楊小龍，程啟明，褚思遠，張 強，黃 山

（上海電力學院 自動化工程學院，上海 200090）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源短缺與環(huán)境污染兩大難題日益突出，發(fā)展清潔能源、保障能源安全是解決這兩大難題最有效的途徑［1-2］。然而太陽能、風能等清潔能源無法集中利用，為了更有效地利用這些清潔能源，微電網(wǎng)應運而生。微電網(wǎng)是將分布式電源、負荷和儲能裝置、變流器等有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)［3-5］，依據(jù)供給電能的類型，微電網(wǎng)可分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)［6-10］。由于大電網(wǎng)與絕大多數(shù)負載都屬于交流系統(tǒng)，所以交流微電網(wǎng)得到了較快的發(fā)展。然而直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結構簡單、能量轉換少、供電質量高，相比交流微電網(wǎng)更有優(yōu)勢［11-13］，因此在如海島、偏遠的山區(qū)等地方因無法與大電網(wǎng)并網(wǎng)，直流微電網(wǎng)的運行更有效。本文選擇以孤島模式下的光儲直流微電網(wǎng)為研究對象，并著重研究其控制策略。

目前直流微電網(wǎng)主要采用電壓分層控制策略來控制其直流母線電壓。文獻［14］采用了分級控制，能夠分層實現(xiàn)微電網(wǎng)的控制；文獻［15］采用直流母線信號控制策略，通過采用直流母線信號實現(xiàn)微電網(wǎng)的最優(yōu)控制；文獻［16］采用自適應調節(jié)下垂系數(shù)，能夠提高電池的運行效率。然而上述控制策略都沒有考慮到因母線電壓波動而導致控制策略頻繁切換的情況。為解決母線電壓波動對分層控制的影響，文獻［17］在儲能系統(tǒng)的充電模式和放電模式之間增加了空閑模式；文獻［18］采取電壓滯環(huán)控制。但是無論是增加空閑模式還是采取電壓滯環(huán)控制都會造成控制延時而導致控制策略誤切換的發(fā)生。

通過上述文獻可知，直流微電網(wǎng)分層控制的主要思路為：電壓是判定系統(tǒng)功率是否平衡的重要指標，通過檢測電壓是否恒定可以判定系統(tǒng)功率是否平衡，以直流母線電壓的幅值為判定基準，將微電網(wǎng)的控制策略設置為不同工作模式［19］。然而分層控制以電壓為判定基準就會不可避免地受到母線電壓的影響，而直流微電網(wǎng)在正常運行時母線電壓并非絕對的直流而是小范圍內波動的，而且微電網(wǎng)不同模式切換時也會對母線電壓造成一定的沖擊，這些母線電壓波動可能會導致微電網(wǎng)不同工作模式間的頻繁切換，若通過增加蓄電池空閑模式或采取電壓滯環(huán)控制等策略來解決這種狀況，又會造成微電網(wǎng)控制的延時等一些新的問題。

為了解決電壓分層控制問題，本文創(chuàng)新地提出了變功率控制方法。此方法以功率為判定基準，以鉛酸電池的CIEMAT模型［20］為基礎，利用微電網(wǎng)當前各個分布式單元輸入輸出功率，控制微電網(wǎng)工作于不同的控制策略。并根據(jù)光伏電池輸出功率與負荷所消耗的功率差，控制蓄電池充放電功率的方向與大小，使微電網(wǎng)內功率能夠保持平衡，進而使直流母線電壓能夠保持穩(wěn)定。仿真結果驗證了本文所提變功率控制方法的正確性，且其控制性能優(yōu)于常用的電壓分層控制方法。

1 常用的分層控制及其存在的問題

分層控制是當前直流微電網(wǎng)的控制策略中研究最廣泛的控制策略。分層控制是將母線電壓分為若干等級，然后根據(jù)母線電壓的等級將微電網(wǎng)分為若干工作模式，通過各工作模式的切換使母線電壓保持穩(wěn)定。

