电压分层控制的直流微电网及储能扩容单元功率协调控制研究

安徽南瑞继远电网技术有限公司 赵先浩 丁雨生 汪 新

电力电子技术的日益成熟及分布式电源、储能和直流充电桩、直流家用电器、5G 基站、数据中心等直流负荷的广泛应用，推动了直流微电网的快速发展，直流微电网由分布式电源、储能单元、负荷单元、多功能集成变换器等构成，实现了混合储能与新能源发电的有机结合，具备供电可靠性高、线路损耗小、清洁环保等优势。但在直流微电网运行期间，在负荷的频繁波动下，其发电性能易受到影响，因此需要配置储能单元来抑制系统功率波动。

1 直流微电网构成及运行机制

本文基于孤岛运行工况对直流微电网运行情况进行分析，光伏发电系统为直流微电网内部唯一的分布式电源，通过Boost 电路与直流微电网连接。直流微电网负载包括直流与交流两种类型，分别通过DC-DC 电路与DC-AC 电路与系统连接。考虑到直流微电网运行期间，其负荷功率变化波动较大，光伏发电出力控制难度也相对较大，因此需要配备对应的储能装置，避免出现系统失稳等情况。储能系统通过Boost-Buck 电路与直流母线连通，在控制系统能量的同时保证直流微电网可在孤岛运行工况下稳定运行[1]。

2 电压分层控制下的功率协调控制

首先，在直流母线电压信号的基础上做好分层控制。如图1所示，需要将直流微电网中的母线电压额定值Vn设置在600V，允许其波动最大值和最小数值控制在±5%，而VL2和VH2将分别设置为570V和630V，确保其对应的储能目前正处于最大充电和放电功率的临界值[2]。

图1 直流微电网电压分层控制示意图

按照直流母线的具体电压范围，将其设定为各个单元的运行模式，而Udc_pv、Udc_bat再加上Udc_L作为光伏变换器输出、储能变换器输出以及负载侧直流电压，结合图2所呈现的数据信息，在对电压分层控制下直流微电网的日常运转工作模式和边界展开调查和分析，发现在第一种运行模式下，直流母线的电压总体变化范围始终控制在VH1＜Udc≤VH2，所以当光伏单元始终在电压下垂模式下运行的过程中，储能单元会在最大充电模式下保持持续运行。

第二种运行模式下，直流母线的电压实际变化范围逐渐转变成VN＜Udc≤VH1，这时的光伏单元始终在MPPT 工作模式下长期运行，按照Iref=I＊+ΔIi对充电电流实施动态化调整，从而有效维持直流母线的电压能够始终保持平稳状态。

第三种运行模式下，直流母线电压的变化范围呈现为VL1＜Udc≤VN，同第二种运行模式相似，其光伏单元同样运行于MPPT 的模式下，而储能单元则是采用放电下垂的方式来进行控制管理。

第四个运行模式下，直流母线电压的范围主要表现为VL2＜Udc≤VL1。

第五个运行模式下，其转变为Udc≤VL2，由此可见，不同的运行模式，会导致直流母线电压维持范围总体空间不变，但是数值始终保持下滑的发展趋势。为了预防和避免出现系统电压崩溃的情况，需要对负载的基本运行模式，以自定义优先级的方式，逐渐切除掉一切非重要性的负荷，使其能够持续保持健康、高效运转。

最后，探讨电压分层控制边界的灵敏性。在直流微电网的正常运转期间，受光伏单元所处环境以及日照强度等变化影响，其自身的输出功率会出现明显的上下起伏，再加上储能单元会随着使用频率以及时间的消耗和推移，从而逐渐出现老化现象，从而导致最大的充放电功率明显降低[3]。结合运行模式一至模式五来看，其所对应的负载边界出现明显的变化，灵敏性也随之发生波动。因为VH1＞VN＞VL1＞VL2，所以当光伏单元和储能单元的最大输出与充放电功率发生变动时，模式一中的临界阻值也同样会产生更大的变化，从而导致其负载功率边界所需要承受的影响也相对最大。

