直流微电网关键技术研究综述_李霞林.docx

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1、第 36 卷 第 1 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.36 No.1 Jan.5, 2016 2 2016 年 1 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI： 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.01.001 文章编号： 0258-8013 (2016) 01-0002-16 中图分类号： TM 71 直流微电网关键技术研究综述 李霞林 1，郭力 1，王成山 1，李运帷 2 (1天津大学智能电网教育部重点实验室，天津市 南开区 300072； 2阿尔伯塔大学电气与计算机工程

2、系，加拿大 埃德蒙顿 T6G 2V4) Key Technologies of DC Microgrids: An Overview LI Xialin1, GUO Li1, WANG Chengshan1, LI Yunwei2 (1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China; 2. Department of Electrical and Computer Engineering, University

3、of Alberta, Edmonton, AB, T6G 2V4, Canada) ABSTRACT: As an important part of the future smart distribution system, microgrid can make a significant contribution to promote energy saving, emission reduction and achieve the sustainable energy development. Compared with AC microgrids, the DC microgrid

4、has been a promising solution for interfacing the solar/wind renewable energy sources based distributed generation systems, energy storage systems, electric vehicles and other DC loads, with less energy conversion stages. So the system can operate with improved energy conversion efficiency, economy

5、and reliability. In this paper, firstly, the latest research and development of technologies and platforms of DC microgrids from industry and academia was summarized. Secondly, the topology structure, optimal planning, operation control, protection and communication technology of DC microgrids were

6、described and analyzed. Finally, the future development and application of DC microgrids were described in AC/DC hybrid microgrids, hybrid distribution systems and energy internets. KEY WORDS: DC microgrid; energy internet; smart distribution system; operation and control 摘要 ：微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推

7、 进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流 微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可 再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负 荷。该文首先对国内外学术界和工业界在直流微电网领域的 相关技术和实验系统研究现状进行梳理；然后，从技术角度 基金项目 ：国家 863 高技术研究发展计划 (2015AA050104)；国家自 然科学基金项 目 (51507109)；天津市科技支撑计 划 重点资助项目 (14ZCZDGX00035)。 Supported by The National High Technology Research and Development

8、Program of China(863 Program)(2015AA050104); National Natural Science Foundation of China(51507109); Tianjin Municipal Science and Technology Commission(14ZCZDGX00035). 对直流微电网拓扑结构、优化规划、运行控制、保护及通信 等几个方面进行了分析归纳；最后从交直流混合微电网、交 直流混合配电网以及能源互联网等方面展望了直流微电 网 的发展和应用前景。 关键词 ：直流微电网；能源互联网；智能配电网；运行控制 0 引言 微电网技术代表

9、了未来分布式能源供应系统 发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部 分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重 要意义 1-2。国家能源局近期连续出台关于推进新 能源微电网示范项目建设的指导意见 3、配电 网建设改造行动计划 (2015 2020 年 )的通知 4等 文件，指出应积极发展新能源，大幅提升配电网接 纳新能源、分布式电源及多元负荷的能力，加快推 进新能源微电网示范工程建设，探索适应新能源发 展的微电网技术及运营管理体制。 微电网内光伏、风机、燃料电池、电池储能单 元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电； 常用电气设备，如个人电脑、手机、 LED 照明、变 空调和电动汽车等，

10、皆通过相应适配器变成直流电 驱动。上述发电单元或负荷如果接入交流微电网， 则需要通过相应 DC-DC、 DC-AC 和 AC-DC 等电 力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合 适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换 装置，减小成本、降低损耗。直流母线电压是衡量 系统内有功功率平衡的唯一标准，系统内不存在类 似交流系统里的频率稳定、无功功率等问题。直流 微电网还可通过双向 DC-AC 变流器与现有交流微 电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故 进展 。在国内目前这一领域已经有一批国家自然 “ 第 1 期 李霞林等：直流微电网关键技术研究综述 3 障，可保证直流系统内负荷的高可

11、靠供电 5-6。因此， 直流微电网系统的研究和发展受到了国内外工业 界和学术界的广泛关注。 目前国内外在直流微电网领域的相关技术研 究和实验系统、示范工程已逐步开展。相关技术研 究主要涉及直流微电网电力电子变流器及直流断 路器等关键装备、运行控制技术、保护和能量管理 系统等方面。电气领域内的国际主流杂志如 IEEE 电力电子 (power electronics)和智能电网 (smart grid) 相继于 2013 年和 2014 年出版 “ 智能直流配用电 / 微电网 ” 专刊 7-8， 2015 年 6 月 IEEE 在美国亚特兰 大组织召开了第一届直流微电网国际会议，介绍了 直流微电网