孤島模式下光儲微電網(wǎng)某種分層控制策略見表1。表中，MPPT表示最大功率點跟蹤。由表可知，分層控制將直流微電網(wǎng)的母線電壓用4個閾值分為5個工作區(qū)域。在理想條件下，該分層控制能夠很好地實現(xiàn)功率的平衡和電壓的穩(wěn)定。但實際上，直流微電網(wǎng)的母線電壓并非嚴格的直流恒定值，電壓會在小范圍內波動且波動的頻率較高，這將會導致微電網(wǎng)工作模式之間的誤切換。產(chǎn)生電壓波動的因素有微源、變流器、控制裝置和負載等多種。

表1 光儲微電網(wǎng)分層控制策略Table 1 Hierarchical control of photovoltaic-battery microgrid

下面以光伏的Boost變換器為例來說明變流器對電壓的影響。

Boost變換器的拓撲結構如圖1所示。

圖1 Boost變換器拓撲結構Fig.1 Topological structure of Boost converter

在Boost變換器中，各電流與電壓變化曲線如圖2所示。由圖可見，在Boost變換器中無論是電流ie還是輸出電壓uo，都是波動的而非絕對直流。

圖2 Boost變換器的參數(shù)變化曲線Fig.2 Parameter variation curves of Boost converter

如果不考慮其他因素，Boost變換器中電容C與輸出電壓uo的關系如圖3所示。圖中，C1＞C2。

由圖3可見，當電容C較大時，輸出電壓uo的波動較小，但此時Boost變換器穩(wěn)定輸出的延遲時間較長，而電網(wǎng)對各個變換器的瞬時性有較高的要求，即電容C不可能太大，因此輸出電壓uo的波動范圍不可能很小或消失。

圖3 Boost變換器中輸出電壓uo曲線Fig.3 Curves of output voltage uoof Boost converter

按表1所述的分層控制策略進行控制仿真，其直流母線電壓的變化曲線如圖4所示。

圖4 分層控制時直流母線電壓的變化曲線Fig.4 Variation curve of DC bus voltage in hierarchical control

由上面分析可知，直流微電網(wǎng)中的母線電壓波動是無法消除的。分層控制以電壓大小作為微電網(wǎng)工作模式切換的依據(jù)，母線電壓在給定值附近上下高頻波動，這將會使微電網(wǎng)在2種工作模式間高頻切換，這種高頻切換既會導致微電網(wǎng)內部大量能量的耗散，也會損害各個器件的壽命。由圖4可見，母線電壓會在52 V、54 V、56 V和58 V附近頻繁波動，這些波動會使微電網(wǎng)的工作模式之間產(chǎn)生非正常的切換，相對于其他電壓閾值，母線電壓以52 V為中值上下波動時，將會導致某些負載頻繁通斷；而母線電壓在54 V附近上下波動時，將會導致蓄電池反復進行充放電工作，這種情況可能會導致負載或蓄電池的損壞。 由圖 4 中的子圖（a）、（b）、（d）可見，這些非正常的工作模式之間的切換會對母線電壓正常變化產(chǎn)生一定的沖擊。

增加蓄電池空閑模式或采取電壓滯環(huán)控制等策略可以解決這些問題，但是無論是蓄電池空閑模式還是電壓滯環(huán)控制都會造成微電網(wǎng)正常工作模式間切換的延遲，這些延遲可能會造成圖4中子圖（e）所示的后果，即當微電網(wǎng)由模式1需要切換到模式2時，由于微電網(wǎng)動作的延遲，微電網(wǎng)由模式1經(jīng)模式2直接切換到模式3，由于微電網(wǎng)需要在模式2正常運行而非模式3，所以微電網(wǎng)需要再由模式3切換到模式2，導致微電網(wǎng)在模式2與3之間波動切換，最終穩(wěn)定在模式2。

此外，直流微電網(wǎng)內光伏電池輸出的功率隨外界條件的變化而變化，如24 h內光照強度從最弱到最強，然后再逐漸變成最弱，在理想條件下，光伏電池輸出的電能也從最少到最多再逐漸減到最少，在這段時間內微電網(wǎng)的工作模式有可能從模式5逐漸切換到模式1，然后再逐漸切換到模式5。即在理想條件下24 h內微電網(wǎng)的工作模式需要切換8次，光伏電池的控制策略需要變換2次，蓄電池的控制策略需要變換6次。如果天氣或者負載發(fā)生變化，這個時間間隔還要減少。微電網(wǎng)的工作模式或者說各個分布式單元的正常切換也會對微電網(wǎng)造成一定的沖擊，如圖4中子圖（c）所示，而對分層控制而言，切換的次數(shù)太多也是其另一個不足之處。

