直流微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)研究進(jìn)展*

張 衡，孫世宇，3，谷志鋒，劉金寧，尹志勇

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043；3.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著武器裝備更新?lián)Q代，以及遂行任務(wù)和應(yīng)用場合的增多，軍用微電網(wǎng)對武器裝備的重要性更加突出。其中直流微電網(wǎng)因其控制簡單，可靠性高，逐漸成為微電網(wǎng)中的研究熱點(diǎn)。首先，直流微電網(wǎng)不需要考慮母線電壓的相位、頻率穩(wěn)定的問題，只需控制母線電壓；其次，直流形式的分布式電源和負(fù)載可通過DC/DC 變換器直接并入直流母線，減少了能量轉(zhuǎn)化的次數(shù)和損耗；此外，基于直流微電網(wǎng)的下垂控制方法展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，下垂控制對通信依賴程度不高，即使無通信條件下也能實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的分配［1-4］。下垂控制具有即插即用的特性，更適合軍用微電網(wǎng)中分布式電源的靈活組網(wǎng)和故障撤離，能夠大幅提高軍用微電網(wǎng)的靈活性和可靠性。因此，在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境和裝備用電需求下，直流微電網(wǎng)下垂控制是提高軍用微電網(wǎng)環(huán)境適應(yīng)性和生存能力，實(shí)現(xiàn)信息化條件下機(jī)動平臺、作戰(zhàn)集群電能保障安全、高效、可持續(xù)的有效手段。

1 直流微電網(wǎng)發(fā)展歷程

直流微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能系統(tǒng)以及負(fù)荷通過變換器匯入直流母線的發(fā)配電系統(tǒng)，在并離網(wǎng)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理和保護(hù)［5-10］。直流微電網(wǎng)的突出優(yōu)勢逐漸引起專家和學(xué)者的重視，截至目前為止國內(nèi)外及軍內(nèi)外均已開展了相關(guān)研究并取得一定成果［11-13］。

在國外，美國最先開展對直流微電網(wǎng)的相關(guān)研究。1999 年，美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會就對微電網(wǎng)在可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多個方面開展研究，并于2002 年首次提出相對完善的微電網(wǎng)概念；2007 年美國弗吉尼亞理工大學(xué)提出了基于直流微電網(wǎng)的可持續(xù)建筑研究計劃［14］，為未來住宅提供可靠、持續(xù)的電力；2011 年美國北卡羅來納大學(xué)提出了FREEDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于直流母線的可在生能源靈活接入系統(tǒng)［15］；2005 年，歐洲國家提出“Smart Power Network”計劃，作為歐洲微電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的指導(dǎo)方案；2008 年，歐盟開展了UNIFLEX（Universal and Flexible Power Management）項目，研究新型功率變換技術(shù)，解決大量分布式電源接入微電網(wǎng)的問題；2012 年，德國、荷蘭聯(lián)合開展名為“DC Components and Grid”研究，利用電力電子技術(shù)設(shè)計和優(yōu)化380 V 直流配用電系統(tǒng)［16］。在國內(nèi)，2013 年國家“863”項目“基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”正式啟動，重點(diǎn)圍繞固態(tài)變壓器研究柔性直流配電技術(shù)［17］；2015 年國家“863”項目“高密度分布式能源接入交直流混合微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”正式啟動，該項目重點(diǎn)在于解決可再生能源的可靠接入問題。

除民用領(lǐng)域外，直流微電網(wǎng)在軍事領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。世界各國越來越重視直流微電網(wǎng)在軍事供電體系中的應(yīng)用，并且通過提升母線電壓等級，適應(yīng)多種武器系統(tǒng)的大功率用電需求。據(jù)統(tǒng)計，外軍已實(shí)施的直流供電工程如表1 所示。

在軍內(nèi)，馬偉明院士及其團(tuán)隊于2003 年在艦船電氣領(lǐng)域率先提出了采用中壓直流的技術(shù)路線，擺脫了模仿發(fā)達(dá)國家的舊發(fā)展模式，為實(shí)現(xiàn)我軍艦船電源技術(shù)或配電技術(shù)彎道超車指明了方向［18］。臧克茂院士及其團(tuán)隊提出陸戰(zhàn)平臺全電化的概念，并搭建了基于直流母線的陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)，有效提高了陸戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)術(shù)性能［19-20］。

