0引言
近年来，直流微电网的研究和发展获得国内外众多知名高校、大型企业、相关研究机构的广泛关注。
以高校为例，日本东京工业大学、大阪大学等在2004年提出了一种双极结构的直流微电网系统结构。
2007年美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究计划，主要为未来住宅和楼宇提供电力。
自2008年以来，欧盟开展一项名为UNIFLEX (Universal and Flexible Power Management)的研究项目，研究通过新型功率变换技术适应未来有大量分布式电源接入的欧洲电网的功率流动管理。
2011年美国北卡罗来纳大学提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系统结构，以直流供电为基础用于构建未来自动灵活的可再生能源传输和管理网络。在中国，直流微电网的研究刚刚起步。
由深圳供电局承担的国家863项目“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”于2013年正式启动，目前研究重点集中在以直流微电网为核心的低压直流配电网方面。
由浙江省电力公司承担的国家863项目“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”于2015年正式启动，项目主要围绕高密度分布式可再生能源接入，重点攻克交直流混合微电网系统的网架配置优化、稳定控制等理论与技术难点。
完善的稳定控制策略是直流微电网在复杂运行条件下安全稳定运行的重要保障，同时也是上层(即能量管理和优化调度层)各种运行优化策略的唯一实施途径。本文结合未来直流微电网发展趋势，对直流微电网母线电压控制、多源协调控制、运行模式切换及稳定性问题等直流微电网稳定控制关键技术进行了全面分析和总结。
1直流微电网稳定控制面临的关键问题
1.1直流微电网拓扑结构
图1为适用于未来智能家庭、商业楼宇，以及工业园区的直流微电网结构示意图，图中分布式电源、储能单元及负荷均通过相应DC-DC或DC-AC变流器接入直流母线，部分直流负荷可直接接入相应电压等级直流母线，若直流微电网可与大电网互联，则通常通过双向DC-AC变流器接入交流电网。随着直流微电网容量和规模的不断增大，受地域因素、供用电主体及功能性差异等影响，一定区域内将可能形成多个直流微电网。为了能进一步提高系统供电可靠性和可再生能源发电能效，多个邻近微电网将可能形成多微电网系统，构成直流微电网群。多个直流微电网以集群的形式互联和运行，各子微电网间通过群能量调度与群协调控制实现相互支撑控制。
1.2直流微电网稳定控制面临的关键问题
针对图1，未来复杂直流微电网的稳定控制将主要面临如下挑战：
1)母线电压控制问题。直流微电网内大量分散式的可再生能源发电单元、负荷等具有明显的随机波动性，这类波动功率尤其是短时功率冲击将可能对直流母线电压造成冲击，若不采取合适的控制措施极易导致整个直流微电网系统的崩溃。
2)多源协调控制问题。随着直流微电网规模的不断扩大，为保证系统的可靠性，直流微电网内多个DC-AC双向变流器、分布式储能单元、可控型分布式电源，甚至风、光等分布式随机间歇性电源，均有可能作为主电源主动参与直流母线电压调节，如何实现多源高可靠性和经济性的协调稳定控制将是直流微电网稳定控制研究的难点。
3)多运行模式切换问题。通常直流微电网有3种工作模式：①联网运行模式：即交流电网正常情况下，由交直流双向变流器控制直流母线电压恒定;②联网限流模式：当交流电网和直流系统之间的交换功率超过交直流双向变流器的最大功率，或交流电网发生故障导致交流母线电压跌落，从而使双向变流器输出功率受限时，系统进入联网限流模式;③独立运行模式：直流系统彻底断开与交流电网的连接，由直流系统内分布式电源或储能单元控制直流母线电压。如何利用较少的信息和低带宽通信，实现直流系统直流母线电压控制模式的平滑切换，是研究的重点。
