近年來，直流微電網(wǎng)的研究和發(fā)展獲得國內(nèi)外眾多知名高校、大型企業(yè)、相關研究機構的廣泛關注。
以高校為例，日本東京工業(yè)大學、大阪大學等在2004年提出了一種雙極結構的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結構。
2007年美國弗吉尼亞理工大學CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究計劃，主要為未來住宅和樓宇提供電力。
自2008年以來，歐盟開展一項名為UNIFLEX (Universal and Flexible Power Management)的研究項目，研究通過新型功率變換技術適應未來有大量分布式電源接入的歐洲電網(wǎng)的功率流動管理。
2011年美國北卡羅來納大學提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系統(tǒng)結構，以直流供電為基礎用于構建未來自動靈活的可再生能源傳輸和管理網(wǎng)絡。在中國，直流微電網(wǎng)的研究剛剛起步。
由深圳供電局承擔的國家863項目“基于柔性直流的智能配電關鍵技術研究與應用”于2013年正式啟動，目前研究重點集中在以直流微電網(wǎng)為核心的低壓直流配電網(wǎng)方面。
由浙江省電力公司承擔的國家863項目“高密度分布式能源接入交直流混合微電網(wǎng)關鍵技術”于2015年正式啟動，項目主要圍繞高密度分布式可再生能源接入，重點攻克交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)架配置優(yōu)化、穩(wěn)定控制等理論與技術難點。
完善的穩(wěn)定控制策略是直流微電網(wǎng)在復雜運行條件下安全穩(wěn)定運行的重要保障，同時也是上層(即能量管理和優(yōu)化調(diào)度層)各種運行優(yōu)化策略的唯一實施途徑。本文結合未來直流微電網(wǎng)發(fā)展趨勢，對直流微電網(wǎng)母線電壓控制、多源協(xié)調(diào)控制、運行模式切換及穩(wěn)定性問題等直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制關鍵技術進行了全面分析和總結。
1直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨的關鍵問題
1.1直流微電網(wǎng)拓撲結構
圖1為適用于未來智能家庭、商業(yè)樓宇，以及工業(yè)園區(qū)的直流微電網(wǎng)結構示意圖，圖中分布式電源、儲能單元及負荷均通過相應DC-DC或DC-AC變流器接入直流母線，部分直流負荷可直接接入相應電壓等級直流母線，若直流微電網(wǎng)可與大電網(wǎng)互聯(lián)，則通常通過雙向DC-AC變流器接入交流電網(wǎng)。隨著直流微電網(wǎng)容量和規(guī)模的不斷增大，受地域因素、供用電主體及功能性差異等影響，一定區(qū)域內(nèi)將可能形成多個直流微電網(wǎng)。為了能進一步提高系統(tǒng)供電可靠性和可再生能源發(fā)電能效，多個鄰近微電網(wǎng)將可能形成多微電網(wǎng)系統(tǒng)，構成直流微電網(wǎng)群。多個直流微電網(wǎng)以集群的形式互聯(lián)和運行，各子微電網(wǎng)間通過群能量調(diào)度與群協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)相互支撐控制。
1.2直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨的關鍵問題
針對圖1，未來復雜直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制將主要面臨如下挑戰(zhàn)：
1)母線電壓控制問題。直流微電網(wǎng)內(nèi)大量分散式的可再生能源發(fā)電單元、負荷等具有明顯的隨機波動性，這類波動功率尤其是短時功率沖擊將可能對直流母線電壓造成沖擊，若不采取合適的控制措施極易導致整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。
2)多源協(xié)調(diào)控制問題。隨著直流微電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，為保證系統(tǒng)的可靠性，直流微電網(wǎng)內(nèi)多個DC-AC雙向變流器、分布式儲能單元、可控型分布式電源，甚至風、光等分布式隨機間歇性電源，均有可能作為主電源主動參與直流母線電壓調(diào)節(jié)，如何實現(xiàn)多源高可靠性和經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制將是直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究的難點。
