直流微电网储能变流器动态下垂控制研究

胡慧欣

摘要：直流微电网作为提高可再生能源利用率的有效平台，近年来得到了快速发展。直流微电网中，直流母线是源荷各单元的公共连接点，各分布式发电单元和负荷都通过直流变流器接入其中。负荷功率在微电源之间的合理分配以及良好的电压质量是整个直流微电网系统的重要研究目标。为了实现直流微电网的稳定运行，需要根据微电网系统中不同单元的运行状况，制定相应的能量管理策略。直流微电网中各个设备的控制都是通过控制直流变流器来实现的，其控制手段多种多样，其中可实现即插即用的下垂控制被广泛研究和讨论。直流微电网中下垂控制的实现方法普遍是基于电压电流双环控制，是将下垂曲线控制环作为控制外环，其输出量作为变换器电压的参考值，再进行电压电流双闭环控制，达到控制目的。

关键词：直流微电网;变流器;下垂控制

引言

为了有效提升分布式发电单元接入电网后的电能质量和新能源利用率，美国电力可靠性解决方案协会（CERTS）在2002年提出将分布式电源、储能系统、换流器和负荷组合成一个微电网（MG）的概念。相比于交流微电网，直流微电网没有无功功率、相位差、谐波电压等问题，且由于系统中大部分分布式电源和负荷为直流形式，网络采用直流结构减少了很多电力电子设备成本。因此，关于直流微电网的研究得到了越来越多的关注。

1直流微电网的下垂控制分析

对于功率单元采用下垂控制的微电网而言，其简化模型如图1所示，DG通过升压型单向功率变换器（Boost变换器）接入直流母线，负荷通过降压型单向变换器接入直流母线。图中，Ln、Cn分别为功率单元n的Boost变换器的电感、电容（n∈N͂，N͂={1，2，…，N}为采用下垂控制的功率单元集合，N为功率单元的数量）;rn、Lr，n分别为功率单元n连接至直流母线的线路电阻、等值电感;In为功率单元n的输出电流;Idc为负荷电流;Req、Leq分别为直流母线负荷等效电阻、电感;LR、CR分别为降压型单向变换器的等值电感、稳压电容。

采用U-I下垂控制的功率单元的输出特性可表示为：Un=Un，ref-knIn（1）其中，Un为功率单元n变换器出口处的电压;Un，ref为功率单元n下垂控制的电压参考值;kn为功率单元n的下垂系数。稳态运行时的功率单元可等效为一个理想电压源与一个电阻串联，如图2所示。图中，Udc为直流母线电压。

2基于下垂控制的电压控制策略

2.1直流微电网设备级控制

设备级控制中，微电网内部在电网单元出力未达功率上限时由电网单元平衡负荷变动，在其功率超出限值之后由储能单元作为微电网内部平衡单元发出或吸收多余功率。其中并网单元选用电压型脉宽调制（PWM）变流器连接交流电网和直流微电网。并网换流器采用定功率控制，通过微电网内部调度平衡内部负荷波动，其外环控制由系统调度给出功率参考值，通过电压换算得到电流d轴分量参考值，电流q轴分量参考值为0;内环控制采用PI控制器，使实际d轴电流与q轴电流跟踪外环电流参考值。

2.2母线电压二次补偿控制

本文提出的控制策略是在根据下垂控制原理改进得到的，因此在系统功率波动时会带来直流侧母线电压偏离参考值的现象。为了解决该问题，本文加入直流母线电压补偿二次控制来提高母线电压的稳定性。具体而言，电压补偿二次控制是通过PI控制器将直流母线电压输出的补偿量叠加至各底层控制器的直流母线电压参考值上，实现对母线电压偏差的补偿。控制框图如图4所示。加入母线电压二次补偿控制之后得到储能变流器动态下垂控制的控制框图如图5所示，母线电压和变流器输出电流分别经过电压补偿控制和下垂控制，得到电压控制环反馈量，最后经过电流环得到控制脉冲，控制各个变流器的输出功率。

2.3参数整定

对于二次电压控制的参数整定而言，首先需明确功率单元集合及各功率单元的参与度，即参与二次电压控制的功率单元及其具体的调节量。功率单元集合的确定需考虑DG单元的容量限制、DG单元发生故障、线路容量限制等因素。在每一轮的二次电压控制中，若根据初步设定的负荷分配系数预估的功率大于功率单元的额定功率，表明该运行状态下不能达到预期的负荷分配效果，需将该功率单元的功率整定为额定功率，并将其从功率单元集合中删除;在新的功率单元集合中重新设置负荷分配系数，直至完成当前负荷分配。

2.4电压二次补偿控制分析

母线电压二次控制通过在控制外环增加电压PI控制器来实现，主要用来补偿下垂控制引起的母线电压偏离。开启电压二次补偿控制后，母线电压能够恢复到参考电压。其中，ki主要影响母线电压的暂态特性，ki越大母线电压恢复至参考值的时间越短，暂态时间越短，但过大易引起电压突变，不利于母线电压恢复;kp主要影响母线电压的振荡幅值，kp过大母线波动越强，过小母线動态特性则会较差。kp和ki的取值应根据母线电压要求进行取值，本研究kp和ki分别取0.9、10。

2.5直流微电网系统级控制

在设备级控制中，为了自动实现功率分配，直流电压控制单元往往采用下垂控制，但是由于下垂控制属于一次控制，会造成直流母线电压偏差，影响电压质量，因此在系统级控制中可以对电压进行二次控制，从而提升电压水平。此外，为了控制微电网间功率流动，在系统级控制中还应考虑对联络线功率的控制。在直流微电网集群控制中，各子微电网需要通过二次控制来消除由下垂控制导致的子微电网母线电压跌落问题，但微电网间有功率传输时无法保证所有微电网母线电压控制在额定值。因此，本文利用基于一致性算法的电压观测器计算集群内各母线电压的平均值，控制其稳定在额定电压附近。

2.6联络线功率控制策略

在上述联络线功率控制方法的基础上提出了一种联络线功率控制策略。通过功率控制期望达到的目的是：在各微电网内部电源出力能够满足负荷需求时，各微电网独立运行;当某些微电网内部电源充裕而无法消纳或电源不足而无法满足负荷需求时，若其余微电网有能力提供功率支持，则调整联络线功率值，由集群功率单元吸收过剩功率或发出不足功率。因此，需根据集群的不同运行场景制定不同的联络线功率控制策略。

结束语

本文对直流微电网的电压控制策略进行了研究，提出了基于动态负荷分配的二次电压控制策略，可实现直流母线电压的快速调节及动态负荷分配。所提控制策略在较宽的范围内设置下垂系数，不受变换器容量配比约束，从而增加了系统运行的灵活性.通过在下垂控制的下垂系数中引入储能电池SOC动态值，使负荷功率在储能电池间动态分配，实现并联储能电池输出功率和SOC的均衡;并增加电压二次控制和补偿虚拟阻抗，抑制下垂控制引起的直流母线电压偏离，改善直流变流器的动态特性，提升直流母线电压的稳定性。仿真结果表明：功率波动时，控制策略能够完成负荷功率在储能电池间的均衡分配，并增强直流母线电压的阻尼特性，抑制母线电压偏离。

参考文献

[1]王爱岭，王日霞.直流微电网下垂控制技术研究[J].科技资讯，2021，19（01）：50-52.

[2]周钰，张浩，陈锐，鲁丽娟，施世鸿.直流微电网控制保护策略研究[J].南方能源建设，2020，7（04）：61-66.