12、相关研究技术和工程实践的最新研究 9 科学基金项目 (如 “ 直流微电网的暂态特性分析及其 控制策略研究 (51207001)” 、 “ 直流微电网协调控制 及其稳定性研究 (51307140)” 、 “ 针对直流微电网的 分布式直流 DVR 系统研究 (51307117)” 、 面向高效 供电和多端相互支撑的交直流混联配电运行控制 研究 (51407177)” 、 “ 直流微电网分层分布式协同控 制及稳定性研究 (51507109)” 等 )获得立项支持。 在实验系统和示范工程方面， 2007 年美国弗 吉尼亚理工大学 CPES 中心提出了 “ sustainable building in

13、itiative(SBI)” 研究计划 10，主要为未来 住宅和楼宇提供电力。 2011 年美国北卡罗来纳大 学提出了 FREEDM 系统结构，以直流供电为基础 用于构建未来自动灵活的可再生能源传输和管理 网络 11。 2012 年，由德国、荷兰等国的高校和企 业联合开展一项为期 3 年的名为 “ DC Components 正式启动，项目主要围绕高密度分布式可再生能源 接入，重点攻克交直流混合微电网系统的网架配置 优化、稳定控制等理论与技术难点。 此外，近年来国内外众多高校、研究中心和企 业，如荷兰飞利浦电力电子研究中心 12、德国弗劳 恩霍夫研究所 12、丹麦奥尔堡大学 13、巴西米纳斯

14、吉拉斯州立大学 15、新加坡南洋理工大学 16、韩国 电工技术研究所 17、天津大学 18、浙江大学 19、华 北电力大学 13、中科院电工所 13、厦门大学 20 、 台湾国立中正大学 21等均已建成不同电压等级 (如 48V、 170V、 380V/400V 等 )、不同母线结构 (单母 线结构、双极结构、多母线结构等 )直流微电网实验 系统，并在稳定控制和保护、运行效率等方面开展 了相关研究。 国内外对直流微电网相关领域的研究和实践 已经取得了一些阶段性的成果 22-28，本文将结合最 新研究成果，对直流微电网拓扑结构、优化规划、 运行控制、保护和通信技术等内容进行全面分析和 总结。最后

15、，交直流混合微电网、交直流混合配电 网以及能源互联网等方面展望了直流微电网的发 展和应用前景。 1 直流微电网拓扑结构 图 1 示意了一种适用于未来智能家庭、商业楼 宇，以及工业园区的典型直流微电网结构，系统内 可包含光伏、风电等间歇性分布式电源，微型燃气 轮机和燃料电池等可控型分布式电源，电池储能、 飞轮或超级电容等储能单元以及本地交 /直流负荷。 若直流微电网可与外部交流电网互联，则可通过双 and Grid” (DCCG)的研究项目 12，旨在通过高效 向 DC-AC 变流器接入交流系统。 的半导体和电力电子技术，设计和发展基于 380V 直流配用电系统的高能效建筑。 2014 年，由丹

16、麦奥 尔堡大学、华北电力大学、中科院电工所、国家电 网公司联合开展的主题为智能直流微电网的中丹 可再生能源合作项目，旨在推动智能直流微电网技 在未来直流微电网中，为进一步提高直流系统 供电灵活性和可靠性，以适应不同电压等级分布式 电源、储能系统及负荷接入，可采用双极性三线制 结构。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供 直流母线 术在未来住宅和工业园区等方面的发展和应用 13。 在国内，一批国家科技部 “ 863 项目 ” 获得立项支 持，其中由深圳供电局承担的国家 863 项目 “ 基于 柔性直流的智能配电关键技术研究与应用 ” 于 2013 年正式启动，研究重点以直流固态变压器为核心的 交

17、流电网 分布式 电源 直流型 储能 交流型 储能 交流 负荷 柔性直流配电技术，以实现高低压直流配电网或微 电网间电压和功率的灵活控制和快速管理 14；由浙 江省电力公司承担的国家 863 项目 “ 高密度分布式 能源接入交直流混合微电网关键技术 ” 于 2015 年 直流 负荷 图 1 典型直流微电网系统结构图 Fig. 1 Typical configuration of a DC microgrid 储能 分布式 储能 本地 分布式 储能 本地 4 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 电系统主要如图 2 所示，其中直流系统与交流系统 互联端口采用两个相同容量的双向 DC-AC

