学习笔记1 直流微电网概述

前言

  本部分内容来源于各种论文及网上资料，经整理后仅作为个人学习之用，方便自己日后查阅，不做其它用途，在此感谢各位作者付出的大量辛勤劳作，站在巨人的肩膀上使自己也能有所进步。

1. 直流微电网简介

1.1 微电网概念及分类

  微电网将分布式能源、储能装置、保护装置、负载等结合在一起构成一个小型电网，作为一个独立的整体，它既可以与大电网联网运行，也可以在电网故障或者按照需求主动与大电网断开孤岛运行。国内外研究的微电网主要分为3种：
  （1）直流微电网、
  （2）交流微电网、
  （3）交直流混合微电网。

1.2 直流微电网的优点

  与交流微电网相比，直流微电网具有以下优点：
  （1）从输电网层面来讲，直流输电网不存在交流输电网固有的稳定性问题，且当输送相同功率时，直流输电线路造价低；另外，直流输电还具有网络损耗小、对通信干扰小等优点。
  （2）从配电网层面来讲，未来配电网中的负载对直流电源的需求将占相当大的比重，例如电动汽车、大量的信息设备（如计算机与微处理器、通讯系统设备、智能终端、传感器与传感器网络等）都将需要直流电源。
  （3）从源的角度讲，太阳能光伏发电将得到最为普遍的应用，而光伏发电产生的电力为直流。同时，分布式电网中的储能装置因其直接输出直流电，也需要运行在直流模式下。因此，构建以直流为主导运行模式的电网是更合理的。
  （4）从控制角度讲，直流母线电压是唯一可以衡量直流微电网系统内功率平衡的指标，只要通过控制直流母线电压即可实现直流微电网的稳定运行，增强了可控性。

2. 常见的直流微电网拓扑结构

2.1 单母线直流微电网

  （1）直流微电网单母线拓扑结构，即光伏发电、风电等分布式电源，蓄电池、超级电容等储能单元，各类交流负荷和直流负荷均迪过各的电力电子变换器与一条公共直流母线相连，它们共同构成了一个典型直流微电网结构。直流微电网亦可通过一个双向换流器与交流系统相连。这种结构保护和控制配合相对容易，但当直流母线处发生故障便会影响整个系统的供电可靠性和稳定运行。

2.2 多母线直流微电网

  随着直流微电网规模和容量的继续扩大，对其供电可靠性、灵活性和易扩展性提出了更高要求，因此又出现了多母线直流微电网结构。储能设备、分布式电源、交直流本地负荷，可按照各自需求经不同变换器接入相应的直流母线，亦可通过双向变换器接入交流电网，进而构成多端直流微电网系统。这种结构不仅能够对不同电压等级负荷供电，而且能够实现故障隔离。当某处交流系统发生故障，直流微电网其余部分仍能带负荷运行，大大提高了可靠性。

2.3 环形直流微电网

  环型直流微电网结构，即由直流母线将各变换器成环形连接起来。在环形拓扑结构中，各链路需经智能电子开关互联，这种结构的主要优点是增强了系统的灵活性及供电可靠性。由于连接到直流母线上的负载有两条路径向其供电，因此当直流母线某处发生故障时，通过操作智能电子开关可以有效隔离故障线路，令潮流不经过故障处而通过其他备用路径传输。缺点是故障识别和保护控制配合相对困难。

2.4 直流微电网群

  一定区域内不同供电主体的多个直流微电网可进一步扩大形成直流微电网群。每两个相邻的直流微电网节点互为备用。当内部功率过剩可向相邻节点注入功率；势内部有功率缺额，可吸收相邻节点提供的功率。各个节点之间可通过能量管理调度和控制直流母线电压差来实现。

3. 直流微电网关键技术

  （1）直流微电网的拓扑结构
  （2）微源及负载模型的建立
  （3）电能质量和稳定性分析
  （4）故障和暂态过程分析
  （5）节能经济效益
  （6）直流微电网优化设计、运行控制、保护技术
  （7）直流微电网的协调控制、
  （8）并联变换器均流技术等

4. 直流微电网设备级控制和系统级控制

  直流微电网有并网运行和孤岛运行两种运行模式，其控制包含底层变换器的设备级控制和上层能量管理的系统级控制两个层次。

4.1 直流微电网设备级控制

  设备级控制 ：设备级控制是指对直流微电网物理层的变换器基于控制信息所完成的基本控制目标。设备级控制策略主要有：
  （1）直流母线电压控制
  （2）交直流互联功率控制
  （3）交直流负载电压控制
  （4）最大功率跟踪
  （5）电压-功率下垂控制
  （6）恒功率/电流充放电控制等。

4.2 直流微电网系统级控制

  系统级控制 ：直流微电网系统级控制的主要目的是为上层电网提供接口，实现网内微源及负载的集中管理，提升直流微电网运行效率和可靠性，实现目标最优运行。能量管理和最优运行是系统级控制的主要控制目标，而成本优化控制、直流母线电压二次调节及多运行模式平滑切换等功能模块是实现该控制目标的重要组成部分。从直流微电网最优运行控制角度看，如何实现各发电单元输出功率的合理分配是直流微电网系统级运行控制中的关键目标之一：微电网并网运行时，如何设置直流微电网与上级电网的互联传输功率；微电网独立运行时，如何对分布式电源、储能及负载进行管理，以确保直流微电网中的主控制单元(如储能装置)能够控制母线电压的稳定；如何协调发电单元的功率和能量分配等。

