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带能量中心（储能系统）的环形直流微电网的电压协同控制
——IEEE会员Shivraman Mudaliyar *，IEEE高级会员Sukumar Mishra
摘 要
本文提出了一种监控控制方案，用以减少带有储能系统的环形直流微电网中的电压调节问题。储能系统一般安装有电池组，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和表示能源存储单元的电解槽堆栈。在一个环形直流系统中，不同总线上的功率注入和吸收会在整个系统中造成显著的电压偏差。由于光伏发电的间歇性，这种情况进一步恶化。为了解决这个问题，研究人员提出了一种监控控制方案，该方案使用集中式通信系统来估计网络电压曲线并提供给可控源所需的电压和电流参考。所提出的该系统由可调度和不可调度的能源组成。一般来说，在一个并网系统中，在储能系统保持待机/充满电状态的时候，双向电压源换流器（VSC）维持着网络电压。本文建议协同利用VSC和EH，以将负载端子处的电压保持在公差范围内。本文中所提出的环形直流微电网的模型在MATLAB / Simulink环境下进行模拟仿真，所得仿真结果验证了在各种系统运行条件的变化情况下，所提出的监控控制均具有有效性。
关键词:协同控制 直流微电网 储能系统 优化 监控控制 电压调节
1.介绍
目前全球范围内对基于化石燃料的传统资源的能源生产的担忧日益增长，且伴随着电力电子转换器的有效控制的日趋进步，各种非传统的分布式能源（DER）越来越被更广泛地接受。贴近消费者生活的分布式发电有着各种各样的优势，诸如传输系统拥堵减少，电压曲线改善，成本降低，远程电气化，灵活性等[1]。将各种各样的分布式能源或分布式能源组集成到现有的配电系统中，就逐渐形成了微电网的概念。对于配电系统来说，这些微电网代表着一个独立被控实体[2] - [3]。最近，直流微电网在研究界引起了高度关注，世界各地的各种公用事业网站都在朝着直流微电网能够实际实施的目标努力[4] - [10]。直流微电网提供交流—直流的多次转换平台，具有持续增长的可靠性和高效性，且直流-交流的转换是不需要的。DER就像光伏，燃料电池，能量储存基本上都是直流特性。现代直流负载，如LED，变速驱动器和其他电子负载也需要直流电源。因此，直接整合它们从而消除不必要的转换阶段是合乎逻辑的，而这些不必要的转换阶段会占据总损失的15-20％[11]。随着一些新概念的兴起，如直流之家，直流充电站和电动车，直流微电网现在被视为“回到爱迪生”现象[11]，并已被确立为一个主要研究领域。
交流—直流转换器的参考设定点的选择和可调度的来源是一个关键问题，这与直流微电网的高效运行有关，因此需要一个三级/监控水平一级和一个二级
辅助控制器。最近在[12]中，作者提出了一种基于监管方法的优化，该优化解决了可调度资源的经济调度问题，以最小化其生产成本。该工作趋于统一实时分布式电压控制，并在径向直流微电网中进行资源优化。尽管分布式方法结合了集中式和分散控制方法的优点，它仍然很复杂，并且仍然是一个被积极研究的课题。另一方面，使用以太网或低带宽通信/电力线通信(PLC)来集中控制小地理区域具有简易性和易操作性[13]。在[14]中，与带有径向和网状直流网络的高渗透问题的大规模直流分布式系统电压调节有关的问题得到解决。作者提出了一种基于在DG单元与系统的主要交流/直流接口转换器之间的双向通信的多代理分布式控制方案。所提出的控制方案使用了一个两步进程。在第一步中，估计网络状态（电压）并且直流链路控制器的参考值也会进行相应调整。如果由于某些原因，最优性没有得到满足，则建议进行相应的功率缩减。这就要求可调度单元来调整其输出功率以尽量减少网络偏差。[15]中的作者，为直流配电系统提出了直流总线电压控制。有人强调，在一个电网连接模式，不同总线上的发电量和负载量是变化的，且PCC上的电压是唯一可以影响直流微电网的电压曲线的因素。这个限制条件就对DER的功率注入进行了强制限制,以满足电压调节标准( 5％）容差。与直流微电网中的电压控制有关，大部分工作都重点关注下垂控制的完善，以改善比例负载分配和电压调节[16] - [21]。