18、变流器 (如图 2(a)所示 )，或者直流系统中两个储能单元通 DC-AC 过 DC-DC 变流器 (如图 2(b)所示 )，两者共用一极直 高压母线 直流 变压器 低压母线 流母线，实际上直流系统内部为两个独立供电回 路 29，可靠性较高，但需要两套全功率电力电子变 分布式 电源 储能 本地 负荷 分布式 电源 储能 本地 负荷 流装置，成本更高。 图 3 基于直流变压器的多电压等级直流微电网示意图 AC + 储能 DC + Fig. 3 DC transformer based DC microgrid DC N 单元 DC N with multiple DC voltage level

19、s AC 储能 DC 不断增大，为提高直流微电网供电可靠性、以及分 DC - 单元 DC - 布式电源及负荷接入灵活性和易扩展性，直流微电 (a) 基于两 DC-AC 变流器 (b) 基于两 DC-DC变流器 网可采用如图 4 所示多母线结构。 AC + AC + 电压平衡器 + N N DC - DC - - DC-AC DC-AC 储能 单元 DC DC (c) 基于分裂母线电容 + N - 储能 单元 + 电压平衡器 DC DC - (d) 基于电压平衡器 + N - 分布式 电源 储能 母线 1 本地 负荷 母线 i . . 分布式 本地 电源 负荷 图 2 直流系统双极性三线制供电结

20、构 Fig. 2 Bipolar-type DC system 图 2(c)中，通过在直流母线电容中点引出中线， 母线 2 电源 负荷 . 在正负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，如 果采用具有中点电位平衡功能的三电平中点箝位 式 DC-AC 变流器 (neutral point clamped converter， NPC)30，则可以保证直流正负母线电压平衡，但对 于常规两电平 DC-AC 或独立直流微电网来说，则 无法实现直流正负极母线电压对称。为解决上述问 题，直流微电网可通过如图 2(d)所示电压平衡器构 成双极三线制系统 31。电压平衡器的应用不受直流 微电网运 行模 式 (并网

21、 运行 或独立 运行 )的限制 ，可 以灵活地并入 DC-AC 或 DC-DC 变流器的输出端 口；同时直流微电网的直流母线电压控制 (如并网时 由 DC-AC 来控制，独立运行时由储能 DC-DC 来控 制 )和正 /负极电压平衡控制 (由电压平衡器来控制 ) 两者完全解耦，相比图 2(c)所示采用 NPC 拓扑的直 流微电网，控制更加灵活，可靠性更高。 另外一种能满足不同类型、容量和直流电压等 级的分布式电源、储能系统以及负荷等接入的直流 微电网结构如图 3 所示，其中包含两个直流电压等 级 (即如高压 380V 母线和低压 48V 母线 )，不同电 压等级直流母线通过基于高频隔离变压器和

22、电力 电子技术的直流变压器互联 32-33。 图 1 所示直流微电网 只含 有一条 公共 直流母 线，当该母线处发生故障时则会影响整个系统稳定 运行和供电可靠性。随着直流微电网容量和规模的 图 4 多母线直流微电网结构示意图 Fig. 4 DC microgrid with multiple buses 每段直流母线处，均可接入相应的分布式电 源、储能系统和本地负荷，亦可通过双向 DC-AC 变流器接入相应的交流电网，构成多端直流微电网 结构 (multi-terminal DC MG)5,34。当某一交流系统 出现故障或电能质量出现问题导致其中一台 DC-AC 退出运行时，或者某处直流母线发

23、生故障， 通过快速隔离故障区域，直流微电网还能保证其余 部分正常运行，可靠性更高。此外有学者提出对于 负荷供电可靠性要求较高的应用场合来说，直流系 统内部可采用环状结构 5,35，即在图 4 多母线结构中 不同直流母线之间可以有两条或两条以上电气连接 通道 (如图 4 中母线 i 和母线 j 相连，即可构成多端 环状结构 )，供电可靠性相对于辐射状结构较高。 随着直流微电网容量和规模的进一步扩大，受 地域因素、供用电主体及功能性差异等影响，在一 定供电区域内将可能形成多个直流微电网，构成 图 5 所示直流微电网群 36-38。多个直流微电网以集 群的形式互联和运行，各子微电网间通过群能量调 度