5. 直流微电网协调控制策略

  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。根据该控制目标，目前已有的直流微电网的控制策略主要分为以下几种：
  （1）有互联通信的集中控制策略
  （2）数据中心（data center）控制策略
  （3）多代理控制策略
  （4）分级控制策略
  （5）无互联通信直流母线电压控制策略等。

5.1 集中控制策略

  集中控制策略通过一个中央控制器和一个通信网络将直流微电网中的微源和负载连接起来，通过综合负载需求、发电单元工作状态、分布式电源功率预估等源数据，按照不同的优化目标和约束条件作出决策，实时实现对系统内微源的调度，控制各变换器的工作状态，平衡直流微电网的功率潮流，或基于相邻单元之间的通信，通过网络层采用优化算法控制各发电单元的出力。集中控制策略分为2层，其中能量管理子系统具有根据用户需求提供人机界面设置、根据系统中的源数据对运行控制系统中的分布式电源输出功率进行预测、接收来自智能电网的信息提供微电网调度接口、运行层完成对底层变换器的运行控制等功能。该控制策略适用于结构复杂、容量较大的直流微电网，不同结构的直流微电网，能量管理系统的算法也不尽相同，且严重依赖高速通信设备，延时和故障会降低系统可靠性。

5.2 数据中心（data center）控制策略

  中小容量的直流微电网中通常通过增加一个数据中心（Data Center）来协调各个微源之间的出力，这种控制策略首先对负载的优先级进行划分，使用传统发电装置（如柴油发电机、储能装置）来保证高优先级负载的可靠运行，弥补了再生能源发电的不确定性和不稳定性所带来的负载供电质量降低的缺点。数据中心根据分布式电源的输出功率、储能装置剩余容量、及离并网状态等信息，控制优先级不同的开关状态，对敏感负载提供高可靠性的电能，并能实现直流微电网的经济运行。该策略的优点是能够提高敏感负载的供电可靠性，且易于实现功率的最优控制。但该策略依赖于微处理器及通信协议，一旦微处理器及通信协议出现故障，整个直流微电网必将瘫痪。

5.3 多代理控制策略

  集中控制策略采用“自上而下”的思路，设计者必须将所有的控制流程写进程序，一旦某个事件被遗漏，它将不按预期响应，更严重的是如果微电网增加或移除一个设备，整个程序就必须重新设计。为解决该问题，有学者提出一种基于Multi-Agent “自下而上”的能量管理策略，如图所示。直流微电网中所有微源均有一个代理（Agent），控制本地微源的运行。每个代理之间、代理与数据管理中心之间都可以通过通信网络交流彼此信息，数据管理中心可以获得来自代理的“上报”信息，同时可以传递控制信息给代理。这种基于Multi-Agent的微电网控制结构可以通过每一个代理实现对应微源的自主控制，但是它同样依赖高速的数据处理及通信线路。

5.4 分级控制策略

  分级控制作为提高微电网可靠性的控制策略被提出，该策略从系统级的角度出发，在不同的时间尺度将整个微电网分为 3层，变换器主控层、母线电压第二级控制层和功率调度第三级控制层，完成设备层的电气控制、电能质量调节及直流微电网的经济运行。控制框图如图 1-5。第三层控制为上层电网提供功率调度接口，接收上级直流电网的功率指令，该功率指令值与本地输出功率经过 PI 控制器产生电压指令U*dc ，实现功率调度；第二层控制为电能质量调节层，当直流微电网需要并入上级直流电网时，需提升下垂控制所引起的母线电压跌落，通过采集上级电网的母线电压 UdcH与本地电压 Udc经过 PI 控制器，跟踪上级电网电压；第一层控制为主控层，采用电压-电流下垂控制策略，根据下垂系数 Rd1和 Rd2实现本地负荷之间的均流。该控制策略中，下垂控制中所有的微源工作在同一个电压等级下，不能实现再生能源优先供电的经济模式。

5.5 无互联通信直流母线电压控制策略

  为了实现再生能源的优先利用，并兼顾直流微电网的响应速度和可靠性，有学者提出了直流母线电压信号（DC Bus Signaling, DBS）控制策略，如图所示，直流微电网中既包含可再生能源又包含非可再生能源，可再生能源输出功率曲线为PS1，非可再生能源输出功率曲线为PS2。当负载功率为PL1时，直流微电网工作在A点，由可再生能源为负载提供功率；当负载功率为PL2时，直流微电网工作在B点，由非可再生能源为负载提供功率。该控制策略不依赖于任何通信信息，仅以母线电压Udc作为调度信号，通过设定各微源接口变换器的阈值电压（图中的Udc1和Udc2）实现微电网的优化控制，在直流微电网中得到了广泛应用。

参考文献

  （1）直流微电网协调控制及其稳定性研究-支娜；
  （2）基于优化下垂的直流微电网多源协调控制策略-郭佳。