1. 引言

截至目前，作为可再生能源（RES）的统一和组织原则，“微电网”这一概念已经得到了广泛应用。基于EU社区研究和发展信息服务机构CORDIS给出的定义^[1]可知，“微电网”包括低压配电系统，其中具有分布式能源、存储设备以及可控负载，这种形式的架构能够以受控、协调方式与主电网相连通或孤立运行。如今已经建成的微电网包括：峰值功率为166kW的“Isle Of Eigg微电网”、峰值功率为370kW的“Mesa del Sol微电网”、峰值功率为1050 kW的“Hartley Bay微电网”以及峰值功率为63 MW的“Bornholm Island微电网 ”。

根据分布式电源和负载接入母线的不同，微电网可分为“交流微电网”和“直流微电网”。从本质上讲，所谓的“混合式微电网”就是由独立的“交流微电网”和“直流微电网”组成，它们通过不同功率转换器实现互联。受篇幅限制，本研究并未将“混合式微电网”纳入考虑之中。除此之外，基于主母线数量及其体系架构，该等“微电网”也可以分为单母线结构、多母线结构和可重构母线结构。需要指出的是，该等“微电网”都存在各自的优缺点。本研究将重点“描述”直流微电网的相关概念。

众所周知，接入微电网是风能、太阳能分布式发电（DG）^[2]的重要利用方式，但是可再生能源发电的间歇性和负荷需求的随机性所带来的影响给微电网功率平衡带来了新的挑战。其中，在这些挑战中，“如何做到始终与DG的负荷需求和可用电力相匹配”这一问题尤其受到人们的关注。因为如果这种问题无法得到解决，那么在电网中就可能出现较大的电压和电流波动，进而导致微电网的整体运行受到明显限制。

在某些情况下，对于能源供需失配问题，一种经济实惠的方法就是将微电网接入公用电网，并在公用电网之间进行功率交换。需要指出的是，受篇幅限制，本研究并未纳入与微电网并网控制相关的场景，而是重点针对直流微电网的“孤岛运行模式”^[3]及其电源管理与控制进行了相关描述和分析。

面对间歇发电相关问题，一种可行的解决方案是在微电网架构中并入“电池储能系统（BSS）” ^[4]，该系统能够在微电网“供小于求”的情况下为后者供电，并能够在“供大于求”的情况下临时储存DG产生的过剩功率，以维持微电网功率平衡。除此之外，如使用双向DC-DC功率转换器来连接BSS和主微电网母线，则可以在两侧实现电压和双向电流独立调节。如果BSS直接连接到微电网母线，那么两者电压就会耦合，电流就会简单地遵循“基尔霍夫定律”^[5]。

为达到所需额定电压和功率容量，BSS可由多个可采用并联和（或串联）布置的低电压电池组成。如果单纯采用串联设计，那么充放电过程可能会产生失衡电压，并且会导致电池之间所储能量之间存在差异。

需要指出的是，在荷电状态（SoC）下，该等差异会导致一些电池被过度充电或过度放电，进而会对电池产生负面影响，并导致其使用寿命显著缩短。而通过对单个电池之间的连接进行优化设计并使用电池管理系统（BMS）可以有效控制这种储能失衡问题。

BMS的主要功能是能够防止电池组在非安全状态下运行，除此之外，其还具有的功能包括状态监测、二次数据准备和报告、外部环境监测和控制（例如冷却或通风）。如图1所示，多电池组中并入的BMS包括负责与二级控制器进行数据通信的中央控制单元，并且该控制单元还能够从各电池组单元获取相应的电压信息。对于BMS而言，常见电池平衡原则为采用有源单个电池充电架构设计，或在每个电池上放置单独的电阻。其中，该第一种情况下，每个电池都均使用小型DC-DC转换器，这种转化器能够对电池组中每个电池的充电电流进行独立调节。而在第二种情况下，通过在每个电池上并联放置小值独立电阻，并且采用可连接或断开设计，可以有效实现电池组中的电池电压的均衡。

