基于下垂控制的直流微電網(wǎng)功率共享策略分析與研究綜述

摘 要 直流微電網(wǎng)是光伏發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電等各種分布式新能源變輸電的有效載體，為 多類型負(fù)荷和分布式電源提供了有效的運(yùn)行方式。但由于微電網(wǎng)中各種分布式電源的出口 參數(shù)的不一致或存在本地負(fù)荷，導(dǎo)致了負(fù)荷端的功率分配精度降低，降低了電源運(yùn)行效率; 并且由于線路中阻抗的存在，導(dǎo)致了母線電壓偏差的問題。本文主要分析了國內(nèi)外基于下 垂控制的直流微電網(wǎng)功率共享的研究;對比了改進(jìn)后下垂控制與傳統(tǒng)的下垂控制的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 直流微電網(wǎng);下垂控制;功率共享;電壓平衡;控制策略

前言

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，迫切需要能獨(dú)立運(yùn)行滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷并且與傳統(tǒng)電網(wǎng)（主網(wǎng)）能有效協(xié)同的輸變電網(wǎng)絡(luò)，微電網(wǎng)的概念由此被提出來。微電網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種工作模式，它是一種集成的分布式電源，通過電力電子變換裝置實(shí)現(xiàn)能量的控制和轉(zhuǎn)換[1]。

1直流微電網(wǎng)的功率共享策略

直流微電網(wǎng)的功率分配是通過模擬同步發(fā)電機(jī)的下垂特性完成的，即通過P/f下垂控制和Q/v下垂控制來實(shí)現(xiàn)對有功功率和無功功率的合理分配，穩(wěn)定出口電壓。直流微電網(wǎng)中功率分配下垂控制的基本原理是各個(gè)逆變器利用下垂特性得到電壓頻率和幅值的指令值，并通過指令值反相調(diào)整功率，使得有功功率和無功功率的有合理搭配[2]。下面是逆變器電壓頻率和幅值的下垂特性：

ω-ω_0⁼-K_p（p-p_o）

?₀= ?（ ?₀）

其中，Po和Qo分別為并網(wǎng)逆變器的額定有功功率和無功功率，ωo和Uo分別是逆變器的額定角頻率和額定電壓，k_p和K_q為逆變器的下垂系數(shù)。需要注意的是微電網(wǎng)的下垂特性是人為的內(nèi)置到逆變器里面的，與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的下垂特性有著本質(zhì)上的區(qū)別。下垂控制原理圖如下：

傳統(tǒng)的下垂控制是在并聯(lián)逆變器電感較大時(shí)推導(dǎo)出來的，而不同電壓等級的輸電線路對應(yīng)著不同的阻抗：

由上表可以得知，電壓等級越低，對應(yīng)的阻感比越大;隨著輸電距離的增加，線路電阻也會增加，造成阻感比進(jìn)一步增大。

由于并網(wǎng)逆變器的出口參數(shù)的不一致，而且存在本地負(fù)荷，導(dǎo)致了負(fù)荷功率分配精度的下降，不能充分的利用分布式電源;由于輸電線路中存在阻抗，隨著輸變電距離的增加，不能被忽略，造成了母線電壓偏差的問題，影響電能質(zhì)量。一些改進(jìn)的下垂控制方法被提出來，改善這兩個(gè)問題。

2直流微電網(wǎng)的功率共享方法研究

直流微電網(wǎng)中存在的功率分配精度下降和電壓偏差問題，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的運(yùn)行效率和電能質(zhì)量，迫切需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略合理地分配有功和無功功率，提高功率共享的精度，平衡電壓偏差。

2.1 基于虛擬電阻的直流微電網(wǎng)下垂控制

在傳統(tǒng)下垂控制的互聯(lián)操作中，缺少考慮線性阻抗對直流微電網(wǎng)的影響。研究在下垂環(huán)節(jié)中引入虛擬阻抗對消線路中的阻抗，可以降低線路阻抗不匹配對負(fù)荷分配的影響。該控制策略提出了一種基于P ?控制器的新型控制方法，通過改變有效的下垂增益來引入虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)電壓的良好調(diào)節(jié)和負(fù)載的精確分配。這種方法的新穎之處在于，在單獨(dú)地區(qū)電源之間不需要進(jìn)行通信;提高了功率的分配精度和母線電壓的控制精度，并且變換器安裝在當(dāng)?shù)兀瑵M足了分布式的要求，具有安裝簡單，即插即用的應(yīng)用特點(diǎn)。

2.2 基于主單元頻率迭代的微電網(wǎng)下垂控制

該控制策略提出了一種基于主從的頻率控制方式，虛擬頻率由主單元疊加的得到，從單元根據(jù)相應(yīng)的基于頻率的下垂特性確定它們的輸出功率。電源電壓被認(rèn)為是一個(gè)主單元，它將一個(gè)頻率疊加到直流鏈路電壓上。其他單元包括可調(diào)度單元和不可調(diào)度單元，通過利用直流鏈路電壓的疊加頻率和提出的下垂特性，作為支持電流源變換器的網(wǎng)格運(yùn)行。

2.3 基于低帶寬通信的微電網(wǎng)下垂控制

通過增加電流的方式來線性的增加電壓是實(shí)現(xiàn)下垂控制的傳統(tǒng)方法，但這樣有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)，一是使得電流的分配精度降低，二是增加電壓偏差。該控制策略提出了一種基于低帶寬LBC通信的分散控制方法，各逆變器在完成各自出口處的平均電壓和電流的估算，LBC系統(tǒng)只是用來交換電壓電流信息，通過獲取相鄰分布式微電源的電氣信息，從而改善負(fù)荷功率分配精度。

2.4 基于自適應(yīng)的微電網(wǎng)下垂控制

該控制策略只要是通過推導(dǎo)虛擬電阻，增加電壓和電流的雙環(huán)比例積分控制器，得到了改進(jìn)的自適應(yīng)下垂控制傳遞函數(shù)，基于此傳遞函數(shù)得到自適應(yīng)的下垂控制策略。該控制策略考慮了當(dāng)?shù)刎?fù)荷和在不同的線性電阻水平下的下垂動(dòng)作時(shí)延，有利于提高電壓分配的精度。

3結(jié)束語

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，主要服務(wù)于新能源的分布式能源網(wǎng)絡(luò)，微電網(wǎng)的建設(shè)與研究得到越來越多研究學(xué)者的關(guān)注。微電網(wǎng)下垂控制策略的研究趨向多元化，對于下垂控制中存在的功率分配精度和電壓偏差問題，要因地制宜地選擇和設(shè)計(jì)控制策略，以提高微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張曉雪，牛煥娜，趙靜翔.含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（7）：165-173.

[2] 李聰.基于下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行仿真及小信號穩(wěn)定性分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

作者簡介

王宏東（1996-），男，現(xiàn)就讀學(xué)校：廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：微電網(wǎng)功率分配。