24、与群协调控制实现相互支撑控制。 对于如图 5 所示直流微电网群，高效可靠的互 联及相互支撑方式对其运行控制至关重要。按照传 统思路，采用联络开关 (如直流断路器等 )用于直流 直流微电网 . 直流微电网 . 第 1 期 李霞林等：直流微电网关键技术研究综述 5 #1 #2 直流微电网 #i #j 直流微电网 分分析预测的基础上，依据特定的系统优化运行目 标和约束条件，确定系统结构及设备配置 (包括分布 式电源、储能设备类型、容量和位置 )，尽可能实现 系统经济性、可靠性及环保性等量化指标的优 图 5 直流微电网群结构示意图 Fig. 5 DC microgrid clusters 微电网之间的

25、互联。优势是成本低，联络线开关损 耗小，但缺点也比较明 显： 1）联络开关只能用 于 连接相同电压等级的直流微电网； 2）联络线功率， 即互联直流微电网之间的传输功率不易灵活控制； 3）互联直流微电网之间无电气隔离，且相互影 响 较大，如某个直流微电网内发生大功率扰动 (如负荷 波动或分布式电源出力的波动等 )，将不可避免会影 响到其余互联微电网的可靠运行，若发生故障，即 使直流断路器能快速隔离，故障消除后也不利于系 统的快速恢复供电。因此，为实现多直流微电网之 间可靠互联、电气隔离及灵活支撑等功能，有学者 提出采用高频隔离双向 DC-DC 变流器 39，代替普 通联络开关，作为多直流微电网之

26、间的互联装置， 如图 6 所示。 化 40。因此，直流微电网优化配置是典型的优化问 题，包括优化变量、目标函数和约束条件三大要素。 在直流微电网优化配置中，规划设计问题与其 运行优化策略具有高度的耦合性，规划时必须充分 考虑运行优化方法的影响，因此优化变量除包括分 布式电源、储能设备类型、位置及容量参数外，微 电网运行策略及相关参数也可作为待决策的优化 变量。 优化目标大致可以分为经济性目标、可靠性目 标和环保性目标三类。经济性主要从投资成本、成 本效益、投资回收期等方面开展评估；可靠性评价 指标需要能够反映系统及其设备的运行状况，以及 对用户供电的影响；环保性主要从减排效益、污染 气体排放量

27、、化石燃料消耗量及可再生能源发电比 例等方面考虑。对于交直流互联的并网型直流微电 网来说，其优化配置问题还需考虑并网性能指标。 #1 直流微电网 高频隔离双向 DC-DC 变流器 #2 直流微电网 直流微电网通过双向 DC-AC 变流器与交流系统 (大 图 6 基于高频隔离双向 DC-DC 的两直流微电网互联结构 Fig. 6 Bi-directional HFI DC-DC Converter for interconnection of two DC microgrids 基于高频隔离双向 DC-DC 变流器互联： 1）高 频隔离变压器可使互联直流系统实现电气隔离，有 利于故障隔离，供电可

28、靠性提高； 2）通过选取 合 适的高频隔离变压器原副边变比，用于不同电压等 级的直流微电网互联； 3）能量能够双向流动， 控 制方式灵活。高频隔离双向 DC-DC 变流器的引入 将彻底改变直流微电网群的运行方式，避免普通联 络开关所带来的安全隐患，可极大提高直流微电网 群相互支撑控制的实时性与快速性。 本节从功能和应用角度对直流微电网拓扑结 构进行了综述。在实际的直流微电网拓扑结构设计 时，应综合考虑直流微电网规模、分布式电源和负 荷接入容量、功能需求、运行可靠性和建设成本等 因素。 2 直流微电网优化规划 直流微电网优化规划问题是微电网设计阶段 需要解决的核心问题，优化配置方案的优劣将直接

29、决定系统是否能安全、经济运行。优化规划目的是 在对本地负荷需求和可再生能源资源情况进行充 电网或交流微电网 )相连，交直流系统可进行电能交 互，以实现相互支撑。并网型直流微电网优化配置 时可采用自平衡率、交直流互联装置利用率等指标 来评价其并网性能。在优化配置时，可根据直流微 电网不同的优化需求，设定相应的评价指标，以全 面评估微电网性能。现阶段大量研究主要建立以经 济性指标为主的单目标优化规划数学模型，文献 41 以独立风光储系统等年值费用最低为目标，建立了 其容量优化配置模型。文献 42提出以包含负载缺 电率罚款的总成本为目标函数的风光储互补系统 容量优化方法。文献 43建立了令风光储混合