表1 直流微電網(wǎng)在外軍的軍事應(yīng)用

直流微電網(wǎng)逐漸成為世界各國爭相發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，因此，開展直流微電網(wǎng)及其相關(guān)控制技術(shù)的研究有著重要的價值和必要性。

2 直流微電網(wǎng)下垂控制

2.1 直流微電網(wǎng)基本架構(gòu)

在直流微電網(wǎng)中，分布式電源、儲能系統(tǒng)、負(fù)載等共同維持源載兩端功率的供需平衡，儲能系統(tǒng)通常作為功率緩沖單元，吸收直流母線上過多的能量或補(bǔ)充直流母線供給不足的能量。當(dāng)源載兩端功率供需不平衡時，母線電壓則會出現(xiàn)明顯波動，因此，母線電壓穩(wěn)定程度通常作為系統(tǒng)功率平衡狀態(tài)的直接指標(biāo)［21］。直流微電網(wǎng)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 直流微電網(wǎng)傳統(tǒng)下垂控制及其局限性

下垂控制來源于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率一次下垂特性，通過對這種下垂特性改進(jìn)和發(fā)展形成了下垂控制方法，并逐漸成為微源的控制方式［22］。交流微電網(wǎng)通過P/f 和Q/V 下垂控制使多個微源協(xié)調(diào)出穩(wěn)定母線電壓和頻率，而直流微電網(wǎng)則通過IU 下垂控制來維持母線電壓和分配負(fù)載功率。下垂控制在無通信條件下，即可實(shí)現(xiàn)微源間的協(xié)調(diào)控制，維持微電網(wǎng)的平衡，具有簡單可靠的特點(diǎn)。

直流微電網(wǎng)中，分布式電源經(jīng)過變換器并入直流母線，下垂控制主要通過改變變換器的輸出特性，實(shí)現(xiàn)功率合理分配。其等效模型如圖2 所示。

圖2 下垂控制等效模型圖

不考慮線路阻抗時，直流微電網(wǎng)下垂控制表達(dá)式為

其中，udci、udcj分別為i、j 變化器端的輸出電壓；ubus、udcref分別為直流母線電壓和直流母線電壓參考值；Ri、Rj分別為i、j 的下垂系數(shù)；idci、idcj分別為變換器端口i、j 的輸出電流。Rlinei、Rlinej分別表示變換器i、j 到直流母線上的線路阻抗。

根據(jù)下垂特性，由式（1）得出負(fù)載電流分配關(guān)系為

實(shí)際應(yīng)用中，若線路阻抗遠(yuǎn)小于虛擬電阻，則可忽略線路阻抗影響，因此，下垂控制表達(dá)式可簡化為

為直觀分析線路阻抗對下垂控制的影響，比較線路阻抗在兩組不同下垂系數(shù)下對電流分配和母線電壓的影響，如圖3 所示。

圖3 含線路阻抗的下垂曲線

已知兩組下垂系數(shù)分別為Ri=Rj、Ri'=Rj'，且兩組下垂系數(shù)間不相等，線路阻抗均為Rlinei、Rlinej，Δu、Δu'分別表示兩組下垂控制下的電壓跌落，Δi、Δi'分別表示兩組下垂控制下的電流分配誤差。由下垂曲線可知，下垂系數(shù)越大，線路阻抗的影響相對較小，因此，電流分配精度更高，但電壓跌落更加嚴(yán)重；反之，下垂系數(shù)越小，線路阻抗的影響相對較大，電流分配誤差增大，電壓跌落小。因此，傳統(tǒng)下垂控制在帶有線路阻抗條件下，電壓跌落與電流分配精度之間存在矛盾［12-13］。

