基于自適應(yīng)阻抗二次控制的直流微電網(wǎng)優(yōu)化配置研究

馮玉斌，王慧

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，遼寧沈陽 110866）

直流微電網(wǎng)中包含諸多運轉(zhuǎn)于恒壓情況下的發(fā)電單元時，直流下垂控制能夠在很大程度上處理功率平均分配的情況，同時擁有易于實現(xiàn)及不需要通信連接等優(yōu)勢。然而它也有諸多缺點[1-3]：直流下垂控制將導致變換器輸出端口電壓小于規(guī)定的閾值，同時其將依附負載功率的逐漸升高而迅速減小；如果并聯(lián)變換器輸出端口到直流母線的電路阻抗相異程度相對很高時，下垂控制的功率平均分配成效在很大程度上得到降低。特別是在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，過多的運用分布式發(fā)電單元致使以上問題必須考慮其中[4-5]。因此，本文提出了自適應(yīng)阻抗二次控制方法。

1 直流下垂控制缺陷

直流下垂控制原理：

式中：vref為直流電壓源的電壓初始設(shè)置值；io為變換器輸出電流；rd為下垂系數(shù)；vdc為通過下垂控制調(diào)整后的電壓設(shè)置參考值。

由式（1）可知，其等同于在變換器輸出端串聯(lián)一個虛擬阻抗，其能夠產(chǎn)生的電壓壓降為

由式（2）可知，下垂控制將致使變換器輸出端電壓比實際電壓設(shè)置值小，同時電壓壓降和下垂系數(shù)及其輸出電流具有正比例關(guān)系。

在電路阻抗相差相對高的狀態(tài)下，如果擇取相對低的下垂系數(shù)，盡管能夠符合直流母線電壓變動區(qū)間，但是其均流精度也有降低的可能。在兼顧電路阻抗的前提下，規(guī)定變換器的外特性阻抗：

式中：rc為電路阻抗。

以兩臺相同容量的并聯(lián)變換器為例，其均流成效見圖1。

圖1 不同下垂系數(shù)的均流成效Fig.1 Current distribution of different sagging coefficients

在并聯(lián)變換器下垂系數(shù)設(shè)定一樣的前提下，因為線纜阻抗相異致使其外特性阻抗具有差異，表現(xiàn)為兩條外特性曲線斜率相異[6-8]。在載荷一致的前提下，擇取相對低的下垂系數(shù)，那么其直流母線電壓下降幅度相對很小，然而其均流精度相對很低；相反擇取相對高的下垂系數(shù)，其均流精度獲得提升，然而其直流母線電壓下降幅度將迅速升高。

綜上所述，下垂控制及線纜阻抗分別致使的輸出電壓及均流精度下降是互相排斥且無法調(diào)和的，特別是在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，其發(fā)電單元中具有間隔[9-11]，此時線纜阻抗不同而致使的均流精度減小的問題是務(wù)必要得到重視的。

《基礎(chǔ)教育課程改革綱要(試行)》中明確指出：教師應(yīng)尊重學生的人格，關(guān)注個體差異，滿足不同學生的學習需要，創(chuàng)設(shè)能引導學生主動參與的教育環(huán)境，激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生掌握和運用知識的態(tài)度和能力，使每個學生都能得到充分的發(fā)展。小學數(shù)學階段是對學生的數(shù)學教育進行基礎(chǔ)鞏固的階段，是培養(yǎng)學生數(shù)學綜合能力的關(guān)鍵時期，分層異步教學作為小學數(shù)學的重要教學方式，能夠逐漸平衡學生之間的差異，提升整體學生的綜合能力，提高教師的教學質(zhì)量，對不同程度的學生進行針對性地指導，依照學生的實際情況，尊重學生的個體差異，能夠照顧到不同學習水平的學生，對小學數(shù)學教師的教學效果具有很大的提高作用。

2 自適應(yīng)阻抗二次控制方法設(shè)計

自適應(yīng)阻抗二次控制方式經(jīng)過平移下垂曲線以完成對直流微電網(wǎng)母線電壓的恢復，隨之經(jīng)過調(diào)整其斜率來達到每個并聯(lián)變換器外特性阻抗無限逼近的目的。在此調(diào)整歷程中或許會具有諸多符合變換器外特性阻抗一致的情況出現(xiàn)，即其下垂斜率或許將遠離開始設(shè)置值，同時下垂系數(shù)上下大幅度波動將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[11-13]，所以要制約其調(diào)整區(qū)間。所以設(shè)計自適應(yīng)阻抗二次控制方案在電壓、電流調(diào)節(jié)器的前提下添置第三個調(diào)節(jié)器，經(jīng)過低帶寬通信網(wǎng)絡(luò)相互傳輸其下垂系數(shù)值，同時運算其均值，從而完成對其平均下垂系數(shù)的調(diào)節(jié)，其控制框圖見圖2。