从上述描述可以看出，BSS可能较为复杂，并且对系统运行条件十分敏感。因此，以一种高效方式将BSS整合到微电网的DC电源均流控制算法当中具有十分重要的作用。最近在相关领域中，关于“直流微电网的功率均流控制”已经成为人们的一大研究热点。总体而言，其可以采用集中式、分散式和分布式设计。需要指出的是，一些控制方法需要使用低带宽或高带宽的通信链路，而另一些控制方法则需要利用电力线通信（PLC）在DG和BSS之间实现信息共享。而本研究所提出的控制架构输移一种“分散式控制架构”。在该架构下，该控制单元使用下行电流作为DG之间电流均流的隐式通信方法。除此之外，由于该方案是利用PLC算法来实现BSS充电控制，因此无需通信网络^[7]。

本研究余下部分结构如下所示，第二节介绍了集成BSS的直流微电网的控制方法、有源均流方法和下垂均流方法；第三节和第四节分别提出了微电网体系结构和BSS集成方案；第五节对BSS充电控制进行了仿真和实验验证；而第六节为结论部分。

2. 直流微电网控制问题及功率平衡

对于直流微电网而言，要想实现其经济且可靠地运行，就需要要求其控制模块能够有效控制^[8]与负荷分布和可再生能源发电相关的不确定性。从微电网的角度来看，功率控制的挑战之一对发电机组之间的电力双向流动的电势进行控制。这种在发电机组之间的电流循环可能会导致一些“不希望出现”电流流入DG或BSS的母线接口功率变流器。

除此之外，“需求负荷功率”与“可用负荷功率”之间的比率也会导致功率均匀控制变得更加困难。在荷电分布方面，突然变化和大幅变化可能会导致主节点电压发生显著波动，从而导致不适当的负荷供电电压出现，从而对负荷设备造成潜在损害。

若要解决上述问题，要求并入了BSS的直流微电网的控制模块具有以下功能：

l 功率平衡控制功能，意味着所有DG/BSS能够彼此协调，实现负载电流均流，从而将母线电压保持在所需范围内；

l 准确总线接口电源转换器输出功率控制功能，意味着所有DG/BSS转换器均能够正确跟踪其基准指标，其中电压、电流以及任何所需基准指标；

l 高效BSS集成算法，该算法能够进一步确保BSS能够在其安全运行区域内运行，防止电池过充/过放以及输入/输出电流受限。

l 并入微电网的系统具有令人满意的鲁棒性和灵活性，以便在一个或多个DG/BSS接通或断开的情况下继续正常运行。

下一节将概述并入了BSS的微电网的功率平衡策略。首先本研究介绍了相应的有源均流方法，然后介绍了基于“下垂特性（droop）”的控制模型。

2.1. 有源均流法

所谓有源均流控制，其可与各个DG和BSS就其各自的输出基准进行通信，以实现可用功率和所需功率之间的平衡。根据DG接收信息源的不同，有源均流策略可分为集中式、主从式和分布式有源均流控制策略。由于每个DG和BSS都需要在其输出上实时输入信息以实现有效功率均流，因此通信带宽必须相对较快，并需要将延迟时间降至最低。

（1）中央控制器：在集中控制策略中，中央控制器为能够处理单元，该中央控制器能够对所有DG和BSS的输出基准分别进行计算。中央控制器能够从微电网母线、负荷以及参与的DG和BSS收集所有所需信息。在直流微电网中，该等信息可以包括但不限于：需求负载功率、母线电压和电流幅值、DG最大可用功率，以及用于管理高效充电和放电的有源BSS的SoC。随后可以通过通信链路发送为每个参与者计算的单独输出基准数据。

（2）主从控制：与上述集中式控制方案相同，主从控制方案是使用通信链路在DG和BSS之间共享数据。与上述集中式控制方案中的中央控制器不同，主从控制方案是使用一个或多个DG或BSS充当主控制器，而其他DG或BSS作为从控制器以从指定主控制器接收基准信号。其中该等主控制器可以包括与前面讨论的体系架构中的中央控制器相同的所有控制能力。但是，需要指出的是，该等类型的微电网控制体系架构可以在一定程度上避免独立式主控制单元作为单点故障。如果在控制概念中进行设计，微电网中不同的DG可以取代发生故障的DG，进而发挥主控制器作用。