在[22] - [23]中可以找到对现有的控制策略和直流微电网的结构的概述。在[24]中，介绍了双端结构直流配电网络的电压控制策略。作者提出了一种灵活的基于下垂控制的分布式能源储存的控制策略，以在系统的净功率发生变化时，消除各自的局部节点的电压变化。一种在能量储存系统(ESS)和可再生能源(RES)间的协同控制策略在[25]中使用总线信号方法（BSM）和虚拟惯性概念时被提出。作者建议将BSM应用于主控制中，以调节普通直流母线电压作为充电状态(SoC)的功能，从而使协同控制独立于最顶层的中央控制器。这与传统的方法相反，选择将下垂控制应用在初级水平。大部分的可查阅的关于直流微电网电压调节的文献都侧重在关注普通的直流总线拓扑结构，而没有进行有效的研究来解决在具有分布式能源的有源直流配电系统中的不同负载节点的电压调节问题。不同于普通的直流母线的拓扑结构，在一个环形直流配电系统中的负载总线上的功率流和电压调节并不是直接的，因为不同总线上的功率注入和吸收可能会导致
整个系统的电压偏差很大。在这种情况下，在可控节点之间使用一种协同控制的方法可以有助于最小化电压调节问题。因此，本文提出了一种基于监控协同控制VSC和能源中心（EH）的内点优化方法。使用集中监督控制和数据采集系统（SCADA）可以为EH和VSC生成所需的参考，从而最小化网络的电压偏差。监督控制产生的参考值仅在本地一级的接收中更新。因此，在任何通信故障的情况下，我们提出的集中控制不会出现单点故障。
本文分为五部分：第2部分对研究系统和个别子系统建模进行描述。第3部分描述了所提出的监督控制和相关问题的公式。第4节介绍了仿真结果，所得结果与第5部分总结的结论一致。
2.系统描述和建模
本文所提出的环形直流微电网如图1所示。该系统由6大直流总线组成。在并网模式下，双向电压源换流器（VSC）连接在总线1上，将网络电压调节到期望的水平。总线2和总线5是负载总线。在本项研究中有两种不同类型的负载进行建模。一种是转换器直流负载，另一种是直接连接到相应的总线上的电阻类型。系统的最大连接负荷为30000W。总线3上安装有包括电池组，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和一个电解槽的能源中心（EH）。电池组的容量设计为50 Ah，300 V，而PEMFC的容量为10 kW，电解槽则用作吸收10 kW的非线性负载。处在日照为1000W / m2和周围环境温度25ordm; C 条件下的10000瓦容量的光伏阵列一般会作为总线4上主要安装的分布式发电装置，而总线6则配备基于能源资源的PEMFC作为辅助的第二分布式发电装置。在并网运行模式下，PEMFC系统提供了系统中的净功率差异。
2.1光伏能量转换系统
本项研究中考虑的光伏（PV）能量转换系统由一个光伏阵列和一个DC / DC升压转换器组成。基于MATLAB / Simulink的光伏组件设计使用了PV电池的等效方程。最大功率点是通过将PV电压调节到一个由MPPT控制器确定的值来获得的。本文中应用了基于MPPT技术的增量电导（INC）以从光伏阵列中提取最大功率。在INC算法中，当系统的INC等于系统电导对应于PV功率的最小变化率时，暂停对已被应用的PV电压的研究。
在数学上，这可以表示如下[26]：
采用INC算法的直流-直流转换器驱动光伏阵列的工作运行点在一个方向上以满足等式（1）。
直流-直流升压转换器的设计符合我们在[26]中的相关文件的要求。各种系统参数已在附录中列出。
2.2质子交换膜燃料电池系统
燃料电池被认为是最合适的分布式能源之一。它们独特的特点，如高能量转换效率，对环境友好，安静运行和低工作温度，使它们适合固定发电，运输和备用发电等应用[27]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）的动态模型基于[28]中介绍的电化学模型，其中燃料电池的燃料输入基于总功率供给进行调节。包括从燃料输入到电气输出的燃料电池动态。燃料电池的输出电流被调节以避免燃料短缺和氢气利用不足。由于燃料电池内部的电压下降，燃料电池输出电压相对于输出电流而变化。这些电压下降归因于激活作用，电阻性作用和浓度电压下降，这是输出电流，电池温度和压力的函数[28]。燃料处理单元例如直流-直流升压转换器因此被采用来满足所需的电压和功率水平。在本文中，它是假定氢气充分储存在储罐中而最大功率仅受直流-直流转换器的功率限制。在并网模式下，控制燃料电池以满足净功率，即PV发电功率和负载功率的差值。本质上，控制逻辑的目的