3 直流微電網(wǎng)改進(jìn)下垂控制方法

軍用直流微電網(wǎng)中，基于傳統(tǒng)下垂控制的負(fù)載電流分配方法控制靈活度低。在野外條件下獨(dú)立式微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)容量有限且無市電支持，有效利用有限的儲能資源，提高武器裝備的續(xù)航能力是關(guān)鍵，為解決以上問題，提高直流微電網(wǎng)能量利用率和靈活性，從關(guān)聯(lián)下垂系數(shù)和調(diào)整下垂量角度出發(fā)，分析下垂控制改進(jìn)方法。

3.1 關(guān)聯(lián)下垂系數(shù)

固定下垂系數(shù)的下垂控制方只能依據(jù)固定比例分配負(fù)載功率，不具備可調(diào)節(jié)能力，限制了下垂控制的性能和使用范圍。為提高下垂控制自適應(yīng)能力，將下垂系數(shù)與某物理量相關(guān)聯(lián)，通過設(shè)計適當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)函數(shù)，可以達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

關(guān)聯(lián)系數(shù)下垂控制在穩(wěn)態(tài)條件下應(yīng)用，主要作用是實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的合理分配。文獻(xiàn)［23］通過將蓄電池SOC（荷電狀態(tài)）引入下垂系數(shù)中，使負(fù)載電流分配時，SOC 大的儲能單元多放電，SOC 小的儲能單元少放電，最終達(dá)到不同儲能單元SOC 的均衡控制，避免了傳統(tǒng)下垂控制下儲能單元因過充或過放脫離微電網(wǎng)；文獻(xiàn)［24］提出改進(jìn)的SOC 下垂控制，采用冪指數(shù)型的下垂函數(shù)，提高了不同SOC 下的辨識度，具有更快的均衡速度；文獻(xiàn)［25］基于對數(shù)型下垂系數(shù)，并在該函數(shù)基礎(chǔ)上提出了冪指數(shù)的優(yōu)化方法，提高了SOC 的均衡速度。

圖4 關(guān)聯(lián)SOC 下垂控制框圖

關(guān)聯(lián)系數(shù)下垂控制在動態(tài)條件下應(yīng)用，主要作用是迅速響應(yīng)動態(tài)高低頻功率需求，文獻(xiàn)［26］提出電壓變化率引入下垂系數(shù)，通過控制變換器使其具有電容特性，能夠?qū)δ妇€電壓的波動迅速響應(yīng)，提高了微源的動態(tài)性能；文獻(xiàn)［27-29］提出基于虛擬電阻和虛擬電容的下垂控制方法，由下垂控制特性得到一階濾波環(huán)節(jié)的負(fù)載電流分配方法，實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載側(cè)高低頻功率的合理分配，發(fā)揮了不同微源的特性，同時減少了儲能資源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)［30］提出基于虛擬阻感和虛擬阻容的下垂控制方法，構(gòu)造出二階濾波的高低頻電流分配方法，相比較于傳統(tǒng)一階濾波，二階濾波對分頻點(diǎn)處的功率分配更加合理；文獻(xiàn)［31］提出基于虛擬阻感和虛擬電容的不對稱結(jié)構(gòu)的下垂控制，得到二階巴特沃斯濾波環(huán)節(jié)。

圖5 虛擬阻抗下垂控制框圖

3.2 調(diào)整下垂量

UI 下垂控制:傳統(tǒng)下垂控制中采用電流電壓的下垂控制，可將微源和變換器構(gòu)成的二端口網(wǎng)絡(luò)等效成電壓源和內(nèi)阻的模型；也有采用電壓電流的下垂控制方法，將二端口網(wǎng)絡(luò)等效成電流源和導(dǎo)納的形式，兩種等效模型可以相互轉(zhuǎn)化，本質(zhì)上沒有太大區(qū)別。

圖6 IU 下垂與UI 下垂等效模型

電感電流或功率與電壓的下垂控制:傳統(tǒng)輸出電流-電壓的下垂控制，既需要電感電流傳感器又需要輸出電流傳感器，文獻(xiàn)［27］提出電感電流-電壓的下垂控制方法，通過功率平衡得出電感電流與變換器輸出電流間的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)造出電感電流-電壓的下垂表達(dá)式，該方法僅需要電感電流傳感器，有效減少了電流傳感器數(shù)量，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和適用性；文獻(xiàn)［32］采用基于輸出功率的下垂控制，功率電壓下垂與傳統(tǒng)電流電壓下垂類似。

