基于自适应阻抗二次控制的直流微电网优化配置研究

冯玉斌，王慧

（1.广西大学电气工程学院，广西南宁 530004;2.沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁沈阳 110866）

直流微电网中包含诸多运转于恒压情况下的发电单元时，直流下垂控制能够在很大程度上处理功率平均分配的情况，同时拥有易于实现及不需要通信连接等优势。然而它也有诸多缺点[1-3]：直流下垂控制将导致变换器输出端口电压小于规定的阈值，同时其将依附负载功率的逐渐升高而迅速减小；如果并联变换器输出端口到直流母线的电路阻抗相异程度相对很高时，下垂控制的功率平均分配成效在很大程度上得到降低。特别是在直流微电网系统中，过多的运用分布式发电单元致使以上问题必须考虑其中[4-5]。因此，本文提出了自适应阻抗二次控制方法。

1 直流下垂控制缺陷

直流下垂控制原理：

式中：vref为直流电压源的电压初始设置值；io为变换器输出电流；rd为下垂系数；vdc为通过下垂控制调整后的电压设置参考值。

由式（1）可知，其等同于在变换器输出端串联一个虚拟阻抗，其能够产生的电压压降为

由式（2）可知，下垂控制将致使变换器输出端电压比实际电压设置值小，同时电压压降和下垂系数及其输出电流具有正比例关系。

在电路阻抗相差相对高的状态下，如果择取相对低的下垂系数，尽管能够符合直流母线电压变动区间，但是其均流精度也有降低的可能。在兼顾电路阻抗的前提下，规定变换器的外特性阻抗：

式中：rc为电路阻抗。

以两台相同容量的并联变换器为例，其均流成效见图1。

图1 不同下垂系数的均流成效Fig.1 Current distribution of different sagging coefficients

在并联变换器下垂系数设定一样的前提下，因为线缆阻抗相异致使其外特性阻抗具有差异，表现为两条外特性曲线斜率相异[6-8]。在载荷一致的前提下，择取相对低的下垂系数，那么其直流母线电压下降幅度相对很小，然而其均流精度相对很低；相反择取相对高的下垂系数，其均流精度获得提升，然而其直流母线电压下降幅度将迅速升高。

综上所述，下垂控制及线缆阻抗分别致使的输出电压及均流精度下降是互相排斥且无法调和的，特别是在直流微电网系统内，其发电单元中具有间隔[9-11]，此时线缆阻抗不同而致使的均流精度减小的问题是务必要得到重视的。

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2 自适应阻抗二次控制方法设计

自适应阻抗二次控制方式经过平移下垂曲线以完成对直流微电网母线电压的恢复，随之经过调整其斜率来达到每个并联变换器外特性阻抗无限逼近的目的。在此调整历程中或许会具有诸多符合变换器外特性阻抗一致的情况出现，即其下垂斜率或许将远离开始设置值，同时下垂系数上下大幅度波动将影响系统的稳定运转[11-13]，所以要制约其调整区间。所以设计自适应阻抗二次控制方案在电压、电流调节器的前提下添置第三个调节器，经过低带宽通信网络相互传输其下垂系数值，同时运算其均值，从而完成对其平均下垂系数的调节，其控制框图见图2。

图2 控制方案框图Fig.2 Block diagram of the control scheme

其下垂系数调节方式：

自适应阻抗二次控制方案的整体控制原理：

式中：Gpir（s）、Gpic（s）及Gpiv（s）分别为平均电压、电流及下垂系数调节器的传递函数。

同样以两台容量相同的并联变换器为例，自适应阻抗二次控制的等效电路见图3。

图3 等效电路模型Fig.3 Equivalent circuit model

其中，rc1、rc2及rd1、rd2分别表示线缆阻抗及阻值和下垂系数相等的虚拟阻抗；vdc1、vdc2、idc1、idc2分别表示两变换器输出端的电压及电流值；Δv表示该控制出现的下垂系数偏移。虚线框内下垂系数等效虚拟阻抗是通过平均电流及下垂系数调节器一同调节的[14-15]。