3)多運行模式切換問題。通常直流微電網(wǎng)有3種工作模式：①聯(lián)網(wǎng)運行模式：即交流電網(wǎng)正常情況下，由交直流雙向變流器控制直流母線電壓恒定;②聯(lián)網(wǎng)限流模式：當交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)之間的交換功率超過交直流雙向變流器的最大功率，或交流電網(wǎng)發(fā)生故障導致交流母線電壓跌落，從而使雙向變流器輸出功率受限時，系統(tǒng)進入聯(lián)網(wǎng)限流模式;③獨立運行模式：直流系統(tǒng)徹底斷開與交流電網(wǎng)的連接，由直流系統(tǒng)內(nèi)分布式電源或儲能單元控制直流母線電壓。如何利用較少的信息和低帶寬通信，實現(xiàn)直流系統(tǒng)直流母線電壓控制模式的平滑切換，是研究的重點。
4)穩(wěn)定性問題。用戶側大量分布式接入的可再生能源發(fā)電單元、電動汽車等負荷，均通過DC-DC等變流器接入直流微電網(wǎng)，具有明顯的恒功率負荷特性，且構成了多變流器接入環(huán)境，其隨機性波動功率不僅會給直流母線電壓帶來沖擊，還極易誘發(fā)系統(tǒng)諧振，影響直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性。
以下將從上述4個方面對直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究現(xiàn)狀進行綜述。
2直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究現(xiàn)狀
2.1母線電壓控制
依據(jù)直流母線電壓穩(wěn)定控制方式不同，直流微電網(wǎng)可分為主從控制模式和對等控制模式。在主從控制模式下，直流微電網(wǎng)內(nèi)通常只有一個單元來控制直流母線電壓，見圖2(a)。直流微電網(wǎng)主從控制模式中控制直流母線電壓的單元稱為主控制單元，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性完全依賴于該控制單元，該單元一旦出現(xiàn)故障，將有可能導致直流系統(tǒng)崩潰，因此主從控制模式可靠性較差。
通常主從控制結構更適用于簡單直流微電網(wǎng)，為解決復雜直流微電網(wǎng)母線電壓控制中對單一主控制單元的依賴，可以采用基于下垂和對等控制方式的多主控制單元結構，見圖2(b)。這些參與直流母線電壓控制的單元均稱為主控制單元，在控制上具有對等的地位，通常選擇P - Udc下垂控制方法來實現(xiàn)對等控制策略。每個主控制單元均只依賴于自身的輸出功率和本地直流電壓等信息進行控制，共同承擔直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源輸出功率波動或負荷擾動。與主從控制模式相比，在對等控制模式中采用下垂控制的交直流變流器接口或分布式電源可以自動參與輸出功率的分配，易于即插即用。
以上從直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制層面分析了主從控制和對等控制2種直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略。不管采用何種控制策略，直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源輸出功率波動或負荷的擾動均由直流母線電壓控制單元來平衡。在系統(tǒng)遭遇大擾動沖擊下，有可能導致直流母線電壓過壓或欠壓保護動作，因此對直流母線電壓控制單元來說，具備強魯棒性和抗擾能力的直流母線電壓控制策略對于直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行及直流負載供電質量的保證十分關鍵。為提高抗擾能力和動態(tài)響應，基于擾動電流或功率前饋的直流母線電壓/電流雙環(huán)控制方法得到廣泛應用。為消除基于公共直流母線的光/儲直流微電網(wǎng)內(nèi)暫態(tài)下直流母線電壓沖擊和波動，文獻[14-15]提出基于穩(wěn)態(tài)功率平衡和動態(tài)一階微分環(huán)節(jié)相結合的前饋補償方法。當主電源變流器采用電流或功率擾動前饋控制進行直流母線電壓控制時，如果需要通過額外的電流傳感器實時獲取系統(tǒng)中的擾動功率信息，則不利于直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源或負荷的擴展和即插即用。