卞显新 赵洋
【摘 要】本文主要研究了下垂控制及改进下垂控制在直流微电网中的使用。首先分析微电网的组成结构及稳定运行时需要的面对的问题,分析下垂控制的原理,以及运用在微网控制中的主要作用。
【關键词】直流微电网;下垂控制;微电源
中图分类号: TM727 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2018)26-0041-002
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.016
Application of droop control technology in DC microgrid
BIAN Xian-xin ZHAO Yang
(School of electrical and information engineering, Anhui University Of Science And Technology, Huainan Anhui 232001, China)
【Abstract】In recent years, the research and application of microgrid are more and more. This paper mainly studies the use of droop control and improved droop control in DC microgrid. Firstly, the structure of micro-grid and the problems that need to be faced when it runs stably are analyzed, the principle of droop control is analyzed, and an improved droop control is introduced.
【Key words】DC microgrid; Droop control; Micro power supply
0 绪论
随着我国电力能源的飞速发展,给国民越来越多的便利和发展优势。但是传统的化石能源逐渐枯竭,新能源是当今发展的主流。由于大多新能源伴随着独立性、分散性,并多以直流形式输出。微电网的优化研究自然成了主流。直流微电网系统输出电能质量的好坏将直接影响对于新能源的利用,而相关的控制算法是影响系统输出的关键因素之一。下文将探讨下垂控制技术在直流微电网中应用。
1 直流微电网的结构
为了更好地利用可再生能源,直流微电网系统通常整合了各种分布式发电方式和储能装置等。出于完整性和便于后续下垂控制的讨论,本节简述直流微电网系统结构。直流微电网系统中,每个单元都是通过相应的电力电子变换器与直流母线相连,整个系统是一个多源、多负荷的系统,功率的稳定传输依赖于直流母线电压的稳定。
直流微网主要由分布式微电源(风力发电机、光伏等)、混合储能装置、DC/DC变换器和负荷组成,并可以通过DC/AC变换器与配电网相接。分布式电源发出电能经变换器单向输出到直流母线上,为微电网持续提供电能。另外有直流/交流双向逆变器连接直流母线和交流电网,分时段相互提供电能补偿。储能系统与母线之前也是双向连接,电能过剩时储存电能,负荷过量时反向补给微电网系统。负荷类型分为交流和直流。
文献1提出的一种直流微电网系统,光伏发电、储能和发电机相互连接,并联在直流母线上。分布式电源端的本地负荷可以直接使用直流供电。文献2提出并解决了微电网运行时存在的负荷分配问题。当微网连接了分布式电源、负荷以及电力变换器等元件后,负荷分配不均与,必然会影响稳定性。
2 传统下垂控制
在直流微电网中,几乎没有无功功率,母线电压可以反应整个系统的运行状态。所以在对直流微电网系统进行保护控制时常常将母线电压作为控制信号。下垂控制就是根据电压电流等关系,结合相应的保护策略,实现微网的稳定保护。大多数 DC/DC 变换器都采用电压电流双闭环控制,所以直流微电网下垂控制的普遍实现方式是:将下垂曲线控制加在变换器的电压电流双闭环控制之外,作为控制外环,得到变换器输出直流电压参考值,再进行电压电流双闭环控制。
上图中U0表示直流母线的参考电压,Udc是变换器的实际输出电压,I为实际输出电流。再通过下垂控制的下垂曲线,可计算出输出电压的参考值Udcref,再经过电压电流双闭环控制得到单元变换器的控制信号。下垂控制就是控制变换器的电压和电流或者电压和功率等运行在一条下垂曲线上的控制方式。
在微网中各个分布式电源的变换器输出电流和输出阻抗成正比,下垂控制的作用在于增加了单元的输出阻抗,使得线路阻抗远小于单元输出电阻。进而忽略线路阻抗对分流精度的影响。实际电网中,假设两个功率相同的分布式电源连接在同一母线上,下垂控制所增加的虚拟电阻相同,但是线路的阻抗并不会一模一样。两条下垂曲线必然会有偏差,分流精度和电压偏差不能同时满足,仍然会存在不足之处。
3 改进下垂控制
上节所述的传统下垂控制中,微电网的母线电压、功率等特性均与下垂曲线相关。但是由于分布式电源的阻抗有差异,并不能有效的维持微电网的稳定。现有一种根据电压变化率 和功率P 的改进下垂控制方法,使得电压U 以电压增量 的方式参加下垂控制运算。
DCi为微电源的输出电压, refi为电压变化率的参考值;Prefi为微电源变换器的负载功率参考值;Ki为改进下垂曲线的下垂控制系数; DCi(0)为微电源负荷变化的初始电压。当两个微电源到直流母线的距离不等时,负荷分配比例与微电源的额定功率成正比,而且微电源额定功率越大所需要承担的负荷越大,与线路的连线阻抗无关。
经过上述改进后,虽然可以解决微网的功率分配问题,但是母线电压还是会逐渐减小,为此,必须加装功率-电压补偿控制单元,基本原理如图2所示。
该单元的作用是求出母线上各个单元变换器的平均输出功率Pav,与单个变换器的输出功率Pi作比较。控制器采用PID控制,根据功率偏差值ΔPi来提高负载功率参考值。
当系统进入稳定状态时,ΔPi=0,实现功率精准分配。
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