3 基于电压分层控制的直流微电网及储能扩容单元功率协调控制策略

3.1 直流微电网系统级功率流动分析

3.2 基于SOC 分级的直流微电网协调控制策略

上文对孤岛工况下的直流微电网四个模块之间的能量流动关系进行分析，强调了电容模块在其中的运行效用。对于蓄电池组来说，可通过下垂控制方式对充电及放电行为进行控制，通过蓄电池组实现储能功能，有效储存大量能量，不仅有利于提高新能源利用效率，还可进一步提升系统运行稳定性。值得注意的是，即便蓄电池组作为储能模块出现故障进行检修，也可保持较长时间的平抑功能。而且根据蓄电池设定情况来看，只有在SOC 越限状态才会停止运行，有效避免了健康运行区间的充放电行为，并进一步减少相应的充放电次数。

除SOC 越限状态外，蓄电池可始终保持并联充放电状态。然而考虑到直流微电网分布式电源的负荷用电需求在不同时间段下存在一定差异，因此蓄电池工作状态可根据分布式电源运行需求进行调节，因此除特殊情况并不需要，全体蓄电池共同运行。基于SOC 分级对直流微电网与储能扩容单元的协调控制进行分析还可有效减少蓄电池充放电次数，避免对其使用寿命造成影响。根据上述控制目标，结合SOC 对整个直流微电网系统的运行模式进行划分，同时进一步对系统功率冗余性与储能单元灵活控制的考量。

3.2.1 蓄电池剩余电量（SOC）分级

通常情况下，可将储能单元蓄电池组运行状态分为健康运行、过度充电以及过度放电，并将这三种情况作为三种基础SOC 区间，在此基础上还可以进一步根据电量划分，即高电量、中电量与低电量。在直流微电网运行过程，一旦出现微电网功率不足的情况，储能单元就可根据功率缺额量级优先投高电量单元，若高电量电池功率不足，再进一步投入中电量电池与低电量蓄电池；若出现微网功率过多的情况，则会根据功率缺额量级优先投入低电量单元，若不能满足功率吸收需求，还会通过中电量电池与高电量蓄电池共同进行充电，从而最大限度上发挥出单体蓄电池的充放电效能，一方面可有效减少充放电总次数，另一方面还可以减少成本投入，提高系统整体运行效率。

3.2.2 基于SOC 分级的直流微电网运行模式划分

表1 基于储能单元SOC 分级的模式划分

结合表1的模式划分情况来看，对蓄电池电量区间进行细致划分有利于实现对直流微电网储能单元的精确调度，促进直流微电网运行效率的提升。然而在实际运行过程中，储能单元运行易受到SOC 测量精度、实时通信限制等因素的影响，在短时间内出现相对频繁的启停现象，一定程度上影响到直流微电网的稳定运行。针对这样的情况，可基于蓄电池实时SOC 进行划分，将高电量区间设置为70%～90%、中电量区间设置为50%～70%、低电量区间设置为30%～50%。

结合表1信息，以模式1与模式2为例，若实施这两种划分模式，需要对ΔPLP以及Pmax-c0的大小关系进行判断，而系统功率实时波动的出现会对ΔPLP的准确性造成影响，通过蓄电池SOC 值可确定其最终区间，同时有效消除其运行过程中的不利因素，实现直流微电网与储能单元的协调运行。

4 结语

综上所述，本文对孤岛工况下的直流微电网运行情况展开研究，通过进行蓄电池SOC 分级实现电压分层控制，保证多储能单元的协调运行。在下垂控制策略的作用下，储能单元间的放电功率与充电功率可有效实现自适应控制，并达到储能模块柔性扩容的目的。在完成模块划分的基础上，进一步对该方法的可行性与有效性进行验证分析，从而真正意义上发挥储能扩容单元对电压分层控制的积极影响。