如何快速跟蹤直流側各分布式電源的輸出功率突變等沖擊或擾動信息，成為直流母線電壓控制的關鍵。為解決上述問題，文獻[10-11]提出基于現(xiàn)今值狀態(tài)觀測器的測量方法來設計最小拍觀測器，對擾動電流進行虛擬測量。但上述觀測方法基于純微分操作，對高頻干擾信號敏感。文獻[16]設計出一種非線性干擾觀測器，能夠利用本地直流母線電壓及主電源變流器瞬時輸出功率信息，實現(xiàn)對直流母線上功率擾動的快速跟蹤，在此基礎上采用前饋控制能夠同時提高直流母線電壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和動態(tài)響應。
直流微電網(wǎng)母線電壓控制是直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的基礎，在對等控制模式下，上述文獻所提出的抑制直流母線電壓沖擊的控制方法是否仍然有效，均未進行深入研究和探討。
2.2直流微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制
圖2(b)所示直流微電網(wǎng)，盡管采用對等和下垂控制方式，仍將面臨如下主要問題，下面以圖3所示簡單直流微電網(wǎng)為例進行分析和說明。
圖3(a)所示為簡單的兩機并聯(lián)帶負荷運行示意圖，兩分布式電源均采用電壓—功率下垂控制方式;
圖3(b)所示為兩分布式電源的下垂控制特性曲線，設定下垂曲線①和②分別為變流器1和變流器2下垂控制特性曲線，即兩變流器理論上應該按照這兩條曲線設定的方式共同承擔直流微電網(wǎng)內(nèi)負荷消耗。如果在不考慮線路阻抗因素影響的情況下，兩變流器輸出的最終穩(wěn)態(tài)運行點分別為A點和B點，滿足P1a+P2b=Po，且直流母線電壓(兩變流器輸出電壓與負荷側直流母線電壓均相同)穩(wěn)定在U 1a=U 2b。如果考慮線路阻抗因素，則兩變流器的實際運行特性曲線有可能分別變化為③和④，在負荷功率消耗不變的情況下，兩變流器輸出的最終穩(wěn)態(tài)運行點分別偏移至C點和D點。
綜上分析可知：
①由于下垂特性，直流系統(tǒng)內(nèi)母線電壓隨系統(tǒng)內(nèi)運行狀態(tài)變化而變化，會對直流系統(tǒng)內(nèi)的負荷供電電能質量造成一定的影響，如果考慮線路阻抗因素，直流母線電壓穩(wěn)態(tài)偏差更大;
②本應按照理想的下垂設定曲線進行功率分配，但實際中如果考慮線路阻抗因素影響，各單元輸出功率分配會受到影響，嚴重情況下會導致某些單元輸出重載或過載，威脅系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
為解決上述問題，國內(nèi)外學者們引入適用于直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略。不失一般性，本文將用圖4～圖6所示的直流微電網(wǎng)示意圖來說明和分析問題，直流微電網(wǎng)中主控制單元(如交直流接口DC-AC雙向變流器、儲能單元或可控型分布式電源等)簡化成多個分布式電源變流器，其余部分簡化成本地負荷，直流微電網(wǎng)中包含多段直流母線，且通過線路阻抗相連。目前，對于直流微電網(wǎng)的多源協(xié)調(diào)控制策略的研究主要可以分為以下3類。
2.2.1 集中通信控制
在直流微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制中包含一個微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)，檢測直流母線電壓以及參與直流母線電壓調(diào)節(jié)的各單元輸出功率，然后進行相應的電壓恢復和均流控制，通過集中的低帶寬通信網(wǎng)絡與參與下垂控制的各分布式電源或交直流接口變流器的直流母線電壓控制系統(tǒng)進行通信，調(diào)整其下垂曲線設定點等控制參數(shù)，來實現(xiàn)相應控制目的，見圖4。這種控制手段的最大缺陷就是如果直流微電網(wǎng)二次集中控制器出現(xiàn)故障，直流微電網(wǎng)將無法實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制功能。
2.2.2 集中通信與分布式控制