2 本文提出的變功率控制方法

2.1 變功率控制系統(tǒng)的拓撲結構

針對上述電壓的分層控制缺點，本文提出了直流微電網(wǎng)的變功率控制，為便于分析，本文采用孤島式光儲直流微電網(wǎng)，其拓撲結構圖如圖5所示，本系統(tǒng)由直流母線、光伏電池、儲能裝置、負荷、變流器和控制系統(tǒng)組成。

圖5 變功率控制時孤島式光儲直流微電網(wǎng)結構框圖Fig.5 Block diagram of islanded photovoltaic-battery DC microgrid in variable power control

圖中，IPV為光伏電池輸出電流；UPV為光伏電池輸出電壓；Ubus為直流母線電壓；PPV為光伏電池輸出功率；Pbattery為蓄電池輸出功率；Pload為負荷功率；αM為MPPT控制模塊輸出的Boost電路的占空比；αB為恒壓控制模塊輸出的Boost電路的占空比；α為光伏系統(tǒng)Boost電路實際占空比，當光伏系統(tǒng)采用MPPT控制時α=αM，當光伏系統(tǒng)采用恒壓控制時α=αB。光伏電池輸出低壓直流電能，Boost變換器將光伏電池輸出的電能轉換為高壓直流電能，并輸出到直流母線上；蓄電池用于平抑光伏輸出電能的波動，其充、放電狀態(tài)與直流母線之間的功率流向為雙向，通過雙向DC/DC變換器與直流母線連接；微電網(wǎng)中負荷包括直流負荷與交流負荷2種，直流負荷通過DC/DC變換器與直流母線相連，交流負荷通過DC/AC變換器與直流母線相連；控制系統(tǒng)包括光伏電池的控制策略、蓄電池的控制策略和負荷的控制策略，本文重點研究了光伏電池和蓄電池的控制策略以及上述3種控制策略的配合。

2.2 變功率控制時微電網(wǎng)的4種工作模式

在圖5所示的孤島式光儲直流微電網(wǎng)中，各分布式單元的控制策略主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略、儲能系統(tǒng)的控制策略、負載逐漸切除策略。直流微電網(wǎng)的工作模式是由上述3種控制策略之間相互配合構成，具體配合方式見表2。表中為光伏電池采用MPPT控制時輸出的功率；分別為蓄電池的極限充電功率和極限放電功率。

表2 直流微電網(wǎng)的工作模式Table 2 Operating modes of DC microgrid

從表2可知，直流微電網(wǎng)的變功率控制是以功率為基準將微電網(wǎng)分為4種工作模式。

模式 1說明光伏電池最大發(fā)電功率除了負載消耗一部分，剩余的功率仍然超過蓄電池的極限功率。為了防止微電網(wǎng)內功率出現(xiàn)冗余，光伏電池采取恒壓控制，使

模式 2說明光伏發(fā)電功率大于負載消耗功率，且剩余的功率在蓄電池的極限功率內。此時光伏采取MPPT控制，并需要根據(jù)ΔP′改變蓄電池的充電功率，使PPV-Pload=Pbattery_c。

模式 3說明光伏發(fā)電功率無法滿足負載的消耗，需要蓄電池放電，且蓄電池需要放出的功率不超過其極限。為了維持功率的平衡需要根據(jù)ΔP′改變蓄電池放電功率，使Pload-PPV=Pbattery_d。

模式 4說明光伏電池發(fā)電功率嚴重不足，蓄電池需要放出的電能超過其極限放電功率。為了防止微電網(wǎng)內部出現(xiàn)嚴重功率缺額，需要根據(jù)負荷等級不同逐漸切除一部分負荷，使

2.3 3種分布式單元的控制策略

2.3.1 光伏電池的控制策略

光伏電池的控制原理如圖5所示。由圖可見，光伏電池分別工作于2種控制策略，即MPPT控制或恒壓控制。

當光伏電池輸出功率較少或蓄電池充電功率沒有達到極限時，光伏電池采用MPPT控制輸出其最大功率；而當光伏電池輸出功率過多或蓄電池的充電功率達到極限時，需要減少光伏電池的輸出功率，此時光伏電池采用恒壓控制［19］。

