直流微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)研究

王愛(ài)嶺 王日霞

摘? 要：微電網(wǎng)在分布式能源發(fā)電中應(yīng)用比較廣泛。微電網(wǎng)分為交流和直流兩種，在實(shí)際應(yīng)用中，由于儲(chǔ)能設(shè)備以及負(fù)載等利用直流電，因此，直流微電網(wǎng)應(yīng)用范圍更廣泛。直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要科學(xué)的管理策略，尤其是在底層控制中的電流分配問(wèn)題，在電流分配過(guò)程中，下垂控制是經(jīng)常運(yùn)用的方式，但傳統(tǒng)的下垂控制方式有一定局限性。文章在分析微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，指出直流微電網(wǎng)傳統(tǒng)下垂控制的實(shí)現(xiàn)方式及存在的不足，并提出了優(yōu)化補(bǔ)償法的改進(jìn)下垂控制方式，最后對(duì)直流微電網(wǎng)的下垂控制進(jìn)行了合理的展望，以期為該領(lǐng)域的研究提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng)? 下垂控制? 技術(shù)? 優(yōu)化補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：TM727????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????????????????? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（a）-0050-03

Research on Droop Control Technology of DC Micro-grid

WANG Ailing? WANG Rixia

（Shandong Huayu Institute of Technology，Dezhou， Shandong Province，253034 China）

Abstract： Micro-grid is widely used in distributed energy generation. Micro-grid is divided into AC and DC. In practical applications， since energy storage equipment and loads use DC power， the DC micro-grid has a wider range of applications. The stable operation of DC micro-grid needs scientific management strategy， especially the current distribution problem in the bottom control. Droop control is often used in the current distribution process， but the traditional droop control method has some limitations. On the basis of analyzing the structure of micro-grid， this paper points out the realization way and deficiency of the traditional droop control of DC micro-grid， and puts forward the improved droop control way of the optimized compensation method. Finally， the reasonable prospect of DC micro-grid Droop control is given， which can provide some references for the research in this field.

Key Words： DC micro-grid; Droop control; Technology; Optimization compensation

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。尤其是在全球能源危機(jī)的背景下，如何科學(xué)合理地利用自然界資源成為了重要的課題。為了解決能源問(wèn)題，以清潔能源為主的分布式發(fā)電應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是以風(fēng)能和太陽(yáng)能為主的清潔能源發(fā)電技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在一定不足，那就是風(fēng)能及太陽(yáng)能的變化會(huì)導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)較大，供電質(zhì)量下降。為更好地解決這一問(wèn)題，提高供電質(zhì)量，微電網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。微電網(wǎng)的應(yīng)用主要是降低電力系統(tǒng)中的功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)的方式是利用多能源協(xié)同及對(duì)負(fù)荷的有效管理等，這樣就可以將風(fēng)能及太陽(yáng)能等新能源變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊降低，確保供電系統(tǒng)穩(wěn)定，保證供電質(zhì)量。微電網(wǎng)主要分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)兩種，在實(shí)際應(yīng)用中，直流微電網(wǎng)的可靠性高，控制復(fù)雜程度也比較低，因此，應(yīng)用比較廣泛。為確保直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通常應(yīng)用下垂控制來(lái)作為控制策略，但傳統(tǒng)的下垂控制存在一些不足，因此，提出下垂控制改進(jìn)方式，對(duì)于直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1? 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)利用直流連接方式，各個(gè)單元和直流母線相互連接，利用各單元的功率交換確保系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡，直流微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在分布式發(fā)電單元，由于風(fēng)電及光伏都只作為發(fā)電源，是為系統(tǒng)提供能量的，因此，它們的功率傳輸是單向的，不可逆的。風(fēng)電及光伏利用單向的變換器（AC/DC、DC/DC）連接在直流母線上。而在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池或超級(jí)電容器等，不僅可以發(fā)電，還可以將系統(tǒng)中多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，因此，它們與直流母線的連接是雙向的，雙向連接是通過(guò)雙向變換器（DC/DC）實(shí)現(xiàn)的，為滿足這一要求，DC/DC變換器也具備雙向傳輸?shù)墓δ?。在系統(tǒng)的負(fù)荷部分，無(wú)論是交流負(fù)荷還是直流負(fù)荷都是消耗能量的，因此，交直流負(fù)載與直流母線的連接也是單向的。

