基于自適應(yīng)阻抗二次控制的直流微電網(wǎng)優(yōu)化配置研究

馮玉斌，王慧

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

直流微電網(wǎng)中包含諸多運(yùn)轉(zhuǎn)于恒壓情況下的發(fā)電單元時(shí)，直流下垂控制能夠在很大程度上處理功率平均分配的情況，同時(shí)擁有易于實(shí)現(xiàn)及不需要通信連接等優(yōu)勢。然而它也有諸多缺點(diǎn)[1-3]：直流下垂控制將導(dǎo)致變換器輸出端口電壓小于規(guī)定的閾值，同時(shí)其將依附負(fù)載功率的逐漸升高而迅速減??；如果并聯(lián)變換器輸出端口到直流母線的電路阻抗相異程度相對很高時(shí)，下垂控制的功率平均分配成效在很大程度上得到降低。特別是在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，過多的運(yùn)用分布式發(fā)電單元致使以上問題必須考慮其中[4-5]。因此，本文提出了自適應(yīng)阻抗二次控制方法。

1 直流下垂控制缺陷

直流下垂控制原理：

式中：vref為直流電壓源的電壓初始設(shè)置值；io為變換器輸出電流；rd為下垂系數(shù)；vdc為通過下垂控制調(diào)整后的電壓設(shè)置參考值。

由式（1）可知，其等同于在變換器輸出端串聯(lián)一個(gè)虛擬阻抗，其能夠產(chǎn)生的電壓壓降為

由式（2）可知，下垂控制將致使變換器輸出端電壓比實(shí)際電壓設(shè)置值小，同時(shí)電壓壓降和下垂系數(shù)及其輸出電流具有正比例關(guān)系。

在電路阻抗相差相對高的狀態(tài)下，如果擇取相對低的下垂系數(shù)，盡管能夠符合直流母線電壓變動區(qū)間，但是其均流精度也有降低的可能。在兼顧電路阻抗的前提下，規(guī)定變換器的外特性阻抗：

式中：rc為電路阻抗。

以兩臺相同容量的并聯(lián)變換器為例，其均流成效見圖1。

圖1 不同下垂系數(shù)的均流成效Fig.1 Current distribution of different sagging coefficients

在并聯(lián)變換器下垂系數(shù)設(shè)定一樣的前提下，因?yàn)榫€纜阻抗相異致使其外特性阻抗具有差異，表現(xiàn)為兩條外特性曲線斜率相異[6-8]。在載荷一致的前提下，擇取相對低的下垂系數(shù)，那么其直流母線電壓下降幅度相對很小，然而其均流精度相對很低；相反擇取相對高的下垂系數(shù)，其均流精度獲得提升，然而其直流母線電壓下降幅度將迅速升高。

綜上所述，下垂控制及線纜阻抗分別致使的輸出電壓及均流精度下降是互相排斥且無法調(diào)和的，特別是在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，其發(fā)電單元中具有間隔[9-11]，此時(shí)線纜阻抗不同而致使的均流精度減小的問題是務(wù)必要得到重視的。

《基礎(chǔ)教育課程改革綱要(試行)》中明確指出：教師應(yīng)尊重學(xué)生的人格，關(guān)注個(gè)體差異，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，創(chuàng)設(shè)能引導(dǎo)學(xué)生主動參與的教育環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生掌握和運(yùn)用知識的態(tài)度和能力，使每個(gè)學(xué)生都能得到充分的發(fā)展。小學(xué)數(shù)學(xué)階段是對學(xué)生的數(shù)學(xué)教育進(jìn)行基礎(chǔ)鞏固的階段，是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)綜合能力的關(guān)鍵時(shí)期，分層異步教學(xué)作為小學(xué)數(shù)學(xué)的重要教學(xué)方式，能夠逐漸平衡學(xué)生之間的差異，提升整體學(xué)生的綜合能力，提高教師的教學(xué)質(zhì)量，對不同程度的學(xué)生進(jìn)行針對性地指導(dǎo)，依照學(xué)生的實(shí)際情況，尊重學(xué)生的個(gè)體差異，能夠照顧到不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生，對小學(xué)數(shù)學(xué)教師的教學(xué)效果具有很大的提高作用。

2 自適應(yīng)阻抗二次控制方法設(shè)計(jì)

自適應(yīng)阻抗二次控制方式經(jīng)過平移下垂曲線以完成對直流微電網(wǎng)母線電壓的恢復(fù)，隨之經(jīng)過調(diào)整其斜率來達(dá)到每個(gè)并聯(lián)變換器外特性阻抗無限逼近的目的。在此調(diào)整歷程中或許會具有諸多符合變換器外特性阻抗一致的情況出現(xiàn)，即其下垂斜率或許將遠(yuǎn)離開始設(shè)置值，同時(shí)下垂系數(shù)上下大幅度波動將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[11-13]，所以要制約其調(diào)整區(qū)間。所以設(shè)計(jì)自適應(yīng)阻抗二次控制方案在電壓、電流調(diào)節(jié)器的前提下添置第三個(gè)調(diào)節(jié)器，經(jīng)過低帶寬通信網(wǎng)絡(luò)相互傳輸其下垂系數(shù)值，同時(shí)運(yùn)算其均值，從而完成對其平均下垂系數(shù)的調(diào)節(jié)，其控制框圖見圖2。

圖2 控制方案框圖Fig.2 Block diagram of the control scheme

其下垂系數(shù)調(diào)節(jié)方式：

自適應(yīng)阻抗二次控制方案的整體控制原理：

式中：Gpir（s）、Gpic（s）及Gpiv（s）分別為平均電壓、電流及下垂系數(shù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

