電壓分層控制的直流微電網及儲能擴容單元功率協調控制研究

安徽南瑞繼遠電網技術有限公司 趙先浩 丁雨生 汪 新

電力電子技術的日益成熟及分布式電源、儲能和直流充電樁、直流家用電器、5G 基站、數據中心等直流負荷的廣泛應用，推動了直流微電網的快速發展，直流微電網由分布式電源、儲能單元、負荷單元、多功能集成變換器等構成，實現了混合儲能與新能源發電的有機結合，具備供電可靠性高、線路損耗小、清潔環保等優勢。但在直流微電網運行期間，在負荷的頻繁波動下，其發電性能易受到影響，因此需要配置儲能單元來抑制系統功率波動。

1 直流微電網構成及運行機制

本文基于孤島運行工況對直流微電網運行情況進行分析，光伏發電系統為直流微電網內部唯一的分布式電源，通過Boost 電路與直流微電網連接。直流微電網負載包括直流與交流兩種類型，分別通過DC-DC 電路與DC-AC 電路與系統連接?？紤]到直流微電網運行期間，其負荷功率變化波動較大，光伏發電出力控制難度也相對較大，因此需要配備對應的儲能裝置，避免出現系統失穩等情況。儲能系統通過Boost-Buck 電路與直流母線連通，在控制系統能量的同時保證直流微電網可在孤島運行工況下穩定運行[1]。

2 電壓分層控制下的功率協調控制

首先，在直流母線電壓信號的基礎上做好分層控制。如圖1所示，需要將直流微電網中的母線電壓額定值Vn設置在600V，允許其波動最大值和最小數值控制在±5%，而VL2和VH2將分別設置為570V和630V，確保其對應的儲能目前正處于最大充電和放電功率的臨界值[2]。

圖1 直流微電網電壓分層控制示意圖

按照直流母線的具體電壓范圍，將其設定為各個單元的運行模式，而Udc_pv、Udc_bat再加上Udc_L作為光伏變換器輸出、儲能變換器輸出以及負載側直流電壓，結合圖2所呈現的數據信息，在對電壓分層控制下直流微電網的日常運轉工作模式和邊界展開調查和分析，發現在第一種運行模式下，直流母線的電壓總體變化范圍始終控制在VH1＜Udc≤VH2，所以當光伏單元始終在電壓下垂模式下運行的過程中，儲能單元會在最大充電模式下保持持續運行。

第二種運行模式下，直流母線的電壓實際變化范圍逐漸轉變成VN＜Udc≤VH1，這時的光伏單元始終在MPPT 工作模式下長期運行，按照Iref=I＊+ΔIi對充電電流實施動態化調整，從而有效維持直流母線的電壓能夠始終保持平穩狀態。

第三種運行模式下，直流母線電壓的變化范圍呈現為VL1＜Udc≤VN，同第二種運行模式相似，其光伏單元同樣運行于MPPT 的模式下，而儲能單元則是采用放電下垂的方式來進行控制管理。

第四個運行模式下，直流母線電壓的范圍主要表現為VL2＜Udc≤VL1。

第五個運行模式下，其轉變為Udc≤VL2，由此可見，不同的運行模式，會導致直流母線電壓維持范圍總體空間不變，但是數值始終保持下滑的發展趨勢。為了預防和避免出現系統電壓崩潰的情況，需要對負載的基本運行模式，以自定義優先級的方式，逐漸切除掉一切非重要性的負荷，使其能夠持續保持健康、高效運轉。

最后，探討電壓分層控制邊界的靈敏性。在直流微電網的正常運轉期間，受光伏單元所處環境以及日照強度等變化影響，其自身的輸出功率會出現明顯的上下起伏，再加上儲能單元會隨著使用頻率以及時間的消耗和推移，從而逐漸出現老化現象，從而導致最大的充放電功率明顯降低[3]。結合運行模式一至模式五來看，其所對應的負載邊界出現明顯的變化，靈敏性也隨之發生波動。因為VH1＞VN＞VL1＞VL2，所以當光伏單元和儲能單元的最大輸出與充放電功率發生變動時，模式一中的臨界阻值也同樣會產生更大的變化，從而導致其負載功率邊界所需要承受的影響也相對最大。