2? 直流微電網(wǎng)的傳統(tǒng)下垂控制及不足

2.1 傳統(tǒng)下垂控制

在直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行中，分布式發(fā)電單元是重要的組成部分，可以為系統(tǒng)提供電能，運(yùn)行主要由變換器控制策略決定。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，就要結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行要求制定有效的管理策略。在直流微電網(wǎng)的管理策略中，由于各個(gè)系統(tǒng)可能處于不同的層級(jí)，因此，分層控制是常用的控制方式。根據(jù)現(xiàn)有的研究，直流微電網(wǎng)的底層控制是電網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而且由于系統(tǒng)中的各個(gè)單元是與直流母線并聯(lián)的，因此，單元的電流分配就是直流微電網(wǎng)底層控制的根本。在已有的電流分配方式中，下垂控制應(yīng)用比較廣泛，通過(guò)下垂控制，可以很好地分配分布式電源間的功率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。多數(shù)的變換器采用的控制是電壓電流雙閉環(huán)方式，下垂控制是在變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制外加入下垂曲線控制，將變換器的輸出電流電壓參考值得到后，再對(duì)電壓電流雙閉環(huán)進(jìn)行控制。

2.2 傳統(tǒng)下垂控制的不足

在直流微電網(wǎng)中，線纜阻抗對(duì)于系統(tǒng)具有一定的影響，利用下垂控制，就是加入了下垂控制器，這樣等同于虛擬了一個(gè)串聯(lián)阻抗，讓原來(lái)的輸出阻抗增加，當(dāng)阻抗遠(yuǎn)大于線纜阻抗的話，分流的精度就提高了。但在線纜阻抗差異大的情況下，采取下垂控制方式仍存在一定的不足，假設(shè)功率單元的輸出功率相同，虛擬阻抗相同，但線纜的阻抗是有差異的，因此，變換器運(yùn)行的曲線是不同的。在實(shí)際運(yùn)行中，變換器的下垂曲線系數(shù)有較大和較小兩種，無(wú)論是選擇較大還是較小下垂曲線系數(shù)，都無(wú)法滿足高分流精度和較小的電壓偏差。當(dāng)選擇較大下垂曲線系數(shù)時(shí)，分流精度提高，但是電壓差會(huì)增大;反之，選擇較小下垂曲線系數(shù)，電壓差減小，但分流精度不高。因此，傳統(tǒng)的下垂控制具有一定的局限性，既要保證分流精度，又要降低電壓偏差是難以實(shí)現(xiàn)的，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

3? 優(yōu)化補(bǔ)償法的改進(jìn)下垂控制方式

3.1 模糊算法

模糊算法應(yīng)用比較廣泛，可以對(duì)不同的管理目標(biāo)進(jìn)行管理，利用其這一優(yōu)勢(shì)可以應(yīng)用在下垂控制的改進(jìn)方面，可以實(shí)現(xiàn)較高的分流精度及較小的直流母線電壓偏差。利用模糊算法可以協(xié)調(diào)控制直流微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)，平衡各系統(tǒng)單元間的能量，同時(shí)，減小直流母線電壓偏差。具體應(yīng)用中，可以由分布式發(fā)電單元及儲(chǔ)能系統(tǒng)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)母線電壓的調(diào)節(jié)。無(wú)論采取哪種方式，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)母線電壓的單元利用下垂控制方式，另外一個(gè)單元就采用恒壓控制或者是最大功率點(diǎn)跟蹤控制方式。分布式發(fā)電單元利用下垂控制調(diào)節(jié)母線電壓時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)單元的剩余容量是模糊控制系統(tǒng)的輸入變量，而下垂控制的曲線系數(shù)是輸出變量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制只需要調(diào)整下垂曲線系數(shù)即可。同樣，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)單元利用下垂控制來(lái)調(diào)節(jié)母線電壓時(shí)，輸入及輸出變量分別是母線電壓偏差和分布式發(fā)電單元的下垂曲線系數(shù)的增量信號(hào)，調(diào)節(jié)下垂曲線系數(shù)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的目的?？偠灾?，模糊算法的應(yīng)用，主要是利用模糊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在電網(wǎng)中一些需要調(diào)節(jié)的物理量是系統(tǒng)的輸入量，而下垂曲線系數(shù)是其輸出量，改進(jìn)下垂控制只需要對(duì)下垂曲線系數(shù)進(jìn)行改變即可。這種方法，無(wú)須改變模糊系統(tǒng)，即使在無(wú)通信情況下，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 一致性算法

