基于下垂控制的直流微電網初級控制存在穩態母線電壓偏差和電流難以準確分配的缺點，傳統采用集中式或分布式的二次控制策略雖然可以實現直流微電網母線電壓恢復和電流均分，但并沒有考慮各分布式發電單元的發電成本。

 

為提高直流微電網的穩定性和運行效率，基于分布式一致理論，鄭州大學電氣工程學院的研究人員李忠文、程志平 等，在2021年第21期《電工技術學報》上撰文，設計了分布式平均母線電壓恢復控制算法和分布式最優負荷分配算法，并基于上述算法設計了直流微電網新型分布式二次控制策略。該控制策略可以在二次控制層同時實現母線電壓恢復和經濟調度，從而提高微電網的運行效率。另外，該控制策略完全分布式實施具有更好的靈活性、魯棒性和可擴展性。

 

隨著能源需求的增長和對環保問題的重視，可再生能源的開發利用得到越來越多的關注。微電網技術的發展可以提高可再生能源在電網的滲透率，促進傳統電網的現代化和智能化。近年來，直流型負荷（電動汽車、電子設備等）和直流分布式電源（光伏電站、儲能系統等）的數量在電網中日益增加。

 

與交流微電網相比，直流微電網可以更靈活和高效地接入上述直流負荷和電源，而不需要AC-DC、DC-AC轉換模塊。另外，直流微電網不存在交流微電網中的頻率和無功調節問題。因此，直流微電網技術得到了日益廣泛的研究和關注。與傳統電網類似，直流微電網通常也采用分層控制結構。

 

直流微電網分布式分層控制結構如圖1所示，分層控制結構通常包括初級控制、二次控制和三次控制（圖中未畫出），并且從下層到上層時間尺度依次增加。初級控制通常采用下垂控制策略，并通過控制各電源的輸出電壓和電流，實現負荷在各電源間的初級分配。二次控制通常負責微電網系統級的穩定控制，如通過集中式或分布式的方式實現微電網母線電壓的恢復控制。三次控制通常負責管理微電網的優化運行，如經濟調度。

 

 

圖1 直流微電網分布式分層控制結構

 

對于直流微電網中的可控分布式電源（Distributed Generator, DG），通常采用電壓-功率下垂控制策略。下垂控制策略可以提高微電網的電壓穩定性，并降低并聯運行DG間的環流。然而，下垂控制是一種有差控制，存在穩態電壓偏差。另外，由于受線路阻抗影響，很難實現功率的準確分配。因此，需要二次控制策略以恢復母線電壓并改善功率分配。

 

直流微電網二次控制可以采用集中式控制策略或分布式控制策略。對于集中式控制策略，通常需要中央控制器處理所有相關的通信和控制任務。因此，集中式控制策略擴展性差，并容易受單點故障影響。分布式控制策略可以將復雜的計算和控制任務分解，并在各分布式控制器中并行處理。因此，分布式控制策略具有靈活性、可擴展性和不易受單點故障影響的優點。

 

關于直流微電網分布式控制，近年來已有諸多成果。然而，相關控制策略均以實現母線電壓恢復或負荷的比例分配為目標，沒有考慮各電源的發電成本。

 

針對直流微電網經濟調度問題，近年來提出了一些分布式經濟調度策略。有學者基于有限步一致性算法設計了交直流混合微電網分布式經濟調度策略。然而，該控制策略沒有考慮交直流混合微電網的電壓、頻率二次調節。有學者提出一種直流微電網分布式分層控制策略：在其三次控制層，通過分布式一致算法調整下垂控制的虛擬阻抗以實現經濟調度；在二次控制層，通過分布式一致算法生成下垂控制的電壓補償量以實現電壓恢復。然而，三次優化調度層的時間尺度大于二次電壓恢復控制層，無法在同一小時間尺度下對微電網進行控制與優化，從而無法進一步提高直流電網運行效率。此外，虛擬阻抗的大范圍實時調整給系統的電壓穩定控制帶來挑戰。

 

鄭州大學電氣工程學院的研究人員設計了分布式二次控制策略，以同時實現直流微電網的母線電壓恢復和經濟調度，從而提高微電網的穩定性和運行效率。該二次控制策略旨在控制直流微電網中的可控分布式電源，例如燃料電池、超級電容、微型燃氣輪機、柴油發電機等。

 

但是，直流微電網中的光伏、風力發電等新能源發電單元是不可控電源，通常運行在最大功率點跟蹤模式，以按照其最大出力發電。當新能源發電及負荷波動引起系統功率不平衡時，需要調整可控電源的出力來維持系統功率平衡。雖然通過初級下垂控制可以調整可控電源的出力以維持系統功率平衡，然而，下垂控制沒有考慮可控電源的發電成本，無法實現經濟調度。微電網中隨機性新能源發電比例高，且新能源發電量和負荷在大時間尺度下的預測誤差較大。

 

 

圖2 分布式二次控制原理

 

盡管，可以像傳統電力系統那樣，在三次控制（大時間尺度）實現微電網的經濟調度。但是，大時間尺度下的預測誤差會降低經濟調度的性能。另外，微電網中具有大量的電力電子接口微電源，其系統慣性比傳統電力系統小，需要在更小時間尺度下實現經濟調度。因此，研究人員在二次控制層考慮了各可控電源的發電成本，通過可控電源在小時間尺度下的經濟調度，降低直流微電網系統運行成本。

 

研究人員指出，該控制策略不需要中央控制器，只需要為微電網中可控分布式電源分配一個智能體。各智能體利用本地信息并與有限的相鄰智能體通信即可實現控制任務，從而提高了系統的靈活性、可擴展性以及應對單點故障的魯棒性。仿真結果驗證了該控制策略在負荷波動、智能體故障、電源切換情景下均具有良好的控制性能。

 

本文編自2021年第21期《電工技術學報》，論文標題為“考慮經濟調度及電壓恢復的直流微電網分布式二次控制”，作者為李忠文、程志平 等。