基于電壓變化率的下垂控制:文獻(xiàn)［33］提出了電流-電壓變化率的下垂控制方法，使下垂控制對母線電壓的波動具有更強(qiáng)的敏感性；同時，該方法削弱了線路阻抗對下垂曲線的影響，使得負(fù)載電流分配精度進(jìn)一步得到提高。

圖7 改變下垂量的控制框圖

圖8 I-du/dt 下垂控制框圖

文獻(xiàn)［34］提出電壓變化率電流下垂和UI 下垂方法結(jié)合，調(diào)節(jié)輸出阻抗響應(yīng)區(qū)間，達(dá)到對高低頻功率的響應(yīng)，該方法在不同維度上使用下垂控制，因此，在確定分頻點(diǎn)時，難以做到高低頻功率的無縫交接，致使中間部分功率不能得到快速響應(yīng)。

圖9 UI 下垂及du/dt-I 下垂控制框圖

4 下垂控制曲線調(diào)整方法及二次補(bǔ)償

軍用微電網(wǎng)中多分布式電源間的功率分配問題通過調(diào)整下垂系數(shù)和下垂量的方法得到解決，而軍用微電網(wǎng)供電品質(zhì)和武器系統(tǒng)用電質(zhì)量問題亟待解決。改進(jìn)的下垂控制在改善負(fù)載功率分配靈敏度的同時，帶來了母線電壓跌落的問題，此外，線路阻抗帶來功率分配精度差的問題，這些問題不僅影響了武器系統(tǒng)用電需求，限制其性能的發(fā)揮。為確保軍用微電網(wǎng)的正常運(yùn)行和滿足武器系統(tǒng)用電需求，對下垂控制二次補(bǔ)償調(diào)節(jié)的研究具有重要意義和價值。

下垂曲線調(diào)整通常用來解決母線電壓跌落和電流分配誤差，下垂曲線調(diào)整通常分為3 種:下垂系數(shù)調(diào)節(jié)、截距調(diào)節(jié)和兩者同時調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)原理如圖10 所示。

圖10 下垂曲線調(diào)整示意圖

文獻(xiàn)［35］采用電壓截距補(bǔ)償方法，解決母線電壓跌落問題，通過母線電壓實(shí)際值與參考值的比較，生成電壓補(bǔ)償量，作用于電壓軸縱截距，達(dá)到抬升母線電壓的作用；文獻(xiàn)［36］采用下垂系數(shù)調(diào)節(jié)，以無線路阻抗條件下的變換器輸出電流為參考值，與當(dāng)前輸出電流對比生成下垂系數(shù)補(bǔ)償量，用于調(diào)節(jié)下垂系數(shù)；其次，通過低速通信，求解變換器輸出端電壓平均值，并與母線電壓參考值比較生成電壓截距補(bǔ)償量，抬升母線電壓，從而消除功率分配精度低和電壓跌落的影響。文獻(xiàn)［37］將文獻(xiàn)［36］中產(chǎn)生的下垂系數(shù)補(bǔ)償量和母線電壓補(bǔ)償共同作用于下垂曲線縱截距，通過兩次截距調(diào)整可以達(dá)到相同的控制目標(biāo)。文獻(xiàn)［35-37］所提方法示意圖如圖11～圖13 所示。

圖11 母線電壓抬升方法示意圖

圖12 下垂系數(shù)調(diào)節(jié)方法示意圖

5 直流微電網(wǎng)下垂控制與其他控制算法的結(jié)合應(yīng)用

下垂控制與其他算法的結(jié)合是下垂控制進(jìn)一步發(fā)展的方向，通過多控制算法的結(jié)合可以在多約束條件下，找到最優(yōu)控制量，實(shí)現(xiàn)下垂控制的最優(yōu)功率分配和母線電壓穩(wěn)定。