圖2 控制方案框圖Fig.2 Block diagram of the control scheme

其下垂系數(shù)調(diào)節(jié)方式：

自適應(yīng)阻抗二次控制方案的整體控制原理：

式中：Gpir（s）、Gpic（s）及Gpiv（s）分別為平均電壓、電流及下垂系數(shù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

同樣以兩臺容量相同的并聯(lián)變換器為例，自適應(yīng)阻抗二次控制的等效電路見圖3。

圖3 等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model

其中，rc1、rc2及rd1、rd2分別表示線纜阻抗及阻值和下垂系數(shù)相等的虛擬阻抗；vdc1、vdc2、idc1、idc2分別表示兩變換器輸出端的電壓及電流值；Δv表示該控制出現(xiàn)的下垂系數(shù)偏移。虛線框內(nèi)下垂系數(shù)等效虛擬阻抗是通過平均電流及下垂系數(shù)調(diào)節(jié)器一同調(diào)節(jié)的[14-15]。

結(jié)合式（6）可得：

依照式（8）可知每個并聯(lián)變換器的外特性阻抗在平均電流及下垂系數(shù)調(diào)節(jié)器的相互調(diào)節(jié)下趨向一致，從而確保其均流精度符合要求。

根據(jù)式（6）和式（8）可知：

依照式（9）可知相異線纜阻抗前提下自適應(yīng)阻抗二次控制相應(yīng)的下垂系數(shù)調(diào)節(jié)狀態(tài)。線纜阻抗rc1分別是0.5 Ω及5 Ω；rc2持續(xù)改變情況下，與之相應(yīng)的下垂系數(shù)rd1及rd2的調(diào)節(jié)狀況見圖4。

圖4 不同線纜阻抗下的下垂系數(shù)調(diào)節(jié)Fig.4 Sagging coefficient adjustment under different cable impedances

由圖4可知，當兩臺并聯(lián)變換器的線纜阻抗相等時，自適應(yīng)阻抗二次控制調(diào)整后的下垂系數(shù)等于設(shè)置值；當線纜阻抗不相等時，其下垂系數(shù)能夠完成自適應(yīng)調(diào)整，從而保證其外特性阻抗一致。另外它們的均值從始至終和其設(shè)置值相等。

3 實驗仿真分析

構(gòu)建直流微電網(wǎng)下垂控制實驗平臺見圖5。

系統(tǒng)包含3臺容量相同的型變換器、3臺直流源以及直流負載，其中直流負載是由分別連接在變換器1號及3號輸出端及公共母線端的本地負載及公共負載共同構(gòu)成，其變換器的主要參數(shù)見表1。

圖5 帶有三臺并聯(lián)變換器的實驗配置方案Fig.5 Experimental configuration program with three parallel converter

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

3.1 線纜阻抗下的實驗分析

不同線路阻抗前提下自適應(yīng)阻抗二次控制方法前后變換器輸出端電壓與電流改變狀況，見圖6。

圖6 實驗結(jié)果Fig.6 Experiment results

由圖6可知，自適應(yīng)阻抗二次控制前三臺變換器的線纜阻抗不同致使輸出電流存在差異，在自適應(yīng)阻抗二次控制后，其輸出電壓均提升了15 V左右，在很大程度升都獲得了提高，輸出電流逐漸趨向一樣。其結(jié)果表明，自適應(yīng)阻抗二次控制能夠很好的處理下垂控制及線路阻抗不匹配分別致使的電壓及均流精度降低的問題。

3.2 適應(yīng)性分析

在自適應(yīng)阻抗二次控制調(diào)整后，讓其中一臺變換器停止工作然后再恢復，其結(jié)果見圖7。

圖7 變換器停止與恢復實驗結(jié)果Fig.7 The experiment results of the converter stops and restores

圖7可知，某號變換器停止工作后，為了確保系統(tǒng)能量平衡，剩下兩變換器的輸出電流對應(yīng)升高，與此同時在這個階段內(nèi)具有相對較好的均流性能。當該號變換器恢復工作后，在自適應(yīng)阻抗二次控制作用下，最后三臺變換器的輸出電流又趨于相同。

本地負載接入及斷開時系統(tǒng)工作狀況結(jié)果見圖8。

圖8 實驗結(jié)果Fig.8 Experiment results

圖9可知，起初，3臺并聯(lián)變換器僅給公共負載供電，其各輸出電流在自適應(yīng)阻抗二次控制作用下獲得均衡；當3號變換器的本地負載rlo3接入，其各輸出電流對應(yīng)升高，在此歷程中系統(tǒng)的均流精度受負載的接入干擾相對較低；當1號變換器的本地負載rlo1接入時，其輸出電流在接入瞬間迅速提升，然后自適應(yīng)阻抗二次控制調(diào)整下慢慢和其他兩臺變換器輸出電流趨向一致。當變換器1號及3號的本地負載順序斷開時，效果類似。其結(jié)果表明在本地負載與公共負載同時存在時，自適應(yīng)阻抗二次控制也可以確保其均流精度。