4)稳定性问题。用户侧大量分布式接入的可再生能源发电单元、电动汽车等负荷，均通过DC-DC等变流器接入直流微电网，具有明显的恒功率负荷特性，且构成了多变流器接入环境，其随机性波动功率不仅会给直流母线电压带来冲击，还极易诱发系统谐振，影响直流微电网稳定性。
以下将从上述4个方面对直流微电网稳定控制研究现状进行综述。
2直流微电网稳定控制研究现状
2.1母线电压控制
依据直流母线电压稳定控制方式不同，直流微电网可分为主从控制模式和对等控制模式。在主从控制模式下，直流微电网内通常只有一个单元来控制直流母线电压，见图2(a)。直流微电网主从控制模式中控制直流母线电压的单元称为主控制单元，系统稳定性、可靠性完全依赖于该控制单元，该单元一旦出现故障，将有可能导致直流系统崩溃，因此主从控制模式可靠性较差。
通常主从控制结构更适用于简单直流微电网，为解决复杂直流微电网母线电压控制中对单一主控制单元的依赖，可以采用基于下垂和对等控制方式的多主控制单元结构，见图2(b)。这些参与直流母线电压控制的单元均称为主控制单元，在控制上具有对等的地位，通常选择P - Udc下垂控制方法来实现对等控制策略。每个主控制单元均只依赖于自身的输出功率和本地直流电压等信息进行控制，共同承担直流微电网内分布式电源输出功率波动或负荷扰动。与主从控制模式相比，在对等控制模式中采用下垂控制的交直流变流器接口或分布式电源可以自动参与输出功率的分配，易于即插即用。
以上从直流微电网系统级控制层面分析了主从控制和对等控制2种直流微电网母线电压控制策略。不管采用何种控制策略，直流微电网内分布式电源输出功率波动或负荷的扰动均由直流母线电压控制单元来平衡。在系统遭遇大扰动冲击下，有可能导致直流母线电压过压或欠压保护动作，因此对直流母线电压控制单元来说，具备强鲁棒性和抗扰能力的直流母线电压控制策略对于直流微电网的稳定运行及直流负载供电质量的保证十分关键。为提高抗扰能力和动态响应，基于扰动电流或功率前馈的直流母线电压/电流双环控制方法得到广泛应用。为消除基于公共直流母线的光/储直流微电网内暂态下直流母线电压冲击和波动，文献[14-15]提出基于稳态功率平衡和动态一阶微分环节相结合的前馈补偿方法。当主电源变流器采用电流或功率扰动前馈控制进行直流母线电压控制时，如果需要通过额外的电流传感器实时获取系统中的扰动功率信息，则不利于直流微电网内分布式电源或负荷的扩展和即插即用。如何快速跟踪直流侧各分布式电源的输出功率突变等冲击或扰动信息，成为直流母线电压控制的关键。为解决上述问题，文献[10-11]提出基于现今值状态观测器的测量方法来设计最小拍观测器，对扰动电流进行虚拟测量。但上述观测方法基于纯微分操作，对高频干扰信号敏感。文献[16]设计出一种非线性干扰观测器，能够利用本地直流母线电压及主电源变流器瞬时输出功率信息，实现对直流母线上功率扰动的快速跟踪，在此基础上采用前馈控制能够同时提高直流母线电压控制系统的稳定裕度和动态响应。
直流微电网母线电压控制是直流微电网稳定运行的基础，在对等控制模式下，上述文献所提出的抑制直流母线电压冲击的控制方法是否仍然有效，均未进行深入研究和探讨。
2.2直流微电网多源协调控制
图2(b)所示直流微电网，尽管采用对等和下垂控制方式，仍将面临如下主要问题，下面以图3所示简单直流微电网为例进行分析和说明。
图3(a)所示为简单的两机并联带负荷运行示意图，两分布式电源均采用电压—功率下垂控制方式;