為解決集中式二次控制所帶來的問題，Josep等人提出圖5所示的集中通信與分布式控制的協(xié)調(diào)控制策略。該方法中，進行二次協(xié)調(diào)的控制器嵌入至各單元的本地控制系統(tǒng)當中，而不是由圖4所示的集中控制器來進行控制。各分布式電源控制系統(tǒng)從低帶寬通信網(wǎng)絡接收到的信息不再類似由集中控制器下發(fā)的控制調(diào)整參考指令，而是直流微電網(wǎng)內(nèi)其余各分布式電源出口電壓、輸出功率等信息。雖然協(xié)調(diào)控制同樣依賴于全局通信，但協(xié)調(diào)控制算法在分布式電源或儲能單元的本地控制系統(tǒng)當中執(zhí)行，因此相比于集中控制系統(tǒng)結構，該方法的可靠性將得到提高。
上述研究中提出的協(xié)調(diào)控制策略，每個參與直流母線電壓控制的分布式電源的二次控制系統(tǒng)均需要接收到直流微電網(wǎng)內(nèi)其余各分布式電源的輸出電壓、電流信息，即需要全局通信。即在直流微電網(wǎng)第二層控制中，每個分布式電源變流器的二次控制器均需要從其他變流器控制系統(tǒng)中獲取相關數(shù)據(jù)信息，以便進行相關二次控制算法，為一次直流母線電壓控制系統(tǒng)提供參考量。該方法對通信網(wǎng)絡的可靠性要求較高，且隨著直流微電網(wǎng)規(guī)模增大，通信網(wǎng)絡的壓力也會增加，可能會影響二次協(xié)調(diào)控制性能。
2.2.3 分布式協(xié)同控制
分布式協(xié)同控制(distributed coordination control)，是指自主控制單元憑借自身或者鄰近單元信息，更新自身狀態(tài)，從而共同完成更為復雜的任務。受此啟發(fā)，文獻[23-25]進行了基于分布式協(xié)同控制框架的直流微電網(wǎng)電壓恢復和均流控制策略研究，每個分布式電源均只與鄰近節(jié)點通信，其基本控制框架見圖6。上述文獻提出基于動態(tài)一致性算法(distributed consensus algorithms)，其思想是每個節(jié)點均只與鄰近節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，然后基于這些信息進行分布式協(xié)同控制，最后實現(xiàn)全局趨近控制目標。
分布式協(xié)同控制已經(jīng)成為控制理論方面一個重要的研究領域，且已應用到許多領域，如群集、聚集、蜂擁、編隊控制、分布式傳感網(wǎng)絡、通信網(wǎng)絡的用塞控制、無人駕駛航空器的協(xié)同控制及姿態(tài)協(xié)調(diào)等。在未來復雜直流電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制中，分布式協(xié)同控制策略不僅具有重要的科學價值和學術意義，也具有一定的實際推廣和應用前景。分布式協(xié)同控制在直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中的研究才剛剛起步，還有很多問題需要進行深入研究和探討，從目前出版的文獻和報道來看，國內(nèi)尚未開展相關方面的研究。因此，亟需深入研究能適用于未來直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行控制需求的分布式協(xié)同控制理論體系。
2.3直流微電網(wǎng)運行模式切換
上述分析中指出直流微電網(wǎng)存在多種運行模式：聯(lián)網(wǎng)運行、限流運行以及獨立運行。如何實現(xiàn)多種運行模式平滑切換，也是直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究的重點之一。
目前，直流微電網(wǎng)多運行模式切換主要可采用集中式控制和分布式控制2種策略。其中，在集中式控制結構中，直流微電網(wǎng)通過中央控制器，依靠高速通信實時收集底層各設備運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)并實時下發(fā)相應控制指令或運行模式切換控制指令。這種控制結構對中央控制器和集中通信的要求較高，一旦二者中某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會導致直流微電網(wǎng)無法實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，嚴重時將導致系統(tǒng)崩潰，因此該控制結構會降低直流微電網(wǎng)的供電可靠性和系統(tǒng)可擴展性。
分布式控制結構中通常無需依靠設備之間的通信，只需要利用本地的信息就能實現(xiàn)設備的自我控制和自我管理。直流母線電壓作為反映直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡的唯一指標，常被作為系統(tǒng)的公共信號來實現(xiàn)直流微電網(wǎng)內(nèi)不同單元之間的輸出功率協(xié)調(diào)控制。上述文獻均提出以直流母線電壓為控制信號的直流微電網(wǎng)能量管理和協(xié)調(diào)策略，主要思想是通過檢測直流微電網(wǎng)母線電壓的變化量來決定系統(tǒng)中各接口變流器的工作模式(見圖7)，無需相互通信，使直流微電網(wǎng)具備“即插即用”功能。