（3）分布式控制：在分布式multi-agent连接方案中，借助跨越微电网的通信网络，所有DG和BSS均可以根据功率分配优化控制算法确定各自基准。作为multi-agent模型的假设之一，DG和BSS的转换器充当自由市场上的“agent”，并根据“邻居（相邻节点）”之间的可用信息将可用电能“交易”到公共微电网母线之中。

尽管有源功率均流控制原则可以实现良好的功率均流调控，但这种模式需要严重依赖于通信例程质量。相关研究显示，基于该等通信的微电网中的延迟可能会导致系统出现失稳。为避免DG和BSS之间对高带宽通信的依赖，基于“下垂”的控制方法在直流微电网中较为常见。下一章详细介绍了可应用于并入BSS的直流微电网之中的“下垂”控制原理^[9]。

2.2. 基于下垂控制的电流均流技术

适用于直流微电网的下垂控制模型起源于交流公用电网，一般一般使用该模式来对同步发电机的输出功率进行控制。在微电网规模的下垂控制模型中，DG和BSS输出大多基于从微电网母线获得的局部可用信息。对于功率均流可能需要的其他所需信息，可通过较低带宽的通信网络进行交换。

(1) 直流微电网下垂控制：为调节功率输出，DG或BSS输出电压可根据输出电流成比例地增加或降低。因此，第n个DG或BSS的输出电压基准可以为：

其中，为额定电压；为输出电流；以及为下垂增益。

然而，当线路中存在电阻时，由于DG之间互联线路在电压压降方面存在不均匀问题，因此功率分布也会缺乏准确度。随着上述电阻的不断增加，该等下垂控制的控制性能就会发生更大程度的劣化。除此之外，下垂控制还需要节点电压恢复方法，当负载功率消耗增加微电网中所有DG的最大可用功率时，就需要防止母线电压“下垂”至最小阈值以下。

尽管相关研究已经证实，在实现DG间分布式功率均流方面，下垂控制是一个可用的方法，但是这种控制策略需要额外的控制级别补充，以实现其运行最佳化。需要指出的是，直流微电机的下垂控制系统具有层次化的特点，其中每个控制级别均具有不同的时间尺度控制目标，且各控制级别之间能够通过通信链路实现必要的信息共享。

（2）BSS到droop的集成：需要指出的是，以一种高效方式将BSS“融于”微电网“下垂”控制架构并不会一件易事。根据BSS单元的数量，这种集成策略可以分为以下两大类，第一类为具有单个BSS单元的微电网，第二类为具有多个BSS单元的微电网。

在直流微电网中仅有一个BSS单元的情况下，保持其SoC在安全范围内，避免过充和深放电非常重要。为估计SoC，BMS将电池单元的输入和输出电流作为时间的函数进行测量。除此之外，DC母线电压的运行范围可映射到BSS的SoC范围上（如图1所示），其中BSS基准电压可表示为以下形式：

图1 基于SoC的下垂曲线

为在下垂控制下以高效方式实现多个BSS单元的并行运行，对不同BSS单元的SoC进行均衡非常重要。需要防止具有低SoC的BSS单元运行至深放电状态，或防止具有高SoC的BSS单元运行至过充电状态。在充电运行模式下，能够满足SoC平衡要求的一种方法是将“下垂”系数设置为：

其中，为=100%时充电过程的“下垂系数”，n是SoC的指数曲线，其涉及SoC平衡速度的调控。

下一节，本研究将介绍本研究所提微电网体系架构中的功率平衡控制，尤其需要注意BSS放电和充电的组织原则。

3. 微电网体系架构

本研究提出了一种新型微电网分布式功率调控方法，该方案的主要目标是采用分散控制策略[10]，其中，该策略能够仅仅利用局部信息并使用DG和BSS之间的通信，以约定和公平方式向微电网负荷提供所需电流。

如图2所示，所有DG和BSS通过逆变器彼此并联连接到公共DC母线上。其中，每个逆变器控制器至少会被提供两个测量值，它们分别为连接点的母线电压的测量值（其中，n=1...N），以及对下游电流的测量（如图3所示，紧靠上述连接点的右侧）。并且该等逆变器连接在小尺寸微电网中非常实用。

