基于实时仿真器的直流微电网分层控制实验研究

摘要

本文介绍了一个在仿真器 OPAL RT-Lab 中实现分层控制的直流微电网。详细阐述了电路建模、初级与次级控制策略以及实验验证。结果表明控制性能有效，凸显了构建可靠的实验平台对于微电网研究与开发的重要性。

摘要

可再生能源的兴起凸显了微电网的重要性，尤其是直流微电网，其非常适合集成光伏面板、电池储能系统及其他直流负载解决方案。本文介绍了在OPAL RT-Lab仿真器中实现分层控制的直流微电网的开发与实验。该微电网包含通过电力变换器互连的分布式能源（DERs）、直流母线以及直流负载。主控层采用下垂控制机制和双环比例-积分（PI）控制，以调节电压和电流，确保系统稳定运行并实现功率的按比例分配。次级控制采用基于一致性（consensus-based）的协调策略，使分布式能源能够恢复母线电压并实现精确的功率分配，从而提升系统的可靠性与效率。本文详述了实验平台的构建，包括电路建模、硬件实现及控制策略。文中明确了硬件平台的电路结构与控制器参数，并可通过示波器测量观察实验结果。为验证控制策略的有效性，开展了两组实验，分别演示了次级控制在有无通信延迟情况下的响应特性。实验结果证实了分层控制在微电网中的成功实现。本研究强调了构建综合性实验平台对推进微电网技术发展的重要性，为未来的研究与开发提供了有价值的参考。

引言

随着可再生能源的快速发展，微电网在全球范围内受到广泛关注¹。微电网能够将分布式能源资源（DERs）（如太阳能光伏（PV）系统）以及储能系统（ESSs）集成到电网中，从而支持向可持续和可再生能源的转型。作为可再生能源集成中的关键组成部分，直流微电网因其与光伏系统、电池及其他分布式能源资源固有的直流特性相兼容而受到广泛关注。直流运行减少了多次能量转换的需求，有助于提高整个系统的效率和可靠性。因此，直流微电网为优化可再生能源的集成提供了一条极具前景的途径²。

人们普遍认为，仿真研究和实验研究对于推动微电网技术的发展至关重要。仿真使研究人员或工程师能够在虚拟环境中对各种场景和控制策略进行建模与分析，具有成本低且无风险的优点。然而，实际实验同样重要，因为它能够验证这些模型与理论，揭示仿真可能无法完全捕捉到的实际挑战和动态行为³。尽管仿真能够提供有价值的见解，但在微电网上开展实际实验对于解决物理实现过程中出现的问题仍然必不可少。这些实验有助于理解在真实环境下的运行特性、控制动态以及各组件之间的相互作用⁴。鉴于微电网规模较小且具有模块化特性，与传统的大规模电网相比，其更易于管理且具备良好的可扩展性，而传统电网由于规模过大且结构复杂，难以进行实际实验。因此，在微电网上开展物理实验对于深化该领域的认知并提升技术能力至关重要。

在典型的直流微电网中，各种分布式能源（DER）通过电力变换器连接到直流母线。这种结构便于直接进行功率交换，而无需多次进行直流-直流或交流-直流转换⁵。这些电力变换器调节电压和电流，确保功率传输的高效性与系统稳定性。直流母线作为中心节点，向连接至系统的各类负荷分配电能。输电线路为分布式能源、变换器与负荷之间的功率流动提供必要的通路，维持微电网内部稳定可靠的电力供应。为了有效管理直流微电网的运行，通常采用分层控制结构⁶。该结构一般分为三个层级：一次控制、二次控制和三次控制，每一层具有不同的功能与职责。

初级控制主要关注直流微电网内电压和电流的即时调节，确保分布式能源（DER）之间的稳定性以及合理的电流/功率分配。最常见的初级控制是下垂控制。与其他初级控制方法相比，下垂控制无需通信，响应速度快。然而，由于其固有的下垂特性，下垂控制可能导致电压偏差，无法将电压维持在额定值。同时，随着负载和分布式能源数量的增加，电流分配的准确性会下降。因此，需要额外的二级控制来实现电压恢复和电流调节。二级控制在系统受到扰动后恢复运行点，并协调各初级控制器以实现电压和电流的调节。三级控制则优化微电网的经济性和战略性运行，管理能量调度以及与主电网的交互⁷。

