新策略可实现孤立直流微网的功率合理分配、消除直流母线电压偏差
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室、华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室的研究人员刘子文、苗世洪、范志华、晁凯云、康祎龙，在2019年第4期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于自适应下垂特性的孤立直流微电网功率精确分配与电压无偏差控制策略”）指出，基于下垂控制的直流微电网为自主集成分布式电源、储能单元和多类型负荷提供了一种有效的方式。
在传统下垂控制作用下，由于直流微电网中各分布式电源出口线路参数不一致，且存在本地负荷，因而降低了负荷功率的分配精度，难以最大程度发挥分布式电源的效率，甚至引发分布式电源过载等问题，同时线路电阻上的电压降会进一步降低直流母线的电压质量。
为了实现分散控制模式下孤立直流微电网的功率合理分配，并消除直流母线电压的偏差，提出基于自适应下垂特性的功率精确分配策略和直流母线电压无偏差控制策略，且在功率分配策略中考虑了本地负荷的影响。同时对DC-DC变换器在所提改进下垂控制下的响应特性进行分析，并讨论关键参数对系统稳定性的影响。仿真对比结果证明了所提控制策略的正确性和有效性。
微电网是一种集成分布式电源（Distributed Generation, DG）、储能系统（Energy Storage System, ESS）和多类型负荷，利用电力电子变换器实现能量的控制与转换，并具有并网和孤立两种运行模式。当大电网发生故障时，通过相应的保护动作和解列控制，可使微电网转为孤岛运行模式而成为一个自治的电力系统，独立向其所辖负荷供电，从而提高用户供电的可靠性与安全性。
相比于传统交流微电网，直流微电网由于能量变换过程少、效率高、损耗低，无需考虑电压相位及频率问题，因此系统运行的可控性及可靠性大大提高。直流微电网还可通过双向AC-DC变换器与交流微电网或配电网柔性互联，并能有效隔离交流侧扰动和故障，从而保证直流系统内负荷的高可靠供电。因此，直流微电网的研究和发展受到了国内外学术界和工业界的广泛关注。
孤立直流微电网的控制模式有依靠中央控制器的集中式和无需中央控制器的分散自治式。在基于下垂特性的分散自治控制下，微电网中具有稳定出力的DG单元按各自容量成比例的原则参与负荷的功率分配，无需依靠中央控制器即可实现全网功率平衡，具备即插即用功能，简化了控制系统的复杂程度，提高了控制的可靠性。且无论在并网还是孤立运行模式，各DG的下垂控制策略无需改变，易于实现运行状态的无缝切换。因此，相比于集中式主从控制，基于下垂特性的分散控制已成为国内外学者的研究重点。
传统下垂控制模式下，直流微电网中各DG出口线路参数不一致，且存在本地负荷，因而会降低负荷功率的分配精度，难以最大化发挥DG的效率，甚至引发DG变流器输出功率超过其额定容量而重载运行等问题，同时线路电阻的电压降会进一步降低直流母线的电压质量，尤其对于低压直流微电网来说，这一问题更为突出。鉴于此，国内外研究学者在传统直流微电网下垂控制的基础上，提出了多种改进方案，主要包括以下几种：
（1）在传统下垂环节中引入虚拟阻抗，以降低线路阻抗不匹配对负荷分配的影响。文献[11,12]提出了基于虚拟电阻的直流微网下垂控制，以补偿由线路电阻引起的负荷分配偏差。文献[13]提出了一种以功率损耗最小为目标的虚拟电阻优化算法来抑制并联变流器间的环流，但需要不断修正系统参数，降低了控制的实时性。以上方法均未考虑DG出口的本地负荷，且直流母线电压虽有提升，但仍无法维持在额定值。
（2）通过引入通信以获取相邻DG的电气信息，从而改善负荷分配精度。文献[14]基于并联变流器之间输出电流的差异引入了下垂指数的概念，从而计算出为减小环流所需补偿的瞬时虚拟电阻大小。文献[15-17]在利用低速通信实现DG信息共享的基础上，分别提出基于二次调节的自适应下垂控制策略，以实现成比例的负荷功率分配。这种控制方法能够克服集中控制对中央控制单元的依赖，但对每个DG来说都要获得其余DG的电气信息，因此功率分配效果对通信系统的要求较高，同时直流母线电压依然无法维持在额定值。
（3）采用新型下垂控制策略。文献[18]提出了基于“电流-直流电压变化率”的新型下垂控制策略，以提高电流负荷分配精度并实现输出电压稳定。但在该策略控制下，负荷分配精度越高，直流母线电压偏差越大。文献[19]提出了一种具有柔性下垂系数的“高次电流-直流电压”的下垂控制策略，但在轻载情况下负荷分配精度仍有较大误差，同时高次电流电气量的工程实现具有一定难度。文献[20]提出了一种基于“功率-二次直流电压”下垂特性的直流微电网控制策略，但仿真结果显示，直流母线电压仍然存在偏差。
综上所述，已有研究虽然从不同角度提出了直流微网的改进下垂控制，但仍无法解决功率精确分配与直流母线电压维持额定之间的固有矛盾。
为此，本文提出了基于自适应下垂特性的功率精确分配策略和直流母线电压无偏差控制策略。同时，在功率分配策略中考虑了本地负荷的影响，避免了DG出口功率突变导致供电可靠性降低以及变流器重载运行甚至损坏的情况。对DC-DC变换器在所提改进下垂控制下的响应特性进行分析，并讨论了关键控制参数对系统稳定性的影响。最后通过在PSCAD/ EMTDC中进行仿真对比，验证了所提控制策略的正确性和有效性。
图1 直流微电网示意图
图7 孤立直流微网改进下垂控制
图10 仿真模型结构
本文提出了基于自适应下垂特性的功率精确分配策略，以实现孤立直流微电网的功率合理分配，并考虑了本地负荷的影响。同时，提出了基于电压恢复的直流母线电压无偏差控制策略，以消除由下垂特性引起的直流母线电压偏差。
通过对所提控制策略进行了响应特性分析，验证了控制策略的稳定性，并讨论了关键控制参数对系统稳定性的影响。在PSCAD/EMTDC中的仿真分析表明了所提控制策略的正确性和有效性。