图3(b)所示为两分布式电源的下垂控制特性曲线，设定下垂曲线①和②分别为变流器1和变流器2下垂控制特性曲线，即两变流器理论上应该按照这两条曲线设定的方式共同承担直流微电网内负荷消耗。如果在不考虑线路阻抗因素影响的情况下，两变流器输出的最终稳态运行点分别为A点和B点，满足P1a+P2b=Po，且直流母线电压(两变流器输出电压与负荷侧直流母线电压均相同)稳定在U 1a=U 2b。如果考虑线路阻抗因素，则两变流器的实际运行特性曲线有可能分别变化为③和④，在负荷功率消耗不变的情况下，两变流器输出的最终稳态运行点分别偏移至C点和D点。
综上分析可知：
①由于下垂特性，直流系统内母线电压随系统内运行状态变化而变化，会对直流系统内的负荷供电电能质量造成一定的影响，如果考虑线路阻抗因素，直流母线电压稳态偏差更大;
②本应按照理想的下垂设定曲线进行功率分配，但实际中如果考虑线路阻抗因素影响，各单元输出功率分配会受到影响，严重情况下会导致某些单元输出重载或过载，威胁系统稳定运行。
为解决上述问题，国内外学者们引入适用于直流微电网的协调控制策略。不失一般性，本文将用图4～图6所示的直流微电网示意图来说明和分析问题，直流微电网中主控制单元(如交直流接口DC-AC双向变流器、储能单元或可控型分布式电源等)简化成多个分布式电源变流器，其余部分简化成本地负荷，直流微电网中包含多段直流母线，且通过线路阻抗相连。目前，对于直流微电网的多源协调控制策略的研究主要可以分为以下3类。
2.2.1 集中通信控制
在直流微电网多源协调控制中包含一个微电网中央控制器(MGCC)，检测直流母线电压以及参与直流母线电压调节的各单元输出功率，然后进行相应的电压恢复和均流控制，通过集中的低带宽通信网络与参与下垂控制的各分布式电源或交直流接口变流器的直流母线电压控制系统进行通信，调整其下垂曲线设定点等控制参数，来实现相应控制目的，见图4。这种控制手段的最大缺陷就是如果直流微电网二次集中控制器出现故障，直流微电网将无法实现协调控制功能。
2.2.2 集中通信与分布式控制
为解决集中式二次控制所带来的问题，Josep等人提出图5所示的集中通信与分布式控制的协调控制策略。该方法中，进行二次协调的控制器嵌入至各单元的本地控制系统当中，而不是由图4所示的集中控制器来进行控制。各分布式电源控制系统从低带宽通信网络接收到的信息不再类似由集中控制器下发的控制调整参考指令，而是直流微电网内其余各分布式电源出口电压、输出功率等信息。虽然协调控制同样依赖于全局通信，但协调控制算法在分布式电源或储能单元的本地控制系统当中执行，因此相比于集中控制系统结构，该方法的可靠性将得到提高。
上述研究中提出的协调控制策略，每个参与直流母线电压控制的分布式电源的二次控制系统均需要接收到直流微电网内其余各分布式电源的输出电压、电流信息，即需要全局通信。即在直流微电网第二层控制中，每个分布式电源变流器的二次控制器均需要从其他变流器控制系统中获取相关数据信息，以便进行相关二次控制算法，为一次直流母线电压控制系统提供参考量。该方法对通信网络的可靠性要求较高，且随着直流微电网规模增大，通信网络的压力也会增加，可能会影响二次协调控制性能。
2.2.3 分布式协同控制
分布式协同控制(distributed coordination control)，是指自主控制单元凭借自身或者邻近单元信息，更新自身状态，从而共同完成更为复杂的任务。受此启发，文献[23-25]进行了基于分布式协同控制框架的直流微电网电压恢复和均流控制策略研究，每个分布式电源均只与邻近节点通信，其基本控制框架见图6。上述文献提出基于动态一致性算法(distributed consensus algorithms)，其思想是每个节点均只与邻近节点进行数据传输，然后基于这些信息进行分布式协同控制，最后实现全局趋近控制目标。