上述文獻中提出的基于公共直流母線電壓變化信號的直流微電網(wǎng)運行模式切換控制方法，各單元控制系統(tǒng)需要在功率控制模式和電壓控制模式之間進行切換，往往需要增加參考補償才能保證控制系統(tǒng)和運行狀態(tài)平滑切換;而且由于預先設置好下垂控制曲線，無法實時動態(tài)調(diào)整多個功率平衡單元(尤其是儲能單元)之間的功率合理分配。
2.4直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問題
直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題一直是關注的重點。近年來，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)從不同方面對直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性課題展開了深入的研究。直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題主要可以分為以下2類。
1)由變流器負載(即恒功率負荷)與弱阻尼LC濾波器之間級聯(lián)所引起的高頻振蕩。
直流微電網(wǎng)中，大量分布式接入的可再生能源發(fā)電單元、電動汽車等負荷，為了提高其輸出功率或充放電功率控制靈活性及滿足不同直流電壓等級需求，一般通過變流器接入，具有明顯的恒功率負荷特性，且構成了多變流器接入環(huán)境。為保證負載變換器穩(wěn)定工作，同時減少電磁干擾噪聲，通常在負載變換器的前級都會加入輸入濾波器，其基本結構見圖8。恒功率負荷表現(xiàn)出負阻抗特性，會減小系統(tǒng)阻尼，當系統(tǒng)中恒功率負荷變化時，其與弱阻尼LC濾波器之間相互影響，容易引起諧振。文獻[37]研究指出直流微電網(wǎng)中多電力電子變流器環(huán)境以及恒功率負荷呈現(xiàn)的負阻抗特性易降低系統(tǒng)阻尼，誘發(fā)系統(tǒng)諧振，且諧振頻率會隨著負荷或分布式電源的接入容量、位置或數(shù)量的變化而發(fā)生變化，會給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來不利影響，對系統(tǒng)的諧振抑制和阻尼控制等是一大挑戰(zhàn)。
2)由下垂控制參數(shù)選擇不當引發(fā)的低頻振蕩。
上述研究討論的均是由恒功率負荷及弱阻尼LC濾波環(huán)節(jié)之間相互影響引起的高頻振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象。為提高系統(tǒng)供電可靠性和滿足分布式電源、儲能或交直流系統(tǒng)接口變流器的即插即用要求，直流配電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)正常運行時通常采用基于下垂控制方式的直流母線電壓控制策略。
文獻[38-39]對基于下垂控制方法的直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問題進行了深入研究。文獻[38]忽略直流母線電壓控制及直流母線電容的動態(tài)響應，對系統(tǒng)內(nèi)恒功率負荷建模進行化簡，基于節(jié)點電壓方程建模方法，建立了用于分析下垂控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的直流微電網(wǎng)降階數(shù)學模型，分析了線路阻抗參數(shù)、下垂控制參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關系，在此基礎上得出了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件，有利于對直流微電網(wǎng)下垂控制參數(shù)選擇進行指導，理論分析和實驗結果表明本文所提出的簡化建模方法能夠有效分析由下垂控制參數(shù)選擇不當引發(fā)的低頻振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象。
文獻[39]針對圖9所示的包含下垂控制直流電源、恒功率負荷、線性負荷、MPPT控制的分布式電源，以及基于公共直流母線的直流微電網(wǎng)，建立了忽略直流母線電壓環(huán)動態(tài)響應的二階簡化電路模型?；谠撃Ｐ?，詳細分析了在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，下垂控制參數(shù)、直流母線電容、線性負荷及恒功率負荷的充要關系，有利于指導直流微電網(wǎng)運行。