2.3.2 蓄電池的控制策略

在直流微電網(wǎng)中蓄電池的控制是整個微電網(wǎng)協(xié)調控制的重心，因此本文重點研究了蓄電池充放電的控制方法。本文蓄電池采用CIEMAT模型［20］，見圖6。圖中，n為串聯(lián)單體數(shù)量，Ubattery為蓄電池電壓，Ibattery為蓄電池電流，Ebattery為電動勢，R為蓄電池內阻。

圖6 蓄電池的CIEMAT模型結構Fig.6 Structure of battery CIEMAT model

在上述蓄電池的CIEMAT模型中，蓄電池充電功率為：

蓄電池放電功率為：

其中，ΔT=T-25℃，T為環(huán)境溫度；SSOC為荷電狀態(tài)（也稱剩余電量），它為電池的剩余電量與其容量的比值，其取值為0～1；Ibattery為蓄電池電流，當蓄電池充電時 Ibattery＞0，當蓄電池放電時 Ibattery＜0；C10為蓄電池10 h率容量，單位為 A·h。

然而若要蓄電池安全高效地工作，就必須對蓄電池的充放電電流進行限制，設蓄電池的最大充電電流為最大放電電流為

如果直流微電網(wǎng)采用如表1所示的分層控制，當系統(tǒng)進入模式2或模式5時，如果蓄電池采用恒流充放電，由式（1）、（2）可知，當 SSOC、T 不變時蓄電池充放電功率恒定，即微電網(wǎng)在模式2或模式5內無論母線電壓及系統(tǒng)功率如何變化，蓄電池的充放電功率都保持恒定，即蓄電池充電功率不能隨著母線電壓的升高及系統(tǒng)內剩余功率的增多而增多，這就導致蓄電池對微電網(wǎng)功率的調節(jié)功能顯得比較生硬不夠靈活。

本文的蓄電池采取變功率控制，其中蓄電池的充放電功率是由光伏發(fā)電功率與負荷功率所決定，并由母線電壓的額定變化值作為補充，并且根據(jù)蓄電池充放電功率的大小決定蓄電池的工作狀態(tài)。即：如果則說明蓄電池的充放電功率沒有達到極限，此時蓄電池工作于非極限充（放）電狀態(tài)；如果則說明蓄電池的充放電功率達到了極限，此時蓄電池工作于極限充（放）電狀態(tài)，而且通過調節(jié)蓄電池與微電網(wǎng)系統(tǒng)的各個參數(shù)使

根據(jù)上述分析，本文所采取的蓄電池控制原理如圖7所示。由圖可見，蓄電池主要采用非極限變功率控制和極限變功率控制2種控制模式。

圖7 蓄電池控制原理框圖Fig.7 Schematic diagram of battery control

（1）非極限變功率控制。

非極限變功率控制的控制算法框圖如圖8所示。圖中，αc為蓄電池充電時雙向DC/DC電路中Buck電路的占空比；αd為蓄電池放電時雙向DC/DC電路中Boost電路的占空比。非極限變功率控制的原理為：通過公式計算蓄電池充放電功率的給定值，然后使蓄電池工作在給定值附近以調節(jié)微電網(wǎng)功率的平衡。

圖8 非極限變功率控制算法框圖Fig.8 Block diagram of non-limit variable power control algorithm

當PPV＞Pload時，蓄電池工作于充電狀態(tài)且Pref_battery_c=PPV－Pload。此時如果母線電壓升高，則說明微電網(wǎng)內功率因計算、測量有誤差而導致微電網(wǎng)內還有冗余功率，此時應該增加蓄電池充電功率，即為：

其中，ΔUbus為母線額定電壓變化量；k為母線電壓轉換為冗余功率的系數(shù)。

當PPV＜Pload時，蓄電池工作于放電狀態(tài)且Pref_battery_d=Pload－PPV。此時如果母線電壓升高說明微電網(wǎng)內有冗余功率，此時應該減少蓄電池放電功率，即為：