4 結(jié)語

經(jīng)過對直流下垂控制缺陷的分析研究，說明了影響母線的直流電壓以及均流的精度降低的元素主要是下垂系數(shù)、輸出功率同電路阻抗的匹配程度。從并聯(lián)變換器外特性阻抗角度考慮，提出了自適應(yīng)阻抗式二次控制方案。通過構(gòu)建直流微電網(wǎng)下垂控制實驗平臺對該控制方法進行實驗，其結(jié)果證明，自適應(yīng)阻抗式二次控制能夠應(yīng)對直流微電網(wǎng)中負載的復雜變化，同時擁有很好的動態(tài)均流性能，在很大程度上提升了系統(tǒng)的均流精度。

[1]王第成.直流電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)及潮流控制器配置方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2016.

[2]趙康.特高壓交直流受端電網(wǎng)限流優(yōu)化研究[D].濟南：山東大學，2016.

[3]賀鵬，艾欣，趙驥.微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化模型研究綜述[J].陜西電力，2013，41（7）：68-73.HE Peng，AI Xin，ZHAO Ji.Study on optimization model of micro-network economic scheduling[J].Shaanxi Electric Power，2013，41（7）：68-73（in Chinese）.

[4]齊偉夫.區(qū)域電網(wǎng)電壓穩(wěn)定判別方法及系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2014.

[5]MUNOZ D G，CONTRERAS J，ARROYO J M.Joint expansion planning of distributed generation and distribution networks[J].IEEE Transactions on Power Systems，2015，30（5）：2579-2590.

[6]周天沛.微網(wǎng)中的分布式電源和儲能資源的優(yōu)化運行與管理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2015.

[7]彭旭東，邱澤晶，肖楚鵬.電力用戶能效監(jiān)測與需求響應(yīng)研究綜述[J].節(jié)能技術(shù)，2013，31（3）：243-246.PENG Xudong，QIU Zejing，XIAO Chupeng.Study on energy efficiency monitoring and demand response of power users[J].Energy Conservation Technology，2013，31（3）：243-246（in Chinese）.

[8]KIRUBAKARAN K，JAIN S，NEMA R K.DSP-controlled power electronic interface for fuel-cell-based distributed generation[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（12）：3853-3864.

[9]郭力，劉文建，焦冰琦，等.獨立微網(wǎng)系統(tǒng)的多目標優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計方法 [J].中國電機工程學報，2014，34（4）：524-536.GUO Li， LIU Wenjian， JIAO Bingqi， et al.Multi-objective optimization planning and design method for independent microgrid system[J].Proceeding of the CSEE，2014，34（4）：524-536（in Chinese）.

[10]孫云嶺，黃偉，王冠男，等.微源并網(wǎng)逆變器下垂控制策略的改進研究[J].陜西電力，2013，41（1）：6-10，47.SUN Yunling，HUANG Wei，WANG Guannan，et al.Improvement of droop control strategy for micro-source grid-connected inverter[J].Shaanxi Electric Power，2013，41（1）：6-10，47.

[11]呂政，唐海萍.自適應(yīng)太陽跟蹤平臺理論分析及控制器設(shè)計[J].節(jié)能技術(shù)，2007，9（5）：419-422.Lü Zheng，TANG Haiping.Theoretical analysis and controller design of adaptive solar tracking platform[J].Energy Conservation Technology，2007，9（5）：419-422 （in Chinese）.

[12]于培永，邵天宇，鄧磊，等.直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的改進研究[J].節(jié)能技術(shù)，2013，31（6）：516-521.YU Peiyong，SHAO Tianyu，DENG Lei，et al.Improvement of DC system insulation monitoring device[J].Energy ConservationTechnology，2013，31（6）：516-521（inChinese）.

[13]熊超中.低壓直流供電系統(tǒng)研究綜述[J].科技風，2014（24）：115.XIONG Chaozhong.Study on low voltage dc power supply system[J].Science and Technology，2014（24）：115（in Chinese）.

[14]韓培潔，張惠娟，李賀寶，等.微電網(wǎng)控制策略分析研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（10）：25-30.HAN Peijie，ZHANG Huijuan，LI Hebao，et al.Microgrid control strategy analysis[J].Power Grid and Clean Energy，2012，28（10）：25-30（in Chinese）.

[15]李倩，周彬倩，張建成，等.基于自適應(yīng)差分進化和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏功率預測 [J].陜西電力，2014，42（2）：23-27.LI Qian，ZHOU Binqian，ZHANG Jiancheng，et al.Photovoltaic power prediction based on adaptive differential evolution and BP neural network[J].Shaanxi Electric Power，2014，42（2）：23-27（in Chinese）.