在直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問題研究中，大部分學者主要關注恒功率負荷引起的穩(wěn)定性問題，對于由多變流器環(huán)境導致的直流微電網(wǎng)失穩(wěn)機理和諧振抑制措施尚缺乏深入研究。
3直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究展望
3.1直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究展望
3.1.1 電壓平衡器的應用
在未來直流微電網(wǎng)中，為進一步提高直流供電系統(tǒng)利用率和供電靈活性，以適應不同電壓等級分布式電源、儲能及負荷接入，可采用雙極性三線制供電結構。根據(jù)中線的出線形式不同，雙極性三線制供電系統(tǒng)主要有圖10(a)、圖10(b)2種。圖10(a)中，直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)互聯(lián)端口采用2個相同容量的雙向DC-AC變流器[見圖a)]，或者直流系統(tǒng)中2個儲能單元通過DC-DC變流器[見圖b)]，二者共一極直流母線，直流系統(tǒng)內(nèi)部形成2個獨立供電回路，該結構主要用于HVDC(高壓直流輸電)系統(tǒng)中，用于提高輸電系統(tǒng)可靠性;圖10(b)中，通過直流母線電壓平衡器或直流母線電容中點引出中線，該結構常用于LVDC(低壓直流供電)系統(tǒng)中。
在圖10所示三線制直流微電網(wǎng)結構中，基于電壓平衡器的拓撲優(yōu)勢更明顯：
①圖10(a)所示結構本質上為2個相互獨立的直流供電回路，從理論上說可靠性最高，但需要2套變流器，成本更高;
②直接從電容中線引出直流中線，在正負極間分布式電源或負荷不平衡的情況下，則無法保證直流正負母線電壓平衡，而采用電壓平衡器后則能有效解決該問題。
在未來含電壓平衡器的雙極三線制直流微電網(wǎng)結構中，直流母線電壓控制與電壓平衡器之間的協(xié)調(diào)控制和相互影響將是值得研究的方向之一。
3.1.2 隔離型雙向DC-DC變流器的應用
對于圖1所示復雜直流微電網(wǎng)(或多直流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)群)，如何進行互聯(lián)及相互支撐控制將是決定其是否能高效可靠運行的關鍵因素之一。按傳統(tǒng)思路，通?？梢圆捎寐?lián)絡開關(如直流斷路器等)用于直流微電網(wǎng)之間的互聯(lián)，優(yōu)勢是成本低、聯(lián)絡線開關損耗小。為實現(xiàn)多直流微電網(wǎng)之間可靠互聯(lián)、電氣隔離及靈活支撐等功能，可采用隔離型雙向全橋DC-DC變流器(DAB)代替普通聯(lián)絡開關，作為多直流微電網(wǎng)之間的互聯(lián)裝置，見圖11(a)。一類典型隔離型雙向DC-DC變流器拓撲結構見圖11(b)，該隔離型雙向DC-DC變流器的優(yōu)點是：①高頻變壓器一方面通過電氣隔離使系統(tǒng)獲得更高的可靠性，另一方面取代了傳統(tǒng)的工頻變壓器，降低了系統(tǒng)的尺寸和重量，提高了功率密度;②高頻隔離變壓器一/二次變比根據(jù)互聯(lián)直流微電網(wǎng)電壓等級可靈活選擇;③能量能夠雙向流動，控制方式靈活。DAB的引入將徹底改變直流微電網(wǎng)群的供電方式，避免普通聯(lián)絡開關所帶來的安全隱患，可極大提高直流微電網(wǎng)群相互支撐控制的實時性與快速性。
在未來含隔離型雙向DC-DC變流器的復雜直流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)群結構中，多直流微電網(wǎng)互聯(lián)及相互支撐控制將是值得研究的方向之一。
3.2天津大學智能直流配用電實驗平臺
3.2.1 實驗平臺描述
為構建未來更為安全、高效的智能直流微電網(wǎng)提供理論和技術支撐，天津大學已建成圖12所示智能直流配用電實驗平臺，該平臺可滿足驗證直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術、交直流相互支撐、能量管理、電能質量綜合治理技術、故障快速保護技術及其他各種高級應用的需要。
圖12所示的智能直流配用電實驗平臺主要特點如下：
1)該系統(tǒng)為多端環(huán)狀結構，直流配用電系統(tǒng)通過兩端雙向DC-AC變流器與交流電網(wǎng)互聯(lián)，交/直流系統(tǒng)之間允許存在能量雙向流動以相互支撐;