分布式协同控制已经成为控制理论方面一个重要的研究领域，且已应用到许多领域，如群集、聚集、蜂拥、编队控制、分布式传感网络、通信网络的用塞控制、无人驾驶航空器的协同控制及姿态协调等。在未来复杂直流电网多源协调控制中，分布式协同控制策略不仅具有重要的科学价值和学术意义，也具有一定的实际推广和应用前景。分布式协同控制在直流微电网协调控制中的研究才刚刚起步，还有很多问题需要进行深入研究和探讨，从目前出版的文献和报道来看，国内尚未开展相关方面的研究。因此，亟需深入研究能适用于未来直流微电网稳定运行控制需求的分布式协同控制理论体系。
2.3直流微电网运行模式切换
上述分析中指出直流微电网存在多种运行模式：联网运行、限流运行以及独立运行。如何实现多种运行模式平滑切换，也是直流微电网稳定控制研究的重点之一。
目前，直流微电网多运行模式切换主要可采用集中式控制和分布式控制2种策略。其中，在集中式控制结构中，直流微电网通过中央控制器，依靠高速通信实时收集底层各设备运行数据和运行状态并实时下发相应控制指令或运行模式切换控制指令。这种控制结构对中央控制器和集中通信的要求较高，一旦二者中某个环节出现故障都会导致直流微电网无法实现协调控制，严重时将导致系统崩溃，因此该控制结构会降低直流微电网的供电可靠性和系统可扩展性。
分布式控制结构中通常无需依靠设备之间的通信，只需要利用本地的信息就能实现设备的自我控制和自我管理。直流母线电压作为反映直流微电网系统功率平衡的唯一指标，常被作为系统的公共信号来实现直流微电网内不同单元之间的输出功率协调控制。上述文献均提出以直流母线电压为控制信号的直流微电网能量管理和协调策略，主要思想是通过检测直流微电网母线电压的变化量来决定系统中各接口变流器的工作模式(见图7)，无需相互通信，使直流微电网具备“即插即用”功能。
上述文献中提出的基于公共直流母线电压变化信号的直流微电网运行模式切换控制方法，各单元控制系统需要在功率控制模式和电压控制模式之间进行切换，往往需要增加参考补偿才能保证控制系统和运行状态平滑切换;而且由于预先设置好下垂控制曲线，无法实时动态调整多个功率平衡单元(尤其是储能单元)之间的功率合理分配。
2.4直流微电网稳定性问题
直流微电网的稳定性问题一直是关注的重点。近年来，国内外许多学者已经从不同方面对直流微电网的稳定性课题展开了深入的研究。直流微电网的稳定性问题主要可以分为以下2类。
1)由变流器负载(即恒功率负荷)与弱阻尼LC滤波器之间级联所引起的高频振荡。
直流微电网中，大量分布式接入的可再生能源发电单元、电动汽车等负荷，为了提高其输出功率或充放电功率控制灵活性及满足不同直流电压等级需求，一般通过变流器接入，具有明显的恒功率负荷特性，且构成了多变流器接入环境。为保证负载变换器稳定工作，同时减少电磁干扰噪声，通常在负载变换器的前级都会加入输入滤波器，其基本结构见图8。恒功率负荷表现出负阻抗特性，会减小系统阻尼，当系统中恒功率负荷变化时，其与弱阻尼LC滤波器之间相互影响，容易引起谐振。文献[37]研究指出直流微电网中多电力电子变流器环境以及恒功率负荷呈现的负阻抗特性易降低系统阻尼，诱发系统谐振，且谐振频率会随着负荷或分布式电源的接入容量、位置或数量的变化而发生变化，会给系统的稳定运行带来不利影响，对系统的谐振抑制和阻尼控制等是一大挑战。
2)由下垂控制参数选择不当引发的低频振荡。
上述研究讨论的均是由恒功率负荷及弱阻尼LC滤波环节之间相互影响引起的高频振荡失稳现象。为提高系统供电可靠性和满足分布式电源、储能或交直流系统接口变流器的即插即用要求，直流配电网或直流微电网正常运行时通常采用基于下垂控制方式的直流母线电压控制策略。
文献[38-39]对基于下垂控制方法的直流微电网稳定性问题进行了深入研究。文献[38]忽略直流母线电压控制及直流母线电容的动态响应，对系统内恒功率负荷建模进行化简，基于节点电压方程建模方法，建立了用于分析下垂控制参数对系统稳定性影响的直流微电网降阶数学模型，分析了线路阻抗参数、下垂控制参数与系统稳定性的关系，在此基础上得出了满足系统稳定的充分条件，有利于对直流微电网下垂控制参数选择进行指导，理论分析和实验结果表明本文所提出的简化建模方法能够有效分析由下垂控制参数选择不当引发的低频振荡失稳现象。