结合式（6）可得：

依照式（8）可知每个并联变换器的外特性阻抗在平均电流及下垂系数调节器的相互调节下趋向一致，从而确保其均流精度符合要求。

根据式（6）和式（8）可知：

依照式（9）可知相异线缆阻抗前提下自适应阻抗二次控制相应的下垂系数调节状态。线缆阻抗rc1分别是0.5 Ω及5 Ω；rc2持续改变情况下，与之相应的下垂系数rd1及rd2的调节状况见图4。

图4 不同线缆阻抗下的下垂系数调节Fig.4 Sagging coefficient adjustment under different cable impedances

由图4可知，当两台并联变换器的线缆阻抗相等时，自适应阻抗二次控制调整后的下垂系数等于设置值；当线缆阻抗不相等时，其下垂系数能够完成自适应调整，从而保证其外特性阻抗一致。另外它们的均值从始至终和其设置值相等。

3 实验仿真分析

构建直流微电网下垂控制实验平台见图5。

系统包含3台容量相同的型变换器、3台直流源以及直流负载，其中直流负载是由分别连接在变换器1号及3号输出端及公共母线端的本地负载及公共负载共同构成，其变换器的主要参数见表1。

图5 带有三台并联变换器的实验配置方案Fig.5 Experimental configuration program with three parallel converter

表1 系统参数Tab.1 System parameters

3.1 线缆阻抗下的实验分析

不同线路阻抗前提下自适应阻抗二次控制方法前后变换器输出端电压与电流改变状况，见图6。

图6 实验结果Fig.6 Experiment results

由图6可知，自适应阻抗二次控制前三台变换器的线缆阻抗不同致使输出电流存在差异，在自适应阻抗二次控制后，其输出电压均提升了15 V左右，在很大程度升都获得了提高，输出电流逐渐趋向一样。其结果表明，自适应阻抗二次控制能够很好的处理下垂控制及线路阻抗不匹配分别致使的电压及均流精度降低的问题。

3.2 适应性分析

在自适应阻抗二次控制调整后，让其中一台变换器停止工作然后再恢复，其结果见图7。

图7 变换器停止与恢复实验结果Fig.7 The experiment results of the converter stops and restores

图7可知，某号变换器停止工作后，为了确保系统能量平衡，剩下两变换器的输出电流对应升高，与此同时在这个阶段内具有相对较好的均流性能。当该号变换器恢复工作后，在自适应阻抗二次控制作用下，最后三台变换器的输出电流又趋于相同。

本地负载接入及断开时系统工作状况结果见图8。

图8 实验结果Fig.8 Experiment results

图9可知，起初，3台并联变换器仅给公共负载供电，其各输出电流在自适应阻抗二次控制作用下获得均衡；当3号变换器的本地负载rlo3接入，其各输出电流对应升高，在此历程中系统的均流精度受负载的接入干扰相对较低；当1号变换器的本地负载rlo1接入时，其输出电流在接入瞬间迅速提升，然后自适应阻抗二次控制调整下慢慢和其他两台变换器输出电流趋向一致。当变换器1号及3号的本地负载顺序断开时，效果类似。其结果表明在本地负载与公共负载同时存在时，自适应阻抗二次控制也可以确保其均流精度。

4 结语

经过对直流下垂控制缺陷的分析研究，说明了影响母线的直流电压以及均流的精度降低的元素主要是下垂系数、输出功率同电路阻抗的匹配程度。从并联变换器外特性阻抗角度考虑，提出了自适应阻抗式二次控制方案。通过构建直流微电网下垂控制实验平台对该控制方法进行实验，其结果证明，自适应阻抗式二次控制能够应对直流微电网中负载的复杂变化，同时拥有很好的动态均流性能，在很大程度上提升了系统的均流精度。

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