基于补偿虚拟阻抗的直流微电网协调控制策略研究

基于补偿虚拟阻抗的直流微电网协调控制策略研究

李岩

广东云舜综合能源科技有限公司  广东 广州 510800

摘要:直流微电网需要专业的设计，下垂控制是应用较广泛的DC/DC均流控制方式,但是传统的下垂控制方法中母线压降和均流效果是相互制约的,无法两者兼顾｡基于此，本文提出了一种下垂控制策略，该策略是基于补偿虚拟阻抗加阻性虚拟阻抗改进下构建，该模式下直流微电网内稳态时变换器功率分配功能，实现的主体途径是阻性虚拟阻抗，同时，母线电压动态特征可以利用补偿虚拟阻抗进行改善。

关键词:直流微电网;下垂控制;动态调整

引言

在全球日趋变暖以及逐年扩大的能源需求的大背景下，电力企业开始广泛应用分布式发电设备。国内专家在研究中确定了微电网的定义：在配电网一侧布置的分布式发电单元构筑的网络体系，将能量提供给负载。当以孤岛模式运行微电网，一般会选择下垂控制[1],但传统下垂控制却存在着诸多问题，比如频率电压不稳定、分布式电源功率分配不均匀等。为了确保微电网分配的均衡性以及电网运行的稳定性，文献2：设计了一种新型下垂控制器，该控制器充分考虑了复数阻抗的影响，并且达到了功率共享的精准性[2]｡文献3:通过有效改进传统的鲁棒下垂控制器，添加了频率降频方式和模糊逻辑控制器[3]｡本文提出了一种垂控制策略，该策略是基于补偿虚拟阻抗加阻性虚拟阻抗改进下构建，,保证微电网的稳定运行｡

1直流微电网概述

以分布式发电技术为主的微电网成为未来电网智能化进程的核心环节。直流微电网是整个微电网技术的重要组成，以其高效率、方便电源接入、效率高、可靠性高、控制简单、高可靠性等优点城市楼宇和家庭的核心供电结构，直流微电网的基本结构如图1所示,由风电、光伏等组成的分布式电源，可以将电能优先供应给楼宇或者家庭，由超级电容、蓄电池组成的储能，以后备电源的方式进行功率补给，主要服务于分布式电源功率不足时。在直流母线上并联多个小容量直流微电网，交流母线可以借助变压器和DC-AC变换器接入。

图1直流微电网的基本结构

直流微电网的控制策略分为集中式控制和分布式控制两种[5,6],集中式控制采用中央控制器,直流微电网可以通过信息采集分析、预测等进行优化控制[7],通常大容量直流微电网适合应用该强通信方式；以本地信息为基础，分布式控制利用电压-功率下垂控制,无需弱通信或者通信线路即可实现直流微电网不同微源之间的功率分配,控制简单,更适用于容量较小的直流微电网[4]｡

1直流微电网经济下垂控制策略

下垂控制策略能够按照微电源的容量进行负载功率的合理分配，系统的可靠性大幅度提升。在直流微电网中应用下垂控制策略应，通常将微电网的并联转换器作为控制目标，进行电压参考值的采集，主要是模块不同的电压值，并对比母线电压，网内均流的实现要参照下垂特征。

下该策略完全与传统的集中式电压控制，自主均流可以利用分散式特征。其宗旨是减小电压参考值，可以利用阻性虚拟阻抗线性化实现该目标，进而达到功率分配的动态化。因此产生两个问题：下垂特性明显下降了母线电压；功率分配的准确性受到线路阻抗的明显影响。通过对PCC点的电压以及本微电网母线电压的采集，将二级控制模式插入其中，能够借助外接通信控制母线电压，让母线压降问题得以解决。输电线路本身存在的问题会严重影响下垂控制后的电流分配，这些问题包括阻抗和电压、基准点漂移、电流传感器的精度不足等，这些问题让准确度降低。可以有效计算电压和电流的平均值，低带宽通信可以对其调节，同时合理补偿误差，包括线路阻抗和传感器精度引入的分配误差等，让分配更加准确。还可以利用自适应下垂电阻的加入，以及模糊控制的引入等模式，补偿下垂系数漂移的影响，大幅度提升鲁棒性的有效性。

目前的相关控制策略的基础都是阻性下垂系数，解决了稳态工作时微电网的很多问题，比如电流分配精度、母线电压等。但在具体的操作中，会有很多情况造成微电网脱离稳态而呈现动态工作状态，这些动态情况包括微电网内部负载功率的突变、不断切入切出的微电源等。目前需要解决的是微电网动态下的控制问题。事实上，不确定的突发因素存在于微电网中，比如前文说过的分布式电源不稳、切入切出的大容量微源、突变的本地负载等。这些问题皆是直流母线电压波动的根本因素，如果波动超过电网的允许值，保护设施的误动作就被引发，最严重的后果是损毁电设。传统的阻性虚拟阻抗只可以分配稳定状态下的功率，难以分配动态下的微电网功率。为了该问题得以解决，本文提出的改进下垂控制策略是以补偿虚拟阻抗为基础，并结合传统的阻性虚拟阻抗添加补偿虚拟阻抗，借助虚拟阻性阻抗分配变换器功率，但必须在微电网动态下，让母线电压突变问题得以解决 [5]。

2与传统模式的比较

本文对直流微电网的控制基本上依靠下垂控制策略，该策略的优势在于可以达到极佳的负荷自动均流效果｡传统的下垂控制策略，主要是向不同的微源分配功率，减小电压的参考值可以通过阻性虚拟阻抗线性化实现，力求将波动控制在允许的范围内，以稳定直流微电网的工作状态。