文献[39]针对图9所示的包含下垂控制直流电源、恒功率负荷、线性负荷、MPPT控制的分布式电源，以及基于公共直流母线的直流微电网，建立了忽略直流母线电压环动态响应的二阶简化电路模型。基于该模型，详细分析了在满足系统稳定的前提下，下垂控制参数、直流母线电容、线性负荷及恒功率负荷的充要关系，有利于指导直流微电网运行。
在直流微电网稳定性问题研究中，大部分学者主要关注恒功率负荷引起的稳定性问题，对于由多变流器环境导致的直流微电网失稳机理和谐振抑制措施尚缺乏深入研究。
3直流微电网稳定控制研究展望
3.1直流微电网稳定控制研究展望
3.1.1 电压平衡器的应用
在未来直流微电网中，为进一步提高直流供电系统利用率和供电灵活性，以适应不同电压等级分布式电源、储能及负荷接入，可采用双极性三线制供电结构。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供电系统主要有图10(a)、图10(b)2种。图10(a)中，直流系统与交流系统互联端口采用2个相同容量的双向DC-AC变流器[见图a)]，或者直流系统中2个储能单元通过DC-DC变流器[见图b)]，二者共一极直流母线，直流系统内部形成2个独立供电回路，该结构主要用于HVDC(高压直流输电)系统中，用于提高输电系统可靠性;图10(b)中，通过直流母线电压平衡器或直流母线电容中点引出中线，该结构常用于LVDC(低压直流供电)系统中。
在图10所示三线制直流微电网结构中，基于电压平衡器的拓扑优势更明显：
①图10(a)所示结构本质上为2个相互独立的直流供电回路，从理论上说可靠性最高，但需要2套变流器，成本更高;
②直接从电容中线引出直流中线，在正负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，则无法保证直流正负母线电压平衡，而采用电压平衡器后则能有效解决该问题。
在未来含电压平衡器的双极三线制直流微电网结构中，直流母线电压控制与电压平衡器之间的协调控制和相互影响将是值得研究的方向之一。
3.1.2 隔离型双向DC-DC变流器的应用
对于图1所示复杂直流微电网(或多直流微电网、直流微电网群)，如何进行互联及相互支撑控制将是决定其是否能高效可靠运行的关键因素之一。按传统思路，通常可以采用联络开关(如直流断路器等)用于直流微电网之间的互联，优势是成本低、联络线开关损耗小。为实现多直流微电网之间可靠互联、电气隔离及灵活支撑等功能，可采用隔离型双向全桥DC-DC变流器(DAB)代替普通联络开关，作为多直流微电网之间的互联装置，见图11(a)。一类典型隔离型双向DC-DC变流器拓扑结构见图11(b)，该隔离型双向DC-DC变流器的优点是：①高频变压器一方面通过电气隔离使系统获得更高的可靠性，另一方面取代了传统的工频变压器，降低了系统的尺寸和重量，提高了功率密度;②高频隔离变压器一/二次变比根据互联直流微电网电压等级可灵活选择;③能量能够双向流动，控制方式灵活。DAB的引入将彻底改变直流微电网群的供电方式，避免普通联络开关所带来的安全隐患，可极大提高直流微电网群相互支撑控制的实时性与快速性。
在未来含隔离型双向DC-DC变流器的复杂直流微电网或直流微电网群结构中，多直流微电网互联及相互支撑控制将是值得研究的方向之一。
3.2天津大学智能直流配用电实验平台
3.2.1 实验平台描述
为构建未来更为安全、高效的智能直流微电网提供理论和技术支撑，天津大学已建成图12所示智能直流配用电实验平台，该平台可满足验证直流微电网稳定控制技术、交直流相互支撑、能量管理、电能质量综合治理技术、故障快速保护技术及其他各种高级应用的需要。