30、系统 总投资最小的优化规划模型。文献 44以系统总年 值费用最低为目标，建立了离网风光储系统的容量 优化模型。由于经济性单目标包含信息的有限性， 多目标优化已经成为当今的研究趋势。通过多目标 优化可以得到不同目标之间的定量定性关系，可为 优化决策提供重要的参考依据。文献 45针对风光 蓄系统，建立了以系统总成本和供电可靠性为目标 的优化数学模型，并考虑了系统孤岛运行时风光互 补特性和并网运行时入网功率波动对电网的影响。 文献 46以系统总能耗和失负荷概率最小为目标， 文献 47针对社区智能直流微网系统，提出了基于 多目标遗传算法的容量优化方法。该方法将常用的 次调节 多运行模式 流器 交 /直

31、流负荷 6 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 小时级数据精度提升至 10 秒级，并利用涵盖容量、 成本、可靠性等指标的技术经济评价方法来选择最 优的直流微电网系统配置方案。 直流微电网在优化规划时需要满足一定的约 束条件才能使配置的结构满足实际系统的技术可 行性和经济可行性。通常直流微电网优化配置问题 应综合考虑系统级运行约束条件、设备级运行约束 条件、系统规划约束条件及工程约束条件等因 素 40，其中 1）系统级运行约束条件包括可再生能 源利用率约束、功率平衡约束、交直流互联装置交 互功率及利用率约束、直流母线节点电压和直流线 路热稳定约束等； 2）设备级运行约束条件如风机、 光

32、伏输出功率约束、储能系统功率和荷电状态 (state of charge， SOC)约束、储能系统寿命特性因素等； 3）系统规划约束条件包括分布式电源装机容量 和 渗透率约束 、储能系统 容量约束等 ； 4）工程约 束 条件主要考虑建设区域是否适合配置风电、光伏、 柴发及储能的类型选择，建设区域气候环境条件对 直流微电网设备绝缘、备用容量、设备选型、运行 性能及建设成本等因素。此外，由于微电网风、光 出力和负荷数据具有不确定性和随机性，确定性优 求用户，具有综合能源网特征的直流微电网的规划 设计问题仍需要进一步深化和探讨 48-49。 3 直流微电网运行控制 如何对直流微电网内交直流接口双向

33、DC-AC 变流器、不同类型分布式发电单元、储能系统、直 流负荷等进行协调控制，保证系统高效、安全和经 济运行，是目前直流微电网稳定运行控制研究关注 的重点 50-52。本节将首先对直流微电网典型运行控 制控制目标进行分析，然后详细介绍基于无互联通 信的运行控制技术和基于互联通信的分层运行控 制体系。 3.1 直流微电网运行控制目标分析 本节将以图 1 所示典型直流微电网为例来分析 其主要运行控制目标。直流微电网通常具有并网运 行和独立运行两种正常运行模式。不管直流微电网 处于何种运行模式，其运行控制通常包含设备级控 制和系统级控制两个层次，如图 7 所示，具体介绍 如下。 直流微电网 能量管

34、理与最优运行 系统级控制 化方法中采用历史年数据，但是实际运行情况与历 史数据必然存在一定偏差，在这种情况下可采用随 功率 /能量 分配 直流母线电压二 切换 机场景技术和多状态建模技术来处理微电网优化 直流母线 交直流互联 交直流负荷 配置问题中的不确定性。单纯依靠源 储确保系统安 全运行的经济性较差，通过需求侧响应引导用户用 设备级控制 电压控制 功率控制 电压控制 最大功率跟踪 恒功率 /电流充 (MPPT) 放电控制 电行为，成为大规模分布式电源并网系统安全运行 的有效方式。因此，在微电网优化配置问题中考虑 直流微电网 物理层 双向 DC-AC 变 分布式电源 储能单元 需求侧响应，有