（2）極限變功率控制。

從式（5）、（6）可知，蓄電池的充放電極限功率隨著SSOC、T的變化而變化，蓄電池極限功率控制主要是通過SSOC、T和蓄電池最大允許充放電電流計算其極限功率，再加上因誤差而導致的電壓變化的修正，控制蓄電池充放電功率，使蓄電池始終安全穩(wěn)定地工作于極限功率下。其控制算法框圖如圖9所示。

圖9 極限變功率控制算法框圖Fig.9 Block diagram of limit variable power control algorithm

2.3.3 負荷的控制策略

由于蓄電池的放電功率具有極限值，如果光儲微電網(wǎng)中光伏輸出功率與蓄電池極限放電功率之和依舊小于微電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷功率，即此時微電網(wǎng)的發(fā)電功率無法滿足負荷的消耗，所以此時微電網(wǎng)中的功率將無法達到平衡，這將導致整個微電網(wǎng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

因此當微電網(wǎng)總的極限輸出功率小于負荷功率時，需要采取如圖5所示的控制策略，通過斷路器逐漸切除負荷使得進而保證微電網(wǎng)功率的平衡。

3 仿真驗證

為了驗證上述控制策略的有效性和可行性，本文在MATLAB/Simulink中搭建了直流微電網(wǎng)變功率控制的模型并進行了一系列仿真。

3.1 直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性仿真

圖10為當光伏電池的輸出功率具有較大波動時直流微電網(wǎng)的母線電壓和冗余功率（Pex=PPV-Pload-Pbattery）的變化曲線。圖中，當t=5 s時光伏電池的輸出功率由70 W突變?yōu)?75 W。

圖10 光伏輸出功率突變時微電網(wǎng)各參數(shù)變化曲線Fig.10 Parameter variation curves of Boost converter during photovoltaic power output mutation

圖11為當負荷有較大波動時，直流微電網(wǎng)的母線電壓和冗余功率的變化曲線。圖中，當t=5 s時直流微電網(wǎng)的負荷功率由120 W突變?yōu)?00 W。

圖11 負荷突變時微電網(wǎng)各參數(shù)變化曲線Fig.11 Parameter variation curves of Boost converter during load power mutation

由圖10、圖11可以看出，無論是光伏電池輸出功率的突變還是直流微電網(wǎng)負荷的突變，在突變后，直流微電網(wǎng)的母線電壓都穩(wěn)定在額定值附近，這說明直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的母線電壓能保持穩(wěn)定；而且在突變后直流微電網(wǎng)的冗余功率都約等于零，這說明直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率能保持平衡。

由此可知，光伏功率和負荷突變時微電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定。

3.2 冗余功率系數(shù)k對微電網(wǎng)影響仿真

圖 7—9 及式（5）、（6）中的微電網(wǎng)冗余功率系數(shù)k的正確取值對微電網(wǎng)母線電壓偏離額定值的大小以及微電網(wǎng)穩(wěn)定性都有重要的影響。

圖12為冗余功率系數(shù)k不同時直流母線電壓的變化曲線（圖中 k′=Pload/（0.01Ubus））。圖中，在 t=5 s時光伏電池輸出功率突然增大，蓄電池由變功率放電模式變?yōu)樽児β食潆娔Ｊ健?/p>

由圖12可見，在微電網(wǎng)工作模式發(fā)生變化時，只有當k≈k′時，微電網(wǎng)直流母線電壓才穩(wěn)定在額定值附近，此時微電網(wǎng)母線電壓的偏離較小，微電網(wǎng)具有較好的穩(wěn)定性；而無論當k?k′時還是當k?k′時，微電網(wǎng)母線電壓都有一段偏離其額定值比較大的區(qū)域，且當k?k′時（即k過大時）微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。因此，只有當k≈k′時，微電網(wǎng)工作的穩(wěn)定性及微電網(wǎng)運行效果才比較好。

圖12 冗余功率系數(shù)k不同時直流母線電壓的變化曲線Fig.12 Variation curve of DC bus voltage for different values of redundant power coefficient k

3.3 1 d內直流微電網(wǎng)各參數(shù)的變化趨勢仿真

為了更鮮明且更簡便地說明變功率控制的優(yōu)點，本文根據(jù)1 d內太陽的變化在20 s內模擬了1 d內光照強度S的變化趨勢，其變化曲線如圖13所示。在僅光照強度變化時光伏電池輸出功率的變化情況如圖14所示。

