基于自適應阻抗二次控制的直流微電網優化配置研究

馮玉斌，王慧

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004;2.沈陽農業大學信息與電氣工程學院，遼寧沈陽 110866）

直流微電網中包含諸多運轉于恒壓情況下的發電單元時，直流下垂控制能夠在很大程度上處理功率平均分配的情況，同時擁有易于實現及不需要通信連接等優勢。然而它也有諸多缺點[1-3]：直流下垂控制將導致變換器輸出端口電壓小于規定的閾值，同時其將依附負載功率的逐漸升高而迅速減小；如果并聯變換器輸出端口到直流母線的電路阻抗相異程度相對很高時，下垂控制的功率平均分配成效在很大程度上得到降低。特別是在直流微電網系統中，過多的運用分布式發電單元致使以上問題必須考慮其中[4-5]。因此，本文提出了自適應阻抗二次控制方法。

1 直流下垂控制缺陷

直流下垂控制原理：

式中：vref為直流電壓源的電壓初始設置值；io為變換器輸出電流；rd為下垂系數；vdc為通過下垂控制調整后的電壓設置參考值。

由式（1）可知，其等同于在變換器輸出端串聯一個虛擬阻抗，其能夠產生的電壓壓降為

由式（2）可知，下垂控制將致使變換器輸出端電壓比實際電壓設置值小，同時電壓壓降和下垂系數及其輸出電流具有正比例關系。

在電路阻抗相差相對高的狀態下，如果擇取相對低的下垂系數，盡管能夠符合直流母線電壓變動區間，但是其均流精度也有降低的可能。在兼顧電路阻抗的前提下，規定變換器的外特性阻抗：

式中：rc為電路阻抗。

以兩臺相同容量的并聯變換器為例，其均流成效見圖1。

圖1 不同下垂系數的均流成效Fig.1 Current distribution of different sagging coefficients

在并聯變換器下垂系數設定一樣的前提下，因為線纜阻抗相異致使其外特性阻抗具有差異，表現為兩條外特性曲線斜率相異[6-8]。在載荷一致的前提下，擇取相對低的下垂系數，那么其直流母線電壓下降幅度相對很小，然而其均流精度相對很低；相反擇取相對高的下垂系數，其均流精度獲得提升，然而其直流母線電壓下降幅度將迅速升高。

綜上所述，下垂控制及線纜阻抗分別致使的輸出電壓及均流精度下降是互相排斥且無法調和的，特別是在直流微電網系統內，其發電單元中具有間隔[9-11]，此時線纜阻抗不同而致使的均流精度減小的問題是務必要得到重視的。

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2 自適應阻抗二次控制方法設計

自適應阻抗二次控制方式經過平移下垂曲線以完成對直流微電網母線電壓的恢復，隨之經過調整其斜率來達到每個并聯變換器外特性阻抗無限逼近的目的。在此調整歷程中或許會具有諸多符合變換器外特性阻抗一致的情況出現，即其下垂斜率或許將遠離開始設置值，同時下垂系數上下大幅度波動將影響系統的穩定運轉[11-13]，所以要制約其調整區間。所以設計自適應阻抗二次控制方案在電壓、電流調節器的前提下添置第三個調節器，經過低帶寬通信網絡相互傳輸其下垂系數值，同時運算其均值，從而完成對其平均下垂系數的調節，其控制框圖見圖2。

圖2 控制方案框圖Fig.2 Block diagram of the control scheme

其下垂系數調節方式：

自適應阻抗二次控制方案的整體控制原理：

式中：Gpir（s）、Gpic（s）及Gpiv（s）分別為平均電壓、電流及下垂系數調節器的傳遞函數。

同樣以兩臺容量相同的并聯變換器為例，自適應阻抗二次控制的等效電路見圖3。

圖3 等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model

其中，rc1、rc2及rd1、rd2分別表示線纜阻抗及阻值和下垂系數相等的虛擬阻抗；vdc1、vdc2、idc1、idc2分別表示兩變換器輸出端的電壓及電流值；Δv表示該控制出現的下垂系數偏移。虛線框內下垂系數等效虛擬阻抗是通過平均電流及下垂系數調節器一同調節的[14-15]。