图2 直流微电网体系架构

每个DG逆变器的传递函数由下式给出：

其中，为输出电流，是第n个DG逆变器右侧下游电流的测量值。

在本研究所提概念中，DG逆变器在总负载电流中的约定和公平共享由给定，其中。除此之外，还可以定义DG逆变器n相对于下游电流的共享。通过比较可以看出和定义之间的差异：

其中，为DG逆变器额定值。

例如，在存在4个相同DG逆变器的情况下，每个逆变器在总负载电流中提供相等共享。然后，根据公式（5）可知，位于最右边的逆变器DG提供其下行电流的；逆变器DG2提供；逆变器DG3提供；以及逆变器DG4（DG的最左边）提供，或其测量的整个下行电流。

由于DG逆变器使用下游电流测量作为其基准，并且下游电流由测量点左侧的DG逆变器的输出电流相加形成，因此，在一般情况下，对单个DG逆变器的控制不是解耦控制。在本研究所提概念中，本研究选择每个DG的单个控制增益：（a）单个DG逆变器的控制是完全解耦控制；以及（b）所有DG逆变器的动态响应均相同，其中不需要考虑其大小和电流容量。

从本质上看，通过选择，位于最右侧的DG逆变器的动态被左边的下一个DG逆变器复制，然后其也被左边的下一个逆变器复制，以此类推。因此，来自所有DG逆变器的组合电流可通过以下方式给出：

其中，为每个DG提供的电流。

4. BSS和微电网的整合

4.1. BSS放电控制

在本研究提出的微电网控制体系架构中，BSS放电控制是一个重要的组成部分。该电池所提供的电流能够有效密度负载需求和DG提供的电流之间的差距。这一目标可通过将“BSS逆变器”作为“高带宽电网形成转换器”来实现，其中，“BSS逆变器”能够将微电网电压保持在所需水平。由于公式（6）中描述的DG逆变器的组合起到滞后元件的作用，因此可以看出，DG逆变器并不具有立即响应负荷需求的快速变化的能力。而位于最左侧的BSS逆变器则具备快速响应的能力。该等BSS逆变器能够有效弥补负载电流需求与DG逆变器提供的总电流之间的瞬时差异。因此，BSS逆变器相对于负载电流的期望动态可从公式（6）中导出，其形式如下所示：

需要指出的是，如果DG逆变器能够提供全部稳态负载需求，则BSS逆变器仅提供暂态电流。

除此之外，在DG逆变器没有足够功率的情况下，BSS逆变器也可以参与稳态功率均流。根据DG逆变器的总电流容量，由压控BSS逆变器提供的电流IBSS必须满足以下条件：

4.2. BSS充电控制

由于在正常情况下，BSS只负责释放和储存微电网中的暂态电流，因此其净放电电流接近零。如果BSS以有源方式参与稳态负载均流，那么其SoC可以降至预定充电阈值以下。之后，BSS充电可以通过两种方式进行，分别为可变电流充电和恒定电流充电。

（1）可变充电电流：在的情况下（即在DG侧存在额外电流时），可以执行BSS充电。因此，当时，DG逆变器在总负载电流中的总份额大于可提供给微电网母线的额外电流值的单位。这种情况将导致微电网中的电压上升，然而，由于BSS逆变器工作在具有恒定基准电压的电压控制回路下，因此由DG提供的额外电流将被BSS储存：

相应地，每个DG的单独控制增益必须根据下游电流中的新电流共享来调整。例如，在2个完全相同的DG逆变器的情况下，BSS充电，其中每个逆变器在总负载电流中提供相等共享。BSS充电电流将等于。然后，根据公式（5）可知，位于最右侧的逆变器DG提供其下行电流的；而位于最左侧的DG逆变器提供，或其测量的整个下行电流。对这种情况的模拟结果如图4所示。

图3 BSS变流充电

(2) 恒定充电电流：需要注意的是，在上述示例中，BSS充电电流值与负载电流成正比。然而，如果需要以恒定电流对BSS进行充电，则可以将其添加到下游电流的共享中，作为应通过其测量的电流来表示并相应地导出的恒定。因此，基准DG电流将为：