35、助于提高发电效率、降低发电成本。 在优化配置问题的优化目标和约束条件基础 上，通常可采用解析法、智能算法进行优化求解。 解析法首先对优化配置问题进行规范建模，依据所 建立的不同优化规划数学模型，采取线性 /非线性规 划、混合整数线性 /非线性规划等方法直接对最优解 进行求解。解析法对目标函数和约束条件的要求比 较苛刻，且随着所求解问题的复杂程度和计算规模 增加，计算量和求解难度加大。智能优化算法通常 不依赖于具体的应用问题，建模方式相对宽松，能 够方便处理信息的不确定性，这类算法包括遗传算 法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。 目前针对直流微电网规划设计的研究虽然已 有很多，但仍有一些关键问题

36、需要进一步研究解 决。例如：直流微电网网架结构对分布式电源、储 能系统 优化配 置的 影响； 针对冷 /热 /电综合 能量 需 图 7 直流微电网运行控制目标 Fig. 7 Control targets of DC microgrids 1）设备级控制。 设备级控制主要是指直流微电网物理层主要 设备如双向 DC-AC 变流器、交、直流负荷、分布 式电源及储能单元等，基于本地信息完成自身的一 些基本控制目标。该层的主要控制目标是维持直流 母线电压稳定，实现系统功率平衡，保证直流微电 网稳定运行。针对不同的直流微电网物理层设备， 相应的设备级控制主要有直流母线电压控制、交直 流互联功率控制、交直

37、流负荷电压控制、最大功率 跟踪以及恒功率 /电流充放电控制等。 从维持系统功率平衡和稳定运行的角度看，直 流母线电压控制直流微电网设备级控制中最基本 的控制模式：直流微电网并网运行时，通常通过双 向 DC-AC 变流器实施直流母线电压控制，维持直 第 1 期 李霞林等：直流微电网关键技术研究综述 7 流微电网内的功率平衡；直流微电网独立运行时， 可通过可控型分布式电源或能量型储能单元及其 电力电子变流器控制直流母线电压。 2）系统级控制。 直流微电网系统级控制的主要目的是对系统 进行集中管理和能量优化，提升整体运行效率和可 靠性，实现最优运行。能量管理和最优运行是系统 级控制的基本功能，而功率

38、 /能量分配、直流母线电 压二次调节及多运行模式切换等功能模块是实现 该基本功能的重要组成部分。 从系统最优运行角度看，如何实现系统中各单 元输出功率 /能量合理分配是直流微电网系统级控 制中的关键目标之一：微电网并网运行时，如何确 定交直流互联传输功率参考值；微电网独立运行 时，如何对系统中分布式电源和负荷进行管理，以 保证系统 中的 主控制 单元 (如储能 单元 )运行在 安全 区域内；如何对参与直流母线电压控制的功率输出 单元进行合理的功率和能量分配等。 综上所述，设备级控制和系统级控制构成了直 流微电网的基本运行控制体系。下边将从基于无互 联通信和基于无互联通信的运行控制技术两个方 面

39、来介绍如何实现设备级和系统级控制的基本目 标和控制功能。 3.2 基于无互联通信的直流微电网运行控制技术 直流母线电压作为反映直流微电网系统功率 平衡的唯一指标，可以由作为直流微电网和交流微 电网接口的双向 DC-AC 变流器来进行控制，也可 以由直流微电网内的分布式电源、储能单元及其相 应的变流器来进行调节。 对于如图 1 所示的典 型直 流微电 网结 构，文 献 53-59 提 出 基 于 直 流 母 线 电 压 信 号 (DC bus signaling， DBS)来进行直流微电网协调控制和能量 管理，基本控制思路如图 7 所示 60，系统中 DC-AC 双向变流器、储能系统、分布式电源

40、及可控负荷等， 通过检测直流微电网母线电压的变化量，来决定各 自运行和控制模式，并保证任一时刻系统中均至少 有一个端口变流器采用功率 电压 (P-Udc)下垂特性 控制直流母线电压以确保系统内的功率平衡。从 图 8 可知，根据直流母线电压的变化以及作为直流 微电网功率平衡单元的微源类型，直流微电网存在 4 种运行模式： DC-AC 变流器控制模式、储能单元 控制模式、分布式发电单元控制模式以及切负荷控 制模式。直流微电网不同运行模式下，系统中任一 单元根据公共直流母线电压信号平滑切换其接口 变流器控制模式。在该控制模式下，直流微电网中 各单元独立工作，无需相互通信，具备即插即用功 能，从而简化