就是最大限度地减少从公用事业引入的能源和将利润最大化。为了避免对燃料电池的负电流参考，我们给控制器一个最小参考电流。
2.3双向电压源换流器（VSC）控制
图2中所示的VSC系统执行直流链路电压控制并提供在交流系统和直流环形微电网之间的双向功率流通路。调节直流网络电压Vdc间接地确保了系统的功率平衡。来自直流网络的任何功率不平衡可能会导致Vdc的偏移（和潜在的不稳定性）[29]。这要求稳定地调节直流电压。本文设计了基于等式（2）所示的功率平衡方程[29]的直流环节补偿器。
（2）
假设Pdc = Pt, 等式(2)可以重写为(忽略损失)
（3）
方程(3)进一步求解和简化，得到了交流侧(Ps)和Vdc2 的实际功率之间的关系，如等式（4）中所示。具体推导的细节可以在[29]中找到。
（4）
由于Ps项的存在，所以等式(4)是非线性的，我们将上面的方程线性化为一个由Ps0 =Pext0得到的操作点(通过令（3）中的导数项等于0)。对这个操作点进行线性化，得到
（5）
在拉普拉斯域中，可以得到从到的传递函数
（6）
上式中，有
（7）
其中上标~表示小信号扰动。利用导出的传递函数Gv(s)，使用经典的开环增益方法设计了直流链路补偿器。带有级联内圈和外环的控制框图如图3所示。
对于Ps0 = - 100kw的无补偿和有补偿回路增益的大小和相位图，对应的整流模式如图4所示。从(6)可以看出，当Ps0为负时，右半为零 (RHZ)存在。这代表了一个非最小相位系统，Ps0 = -100kW时，相位裕度（PM）为-8.07°。内部电流回路设计的带宽为1000hz，而外部电压回路设计的带宽为50hz。为了在各种不同的运行条件下还能确保闭环系统的稳定性，通过考虑在Ps0 =-100kW的最坏情况下来补偿系统，在对应频率处设计前置滤波器来补偿相应的滞后。补偿系统的幅度和相位图（蓝色）显示出我们设计的补偿提供了53°的相位裕度。补偿器Kv（s）被设计为
2.4能源枢纽
能源枢纽（EH）的概念在各文献中被记录为解决系统中存在多个能量载体时的最优运行的解决方案[30] - [32]。 从系统角度看，EH由不同能源载体的输入，输出和存储组成。这种多能源载体系统随着主要燃料消耗的减少而提高了效率和可靠性。在本研究中，所提到的能源枢纽由电池，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和电解槽组成，如图5（a）所示，可用于可靠的双向潮流控制。用50 Ah，300 V标称电压铅酸电池模型来模拟一个电池组系统。 基于10千瓦PEM的燃料电池连同电解器并联连接到电池双向转换器。EH通过跟踪集中监控产生的参考电流来参与监控。为了在其操作限制内操作电池系统，采用当地能源管理系统（EMS）。 EMS的输入是由监控器（）给出的网络产生或提取的参考净电流，所测得的网络电流来自系统输出（Inet）和电池电压（Vbat）。有两种操作模式，即生成模式（gt;0）和负载模式（lt;0）。
2.4.1生成模式（gt;0）
1.情况一：
（9）
2.情况二：
（10）
2.4.2负载模式（lt;0）
1.情况一：
（11）
2.情况二：
（12）
其中Kdfc和Kdb是负载共享常数，Tf是低通滤波器时间常数，Kp和Ki是PI控制器的比例和积分增益。在生成模式下，EH作为一个单元，根据监督控制的要求将电流注入网络。在这种模式下，可能有两种情况。第一种情况是指电池电压在其范围内的情况。在这种情况下，电池和PEMFC根据负载分配常数共享要注入网络的净电流。在本次研究中，负载共享常数被认为是相等的并且被设置为0.5，即它们都均等地共享。（9）中解释了这一点。情况2是指电池电压达到其下限（）时的情况。为了避免电池深度放电，PEMFC的负载分配常数（Kdfc）设置为1时，其负载分配常数（Kdb）被设置为零，这使得PEMFC可以单独向网络提供净注入电流。（10）中解释了这一点。
在负载模式下，EH从
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