直流微电网能量管理综述_曹钦凯.pdf

直流微电网能量管理综述曹钦凯，沈玮（华北水利水电大学，河南 郑州 ）摘要：随着微电网技术的不断发展，不少技术难题逐渐出现，例如微电网的规划设计、微电网的保护与控制、微电网的能量管理、微电网的仿真分析等。这些技术难题也是微电网领域的研究热点。相较于交流微电网，直流微电网更具有优势。通过总结直流微电网能量管理的研究现状，分析直流微电网中不同的能量管理策略，并比较不同策略间的优缺点，最后总结为该领域的进一步研究和发展提供参考。关键词：直流微电网；能量管理；协调控制中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：引言近年来，随着能源消耗和环境治理压力的不断增加，人类社会对能源系统的需求也在不断更新。控制电力成本、替换老化的基础设施、改善电力系统的灵活性和可靠性、减少二氧化碳排放以及提供可靠的电力支持等越来越高的电力要求，意味着能源结构转型已成为能源革命的关键。可再生能源将逐步取缔化石能源成为电力行业的首选。作为可再生能源发电主要消纳方式的微电网技术得到了快速的发展。微电网是由分布式发电、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统，一般分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网，可运行于并网和孤岛两种模式。目前，微电网主要应用形式还是交流微电网，但是微电网内光伏、风机、燃料电池、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电，常用电气设备如个人电脑、手机、照明、空调和电动汽车等，皆需要通过相应适配器将交流变成直流电驱动，由此可见，直流微电网更适合微电网的发展趋势。那么如何对直流微电网内交直流接口双向 变流器、不同类型的分布式发电单元、储能系统、直流负荷等进行协调控制，保证系统高效、安全和经济运行，是目前直流微电网稳定运行控制研究关注的重点。其中直流微电网的能量管理与协调控制是保证直流微电网可靠运行需要解决的关键问题。本文将结合以往的研究成果和最新的研究进展，对直流微电网能量管理策略进行全面的分析、对比和总结。最后，给出直流微电网能量管理的一些改进意见，为该领域的应用和创新研究提供参考。直流微电网基本结构一种典型的直流微电网结构如图所示。光伏发电系统通过 控制器与直流母线相连，风力发电系统通过 控制器与直流母线相连，储能系统通 过 双 向 控制器与直流母线相连，交、直流负载分别通过 控制器和 控制器与直流母线相连。该直流微电网将公用电网（交流大电网）作为备用能源，在有需要时通过双向 控制器购电或售电。直流微电网能量管理优化直流微电网的能量管理包括以下几个方面：为分布式电源提供功率设定值，使系统满足电能平衡、电压稳定；系统解决方案电工技术 图直流微电网结构示意图为微电网电压和频率的恢复和稳定提供快速的动态响应；满足用户的电能质量要求；为微电网的并网提供同步服务；以最小化系统网损、运行费用，最大化可再生能源利用率为目标安排分布式电源的出力；为系统提供需求侧管理，包括切负荷和恢复负荷策略；配置适当的备用容量，满足系统的供电可靠性要求；在包括但不限于考虑无通信、用户满意度和环保要求等情况下保证微电网安全稳定运行。由于直流微电网应用了大量的电力电子器件，在结构上具有底层复杂、上层简单且已完全电力电子化的物理特性，因此直流微电网的能量管理从结构上就呈现出与控制息息相关，也在控制层面上呈现出异于交流电网的控制模式和分类。如图所示，从控制系统的控制目标来看，直流微电网的控制可分为设备级控制和系统级控制。根据直流微电网中各分布式电源发挥作用的不同，也可将直流微电网的控制模式分为主从控制、对等控制和多重控制。不管直流微电网如何分类，其能量管理的优化方向往往包含技术层优化和系统层优化这个层次。图 直流微电网控制目标 技术层优化技术层优化指的是通过优化某些控制结构、控制器或者通过某种新技术、新手段实现直流微电网的能量管理。技术层优化的主要对象有光伏发电系统、风力发电系统、储能系统、负载以及各自连接到直流母线的控制器。