圖13 光照強度變化曲線Fig.13 Variation curve of light intensity

圖14 光伏電池的輸出功率變化曲線Fig.14 Variation curve of photovoltaic cell output power

圖14中，當t=6～10.9 s時，系統(tǒng)處于模式1狀態(tài)，此時光伏電池工作于恒壓控制模式下，而其他時間則工作于MPPT模式下。

當微電網(wǎng)負荷都是較大功率負荷時，如果微電網(wǎng)工作在模式4，此時需要切除負荷，由于負荷都較大，切除一部分負荷時微電網(wǎng)負荷功率會突然減小，這就使得微電網(wǎng)蓄電池放電功率減小，微電網(wǎng)退出工作模式4，而重新進入工作模式3。微電網(wǎng)內部光伏負荷功率差（ΔP′=PPV-Pload）、蓄電池輸出功率及負荷功率變化曲線如圖15所示。

由圖15可得如下結論：

圖15 負荷較大時微電網(wǎng)各功率參數(shù)變化曲線Fig.15 Power parameter variation curves of microgrid with heavy load

（1）當 t=0～2.4 s時，ΔP′＜0，光伏電池輸出功率不能滿足負荷的消耗，此時Pbattery＞0，蓄電池工作在非極限變功率放電模式，系統(tǒng)工作在模式3；

（2）當 t=2.4～6 s時，ΔP′＞0，光伏電池輸出功率大于負荷的消耗功率，此時Ibattery＜0，蓄電池工作在非極限變功率充電模式，系統(tǒng)工作在模式2；

（3）當t=6～10.9 s時，由于蓄電池充電功率達到極限，此時蓄電池工作在極限變功率充電模式，光伏電池工作于變壓控制模式，且由于此時微電網(wǎng)負荷不變，此時光伏輸出功率不變，系統(tǒng)工作在模式1；

（4）當t=10.9～14 s時，由于光伏輸出功率的減小，蓄電池的充電功率減小，使得蓄電池退出極限變功率充電模式，此時蓄電池工作在非極限變功率充電模式，系統(tǒng)工作在模式2；

（5）當 t=14～16.8 s時，ΔP′＜0，光伏電池輸出功率不能滿足負荷的消耗，此時Pbattery＞0，蓄電池工作在非極限變功率放電模式，系統(tǒng)工作在模式3；

（6）當t=16.8～17 s時，蓄電池充電功率達到極限，蓄電池工作在極限變功率放電模式，此時微電網(wǎng)切除一部分負荷，使負荷功率Pload減小，由于負荷功率的減小，蓄電池放電功率減小，使得蓄電池退出極限變功率放電模式，工作在非極限變功率放電模式，系統(tǒng)工作在模式4；

（7）當t=17～18 s時，隨著光伏輸出功率的減小，蓄電池放電功率逐漸增加，系統(tǒng)工作在模式3；

（8）當t=18～20 s時，蓄電池放電功率達到極限，由于光強的恒定光伏輸出功率不變，此時不需要切除負荷，所以負荷不變，系統(tǒng)工作在模式4。

當微電網(wǎng)具有較小負荷時，如果微電網(wǎng)蓄電池放電功率達到極限，微電網(wǎng)工作于模式4，此時需要切除負荷時，可以逐漸切除小功率負荷，使蓄電池放電功率始終維持在極限值附近，這樣就使得微電網(wǎng)始終工作于模式4。微電網(wǎng)蓄電池充放電功率曲線和負荷曲線如圖16所示。

圖16 負荷較小時微電網(wǎng)各功率參數(shù)變化曲線Fig.16 Power parameter variation curves of microgrid with light load

3.4 變功率控制的優(yōu)勢

以大功率負荷為例，當光照強度按照如圖13所示的曲線變化時，圖17為直流微電網(wǎng)在采用2種不同控制控制策略時蓄電池輸出功率變化曲線。圖中，Pbattery＜0表示充電；Pbattery＞0表示放電。由圖可見，微電網(wǎng)在采用變功率控制時蓄電池的輸出功率曲線明顯優(yōu)于采用分層控制時蓄電池的輸出功率曲線。其主要原因在于：在同樣條件下，分層控制時蓄電池工作模式切換的次數(shù)明顯多于變功率控制時蓄電池工作模式的切換次數(shù)，而蓄電池工作模式每切換一次都會對蓄電池正常工作產(chǎn)生一定影響。