在这种情况下，当执行BSS充电时，每个指定的逆变器可以将指定电流值添加到其输出基准上。例如，对于两个平均均流负载DG ，如果需要BSS的充电电流总计为2 A，其中DG1应贡献30%（0.6 A），DG2应贡献70%（1.4 A）。那么，负载电流中的各个份额将是，，并且，。相应的，该模拟结果如图6所示。

4.3. 用于母线信号传导的PLC

为能够命令DG向微电网母线输出额外电能，为开始对BSS充电，使用一种谐波电力线通信（HPLC）算法。为此，反馈量子调制器（FBQM）可用作BSS和DG逆变器的调制方案。低通和带通滤波器的组合允许通过FBQM构架对所选通信频率进行整形。通过该方式，上游立式DG逆变器能够向下游立式DG逆变器发送信息。需要指出的是，该等总线信令传导方法无需独立通信链路，并且可由BSS控制DG逆变器对电池进行充电。

5. BSS充电控制验证

为验证本研究所涉及BSS充电控制的可行性，本研究进行了一系列仿真研究，并基于实验室规模微电网对其进行了验证。基于前人工作可知，具有任意数量的DG和BSS的微网体系结构可使用一个等价的BSS 和DG单元进行表示。除此之外，证实了恒流负载、恒阻抗负载以及恒功率负载下的稳定性。因此，为简化本研究的模拟，在本研究中，微电网包括1个BSS和2个DG单元（用于馈电恒流负载）。

本研究首先提出了一种可变充电电流模型。在图3中，两个DG中的每一个DG都共享相同比例的负载电流，并等于提供的BSS充电电流（以负载电流的百分比进行表示）。负荷电流份额为每DG 50%，BSS充电电流份额为每DG 10%。在负载从5A阶跃到10A之前（0.5秒），BSS充电电流等于1A，而在它之后是2A（相当于负载电流的20%）。需要注意到，DG具有相同动态，不存在超调或不稳定问题。

其次，本研究给出了一个恒定充电电流模型。图4显示了两个DG中的每一个DG分别分担50%和50%负载电流的情况。在这种情况下，BSS充电电流为恒定电流，与负载电流无关，等于每DG 1 A。从图中可以看出，负载阶跃前后（0.5秒）的BSS充电电流值相等，DG具有相同动态特性，且不存在明显不稳定性^[11]。

图4 BSS恒流充电

图5中的模拟结果显示了在DG之间不均匀地分配的恒定BSS充电电流。其中，BSS充电电流值固定在2 A，DG1和DG2分别分享30%和70%。同时，负载电流由上述两个DG按50：50的比例均匀供应。

图5 BSS变流充电

最后，本研究在实验室规模的微电网上进行了实验，以验证所提出BSS充电概念的正确性。该微电网由1个BSS和2个DG组成，图6显示BSS充电采用可变电流，而DG按50/50的比例平均分享负载和BSS充电电流。从图中可以看出，在负载阶跃之后，在大约1秒的时间内；流入BSS的电流成比例地增加，DG的暂态动态相似。

图6 实验结果：BSS变流充电

6. 结论

本研究首先针对“融入”电池储能系统（BSS）的直流微电网中的“电源均流”概念进行了概述。

除此之外，本研究阐述了功率分享的原理和控制结构。为补充所述接受，本研究针对BSS充放电算法进行了分析。且相应的仿真结果和实验结果均证实了所提微电网电源均流控制中进行电池高效集成的可行性。

参考文献

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[9] 计及蓄电池寿命的风光储微网系统能量优化管理[J]. 陈丽雪;房方.现代电力,2018(03)；

[10] 基于智能负荷控制的分布式能源系统调控策略研究[J].郭新志；刘英新；李秋燕；郭勇；王利利.智慧电力，2022,50（03）；

[11] 分布式电池电源模块储能系统的荷电状态均衡控制[J]. 续丹;毛景禄;王斌;周佳辉.西安交通大学学报,2019。

作者简介：李德明，硕士，讲师，主要研究方向为测量仪器和智能化电子产品的设计等。

作者简介：罗红飞，硕士，讲师，主要研究方向为智能化电子产品的软件设计等。