技术层优化是从选用智能算法来提高可再生能源发电系统效率开始的。文献 提出了一种基于神经网络和 变换器对光伏阵列最大功率点跟踪的算法。文献 提出了一种基于遗传算法的光伏发电最大功率点跟踪方法。文献 设计了一种基于 神经网络的风力发电 控制算法。为了弥补智能算法本身的局限性，如粒子群算法迭代时容易陷入局部最优、神经网络算法对初始权重敏感等，可以选择改进智能算法来提高可再生能源发电效率。文献 采用非线性自适应的学习因子和加速因子，同时采用随机惯性权重改进了粒子群优化（）算法，用于提高光伏系统的发电效率。文献 以群体适应度方差作为调节指标改 进 了 差 分 进 化 算 法，用 于 直 流 微 电 网 的 能 量管理。值得注意的是，技术层优化除了优化算法之外还大量应用了传统控制手段。下垂控制就是能量管理中常用的控制技术。文献 基于多储能直流微电网提出了双重下垂控制来控制储能单元变换器，实现了无通信网络下较好地稳定直流母线电压并完成储能单元间的功率分配。文献 针对带有恒功率负荷的直流微电网系统易引起系统振荡的问题，提出了一种基于精确反馈线性化的非奇异终端滑模控制策略，保证了系统在输入电压摄动及负载出现扰动时有理想的稳态特性和动态响应。文献 提出使用虚拟电压轴的协调下垂控制方法，并在虚拟电压轴中定义了带有参考电压和下垂增益的操作带，用于直流微电网的电压恢复和能量管理。文献 基于自适应下垂控制算法，应用具有个自适应参数的非线性下垂剖面，在储能系统快速充放电时将直流母线电压保持在一定范围内。文献 针对传统直流微电网，提出了一种基于模糊逻辑控制器的功率分配策略和协调控制方法，成功实现了储能系统中的功率优化分配。有些技术层优化直接针对优化直流微电网中的某些控制部件。文献 针对直流微电网中的 控制器，选取时间最短和二次性能最优为性能指标，设计了一种时间状态协调最优控制策略，并应用模糊控制方法，使得双向 控制器在 工作模式下既能平衡系统功率又能维持直流母线电压稳定。文献 针对直流微电网惯性较小以及不同光照条件下光伏系统调压能力不同的特点，设计了光伏并网逆变器的虚拟惯量控制和自适应下垂控制，以提高直流微电网电压的抗干扰能力，实现光伏并网变流器能够根据光照条件参与直流微电网的电压调节。文献 根据直流微电网中每个模块的特点，提出了一种应用固态变压器的直流微电网能源管理方案。文献 基于参数自适应反步方法设计了储能装置充放电控制器，较好地维持了母线电压的稳定，并快速准确地跟踪储能装置内部参数变化，提升了系统运行的灵活性。文献 设计了一个应用于直流微电网储能系统的双全桥式双向 变换器，采用非线性 控制技术与内外移相角联合控制相结合的控制方式，确保直流微电网的功率稳定，有效抑制了储能系统能量回流现象。文献 为了降低直流微电网母线电压的波动，提出基于自抗扰控制的双向 变换器控制策略，运用直流母线电压外环、电工技术系统解决方案直流变换器电感电流内环的控制方法，实现直流微电网与储能系统间的能量双向流动，提高了系统的可靠性。系统层优化系统优化指的是通过某种控制策略来优化整个系统内各个电源间的功率分配，使整个直流微电网达到运行最优。文献 提出一种基于最小使用成本及储能状态平衡的电氢混合储能孤岛直流微电网能量管理方法，在满足微电网电压稳定、功率平衡的基础上，结合使用成本最小算法及等效氢耗最小算法，对使用电氢混合储能消纳光伏产生的多余电能以及释放能量用于功率缺额等情景进行最小化储能系统使用成本及维持储能系统储能状态稳定的优化控制，从而完成直流微电网的能量管理。文献 基于混合储能系统的直流微电网提出了一种能源管理系统的多目标优化方法，将系统的运营和维护成本以及电源损失概率作为目标来优化直流微电网中所有分布式发电机输出的功率。文献 使用高斯过程预测和模型预测控制的能源管理系统方案，使直流微电网的运行成本达到最优。文献 将虚拟生成带入运行，用于可再生能源和储能系统直流微电网的有效电力管理，减小接口转换器的应力，调节系统总线电压，减少源的功率波动，最大限度地利用了源功率，并提高了系统稳定性。文献 基于一致性理论，提出了一种直流微电网复合储能协同控制方法，用于补偿系统不平衡功率，同时调节直流母线电压。