圖17 2種不同控制策略下蓄電池輸出功率變化曲線Fig.17 Variation curve of battery output power by two control strategies

圖18為直流微電網(wǎng)在采用2種不同控制策略時母線電壓變化曲線，其中母線電壓的變化代表了直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定性。

圖18 2種不同控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓變化曲線Fig.18 Variation curve of DC bus voltage of DC microgrid by two control strategies

圖19為直流微電網(wǎng)在采用2種不同控制策略時冗余功率變化曲線，其中冗余功率的大小代表了直流微電網(wǎng)功率的平衡性。

圖19 2種不同控制策略下直流微電網(wǎng)冗余功率變化曲線Fig.19 Variation curve of redundant powers of DC microgrid by two control strategies

由圖17—19可知，當直流微電網(wǎng)分別采取變功率控制和分層控制時，蓄電池的切換次數(shù)N、母線電壓波動的大小冗余功率波動的大小如表3所示。

表3 變功率控制和分層控制時微電網(wǎng)各參數(shù)值Table 3 Parameters of microgrid in variable power control and hierarchical control

由表3可知，無論是蓄電池充放電的次數(shù)、母線電壓波動的大小還是微電網(wǎng)冗余功率波動的大小，變功率控制都明顯小于分層控制，即蓄電池使用壽命、微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定性、微電網(wǎng)功率的平衡性，變功率控制都明顯優(yōu)越于分層控制。

4 結論

本文通過分析直流微電網(wǎng)中以電壓為基準將控制策略分為不同模式的分層控制策略的不足之處，創(chuàng)新地提出了以功率為基準將控制策略分為不同模式的變功率控制策略以實現(xiàn)微電網(wǎng)內功率的平衡和電壓的穩(wěn)定。最后通過仿真驗證了本文所提的變功率控制方法明顯優(yōu)于常用的分層控制方法，并可得出以下結論：

（1）蓄電池采用變功率充放電控制，能夠實現(xiàn)微電網(wǎng)內部功率的平衡；

（2）將直流微電網(wǎng)母線電壓差加入到蓄電池充放電的給定值計算公式中，能夠消除因計算誤差或測量誤差導致微電網(wǎng)內功率的不平衡；

（3）實現(xiàn)微電網(wǎng)內功率的平衡就能實現(xiàn)直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定。

［1］鄭永偉，陳民鈾，李闖，等.自適應調節(jié)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（7）：6-11.ZHENG Yongwei，CHEN Minyou，LI Chuang，et al.A microgrid control strategy based on adaptive drooping coefficient adjustment［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，33（7）：6-11.

［2］武星，殷曉剛，宋昕，等.中國微電網(wǎng)技術研究及其應用現(xiàn)狀［J］.高壓電器，2013，49（9）：142-149.WU Xing，YIN Xiaogang，SONG Xin，et al.Research on microgrid and its application in China［J］.High Voltage Apparatus，2013，49（9）：142-149.

［3］李斌，寶海龍，郭力.光儲微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的儲能控制策略［J］.電力自動化設備，2014，34（3）：8-15.LI Bin，BAO Hailong，GUO Li.Strategy of energy storage control for islanded microgrid with photovoltaic and energy storage systems［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（3）：8-15.

［4］HATZIARGYRIOU N，ASAND H，IRAVANI R，et al.Microgrids［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2007，5（4）：78-94.

［5］薛貴挺，張焰，祝達康.孤立直流微電網(wǎng)運行控制策略［J］.電力自動化設備，2013，33（3）：112-117.XUE Guiting，ZHANG Yan，ZHU Dakang.Operationalcontrol strategy of stand-alone DC microgrid［J］.Electric Power Automation Equipment，2013，33（3）：112-117.

［6］BRACALE A，CARAMIA P，CARPINELLI G，et al.Optimal control strategy of a DC micro grid［J］.International Journal of Electrical Power&Energy Systems，2015，67（3）：25-38.

［7］LIU Xiong，WANG Peng，LOH P C.A hybrid AC/DC microgrid and its coordination control［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2（2）：278-286.

