针对下垂系数对系统的影响进行了仿真分析。

1 直流微电网系统

一般直流微电网是指通过一条公共的直流母线将所有微电源连接起来的独立可控系统。各个部分通过变换装置连接在母线上，通过各个单元的功率交换实现系统的稳定和平衡，并对用户提供电能和热能［18］。

直流微电网一般由分布电源、用户负载、储能设备、转换装置、控制环节等组成。

1）分布式电源：以光伏发电和燃料电池为主，其发电以直流形式产生电能，可以经过DC-DC变换器直接接入直流配网，与接入交流电网相比可以省去了逆变环节。

2）储能设备：多为直流设备，易于接入直流微电网。适用的电力储能装置主要有电池储能、超导储能等形式。

3）用户负载：多为新型用电设备。如计算机、家用电器、开关电源、通信设备和电动汽车等，这些用电设备或者采用直流供电，或者具备直流环节。

4）转换装置：包括分布式能源接入母线的DC-DC转换、蓄电池接入母线的双向DC-DC转换和直流微电网接入大电网的DC-AC逆变转换。

5）控制环节：光伏系统一般采用MPPT控制方式，可以最大限度利用可再生能源。而DC-DC 变换器控制一般为下垂控制方式，可以实现各变换器的输出功率按比例分配，以调节母线电压，且储能系统可以检测并网与孤网状态。

含光伏系统直流微电网结构如图1 所示［19］，图1中Ipv和Upv为光伏输出电流和电压，Ic为光伏发电系统输出的电流，Udc为直流母线电压，Ib1和Ib2分别为两个DC/DC变换器输出的电流。

图1 直流微电网的组成和控制方式图Fig.1 Composition and control mode of DC microgrid

2 储能设备的下垂控制

2.1 储能设备的下垂控制原理

目前大多数的DC/DC 控制采用的都是电压内环电流外环的双闭环控制，其可以根据母线电压调节变换器的输出电流，控制功率输出大小。所以传统的下垂控制就是在原有双环控制的基础上加入了下垂控制环节作为外环控制，通过控制DC/DC 变换器的输出电压期望值，通过外环控制得到参考电压，然后再进行电压电流双闭环控制，得到控制信号。

下垂控制方法还有嵌入式下垂控制法、虚拟电抗下垂控制、分段下垂控制法等，但在工程中虚拟电阻下垂控制应用最为普遍，因此本文的研究对象是虚拟电阻下垂控制。 虚拟电阻下垂控制法（Virtual Impedance Based Droop Control，VIBDC），其控制原理主要为通过加在变流器控制环节中的虚拟电阻来调节变流器参考电压从而实现分配变流器输出功率的控制目的，VIBDC的控制如图2所示［20-22］。

图2 中，Urate为额定电压，Uref为下垂输出参考电压，Iref为下垂输出参考电流，d为导通比，Udc为母线电压，iL为DC/DC 电感的电流，r为下垂系数。下垂控制的原理为

图2 下垂控制的控制框图Fig.2 Control block diagram of droop control

由此可知，它是通过减少输出电流，减少PI 控制器的参考值，然后通过电压电流内外双环调节来实现对母线电压的控制，以及对设备输出功率的调配。

根据下垂控制原理，系统中的两个储能设备可以根据下垂系数分配功率输出变换器的下垂控制运行原理如图3，其中r1、r2分别为两个储能变流器的下垂系数，1、2 点为两储能系统运行的状态点。当I为正，表示储能系统放电，当I为负则放电，Uref为两储能系统运行状态的电压。

图3 下垂控制原理图Fig.3 Schematic diagram of droop control

3.2 DC/DC变流器的参数选择

本文采用的DC/DC变流器，要求输入电压Uo稳定在230 V，输出的电压U稳定在100 V 左右，输出负载电阻为12.5 Ω，IGBT开关频率fs为1 kHz。DC/DC电路图如图4 所示，其中io为输入电流，iL为电感电流，i为输出电流。

图4 双向DC/DC变换电路Fig.4 Bidirectional DC/DC conversion circuit

在已有的单向BUSK和BOOST电路基础上通过元件串并联来实现能量的双向流动。两个IGBT 不能同时导通，正向时下面的IGBT导通，反向时上面的IGBT导通，分别构成BUSK和BOOST电路。

假设器件理想，运行正常。输出滤波电容较大，输出电压基本平直。忽略电感阻值。通过下列计算，得导通比

3 基于PSCAD的仿真验证及分析

为了验证下垂系数对功率分配的影响，通过仿真系统用2个并联结构的储能设备通过双向DC/DC共同为负荷供电。基于上文所述模型结构与计算求得的参数，在PSCAD搭建了直流微电网的模型，2个储能装置采用下垂控制，光伏系统用1 A的电源代替，母线电压Urate为100 V。负载电阻在0 s～2.5 s为25 Ω，负载功率约为400 W，在2.5 s～5 s负载增加，增加后的负载电阻值为12.5 Ω，负载功率约为800 W。运行仿真模型，分析得到以下不同参数设置下的仿真结果。设置r1、r2分别为0.5和0.5。运行模型，得到结果如图5-图6所示。

