王愛嶺 王日霞

摘? 要：微電網(wǎng)在分布式能源發(fā)電中應(yīng)用比較廣泛。微電網(wǎng)分為交流和直流兩種，在實際應(yīng)用中，由于儲能設(shè)備以及負載等利用直流電，因此，直流微電網(wǎng)應(yīng)用范圍更廣泛。直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行需要科學的管理策略，尤其是在底層控制中的電流分配問題，在電流分配過程中，下垂控制是經(jīng)常運用的方式，但傳統(tǒng)的下垂控制方式有一定局限性。文章在分析微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，指出直流微電網(wǎng)傳統(tǒng)下垂控制的實現(xiàn)方式及存在的不足，并提出了優(yōu)化補償法的改進下垂控制方式，最后對直流微電網(wǎng)的下垂控制進行了合理的展望，以期為該領(lǐng)域的研究提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng)? 下垂控制? 技術(shù)? 優(yōu)化補償

中圖分類號：TM727????????????????????????? 文獻標識碼：A?????????????????? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0050-03

Research on Droop Control Technology of DC Micro-grid

WANG Ailing? WANG Rixia

（Shandong Huayu Institute of Technology，Dezhou， Shandong Province，253034 China）

Abstract： Micro-grid is widely used in distributed energy generation. Micro-grid is divided into AC and DC. In practical applications， since energy storage equipment and loads use DC power， the DC micro-grid has a wider range of applications. The stable operation of DC micro-grid needs scientific management strategy， especially the current distribution problem in the bottom control. Droop control is often used in the current distribution process， but the traditional droop control method has some limitations. On the basis of analyzing the structure of micro-grid， this paper points out the realization way and deficiency of the traditional droop control of DC micro-grid， and puts forward the improved droop control way of the optimized compensation method. Finally， the reasonable prospect of DC micro-grid Droop control is given， which can provide some references for the research in this field.

Key Words： DC micro-grid; Droop control; Technology; Optimization compensation

科學技術(shù)的發(fā)展，在推動社會進步的同時，也帶來了嚴峻的環(huán)境問題。尤其是在全球能源危機的背景下，如何科學合理地利用自然界資源成為了重要的課題。為了解決能源問題，以清潔能源為主的分布式發(fā)電應(yīng)用越來越廣泛。但是以風能和太陽能為主的清潔能源發(fā)電技術(shù)在實際應(yīng)用中存在一定不足，那就是風能及太陽能的變化會導致輸出功率波動較大，供電質(zhì)量下降。為更好地解決這一問題，提高供電質(zhì)量，微電網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。微電網(wǎng)的應(yīng)用主要是降低電力系統(tǒng)中的功率波動，實現(xiàn)的方式是利用多能源協(xié)同及對負荷的有效管理等，這樣就可以將風能及太陽能等新能源變化對電網(wǎng)的沖擊降低，確保供電系統(tǒng)穩(wěn)定，保證供電質(zhì)量。微電網(wǎng)主要分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)兩種，在實際應(yīng)用中，直流微電網(wǎng)的可靠性高，控制復雜程度也比較低，因此，應(yīng)用比較廣泛。為確保直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，通常應(yīng)用下垂控制來作為控制策略，但傳統(tǒng)的下垂控制存在一些不足，因此，提出下垂控制改進方式，對于直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要的意義。

1? 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)利用直流連接方式，各個單元和直流母線相互連接，利用各單元的功率交換確保系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡，直流微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在分布式發(fā)電單元，由于風電及光伏都只作為發(fā)電源，是為系統(tǒng)提供能量的，因此，它們的功率傳輸是單向的，不可逆的。風電及光伏利用單向的變換器（AC/DC、DC/DC）連接在直流母線上。而在儲能系統(tǒng)中，蓄電池或超級電容器等，不僅可以發(fā)電，還可以將系統(tǒng)中多余的能量儲存起來，因此，它們與直流母線的連接是雙向的，雙向連接是通過雙向變換器（DC/DC）實現(xiàn)的，為滿足這一要求，DC/DC變換器也具備雙向傳輸?shù)墓δ?。在系統(tǒng)的負荷部分，無論是交流負荷還是直流負荷都是消耗能量的，因此，交直流負載與直流母線的連接也是單向的。