同樣以兩臺容量相同的并聯(lián)變換器為例，自適應(yīng)阻抗二次控制的等效電路見圖3。

圖3 等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model

其中，rc1、rc2及rd1、rd2分別表示線纜阻抗及阻值和下垂系數(shù)相等的虛擬阻抗；vdc1、vdc2、idc1、idc2分別表示兩變換器輸出端的電壓及電流值；Δv表示該控制出現(xiàn)的下垂系數(shù)偏移。虛線框內(nèi)下垂系數(shù)等效虛擬阻抗是通過平均電流及下垂系數(shù)調(diào)節(jié)器一同調(diào)節(jié)的[14-15]。

結(jié)合式（6）可得：

依照式（8）可知每個(gè)并聯(lián)變換器的外特性阻抗在平均電流及下垂系數(shù)調(diào)節(jié)器的相互調(diào)節(jié)下趨向一致，從而確保其均流精度符合要求。

根據(jù)式（6）和式（8）可知：

依照式（9）可知相異線纜阻抗前提下自適應(yīng)阻抗二次控制相應(yīng)的下垂系數(shù)調(diào)節(jié)狀態(tài)。線纜阻抗rc1分別是0.5 Ω及5 Ω；rc2持續(xù)改變情況下，與之相應(yīng)的下垂系數(shù)rd1及rd2的調(diào)節(jié)狀況見圖4。

圖4 不同線纜阻抗下的下垂系數(shù)調(diào)節(jié)Fig.4 Sagging coefficient adjustment under different cable impedances

由圖4可知，當(dāng)兩臺并聯(lián)變換器的線纜阻抗相等時(shí)，自適應(yīng)阻抗二次控制調(diào)整后的下垂系數(shù)等于設(shè)置值；當(dāng)線纜阻抗不相等時(shí)，其下垂系數(shù)能夠完成自適應(yīng)調(diào)整，從而保證其外特性阻抗一致。另外它們的均值從始至終和其設(shè)置值相等。

3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

構(gòu)建直流微電網(wǎng)下垂控制實(shí)驗(yàn)平臺見圖5。

系統(tǒng)包含3臺容量相同的型變換器、3臺直流源以及直流負(fù)載，其中直流負(fù)載是由分別連接在變換器1號及3號輸出端及公共母線端的本地負(fù)載及公共負(fù)載共同構(gòu)成，其變換器的主要參數(shù)見表1。

圖5 帶有三臺并聯(lián)變換器的實(shí)驗(yàn)配置方案Fig.5 Experimental configuration program with three parallel converter

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

3.1 線纜阻抗下的實(shí)驗(yàn)分析

不同線路阻抗前提下自適應(yīng)阻抗二次控制方法前后變換器輸出端電壓與電流改變狀況，見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experiment results

由圖6可知，自適應(yīng)阻抗二次控制前三臺變換器的線纜阻抗不同致使輸出電流存在差異，在自適應(yīng)阻抗二次控制后，其輸出電壓均提升了15 V左右，在很大程度升都獲得了提高，輸出電流逐漸趨向一樣。其結(jié)果表明，自適應(yīng)阻抗二次控制能夠很好的處理下垂控制及線路阻抗不匹配分別致使的電壓及均流精度降低的問題。

3.2 適應(yīng)性分析

在自適應(yīng)阻抗二次控制調(diào)整后，讓其中一臺變換器停止工作然后再恢復(fù)，其結(jié)果見圖7。

圖7 變換器停止與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The experiment results of the converter stops and restores

圖7可知，某號變換器停止工作后，為了確保系統(tǒng)能量平衡，剩下兩變換器的輸出電流對應(yīng)升高，與此同時(shí)在這個(gè)階段內(nèi)具有相對較好的均流性能。當(dāng)該號變換器恢復(fù)工作后，在自適應(yīng)阻抗二次控制作用下，最后三臺變換器的輸出電流又趨于相同。

本地負(fù)載接入及斷開時(shí)系統(tǒng)工作狀況結(jié)果見圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experiment results

圖9可知，起初，3臺并聯(lián)變換器僅給公共負(fù)載供電，其各輸出電流在自適應(yīng)阻抗二次控制作用下獲得均衡；當(dāng)3號變換器的本地負(fù)載rlo3接入，其各輸出電流對應(yīng)升高，在此歷程中系統(tǒng)的均流精度受負(fù)載的接入干擾相對較低；當(dāng)1號變換器的本地負(fù)載rlo1接入時(shí)，其輸出電流在接入瞬間迅速提升，然后自適應(yīng)阻抗二次控制調(diào)整下慢慢和其他兩臺變換器輸出電流趨向一致。當(dāng)變換器1號及3號的本地負(fù)載順序斷開時(shí)，效果類似。其結(jié)果表明在本地負(fù)載與公共負(fù)載同時(shí)存在時(shí)，自適應(yīng)阻抗二次控制也可以確保其均流精度。

4 結(jié)語

經(jīng)過對直流下垂控制缺陷的分析研究，說明了影響母線的直流電壓以及均流的精度降低的元素主要是下垂系數(shù)、輸出功率同電路阻抗的匹配程度。從并聯(lián)變換器外特性阻抗角度考慮，提出了自適應(yīng)阻抗式二次控制方案。通過構(gòu)建直流微電網(wǎng)下垂控制實(shí)驗(yàn)平臺對該控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果證明，自適應(yīng)阻抗式二次控制能夠應(yīng)對直流微電網(wǎng)中負(fù)載的復(fù)雜變化，同時(shí)擁有很好的動態(tài)均流性能，在很大程度上提升了系統(tǒng)的均流精度。

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