3 基于電壓分層控制的直流微電網及儲能擴容單元功率協調控制策略

3.1 直流微電網系統級功率流動分析

3.2 基于SOC 分級的直流微電網協調控制策略

上文對孤島工況下的直流微電網四個模塊之間的能量流動關系進行分析，強調了電容模塊在其中的運行效用。對于蓄電池組來說，可通過下垂控制方式對充電及放電行為進行控制，通過蓄電池組實現儲能功能，有效儲存大量能量，不僅有利于提高新能源利用效率，還可進一步提升系統運行穩定性。值得注意的是，即便蓄電池組作為儲能模塊出現故障進行檢修，也可保持較長時間的平抑功能。而且根據蓄電池設定情況來看，只有在SOC 越限狀態才會停止運行，有效避免了健康運行區間的充放電行為，并進一步減少相應的充放電次數。

除SOC 越限狀態外，蓄電池可始終保持并聯充放電狀態。然而考慮到直流微電網分布式電源的負荷用電需求在不同時間段下存在一定差異，因此蓄電池工作狀態可根據分布式電源運行需求進行調節，因此除特殊情況并不需要，全體蓄電池共同運行?；赟OC 分級對直流微電網與儲能擴容單元的協調控制進行分析還可有效減少蓄電池充放電次數，避免對其使用壽命造成影響。根據上述控制目標，結合SOC 對整個直流微電網系統的運行模式進行劃分，同時進一步對系統功率冗余性與儲能單元靈活控制的考量。

3.2.1 蓄電池剩余電量（SOC）分級

通常情況下，可將儲能單元蓄電池組運行狀態分為健康運行、過度充電以及過度放電，并將這三種情況作為三種基礎SOC 區間，在此基礎上還可以進一步根據電量劃分，即高電量、中電量與低電量。在直流微電網運行過程，一旦出現微電網功率不足的情況，儲能單元就可根據功率缺額量級優先投高電量單元，若高電量電池功率不足，再進一步投入中電量電池與低電量蓄電池；若出現微網功率過多的情況，則會根據功率缺額量級優先投入低電量單元，若不能滿足功率吸收需求，還會通過中電量電池與高電量蓄電池共同進行充電，從而最大限度上發揮出單體蓄電池的充放電效能，一方面可有效減少充放電總次數，另一方面還可以減少成本投入，提高系統整體運行效率。

3.2.2 基于SOC 分級的直流微電網運行模式劃分

表1 基于儲能單元SOC 分級的模式劃分

結合表1的模式劃分情況來看，對蓄電池電量區間進行細致劃分有利于實現對直流微電網儲能單元的精確調度，促進直流微電網運行效率的提升。然而在實際運行過程中，儲能單元運行易受到SOC 測量精度、實時通信限制等因素的影響，在短時間內出現相對頻繁的啟?，F象，一定程度上影響到直流微電網的穩定運行。針對這樣的情況，可基于蓄電池實時SOC 進行劃分，將高電量區間設置為70%～90%、中電量區間設置為50%～70%、低電量區間設置為30%～50%。

結合表1信息，以模式1與模式2為例，若實施這兩種劃分模式，需要對ΔPLP以及Pmax-c0的大小關系進行判斷，而系統功率實時波動的出現會對ΔPLP的準確性造成影響，通過蓄電池SOC 值可確定其最終區間，同時有效消除其運行過程中的不利因素，實現直流微電網與儲能單元的協調運行。

4 結語

綜上所述，本文對孤島工況下的直流微電網運行情況展開研究，通過進行蓄電池SOC 分級實現電壓分層控制，保證多儲能單元的協調運行。在下垂控制策略的作用下，儲能單元間的放電功率與充電功率可有效實現自適應控制，并達到儲能模塊柔性擴容的目的。在完成模塊劃分的基礎上，進一步對該方法的可行性與有效性進行驗證分析，從而真正意義上發揮儲能擴容單元對電壓分層控制的積極影響。