2)每個交直流接口雙向DC-AC變流器經(jīng)電壓平衡器后接入雙極三線制直流配用電系統(tǒng)，直流母線電壓等級正負極間電壓為400V;
3)系統(tǒng)中共含有6段直流母線，母線2與母線3，母線5和母線6之間均通過隔離型雙向DC-DC變流器作為互聯(lián)裝置，從而實現(xiàn)環(huán)狀直流微電網(wǎng)柔性互聯(lián)，其余母線均通過模擬線路相連;
4)每段直流母線均含有5個分布式電源或負荷接入點，可根據(jù)實際需求靈活選擇分布式電源或負荷等的接入位置，當前直流微電網(wǎng)內(nèi)含有模擬光伏和模擬儲能，均由直流源模擬電源進行模擬，模擬電源和負荷均通過相應DC-DC變流器接入直流微電網(wǎng)內(nèi)。
圖13所示為智能直流微電網(wǎng)實驗平臺的硬件組成部分，包括相應直流母線、線路、模擬電源及相應分布式電源變流器等裝置?；谠撈脚_，可對直流微電網(wǎng)母線電壓控制、多源協(xié)調(diào)控制、多運行模式切換及直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問題、電壓平衡及多直流微電網(wǎng)相互支撐控制等關鍵技術進行驗證，可對電壓平衡器、隔離型雙向DC-DC變流器、交直流雙向DC-AC變流器等直流微電網(wǎng)關鍵裝置進行功能測試。
3.2.2 相關實驗驗證
1)直流母線電壓控制。
直流微電網(wǎng)為直流負荷供電，模擬光伏出力保持在2.5kW左右，暫態(tài)情況為模擬電池儲能系統(tǒng)通過DC-DC電路從待機模式切換為35A放電控制，由雙向DC-AC變流器控制直流母線電壓，分別采用常規(guī)控制和基于非線性干擾觀測器的直流母線電壓控制，實驗波形見圖14(a)、圖14(b)。
常規(guī)控制方式下，模擬儲能單元從待機切換至30A放電控制，使直流母線電壓沖擊至787V左右，極易造成直流微電網(wǎng)過壓保護動作，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行，且恢復至750V額定參考值的時間大約為0.2s。在采用基于非線性干擾觀測器的直流母線電壓控制后，直流母線電壓波動最大值降低至755V，減少了32V，且調(diào)節(jié)時間縮短至30ms左右。
2)多源協(xié)調(diào)控制。
直流微電網(wǎng)內(nèi)2臺交直流雙向DC-AC均采用基于下垂控制方式的直流母線電壓控制策略，暫態(tài)情況為直流模擬電源通過DC-DC變流器從輸出800W突變至200W放電。圖15(a)所示為DC-DC輸出為800W時的穩(wěn)態(tài)波形，從圖中可以看出2臺DC-AC變流器均流效果良好。圖15
(b)所示為DC-DC輸出800W突變至200W時的暫態(tài)波形，從圖中可以看出2臺DC-AC變流器在暫態(tài)過程中的均流效果和直流母線電壓控制效果良好。圖15所示實驗結果表明下垂控制策略在直流微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制中具有良好的應用前景。
3)電壓平衡器應用。
直流微電網(wǎng)內(nèi)正負極間接入不平衡負荷，若不投入電壓平衡器，直流母線正—零極和負—零極電壓將可能出現(xiàn)嚴重不平衡，見圖16。
在t0時刻電壓平衡器投入工作，從圖中可以明顯看到，直流微電網(wǎng)正—零極和負—零極間的電壓能夠迅速實現(xiàn)平衡，有效提高三線制直流微電網(wǎng)的供電電能質量。圖16所示實驗結果表明電壓平衡器在雙極三線制直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制中具有良好的應用前景。
4結語
本文全面分析了直流微電網(wǎng)母線電壓控制、多源協(xié)調(diào)控制、運行模式切換及穩(wěn)定性問題等直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制關鍵技術的研究現(xiàn)狀與不足;對電壓平衡器及隔離型雙向DC-DC變流器等電力電子裝置在未來直流微電網(wǎng)中應用和控制進行了展望;最后介紹了天津大學智能直流配用電實驗平臺，基于該平臺對相關直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術進行了實驗驗證。本文期望能夠對未來直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行控制關鍵技術的發(fā)展提供思路和借鑒。
原標題:【干貨】直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制關鍵技術研究
