基于单脉冲注入的直流微电网线路阻抗检测

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上海电力学院电气工程学院的研究人员刘琛、赵晋斌等，在2018年第11期《电工技术学报》上撰文，为解决直流微电网中线路阻抗对传统下垂控制造成的影响，基于直流微电网系统结构特点，提出了一种主动阻抗检测方法，即通过主动注入单脉冲扰动，检测变换器输出电压、电流变化，获得线路阻抗信息，进而对下垂系数进行补偿，最终改善负荷分配精度和母线电压电能质量。

由于该方法属于主动测量法，因此对电能质量影响微小并可控。最后通过仿真和实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

微电网作为一种小型并网发电系统，因其具有自我管理功能，可提高系统电压质量，解决供需平衡问题，有效缓解新能源并网时所带来的压力，所以受到国内外学者的广泛关注。传统电网为交流形式，因此早期对微电网的研究多集中于交流微电网，但是直流微电网具有高效、简单和经济的优势。

其中，高效体现在功率变换环节减少，损耗减少；简单体现在直流相对于交流，无相位、频率等参数，因此控制简单；经济体现在设备数量减少，同时线路成本也相应减少[1-5]。

合理的控制策略是保证直流微电网系统稳定运行的基础[6,7]，具体表现为两个平衡：①供需平衡，即协调各部分运行状态，维持母线电压稳定；②负荷分配平衡，系统内分布式电源或分布式储能均通过电力电子电路并联运行为负荷供电，因此如何实现负荷功率在并联电源之间的合理分配将是另一个关键问题，这里所说的合理分配，是按电源容量进行等比例分配。

综上所述，保证微电网中两个平衡，即供需平衡与负荷功率分配平衡将是微电网控制面临的主要问题。本文主要涉及负荷的功率分配平衡问题。

现有负荷分配方法有采用高速通信线的集中式控制[8,9]和基于低速通信线的改进下垂控制[10,11]。系统采用通信线，可以获得较好的负荷分配精度，但会使系统可靠性变差，灵活性降低，成本增加。

文献[12]重点分析了电压偏差、均流精度、恒功率稳定性和系统功率损耗与下垂系数的关系，考虑到不同负荷情况下4个方面的重要性不同，提出基于负荷变化的动态虚拟阻抗控制策略，该方法可根据负荷轻重动态调节虚拟阻抗，以期实现电压偏差与均流精度两者之间的最优结果。

文献[13]利用V导代替下垂控制中V的地位，减少了电压和电流间的影响，改善电流负荷分配精度的同时提高了输出电压质量，但系统动态响应与负荷分配精度存在矛盾关系。文献[14]提出利用虚拟阻抗抵消线路阻抗的影响，但是阻抗预测是并网状态下完成，因此要求微电网初始不能工作于离网模式。文献[15]提出加入线路阻抗测量装置，便于对下垂控制器进行修正，但需要额外的硬件装置。

本文主要解决传统下垂控制中线路阻抗对系统功率分配和电压电能质量造成的影响。首先理论分析直流微电网中线路阻抗对系统造成的影响。然后考虑微电网系统本身特点，提出一种主动线路阻抗检测方法，并理论分析系统内各部分对测量准确度的影响，为脉冲信号参数的设计提供一定的参考。利用检测到的线路阻抗信息对线路阻抗进行负向补偿，可有效解决系统因线路阻抗存在而造成的功率分配不均问题，同时提高母线电压，改善电压电能质量。最后仿真和实验验证了所提方法的有效性。

图1  直流微电网典型结构

图12  实验平台

结论

针对直流微电网传统下垂控制中线路阻抗对分布式电源负荷分配精度和系统母线电压电能质量造成的影响，通过理论分析、仿真和实验验证，得到以下结论：

1）直流微电网系统中直流母线处存在容值可观的等效电容，该等效电容的存在会对系统中电压、电流响应速度造成一定影响。

2）本文所提主动线路阻抗检测方法可较准确地获得线路阻抗信息，测量准确度与系统内负载电阻、系统容量和线路阻抗大小有关。

3）通过对下垂系数进行补偿，可削弱线路阻抗对分布式电源负荷分配和电压电能质量的影响。

该方法测量精度在线路阻抗较小和等效电容较小情况下误差较大，存在一定的不足，对于此场合下的应用将在后续研究中进行深入分析。