2? 直流微電網(wǎng)的傳統(tǒng)下垂控制及不足

2.1 傳統(tǒng)下垂控制

在直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)運行中，分布式發(fā)電單元是重要的組成部分，可以為系統(tǒng)提供電能，運行主要由變換器控制策略決定。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，就要結(jié)合系統(tǒng)的運行要求制定有效的管理策略。在直流微電網(wǎng)的管理策略中，由于各個系統(tǒng)可能處于不同的層級，因此，分層控制是常用的控制方式。根據(jù)現(xiàn)有的研究，直流微電網(wǎng)的底層控制是電網(wǎng)運行的基礎(chǔ)，而且由于系統(tǒng)中的各個單元是與直流母線并聯(lián)的，因此，單元的電流分配就是直流微電網(wǎng)底層控制的根本。在已有的電流分配方式中，下垂控制應(yīng)用比較廣泛，通過下垂控制，可以很好地分配分布式電源間的功率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。多數(shù)的變換器采用的控制是電壓電流雙閉環(huán)方式，下垂控制是在變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制外加入下垂曲線控制，將變換器的輸出電流電壓參考值得到后，再對電壓電流雙閉環(huán)進行控制。

2.2 傳統(tǒng)下垂控制的不足

在直流微電網(wǎng)中，線纜阻抗對于系統(tǒng)具有一定的影響，利用下垂控制，就是加入了下垂控制器，這樣等同于虛擬了一個串聯(lián)阻抗，讓原來的輸出阻抗增加，當阻抗遠大于線纜阻抗的話，分流的精度就提高了。但在線纜阻抗差異大的情況下，采取下垂控制方式仍存在一定的不足，假設(shè)功率單元的輸出功率相同，虛擬阻抗相同，但線纜的阻抗是有差異的，因此，變換器運行的曲線是不同的。在實際運行中，變換器的下垂曲線系數(shù)有較大和較小兩種，無論是選擇較大還是較小下垂曲線系數(shù)，都無法滿足高分流精度和較小的電壓偏差。當選擇較大下垂曲線系數(shù)時，分流精度提高，但是電壓差會增大;反之，選擇較小下垂曲線系數(shù)，電壓差減小，但分流精度不高。因此，傳統(tǒng)的下垂控制具有一定的局限性，既要保證分流精度，又要降低電壓偏差是難以實現(xiàn)的，需要對其進行改進優(yōu)化。

3? 優(yōu)化補償法的改進下垂控制方式

3.1 模糊算法

模糊算法應(yīng)用比較廣泛，可以對不同的管理目標進行管理，利用其這一優(yōu)勢可以應(yīng)用在下垂控制的改進方面，可以實現(xiàn)較高的分流精度及較小的直流母線電壓偏差。利用模糊算法可以協(xié)調(diào)控制直流微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電及儲能系統(tǒng)，平衡各系統(tǒng)單元間的能量，同時，減小直流母線電壓偏差。具體應(yīng)用中，可以由分布式發(fā)電單元及儲能系統(tǒng)單元來實現(xiàn)母線電壓的調(diào)節(jié)。無論采取哪種方式，負責調(diào)節(jié)母線電壓的單元利用下垂控制方式，另外一個單元就采用恒壓控制或者是最大功率點跟蹤控制方式。分布式發(fā)電單元利用下垂控制調(diào)節(jié)母線電壓時，儲能系統(tǒng)單元的剩余容量是模糊控制系統(tǒng)的輸入變量，而下垂控制的曲線系數(shù)是輸出變量，對系統(tǒng)進行控制只需要調(diào)整下垂曲線系數(shù)即可。同樣，當儲能系統(tǒng)單元利用下垂控制來調(diào)節(jié)母線電壓時，輸入及輸出變量分別是母線電壓偏差和分布式發(fā)電單元的下垂曲線系數(shù)的增量信號，調(diào)節(jié)下垂曲線系數(shù)也可以實現(xiàn)系統(tǒng)控制的目的?？偠灾?，模糊算法的應(yīng)用，主要是利用模糊系統(tǒng)來實現(xiàn)的，在電網(wǎng)中一些需要調(diào)節(jié)的物理量是系統(tǒng)的輸入量，而下垂曲線系數(shù)是其輸出量，改進下垂控制只需要對下垂曲線系數(shù)進行改變即可。這種方法，無須改變模糊系統(tǒng)，即使在無通信情況下，也可以實現(xiàn)對多個目標的控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.2 一致性算法

