下垂控制技術(shù)在直流微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

卞顯新　趙洋

【摘 要】本文主要研究了下垂控制及改進(jìn)下垂控制在直流微電網(wǎng)中的使用。首先分析微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)需要的面對(duì)的問題，分析下垂控制的原理，以及運(yùn)用在微網(wǎng)控制中的主要作用。

【關(guān)鍵詞】直流微電網(wǎng)；下垂控制；微電源

中圖分類號(hào)： TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）26-0041-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.016

Application of droop control technology in DC microgrid

BIAN Xian-xin ZHAO Yang

（School of electrical and information engineering， Anhui University Of Science And Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】In recent years， the research and application of microgrid are more and more. This paper mainly studies the use of droop control and improved droop control in DC microgrid. Firstly， the structure of micro-grid and the problems that need to be faced when it runs stably are analyzed， the principle of droop control is analyzed， and an improved droop control is introduced.

【Key words】DC microgrid； Droop control； Micro power supply

0 緒論

隨著我國(guó)電力能源的飛速發(fā)展，給國(guó)民越來(lái)越多的便利和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)的化石能源逐漸枯竭，新能源是當(dāng)今發(fā)展的主流。由于大多新能源伴隨著獨(dú)立性、分散性，并多以直流形式輸出。微電網(wǎng)的優(yōu)化研究自然成了主流。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量的好壞將直接影響對(duì)于新能源的利用，而相關(guān)的控制算法是影響系統(tǒng)輸出的關(guān)鍵因素之一。下文將探討下垂控制技術(shù)在直流微電網(wǎng)中應(yīng)用。

1 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

為了更好地利用可再生能源，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)通常整合了各種分布式發(fā)電方式和儲(chǔ)能裝置等。出于完整性和便于后續(xù)下垂控制的討論，本節(jié)簡(jiǎn)述直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，每個(gè)單元都是通過相應(yīng)的電力電子變換器與直流母線相連，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)多源、多負(fù)荷的系統(tǒng)，功率的穩(wěn)定傳輸依賴于直流母線電壓的穩(wěn)定。

直流微網(wǎng)主要由分布式微電源（風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏等）、混合儲(chǔ)能裝置、DC/DC變換器和負(fù)荷組成，并可以通過DC/AC變換器與配電網(wǎng)相接。分布式電源發(fā)出電能經(jīng)變換器單向輸出到直流母線上，為微電網(wǎng)持續(xù)提供電能。另外有直流/交流雙向逆變器連接直流母線和交流電網(wǎng)，分時(shí)段相互提供電能補(bǔ)償。儲(chǔ)能系統(tǒng)與母線之前也是雙向連接，電能過剩時(shí)儲(chǔ)存電能，負(fù)荷過量時(shí)反向補(bǔ)給微電網(wǎng)系統(tǒng)。負(fù)荷類型分為交流和直流。

文獻(xiàn)1提出的一種直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能和發(fā)電機(jī)相互連接，并聯(lián)在直流母線上。分布式電源端的本地負(fù)荷可以直接使用直流供電。文獻(xiàn)2提出并解決了微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在的負(fù)荷分配問題。當(dāng)微網(wǎng)連接了分布式電源、負(fù)荷以及電力變換器等元件后，負(fù)荷分配不均與，必然會(huì)影響穩(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)下垂控制

在直流微電網(wǎng)中，幾乎沒有無(wú)功功率，母線電壓可以反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。所以在對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)控制時(shí)常常將母線電壓作為控制信號(hào)。下垂控制就是根據(jù)電壓電流等關(guān)系，結(jié)合相應(yīng)的保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的穩(wěn)定保護(hù)。大多數(shù) DC/DC 變換器都采用電壓電流雙閉環(huán)控制，所以直流微電網(wǎng)下垂控制的普遍實(shí)現(xiàn)方式是：將下垂曲線控制加在變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制之外，作為控制外環(huán)，得到變換器輸出直流電壓參考值，再進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)控制。

上圖中U0表示直流母線的參考電壓，Udc是變換器的實(shí)際輸出電壓，I為實(shí)際輸出電流。再通過下垂控制的下垂曲線，可計(jì)算出輸出電壓的參考值Udcref，再經(jīng)過電壓電流雙閉環(huán)控制得到單元變換器的控制信號(hào)。下垂控制就是控制變換器的電壓和電流或者電壓和功率等運(yùn)行在一條下垂曲線上的控制方式。

在微網(wǎng)中各個(gè)分布式電源的變換器輸出電流和輸出阻抗成正比，下垂控制的作用在于增加了單元的輸出阻抗，使得線路阻抗遠(yuǎn)小于單元輸出電阻。進(jìn)而忽略線路阻抗對(duì)分流精度的影響。實(shí)際電網(wǎng)中，假設(shè)兩個(gè)功率相同的分布式電源連接在同一母線上，下垂控制所增加的虛擬電阻相同，但是線路的阻抗并不會(huì)一模一樣。兩條下垂曲線必然會(huì)有偏差，分流精度和電壓偏差不能同時(shí)滿足，仍然會(huì)存在不足之處。

3 改進(jìn)下垂控制

上節(jié)所述的傳統(tǒng)下垂控制中，微電網(wǎng)的母線電壓、功率等特性均與下垂曲線相關(guān)。但是由于分布式電源的阻抗有差異，并不能有效的維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定。現(xiàn)有一種根據(jù)電壓變化率 和功率P 的改進(jìn)下垂控制方法，使得電壓U 以電壓增量 的方式參加下垂控制運(yùn)算。

DCi為微電源的輸出電壓， refi為電壓變化率的參考值；Prefi為微電源變換器的負(fù)載功率參考值；Ki為改進(jìn)下垂曲線的下垂控制系數(shù)； DCi（0）為微電源負(fù)荷變化的初始電壓。當(dāng)兩個(gè)微電源到直流母線的距離不等時(shí)，負(fù)荷分配比例與微電源的額定功率成正比，而且微電源額定功率越大所需要承擔(dān)的負(fù)荷越大，與線路的連線阻抗無(wú)關(guān)。

經(jīng)過上述改進(jìn)后，雖然可以解決微網(wǎng)的功率分配問題，但是母線電壓還是會(huì)逐漸減小，為此，必須加裝功率-電壓補(bǔ)償控制單元，基本原理如圖2所示。

該單元的作用是求出母線上各個(gè)單元變換器的平均輸出功率Pav，與單個(gè)變換器的輸出功率Pi作比較?？刂破鞑捎肞ID控制，根據(jù)功率偏差值ΔPi來(lái)提高負(fù)載功率參考值。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，ΔPi=0，實(shí)現(xiàn)功率精準(zhǔn)分配。

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