学术︱提高直流微电网动态特性的改进下垂控制策略研究
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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西安理工大学自动化与信息工程学院、电力系统国家重点实验室（清华大学）的研究人员支娜、肖曦、张辉，在2016年第3期《电工技术学报》上撰文，从理论上分析了功率扰动对输出电压的影响因素，提出一种阻性虚拟阻抗加补偿虚拟阻抗的改进下垂控制策略，阻性虚拟阻抗实现稳态时的功率分配，补偿虚拟阻抗提升直流微电网的动态性能；通过对一个简单的直流微电网进行小信号建模，给出了补偿虚拟阻抗的参数设计过程。
仿真和实验结果表明，补偿虚拟阻抗下垂控制策略能够提升母线电压的动态特性，阻尼特性增强。
以分布式发电技术[1,2]为主的微电网系统成为未来智能电网的一个重要组成部分。作为微电网技术的一个重要分支，直流微电网以其可靠性高、效率高、控制简单以及便于电源接入等优点成为未来家庭和楼宇的主要供电架构[3]。
直流微电网的基本结构如图1所示，分布式电源（光伏、风电等）优先为用户或楼宇提供电能供应，储能（蓄电池、超级电容等）作为后备电源提供当分布式发电单元功率不足时的功率补给。多个小容量直流微电网并联在直流母线上，通过DC-AC变换器和变压器接入交流母线[4]。
直流微电网的控制策略分为集中控制和分布式控制两种[5，6]，集中控制采用中央控制器，基于信息采集、预测、分析等实现直流微电网的最优控制[7]，这种强通信方式适用于大容量的直流微电网；分布式控制基于本地信息，采用电压-功率下垂控制，不需要通信线路或基于弱通信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[8]。
传统的电压-功率下垂控制策略，在母线电压允许的波动范围内，通过采集微源的输出电流，利用阻性虚拟阻抗线性化减小电压的参考值，实现功率的分配[9-14]。
该控制策略存在以下问题：1下垂特性使得母线电压下降，为有差控制；2线路阻抗的存在容易影响功率分配的准确度。针对母线电压下降问题，可通过采集PCC点的电压和直流微电网的母线电压，增加基于通信的第二级控制来提升母线电压[10]。
文献[11]采用三级控制实现了直流微电网的功率分配及调度，其中第一级采用下垂控制，保证底层变换器的功率自主分配，第二级和第三级均通过通信分别实现母线电压的提升及上级电网对直流微电网的调度。
线路阻抗或传感器精度会对下垂控制的电流分配准确度产生影响，基于低带宽通信，通过计算电压、电流的平均值可补偿由于线路阻抗引起的电流分配误差[12,13]，提升功率分配准确度。
下垂系数对直流微电网的电流分配准确度及电压调节准确度的影响，可通过求取电流、电压平均值增加补偿控制[14]、加入自适应下垂电阻ADR(AdaptiveDroop Resistance)[15]或模糊控制[16]等方法提高分配准确度，提升直流微电网的工作可靠性。
但以上方法均基于阻性虚拟阻抗提升了直流微电网稳态工作的性能，直流微电网中，大量分布式电源的“不确定”性、本地负载的突变以及容量较大的微源接入切出等因素均会造成直流母线电压的波动，直流母线电压的不稳定会造成保护设备的误动作或引起用电设备的损坏，而阻性下垂系数实现了各微源稳态时的功率分配，不能提升微电网的动态特性。
本文通过在纯阻性虚拟阻抗的基础上增加补偿虚拟阻抗的方法对直流微电网中传统的电压-功率下垂控制策略进行改进，提出基于补偿虚拟阻抗的改进下垂控制策略。该控制策略通过阻性虚拟阻抗实现稳态时直流微电网内变换器的功率分配，通过补偿虚拟阻抗，改善母线电压的动态特性；建立了变换器的控制框图，理论推导了补偿虚拟阻抗的设计方法，详细分析了补偿虚拟阻抗对变换器阻尼特性的影响；建立了一个简单的直流微电网，采用两级控制，对本文所提出的改进控制算法进行了仿真和实验验证。
图5 直流微电网控制框图
结论
直流微电网通常采用电压-功率下垂控制实现不同发电单元之间的功率分配，纯阻性的下垂系数能够实现功率分配的快速性，但不能提升系统的动态特性，本文通过增加补偿虚拟阻抗的方法减小了功率扰动对母线电压的影响。
理论分析及仿真实验结果表明：①补偿虚拟阻抗的增加不影响直流微电网稳态时的功率分配；②在负载功率发生功率扰动时，补偿下垂控制策略提高了直流母线电压的动态性能，阻尼特性增强，超调量降低。
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