近期文献表明，分层控制在直流微电网中的应用取得了显著进展，已从仿真研究逐步发展到硬件在环（HIL）实验，并最终实现真实物理系统的实验验证。早期的研究通常采用仿真工具来开发和测试直流微电网的分层控制算法，重点在于建立微电网动态行为模型、优化控制策略，以及在不同工况下评估系统性能。由于具备良好的灵活性和全面的电力系统分析功能，MATLAB/Simulink 和 PSCAD 等仿真环境被广泛使用⁸。在纯仿真研究的基础上，硬件在环实验通过将实时控制硬件与模拟的微电网模型相结合，提供了更为真实的测试环境。该方法使研究人员能够在接近实际运行条件下验证控制算法并评估其性能。硬件在环实验架起了理论研究与实际应用之间的桥梁，有助于深入理解控制系统与微电网各组件之间的交互特性⁹。分层控制策略的最终验证则通过在真实微电网系统上的物理实验完成。此类实验涉及将控制算法部署于实际的微电网硬件平台，包括分布式能源（DERs）、电力电子变换器和控制单元。物理实验能够最准确地评估系统性能，揭示在仿真或硬件在环实验中难以发现的实际挑战和运行问题。

为了总结直流微电网中分层控制研究的发展历程，表1按实验方法分类概述了相关关键研究。从上述文献可以看出，尽管部分研究已成功利用物理微电网平台开展实验，但在分层控制的背景下，这些实验平台及其使用方式的系统性记录和全面描述仍明显不足。这一空白尤为关键，因为实验装置、方法和结果的详细信息对于研究的可重复性、科研进展以及分层控制策略在微电网技术中的实际应用至关重要。针对这一需求，本文旨在系统而详尽地介绍一种用于直流微电网的物理实验平台的开发与使用方法，聚焦于分层控制，以期为该领域的持续研究提供有价值的见解和实用指导。

综上所述，本文的主要贡献如下。第一，在分层控制策略的框架下，本文详细阐述了微电网控制所需的控制算法及其实现方法，而以往的研究大多仅将实验作为验证手段，缺乏进一步的说明。第二，本文根据控制算法的部署，提供了微电网组件的硬件配置与拓扑结构，从而提高了微电网控制实验的可重复性。第三，通过构建一个可扩展的实验平台，本文为未来微电网研究奠定了基础，使得能够在通信延迟、负荷变化等真实工况下进一步探索控制性能，从而支持更鲁棒、高效控制策略的开发。

方案

本节中，我们概述了用于开发和实验直流微电网的方法，该微电网包含如图1所示的分层控制结构，并在OPAL RT-Lab（下文简称“仿真器”）中实现。本实验方案分为三个主要部分：物理配置与电路建模、控制策略实现以及仿真器实验设置。需要说明的是，本方案未涵盖三层控制策略，因为涉及更高层级的优化及与主电网的交互超出了当前实验设置的范围，留待后续研究。

1. 物理装置与电路建模

1. 系统电气拓扑
   注意：根据直流微电网系统的电路架构，我们通过以下步骤构建硬件实验平台。
   1. 单个分布式能源（DER）的构建
      1. 通过导线将直流电源的正极连接至降压电路的输入正极，同时将对应的负极相连；具体变换器如图2A所示。为降压变换器建立数学模型，以方便后续仿真和实验设置中的控制参数设计。对于如图3所示的典型降压变换器，采用状态空间平均法建立其状态空间方程如下⁵：
              (1)
         其中，I^L 和 V^C 分别为电感电流和输出电压；R、L、C 为变换器电路中的元件参数；Vⁱⁿ 表示输入直流电压；d 表示直流-直流变换器的占空比。将方程(1)转换为以下传递函数形式，更便于PI控制器的设计。
         
              (2)
         其中，s 表示拉普拉斯算子；G_Id(s) 为占空比到电流的传递函数；G_VI(s) 为电流到电压的传递函数。
      2. 使用多个分布式能源（DER）构建微电网
         1. 重复上述构建单个分布式能源（DER）的过程。在多个分布式能源（DER）就位后，将每个降压电路的对应正极和负极输出端子连接起来。
         2. 为模拟线路阻抗，在每个分布式能源（DER）的正极之间串联接入小电阻。
      3. 负载集成
         1. 使用电阻模拟直流微电网中的常见负载。对于全局负载，直接将电阻两端连接至所有分布式能源（DER）正极和负极的汇流点。当存在线路阻抗时，将电阻连接至每个降压电路的输出端，以模拟局部负载，如图2D所示。
            注意：本实验中，电路连接采用如图2C所示的插接式连接器实现。
2. 硬件电路设计与搭建
   注意：直流微电网实验平台的硬件搭建，对应于图1中的拓扑结构，主要包括以下步骤：
   1. 直流电源配置
      1. 按下电源按钮启动电源。
      2. 使用旋钮将电压调节至指定值。该电源为恒压型直流电源，输出范围为[0 - 300 V]，最大功率为600 W。通过按下开关在实验开始时启动电源。本实验所用电源如图2B所示。
   2. 直流-直流降压变换器设置
      1. 将变换器的输入和输出信号引至信号转接板，并通过信号线连接至仿真器硬件控制器。
         注意：该设置可实现电流和电压信号以模拟量形式输出，并将控制器的PWM信号传输至电路层级，用于驱动变换器。
   3. 母线与负载连接的验证
      1. 确保此步骤与步骤1.1.3一致。检查所有连接的准确性和牢固性。