圖13 截距補(bǔ)償方法示意圖

模糊控制:傳統(tǒng)控制方法針對明確的系統(tǒng)具有良好的控制效果，但對于復(fù)雜系統(tǒng)，由于涉及變量多，數(shù)學(xué)模型構(gòu)建復(fù)雜等原因，其控制效果有很大局限性；模糊控制簡化了系統(tǒng)模型的建立，不需要依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，對解決復(fù)雜系統(tǒng)問題具有更多優(yōu)勢［38］。如圖14 所示，在控制目標(biāo)和約束條件明確的情況下，模糊控制通過引入母線電壓偏差和變換器輸出電流偏差等后，可以得到優(yōu)化的下垂系數(shù)補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償值，用于調(diào)節(jié)下垂曲線。

圖14 模糊控制在下垂控制中的應(yīng)用示意圖

離散一致性算法:在一致性算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合了分布式控制的思想，實(shí)現(xiàn)弱通信條件下多單元間的協(xié)調(diào)控制［39］。文獻(xiàn)［40］提出基于一致性算法的下垂控制二次補(bǔ)償方法，該方法采用相鄰?fù)ㄐ诺姆绞?，?jīng)過多次迭代求解出微源輸出電壓和輸出電流的平均值，從而有針對性地對下垂曲線進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高精度負(fù)荷電流分配及電壓補(bǔ)償。其優(yōu)勢在于進(jìn)一步減小了儲能系統(tǒng)對通信的依賴，僅基于相鄰?fù)ㄐ啪涂梢缘玫蕉握{(diào)節(jié)補(bǔ)償量，如下頁圖15 所示。

粒子群算法:文獻(xiàn)［41］提出優(yōu)化粒子群算法對下垂控制進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，其控制目標(biāo)為功率偏差和線路環(huán)流最小化，通過尋優(yōu)算法找到合適的調(diào)整參數(shù)，對下垂曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方法的優(yōu)勢在于控制量計算準(zhǔn)確，可在多控制目標(biāo)下實(shí)施調(diào)節(jié)，如圖16所示。

圖15 一致性算法在下垂控制中的應(yīng)用示意圖

圖16 粒子群算法在下垂控制中的應(yīng)用示意圖

最小二乘法:通過求解多個誤差平方和的最小值，確定最佳匹配函數(shù)的方法。下垂控制中通過最小二乘法對線路阻抗進(jìn)行參數(shù)的在線識別，將功率分配誤差問題簡化為已知線路阻抗調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的控制問題，并對應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)大小，可以完全消除線路阻抗對功率分配的影響，如圖17 所示。

圖17 最小二乘法在下垂控制中的應(yīng)用示意圖

6 結(jié)論

直流微電網(wǎng)下垂控制的未來發(fā)展方向在于通信方式和調(diào)節(jié)方法的革新。兩者之間相輔相成，也相互制約。在通信方式上，追求具有分布式特性的可靠通信如無線通信等技術(shù)層面的改進(jìn)以及通信架構(gòu)和模式上的改進(jìn)，不僅要避免因通信問題過度局限了直流微電網(wǎng)的靈活性，又要避免過度的分布特性導(dǎo)致系統(tǒng)信息獲取不全；在調(diào)節(jié)方法上，結(jié)合智能算法，如粒子群算法、一致性算法等，能夠有效提高調(diào)節(jié)的精度和速度，同時也能夠減小對通信的依賴，通過以上兩個方面的共同配合，在靈活度和精度間尋求最佳平衡狀態(tài)，使得各獨(dú)立微源間的協(xié)同性更好，功率分配的精度更高，且電能輸送的品質(zhì)更優(yōu)。

直流微電網(wǎng)下垂控制在多個領(lǐng)域都有著廣泛的用途。經(jīng)過長期的探索和融合，直流微電網(wǎng)下垂控制在軍用微電網(wǎng)建設(shè)中日趨完善，并在軍用供電體系中扮演著重要角色，為野外條件下武器裝備的供電提供了安全可靠、簡便易行的解決方案。目前，世界各國仍致力于直流微電網(wǎng)下垂控制的研究，并逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化方向邁進(jìn)。隨著理論的發(fā)展和技術(shù)的更新，直流微電網(wǎng)下垂控制必將迎來新的發(fā)展，在未來戰(zhàn)場發(fā)揮更大作用。