［8］白園飛，程啟明，吳凱，等.獨立交流微電網(wǎng)中儲能電池與微型燃氣輪機的協(xié)調控制［J］.電力自動化設備，2014，34（3）：65-70.BAI Yuanfei，CHENG Qiming，WU Kai，et al.Coordinated control of storage battery and microturbinin islanded AC microgrid［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（3）：65-70.

［9］周穩(wěn)，戴瑜興，畢大強，等.交直流混合微電網(wǎng)協(xié)同控制策略［J］.電力自動化設備，2015，35（10）：51-57.ZHOU Wen，DAI Yuxing，BI Daqiang，et al.Coordinative control strategy for hybrid AC-DC microgrid［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（10）：51-57.

［10］李玉梅，查曉明，劉飛，等.帶恒功率負荷的直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定控制策略［J］.電力自動化設備，2014，34（8）：57-64.LI Yumei，ZHA Xiaoming，LIU Fei，et al.Stability control strategy for DC microgrid with constant power load［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（8）：57-64.

［11］施婕，鄭漳華，艾芊.直流微電網(wǎng)建模與穩(wěn)定性分析［J］.電力自動化設備，2010，30（2）：86-90.SHI Jie，ZHENG Zhanghua，AI Qian.Modeling of DC micro-grid and stability analysis［J］.Electric Power Automation Equipment，2010，30（2）：86-90.

［12］吳衛(wèi)民，何遠彬，耿攀，等.直流微網(wǎng)研究中的關鍵技術［J］.電工技術學報，2012，27（1）：98-106.WU Weimin，HE Yuanbin，GENG Pan，et al.Key technologies for DC microgrids［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（1）：98-106.

［13］王毅，張麗榮，李和明，等.風電直流微網(wǎng)的電壓分層協(xié)調控制［J］.中國電機工程學報，2013，33（4）：16-24.WANG Yi，ZHANG Lirong，LI Heming，et al.Hierarchical coordinated control of wind turbine-based DC microgrid ［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（4）：16-24.

［14］GUERRERO J M，VASQUEZ J C，MATAS J，et al.Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids-ageneral approach toward standardization［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（1）：158-172.

［15］支娜，張輝，邢小文.直流微電網(wǎng)協(xié)調控制策略研究［J］.西安理工大學學報，2012，28（4）：421-426.ZHI Na，ZHANG Hui，XING Xiaowen.DC microgrid coordinated control strategy research［J］.Journal of Xi’an University of Technology，2012，28（4）：421-426.

［16］劉家贏，韓肖清，王磊，等.直流微電網(wǎng)運行控制策略［J］.電網(wǎng)技術，2014，38（9）：2356-2362.LIU Jiaying，HAN Xiaoqing，WANG Lei，et al.Operation and control strategy of DC microgrid［J］.Power System Technology，2014，38（9）：2356-2362.

［17］秦文萍，柳雪松，韓肖清，等.直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)自動充放電改進控制策略［J］.電網(wǎng)技術，2014，38（7）：1827-1834.QIN Wenping，LIU Xuesong，HAN Xiaoqing，et al.An improved controlstrategy ofautomaticcharging/dischargingofenergy storage system in DC microgrid［J］.Power System Technology，2014，38（7）：1827-1834.

［18］范柱烽，畢大強，任先文，等.光儲微電網(wǎng)的低電壓穿越控制策略研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（2）：6-12.FAN Zhufeng，BI Daqiang，REN Xianwen，et al.Low voltage ride-through control of the photovoltaic/battery micro-grid system［J］.Power System Protection and Control，2015，43（2）：6-12.

［19］畢大強，范柱烽，解東光，等.海島光儲直流微電網(wǎng)自治控制策略［J］.電網(wǎng)技術，2015，39（4）：886-891.BI Daqiang，F(xiàn)AN Zhufeng，XIE Dongguang，et al.Autonomous control strategy of island DC microgrid with photovoltaic and storage system［J］.Power System Technology，2015，39（4）：886-891.

［20］ACHAIBOU N，HADDADI M，MALEK A.Lead acid batteries simulation including experimental validation［J］.Journal of Power Sources，2008，185（2）：1484-1491.