2. 控制策略的实施

1. 2.1. 下垂控制配置
   1. 在仿真器的控制模块内，通过拖放增益模块和差值模块等组件来构建下垂控制模块，如图4所示。
   2. 双击“增益”模块，并根据需要设置下垂系数。
2. 双环PI控制设置
   1. 在仿真器中通过拖放组件构建控制框图（见图5）。
   2. 在选择PI控制增益时，使用式（2）中给出的降压变换器传递函数模型，按照先设计内环（电流环）、再设计外环（电压环）的顺序进行。
      注意：在双环控制方案中，快速动态响应与功率分配精度之间存在权衡关系，因为快速的电压调节可能会影响分布式能源（DER）之间功率分配的精确性。
3. 分布式通信拓扑结构构建
   1. 向各个分布式能源（DER）的控制器提供不同的输入信号，以在集中式仿真器控制器内实现分布式控制。例如，对于DER 1，将DER 2和DER 4的信号拖入其控制模块中，以实现分布式通信，如图6左侧部分及图7C所示。
4. 分布式二次控制策略的实现
   1. 根据基于一致性（consensus-based）的二次控制方法，在仿真器中构建二次控制框图，如图6所示。通过调整控制增益来调节二次控制的响应特性。

3. 实时仿真器实验设置

注意：模拟器实验的具体配置包括四个步骤，如图8所示。

1. 模型初始化
   1. 点击 Edit 按钮以修改在模拟器上运行的程序。随后，点击 SET 按钮完成开发属性设置。
2. 模型编译
   1. 完成模型编辑后，点击 Build 按钮将模型编译为可执行代码。
   2. 监控软件编译窗口，直至出现“Compilation Successful”提示。若发生错误，请根据提示定位错误并进行相应修正。
3. 模拟器实时控制配置
   1. 编译过程完成后，配置程序代码设置，包括仿真模式、实时通信链路类型及其他相关参数。
4. 程序下载与执行
   1. 将编译后的可执行程序下载至控制器硬件，并启动实验。
   2. 将示波器的电压探头连接至各分布式能源（DER）输出端的正负极，并在输出端口夹上电流探头。通过示波器窗口观察微电网中各 DER 的输出波形。

结果

图4展示了在仿真器内构建的控制模块中的下垂控制模块。其详细设计基于以下下垂控制机制：

下垂控制机制是直流微电网中去中心化一次控制的基本策略。该机制模拟交流系统中同步发电机的行为，以在不同分布式能源之间按比例分配负载。下垂控制根据各分布式能源的输出电流，按照预定义的下垂特性调节其输出电压：

     (3...

讨论

图10展示了在无通信延迟情况下，微电网系统在二次控制下的电流和电压响应。在时间t₁之前，系统仅由基于下垂特性的初级控制进行调节，此时电压无法稳定在48 V的额定值，且电流分配相对不精确。在时间t₁启动二次控制后，电压在t₂时刻迅速恢复至约48 V，电流也实现了3:1:3:1的精确分配。这表明二次控制有效实现了其控制目标。

在实际的复杂电力通信网络中，依赖通信的二次控制常常面临网络延迟的挑战。这种延迟会降低系统性能，导致响应速度变慢、稳定性下降，甚至可能引起功率分配不准确。为了模拟这一场景，我们在分布式控制系统的信号中引入通信延迟，以观察系统的响应情况。图11展示了系统在30 ms和40 ms通信延迟下的电流波形。可以看出，在受到延迟影响的二次控制启动后，系统表现出明显的振荡现象。此类振荡行为在实际电力系统中是不可接受的，凸显了利用该实验平台进一步...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
可编程直流 电源	ITECH	IT-M7700	直流电源
实时仿真器	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	实时控制器
示波器	Tektronix	MSO58 5-BW-500	示波器
电缆和电阻等电气元件