本文由两个下垂变换器构成该并联系统，通过分析传统下垂控制策略，对变换器输出电压的影响程度和分配电流时的准确度进行考量。传统下垂控制策略公式如下：

上公式中,变换器在空载过程中电压输出为；其参考电压为i，阻性下垂系数定为有两个方面的因素决定系数的大小：第一，微源的最大输出功率(用电流表示)，第二，最大电压扰动范围()，这个范围是直流微电网所允许的。在该电网的一般应用中，常规认知是很短的变换器之间的距离，差异性可以不计，所以，阻抗r1和r2影响线路的程度，仅仅是利用反比关系处理虚拟阻抗与变换器所需输出电流，但如果追求更高的功率分配的准确性，就要充分考虑线路的阻抗。追求电流分配的高度准确，要确保下垂系数的比值与线路阻抗的比值相等，倘若难以符合该条件，则可以利用平均电流值求取的模式有效提高电流分配准确性。

通过小信号模型(1)的构建式，形成下列公式：

以上公式，主要表现出负载电流扰动对参考电压的影响；代表参考电压受到负载电流扰动的影响；电压参考值与下垂系数分别为和，输出电流变化量为｡通过式(2)可以看出，如果固定不变的下垂系数，与,呈现正比，也就是产生了扰动的负载电流,同等程度的干扰会发生在变换器的参考电压中，也会对母线电压形成扰动，造成动态特征变差。

以获取直流母线电压为宗旨是传统模式的特点，按照公式(1),伴随变换器输出电流DC/DC的不断增大，也会降低母线的电压。经过对三台并联的DC/DC变换器功能的分析，母线电压设定为,但个体差异会存在不同的DC/DC变换器中，获取的输出电压也各自不同。结果输出电压间没有较大的差别，但不断变小的下垂系数，更大的差别会表现在输出电流中。因此，针对传统下垂控制策略，必须让下垂系数足够大实现最佳的均流效果，可是下垂系数过大会导致母线电压的严重下降。所以，下垂系数选择的合理性，既可以产生良好的均流效果，也能够避免下降过多的母线电压。

3改进下垂控制策略

基于微电网动态性提高的要求，对负载电流对母线电压的影响的研究，力求对传统的下垂控制策略实施改进，要充分研究补偿虚拟阻抗，尽量消除相关的影响，主要是电流扰动对母线电压的影响。以改进传统的下垂控制策略，要全面考虑通过补偿虚拟阻抗，以最大限度消除电流扰动对母线电压特征的影响。下垂控制小信号在加人补偿虚拟阻抗的控制框图如图2所示。

图2加入补偿虚拟阻抗的下垂控制小信号控制框图

图2中为补偿虚拟阻抗;、为变换器直流母线侧输出电流、为空载电压的扰动量和输出电压的扰动量；C为直流母线侧滤波电容;电压补偿器设定为;为电压补偿器;为传递电流函数，如果设计电压环带宽比电流环带宽大的时候，一个阶延迟环节与等效，时间常数远远超过系统采样时间。

由图2推导出输出电压变化量。的表达式为:

通过公式(4)不难看出，母线电压会受到和的影响，对母线电压的影响与其他因素有关，比如电路参数以及电压电流环的PI参数等，而影响母线电压的主要因素为补偿虚拟阻抗，所以，要想减小负载电流扰动对母线电压的影响，必须对补偿虚拟阻抗进行科学合理地设计。令式(4)中,可形成补偿虚拟阻抗的表述公式：

忽略s高次方的影响，则式(5)可简化为

式中，。

改进后的下垂控制器框图如图3所示。

图3改进下垂控制器

通过图3不难看出，虚拟阻抗改进后以阻性虚拟阻抗为基础添加了高通滤波器，其截止频率为。如果状态为稳态下时，获得的阻性下垂系数可以实现稳态下微源接口变换器之间功率分配；当扰动功率产生或者负载切换时，其中的扰动分量可以通过补偿虚拟阻抗检测出来，可以获取的下垂系数微前馈修正后的数据，以此进行动态特性的提升。

5结论

传统的直流微电网分配不同发电单元的功率，一般是通过电压-功率下垂控制完成，纯阻性的下垂系可以快速分配功率，但变换器的动态特征难以提升，本文为了减轻功率扰动对母线电压的影响，采用了增加补偿虚拟阻抗的方式。作用之一是该方式不会影响到稳态时直流微电网的功率分配，之二是针对负载功率的扰动对下垂控制策略进行改进，大幅度提升了直流母线电压的动态性能，增强了阻尼特性并降低了超调量。

参考文献：

[1]鲁宗相,王彩霞,闵勇.微电网研究综述[J].电力系统自动化,2007 ,31( 19) :100- 107.

[2]Yao W, Chen M, Matas J,et al. Design and Analysis of the Droop Control Method for Parallel Inverters Considering the Impact of the Complex Impedance on the Power Sharing[ J]. Industrial Electronics，IEEE Transactions on ,2011 ,58(2) :576-588.

[3]A. W. N. Husna, M. A. Roslan, M. H. Mat. Droop control technique for equal power sharing in islanded microgrid[J]. International Journal of Power Elctronics and Drive System( IJ-PEDS). Vol. 10,No. 1,March 2019 :530-537.

[4]吕振宇,吴在军,窦晓波,等.自治直流微电网分布式经济下垂控制策略[J].中国电机工程学报,2016,36(4):900-910.

[5]李霞林,郭力,王成山,等.直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报,2016,36(1):2-17.