結合式（6）可得：

依照式（8）可知每個并聯變換器的外特性阻抗在平均電流及下垂系數調節器的相互調節下趨向一致，從而確保其均流精度符合要求。

根據式（6）和式（8）可知：

依照式（9）可知相異線纜阻抗前提下自適應阻抗二次控制相應的下垂系數調節狀態。線纜阻抗rc1分別是0.5 Ω及5 Ω；rc2持續改變情況下，與之相應的下垂系數rd1及rd2的調節狀況見圖4。

圖4 不同線纜阻抗下的下垂系數調節Fig.4 Sagging coefficient adjustment under different cable impedances

由圖4可知，當兩臺并聯變換器的線纜阻抗相等時，自適應阻抗二次控制調整后的下垂系數等于設置值；當線纜阻抗不相等時，其下垂系數能夠完成自適應調整，從而保證其外特性阻抗一致。另外它們的均值從始至終和其設置值相等。

3 實驗仿真分析

構建直流微電網下垂控制實驗平臺見圖5。

系統包含3臺容量相同的型變換器、3臺直流源以及直流負載，其中直流負載是由分別連接在變換器1號及3號輸出端及公共母線端的本地負載及公共負載共同構成，其變換器的主要參數見表1。

圖5 帶有三臺并聯變換器的實驗配置方案Fig.5 Experimental configuration program with three parallel converter

表1 系統參數Tab.1 System parameters

3.1 線纜阻抗下的實驗分析

不同線路阻抗前提下自適應阻抗二次控制方法前后變換器輸出端電壓與電流改變狀況，見圖6。

圖6 實驗結果Fig.6 Experiment results

由圖6可知，自適應阻抗二次控制前三臺變換器的線纜阻抗不同致使輸出電流存在差異，在自適應阻抗二次控制后，其輸出電壓均提升了15 V左右，在很大程度升都獲得了提高，輸出電流逐漸趨向一樣。其結果表明，自適應阻抗二次控制能夠很好的處理下垂控制及線路阻抗不匹配分別致使的電壓及均流精度降低的問題。

3.2 適應性分析

在自適應阻抗二次控制調整后，讓其中一臺變換器停止工作然后再恢復，其結果見圖7。

圖7 變換器停止與恢復實驗結果Fig.7 The experiment results of the converter stops and restores

圖7可知，某號變換器停止工作后，為了確保系統能量平衡，剩下兩變換器的輸出電流對應升高，與此同時在這個階段內具有相對較好的均流性能。當該號變換器恢復工作后，在自適應阻抗二次控制作用下，最后三臺變換器的輸出電流又趨于相同。

本地負載接入及斷開時系統工作狀況結果見圖8。

圖8 實驗結果Fig.8 Experiment results

圖9可知，起初，3臺并聯變換器僅給公共負載供電，其各輸出電流在自適應阻抗二次控制作用下獲得均衡；當3號變換器的本地負載rlo3接入，其各輸出電流對應升高，在此歷程中系統的均流精度受負載的接入干擾相對較低；當1號變換器的本地負載rlo1接入時，其輸出電流在接入瞬間迅速提升，然后自適應阻抗二次控制調整下慢慢和其他兩臺變換器輸出電流趨向一致。當變換器1號及3號的本地負載順序斷開時，效果類似。其結果表明在本地負載與公共負載同時存在時，自適應阻抗二次控制也可以確保其均流精度。

4 結語

經過對直流下垂控制缺陷的分析研究，說明了影響母線的直流電壓以及均流的精度降低的元素主要是下垂系數、輸出功率同電路阻抗的匹配程度。從并聯變換器外特性阻抗角度考慮，提出了自適應阻抗式二次控制方案。通過構建直流微電網下垂控制實驗平臺對該控制方法進行實驗，其結果證明，自適應阻抗式二次控制能夠應對直流微電網中負載的復雜變化，同時擁有很好的動態均流性能，在很大程度上提升了系統的均流精度。

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