图5 光伏系统母线电压运行结果1Fig.5 Bus voltage operation results 1 of photovoltaic system

图6 光伏系统的功率分配结果图1Fig.6 Power distribution results of photovoltaic system figure 1

从图5-图6可以看出，母线电压Udcc为在0 s～2.5 s为99.1 V 左右，而在2.5 s～5 s 为98.4 V 左右。运行情况良好，运行稳定且跟踪良好，电压偏差ΔU不大。

光伏系统的功率Pv保持在0.1 kW 左右。在0 s～2.5 s 时，母线功率Pload为0.39 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.145 kW和0.145 kW；在2.5 s～5 s时，母线功率Pload为0.77 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.33 kW和0.33 kW。可以看出关系有

把r1、r2分别设置为0.5 和1，其余设置不变，运行模型，得到结果如图7-图8所示。

图7 光伏系统母线电压运行结果2Fig.7 Bus voltage operation results 2 of photovoltaic system

图8 光伏系统的功率分配结果图2Fig.8 Power distribution results of photovoltaic system figure 2

从图7、图8 可以看出，母线电压Udcc在0 s～2.5 s时为98.7 V 左右，而在2.5 s～5 s 时为97.6 V 左右，运行情况良好，运行稳定且跟踪良好，电压偏差ΔU不大。

光伏系统功率Pv保持在0.1 kW 左右，在0 s～2.5 s时，母线功率Pload为0.39 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.19 kW 和0.095 kW；在2.5 s～5 s 时，母线功率Pload为0.765 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.44 kW和0.22 kW。

母线的功率分别由两个储能设备输出，且按虚拟电阻的比例进行分配。

1）再把r1、r2分别设置为0.5 和2，其余设置不变。运行模型，得到结果如图9-图10所示。

图9 光伏系统母线电压运行结果3Fig.9 Bus voltage operation results 3 of photovoltaic system

图10 光伏系统的功率分配结果图3Fig.10 Power distribution results of photovoltaic system figure 3

从图9、图10 可以看出，母线电压Udcc为在0 s～2.5 s 为98.7 V 左右，而在2.5 s～5 s 为97.3 V 左右。运行情况良好，运行稳定且跟踪良好，电压偏差ΔU不大。

光伏系统的功率Pv保持在0.1 kW 左右。在0 s～2.5 s 时，母线功率Pload为0.39 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.23 kW和0.06 kW；在2.5 s～5 s时，母线功率Pload为0.75 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.52 kW和0.13 kW。可以看出关系有

2）再把r1、r2分别设置为1 和2，其余设置不变。运行模型，得到结果如图11-图12所示。

图11 光伏系统母线电压运行结果4Fig.11 Bus voltage operation results 4 of photovoltaic system

图12 光伏系统的功率分配结果图4Fig.12 Power distribution results of photovoltaic system figure 4

从图11、图12可看出，母线电压Udcc在0 s～2.5 s时为98.1 V左右，而在2.5 s～5 s时为95.6 V左右，运行情况良好，运行稳定且跟踪良好，电压偏差ΔU不大。

光伏系统功率Pv保持在0.1 kW 左右，在0 s～2.5 s时，母线功率Pload为0.384 kW，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.19 kW和0.95 kW；在2.5 s～5 s时，母线功率Pload为0.73 k W，两储能装置的功率Pess3、Pess4为0.42 kW和0.21 kW。可以看出关系有

运行结果与情况（2）相似

4种情况在2.5 s～5 s时的结果如表1所示。

表1 多组下垂系数组合运行结果Table 1 Combined operation results of multi-sets sag coefficients

根据运行结果可以看出，该模型在下垂系数都较小时，跟踪效果好，电压可以较为稳定跟踪设定值，有偏差低于100 V 设定值但不大，基本没有什么电压波动。但随着任意一个下垂系数的增大，电压偏差会不断增大，越来越偏离设定值100 V。当负载电阻变小时，母线电压偏差也会增大，功率输出比较稳定，无太大波动和损耗，功率分配可以很好地根据下垂系数组合比例来进行调节。

4 结语

本文以传统下垂控制为研究对象，着重研究了直流微电网结构和下垂控制原理，并搭建了相关模型，分析了不同下垂系数对直流微网的影响，得到如下结论：1）功率分配根据下垂系数组合比例来进行调节，与下垂系数大小无关；2）母线电压偏差受下垂系数大小影响，下垂系数越大母线电压越偏离设定值；3）负载功率受下垂系数大小影响随着下垂系数增大，负载功率减少。负载电阻越小时，这种影响越明显。