技术层优化和系统层优化的特点（）技术层优化主要是应用智能控制算法最大化可再生能源发电效率，稳定直流母线电压，完成直流微电网中的功率分配，配合储能系统提高系统的可靠性。技术层优化过程中对通信依赖程度不高，所以动作速度较快。针对直流微电网中的物理层和设备层，可以通过技术层优化，保证直流微电网稳定运行。（）系统层优化主要优化对象是直流微电网中的系统层，通过对直流微电网系统层优化实现直流微电网功率分配，直流母线二次电压调节，在直流微电网多模式切换时保证直流微电网安全稳定运行。相应地，通过系统层优化来提高用户侧用户满意度，参考实时电价降低运营成本，在直流微电网系统稳定运行的前提下实现运行最优。这就意味着系统层的优化需要进行大量的信息搜集和处理，动作速度较慢。能量管理优化研究趋势考虑到可再生能源在直流微电网中的大规模应用、各种极限天气条件频发、储能技术不断提升等各种内在和外在因素的影响，单一的技术层和系统层优化难以实现直流微电网能量管理目标，因此优化趋势逐渐向综合技术层优化与系统层优化的优势发展，来提高直流微电网的可靠性与经济性。文献 基于超级电容器提出了一种涉及可持续能源和混合能源存储的微电网实时能源管理算法，来管理系统内的能量，以最大限度地减小脉冲负载对电力系统稳定性的影响。文献 为提高风储直流微电网用户侧用电的满意度，提出了一种计及可靠性、舒适性和经济性的能量管理协调控制策略，该控制策略结合模糊逻辑控制器，在分时电价基础上，针对联网自由、联网限流和孤岛种运行状态，制定了一系列以可靠性为主的多向性运行控制目标、约束条件和控制策略，从而提高了直流微电网的运行效率与直流微电网用户侧用电的满意度。文献 提出一种基于多种群萤火虫算法的车载燃料电池直流微电网能量管理优化方法，先以初始投资成本、设备运行成本和更换维护成本建立成本模型，然后设计一种融合多种群遗传算法与萤火虫算法的多种群萤火虫算法，合理分配各能量源的输出功率，并获得最低的系统运行成本。直流微电网未来的能量管理研究应根据实际情况，灵活选择优化技术，搭配适用的能量管理策略，确定优化目标，保证系统运行可靠性，实现能量管理的优化。结语直流微电网的能量管理研究是直流微电网技术发展的重要部分，需要算法优化、结构设计等多种技术配合，是各种先进技术发展下的突破。本文将直流微电网的能量管理技术划分为技术层优化和系统层优化，并分别从技术层优化和系统层优化的角度对直流微电网的能量管理进行了总结，最后给出了直流微网能量管理研究趋势。参考文献 周孝信，陈树勇，鲁宗相，等能源转型中我国新一代电力系统的技术特征中国电机工程学报，（）：，（）：张学，裴玮，邓卫，等多源多负荷直流微电网的能量管理和协调控制方法中国电机工程学报，（）：吴雄，王秀丽，刘世民，等微电网能量管理系统研究综述 电力自动化设备，（）：姜碧佳，叶远茂 直流微电网的控制技术综述 广东电力，（）：李霞林，郭力，王成山，等 直流微电网关键技术研究综述 中国电机工程学报，（）：王盼宝低压直流微电网运行控制与优化配置研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，苏海滨，卞晶晶，刘强，等 基于神经网络的光伏发电最大功率点跟踪算法 华北水利水电学院学报，（）：肖俊明，王东云，李燕斌，等 基于遗传算法的占空比扰动法系统解决方案电工技术 在 中的应用研究电力系统保护与控制，（）：卢智鹏，王宏华 基于 神经网络的 风力发电最大功率点跟踪研究 机械制造与自动化，（）：孙恺，刘光宇基于改进 算法的光伏发电系统 控制策略 传感器与微系统，（）：，（），：李云凤，雷勇，王进武，等 基于双重下垂控制的多储能直流微电网能量管理策略 高电压技术：吴当当，滕青芳，佐俊基于精确反馈线性化的直流微电网恒功率负载系统 稳定性研究 电源学报，（）：，（）：，（）：张学，裴玮，梅春晓，等含电氢复合储能系统的孤岛直流微电网模糊功率分配策略与协调控制方法高电压技术，（）：李鹏，李鑫明，陈安伟，等直流微电网 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