在直流微電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)需要進(jìn)行低速通信才可以進(jìn)行二次控制，改進(jìn)下垂控制。如果系統(tǒng)的單元數(shù)比較多的話，系統(tǒng)的通信壓力就會(huì)增加，系統(tǒng)中的各個(gè)單元的動(dòng)態(tài)調(diào)整會(huì)受到限制。因此，在系統(tǒng)中多采用分布式多智能體系統(tǒng)，在無(wú)全局通信的情況下，各智能體之間也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)一致。利用一致性算法來(lái)實(shí)現(xiàn)下垂控制的改進(jìn)，是基于平移曲線法實(shí)現(xiàn)的。利用一致性算法，可以對(duì)下垂曲線的初始電壓值進(jìn)行修改。同時(shí)，利用多智能體滑模控制器來(lái)平確保本單元的剩余容量和相鄰單元的剩余容量平衡。優(yōu)化補(bǔ)償主要是通過(guò)優(yōu)化控制算法來(lái)改變下垂曲線的不同參數(shù)，確保系統(tǒng)中的某些變量一致，實(shí)現(xiàn)下垂控制改進(jìn)。以后隨著控制算法的發(fā)展，可能會(huì)有更多的優(yōu)化算法來(lái)應(yīng)用到直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中去。

補(bǔ)償方式和通信方式是改進(jìn)下垂控制兩個(gè)主要的方面。在補(bǔ)償方式上，優(yōu)化補(bǔ)償主要是依靠?jī)?yōu)化算法來(lái)調(diào)整下垂曲線參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在通信方式上，系統(tǒng)單元數(shù)少的情況下，利用低速通信實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元協(xié)調(diào)工作，單元數(shù)比較多的話，利用分布式一致性算法對(duì)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，確保系統(tǒng)中的一些物理量一致，達(dá)到控制的目的。而且利用優(yōu)化補(bǔ)償法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的管理，也可以減輕通信壓力。

4? 直流微電網(wǎng)下垂控制的發(fā)展

微電網(wǎng)的下垂控制無(wú)論是補(bǔ)償方式還是通信方式，都有很大的改進(jìn)空間，未來(lái)其發(fā)展也需要在這兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。在補(bǔ)償方式上，可以利用更優(yōu)化的算法，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)采取不同的組合方式來(lái)進(jìn)行下垂控制改進(jìn)，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的要求。比如直流母線的電壓在實(shí)際運(yùn)行中是不同的，根據(jù)電壓的不同等級(jí)可以劃分運(yùn)行的模態(tài)，從而選擇更加有效的下垂控制策略。在通信方式上，將工業(yè)以太網(wǎng)及無(wú)線通信等現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用到直流微電網(wǎng)管理系統(tǒng)中，結(jié)合系統(tǒng)的規(guī)模以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩?，選擇可靠的通信方式。因此，直流微電網(wǎng)的下垂控制要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，選擇合適的下垂控制策略。優(yōu)化補(bǔ)償法的下垂控制，要結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)際，選擇合適的算法，優(yōu)化下垂控制，也可以對(duì)不同算法的輸入量及優(yōu)化指等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，滿足不同的系統(tǒng)需要。從這個(gè)角度來(lái)看，不同的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，下垂控制是管理系統(tǒng)能量的重要方式。

5? 結(jié)語(yǔ)

在直流微電網(wǎng)中，分布式發(fā)電單元受線路阻抗的影響，需要利用下垂控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但是傳統(tǒng)的下垂控制在線路阻抗的影響下，會(huì)出現(xiàn)分配精度的偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，利用優(yōu)化補(bǔ)償法來(lái)對(duì)下垂曲線系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以提高各單元的功率分配精度，提升下垂控制的控制性能。隨著控制算法的發(fā)展，下垂控制還需要在補(bǔ)償方式以及通信方式等方面進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)而更好地滿足電力系統(tǒng)要求。

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