在直流微電網(wǎng)的實際應(yīng)用中，多數(shù)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)需要進行低速通信才可以進行二次控制，改進下垂控制。如果系統(tǒng)的單元數(shù)比較多的話，系統(tǒng)的通信壓力就會增加，系統(tǒng)中的各個單元的動態(tài)調(diào)整會受到限制。因此，在系統(tǒng)中多采用分布式多智能體系統(tǒng)，在無全局通信的情況下，各智能體之間也可以實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)一致。利用一致性算法來實現(xiàn)下垂控制的改進，是基于平移曲線法實現(xiàn)的。利用一致性算法，可以對下垂曲線的初始電壓值進行修改。同時，利用多智能體滑?？刂破鱽砥酱_保本單元的剩余容量和相鄰單元的剩余容量平衡。優(yōu)化補償主要是通過優(yōu)化控制算法來改變下垂曲線的不同參數(shù)，確保系統(tǒng)中的某些變量一致，實現(xiàn)下垂控制改進。以后隨著控制算法的發(fā)展，可能會有更多的優(yōu)化算法來應(yīng)用到直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中去。

補償方式和通信方式是改進下垂控制兩個主要的方面。在補償方式上，優(yōu)化補償主要是依靠優(yōu)化算法來調(diào)整下垂曲線參數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在通信方式上，系統(tǒng)單元數(shù)少的情況下，利用低速通信實現(xiàn)各個單元協(xié)調(diào)工作，單元數(shù)比較多的話，利用分布式一致性算法對下垂控制進行改進，確保系統(tǒng)中的一些物理量一致，達到控制的目的。而且利用優(yōu)化補償法，可以實現(xiàn)對多個目標的管理，也可以減輕通信壓力。

4? 直流微電網(wǎng)下垂控制的發(fā)展

微電網(wǎng)的下垂控制無論是補償方式還是通信方式，都有很大的改進空間，未來其發(fā)展也需要在這兩個方面進行優(yōu)化。在補償方式上，可以利用更優(yōu)化的算法，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)采取不同的組合方式來進行下垂控制改進，滿足系統(tǒng)運行的要求。比如直流母線的電壓在實際運行中是不同的，根據(jù)電壓的不同等級可以劃分運行的模態(tài)，從而選擇更加有效的下垂控制策略。在通信方式上，將工業(yè)以太網(wǎng)及無線通信等現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用到直流微電網(wǎng)管理系統(tǒng)中，結(jié)合系統(tǒng)的規(guī)模以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩兀x擇可靠的通信方式。因此，直流微電網(wǎng)的下垂控制要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，選擇合適的下垂控制策略。優(yōu)化補償法的下垂控制，要結(jié)合系統(tǒng)的運行實際，選擇合適的算法，優(yōu)化下垂控制，也可以對不同算法的輸入量及優(yōu)化指等參數(shù)進行調(diào)整，滿足不同的系統(tǒng)需要。從這個角度來看，不同的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，下垂控制是管理系統(tǒng)能量的重要方式。

5? 結(jié)語

在直流微電網(wǎng)中，分布式發(fā)電單元受線路阻抗的影響，需要利用下垂控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是傳統(tǒng)的下垂控制在線路阻抗的影響下，會出現(xiàn)分配精度的偏差。在實際應(yīng)用中，利用優(yōu)化補償法來對下垂曲線系數(shù)進行調(diào)節(jié)，可以提高各單元的功率分配精度，提升下垂控制的控制性能。隨著控制算法的發(fā)展，下垂控制還需要在補償方式以及通信方式等方面進行創(chuàng)新，進而更好地滿足電力系統(tǒng)要求。

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