图12所示的智能直流配用电实验平台主要特点如下：
1)该系统为多端环状结构，直流配用电系统通过两端双向DC-AC变流器与交流电网互联，交/直流系统之间允许存在能量双向流动以相互支撑;
2)每个交直流接口双向DC-AC变流器经电压平衡器后接入双极三线制直流配用电系统，直流母线电压等级正负极间电压为400V;
3)系统中共含有6段直流母线，母线2与母线3，母线5和母线6之间均通过隔离型双向DC-DC变流器作为互联装置，从而实现环状直流微电网柔性互联，其余母线均通过模拟线路相连;
4)每段直流母线均含有5个分布式电源或负荷接入点，可根据实际需求灵活选择分布式电源或负荷等的接入位置，当前直流微电网内含有模拟光伏和模拟储能，均由直流源模拟电源进行模拟，模拟电源和负荷均通过相应DC-DC变流器接入直流微电网内。
图13所示为智能直流微电网实验平台的硬件组成部分，包括相应直流母线、线路、模拟电源及相应分布式电源变流器等装置。基于该平台，可对直流微电网母线电压控制、多源协调控制、多运行模式切换及直流微电网稳定性问题、电压平衡及多直流微电网相互支撑控制等关键技术进行验证，可对电压平衡器、隔离型双向DC-DC变流器、交直流双向DC-AC变流器等直流微电网关键装置进行功能测试。
3.2.2 相关实验验证
1)直流母线电压控制。
直流微电网为直流负荷供电，模拟光伏出力保持在2.5kW左右，暂态情况为模拟电池储能系统通过DC-DC电路从待机模式切换为35A放电控制，由双向DC-AC变流器控制直流母线电压，分别采用常规控制和基于非线性干扰观测器的直流母线电压控制，实验波形见图14(a)、图14(b)。
常规控制方式下，模拟储能单元从待机切换至30A放电控制，使直流母线电压冲击至787V左右，极易造成直流微电网过压保护动作，不利于系统稳定运行，且恢复至750V额定参考值的时间大约为0.2s。在采用基于非线性干扰观测器的直流母线电压控制后，直流母线电压波动最大值降低至755V，减少了32V，且调节时间缩短至30ms左右。
2)多源协调控制。
直流微电网内2台交直流双向DC-AC均采用基于下垂控制方式的直流母线电压控制策略，暂态情况为直流模拟电源通过DC-DC变流器从输出800W突变至200W放电。图15(a)所示为DC-DC输出为800W时的稳态波形，从图中可以看出2台DC-AC变流器均流效果良好。图15
(b)所示为DC-DC输出800W突变至200W时的暂态波形，从图中可以看出2台DC-AC变流器在暂态过程中的均流效果和直流母线电压控制效果良好。图15所示实验结果表明下垂控制策略在直流微电网多源协调控制中具有良好的应用前景。
3)电压平衡器应用。
直流微电网内正负极间接入不平衡负荷，若不投入电压平衡器，直流母线正—零极和负—零极电压将可能出现严重不平衡，见图16。在
t0时刻电压平衡器投入工作，从图中可以明显看到，直流微电网正—零极和负—零极间的电压能够迅速实现平衡，有效提高三线制直流微电网的供电电能质量。图16所示实验结果表明电压平衡器在双极三线制直流微电网不平衡电压控制中具有良好的应用前景。
4结语
本文全面分析了直流微电网母线电压控制、多源协调控制、运行模式切换及稳定性问题等直流微电网稳定控制关键技术的研究现状与不足;对电压平衡器及隔离型双向DC-DC变流器等电力电子装置在未来直流微电网中应用和控制进行了展望;最后介绍了天津大学智能直流配用电实验平台，基于该平台对相关直流微电网稳定控制技术进行了实验验证。本文期望能够对未来直流微电网稳定运行控制关键技术的发展提供思路和借鉴。
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原标题：直流微电网稳定控制关键技术研究综述