41、了控制系统的复杂程度，提高了控制 的实时性。 从上述分析，基于图 8 所示的控制策略可以实 现直流微电网多运行模式平滑切换以及实现基本 的功率和能量分配，但图 7 所示系统级控制中的大 部分目标均无法通过基于 DBS 的直流微电网协调 控制方法来实现：直流母线电压随运行点变化而变 化，储能单元缺乏有效管理，无法实现储能单元的 最优充放电控制，更无法实现直流微电网全局的最 优经济运行。 3.3 基于互联通信的直流微电网分层运行控制 体系 如图 8 所示的基于 DBS 的无互联通信的直流 微电网运行控制技术一般适用于简单直流微电网 的协调控制，但对图 4 所示含多母线和线路阻抗的 复杂直流微电网的

42、稳定运行控制来说仍具有一定 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 Udc Udc Udc Udc3_H Udc Udc3_H 模式 c 分布式电源 模式 b-1 储能单元 模式 a DC-AC 变流器 Udc1_H Udc1_L 正常运行 Udc2_H Udc1_H 正常运行 Udc1_L Udc2_H Udc1_H Udc1_L 正常运行 MPPT Udc2_H Udc1_H Udc1_L 正常 运行 模式 b-2 储能单元 Udc2_L Udc2_L Udc2_L 模式 d 切负荷 Udc4_L 切负荷 Pg_min Pg_max P

43、Pes_min Pes_max P P P DC-AC 控制 直流母线电压 储能单元控制直 流母线电压 分布式电源 控制直 流母线电压 切负荷 图 8 基于直流母线电压信号的直流微电网协调控制 Fig. 8 DC bus voltage control in different modes 时间尺度U1/P1 U2/P2 8 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 网能量管理系统简单导致无法实现系统经济运行 等。为此，国内外学者们将如图 9 所示的分层控制 下垂 控制 主控制 单元 1 下垂 控制 主控制 单元 2 体系引入到直流微电网的控制中，在不同时间尺度 P1 P2 上分别实现设备

44、级控制 (对应第 1 层控制 )和系统级 线路 阻抗 线路 阻抗 控制 (对应第 2 和第 3 层控制 )策略，完成电气量控 Pload Pres 制、电能质量调节以及经济运行控制，旨在实现直 流微电网控制系统的标准化、可扩展性以及提高直 流微电网整体运行性能 61-64。 本地 负荷 (a) 系统结构图 分布式 电源 系 统 级 控 制 第三层控制 第二层控制 功率 /能量 分配 直流微电网 能量管理系统 直流母线电 系统运行模 压二次调节 式切换 Ui U0 U1_a/U2_b B A 设备级 第一层控制 控制 直流母线电压控制 : 主从控制模式和对等控制模式 (1) 图 9 直流微电网分

45、层控制结构 Fig. 9 Hierarchical structure for DC microgrids 0 P2b (2) P1a 3.3.1 第 1 层控制 在图 2 所示直流微电网分层控制结构中，第 1 层控制主要实现图 7 所示设备级控制策略，其中以 直流母线电压控制为核心，根据直流母线电压控制 策略不同，该层可分为主从控制和对等控制。在主 从控制策略中，直流微电网内通常只有 1 个单元 (直 流微电网并网运行时通常为 DC-AC 双向变流器， 独立运行时则为可控型分布式电源或能量型储能 系统 )来控制直流母线电压。若该单元出现故障，直 流微电网将失去功率平衡单元，有可能导致直流母

46、线电压失控和系统崩溃，因此主从控制策略可靠性 较差，比较适合简单直流微电网应用。 为提高复杂直流微电网母线电压控制系统的 运行可控型，直流微电网可采用对等控制策略。在 该控制方式中，系统中存在多个参与直流母线电压 控制的单元或设备，这些单元均称为主控制单元， 在控制功能上具有对等的地位，具备即插即用特性 的下垂控制是实现对等控制策略的一种有效方 式 62-64。以图 10(a)所示结构为例，两分布式电源均 采用直流母线电压 输出功率 (Udc-P)下垂控制方式 (通常如图 10 中所示下垂控制包含双环，其中外环 为下垂环节，内环为电 压 /电流双环控制回路 )。 如 图 10(b)所示曲线 (1)和 (2)分别为主控制单元 1 和主 控制单元 2 下垂控制特性曲线，每个主控制单元均 只通过各自注入直流母线功率和输出端口直流电 压等本地信息进行直流母线电压控制，共同应对直 流微电网内负荷变化和其余分布式电源输出功率 波动，即使系统中某个主控制单元由于故障而退出 运行，直流微电网依