關于交直流雙向功率變換器的下垂控制策略的改進分析

【摘要】近年來，由于環境問題與能源問題的逐漸嚴重化，因此在進行科學技術研究時逐漸向可再生能源研究，以緩解能源壓力與環境污染。而在電力能源研究方面，分布式發電技術得到了廣泛的應用。該技術的應用能夠減少環境污染，降低能源消耗。為協調分布式發電系統與大電網之間存在的問題，從而出現了微電網。在微電網運行過程中，為并網逆變器選擇合理的控制方式。基于此，出現了交直流雙向功率變換器改進下垂控制方式。該控制方式能夠對停機、整流、逆變三種模式之間相互切換。本文主要對交直流雙向功率變換器下垂控制進行分析，并對其改進下垂控制方式進行分析。

【關鍵詞】下垂控制;微電網;改進分析

0.引言

自分布式發電技術出現以來，便成為電網運行中電能傳輸的重要支撐技術。且隨著科技的不斷發展，已經將負荷與電源相結合的微電網變為現實，在電網工程中的應用越來也廣泛。而在微電網運行過程中，需要對變換器下垂控制進行重點關注，從而確保電網的正常運行。交直流雙向功率變換器的下垂控制方式便是對當前微電網運行中的技術問題進行研究下的產物，對提高微電網系統穩定性、可靠性具有一定的促進作用。因此，相關電網部門應加強交直流雙向功率變換器下垂控制方面的應用與研究，從而提升微電網的運行質量。

1.分析微電網下垂控制

微電網的運行方式主要用并網與孤島兩種，微電網的運行能夠使區域內供電的可靠性能得到一定的提升。且由于其中的電能是通過分布式發電技術轉化而來的，因此對新能源的利用率較高，不會對環境造成嚴重的污染。當前微電網組網主要有三種，包括交直流混合微電網、直流微電網與交流微電網。且隨著新能源發電的逐漸增多，當前分布式電源的并網組網已經發展成直流微電網方式。直流微電網主要由負荷、微源、儲能裝置、電網、電力電子變換器等構成，能夠利用交直流雙向功率變換器將這些組成部分接入到系統中。（直流微電網結構如圖1）

與交流微電網相比，直流微電網的控制方式相對簡單，并不需要對電壓相位同步問題進行考慮。由于交流微電網對電力電子裝置的應用較少，因此其在設備制造方面的費用可以適當減少。而且因為電力電子裝置應用減少，從而降低了小系統諧波含量與小系統的損耗，對微電網系統的電能質量能夠起到一定的改善作用。直流負荷與直流微源在并入微電網時，可以直接并入。直流微電網系統在進行相同功率傳輸時應用的直流輸電相對較少，能夠減少一定的成本支出，因為該系統在傳輸功率時并不需要考慮無功功率。因為直流微電網不需要考慮無功功率，所以在系統功率平衡檢測時可以將母線電壓作為指標。當系統的電壓出現失穩現象時，就會導致負荷供電出現問題或者引起保護動作，從而對大電網的正常運行造成影響。因此需要通過一定的方式對交流微電網電力電子器件進行控制，確保母線電壓不會對系統的穩定運行造成影響[1]。

雖然分布式光伏發電對電網的運行具有一定的推動作用，但新能源的分布相對分散，從而對逆變器的控制造成一定的影響。因此，在進行逆變器控制時，一般都通過下垂特性進行控制，從而確保微電網系統的穩定運行。在進行逆變器下垂控制方面，可以對逆變器的輸出電壓進行檢測，從而對電壓進行實時調整。在進行微電網逆變器下垂控制時，可以將母線電壓作為參考量，然后以下垂特性為基礎，對各微源的出力進行調節，從而使直流微電網系統的母線電壓得到控制，不會對系統的穩定運行造成影響。鑒于分布式電源各自的作用與容量存在一定的差異性，因此在進行下垂系數選擇時，應該根據微源的作用與容量選擇合理的下垂系數。微源容量與下垂系數之間表達式如下：

其中第n個微源下垂系數用 表示，第n個微源有功功率容量用 表示。

2.分析變換器下垂改進

對當前微電網運行現狀進行分析可知，隨著分布式電源接入量的不斷增長，微電網的運行問題逐漸凸顯出來。因此，需要對微電網系統中的器件進行控制，從而提升系統運行的穩定性、可靠性及安全性。下面從微電網變換器下垂特性、下垂改進對策、改進后的下垂特性等進行研究。

2.1微電網變換器下垂特性

筆者對當前電網進行研究發現，多數電網都屬于交流電網，所以需要通過交直流雙向功率變換器轉化成直流微電網。鑒于直流微電網系統穩定運行指標只有母線電壓，在利用交直流雙向功率變換器進行轉換時，需要對微電網的母線電壓進行判斷，并對其處理進行調節，從而確保微電網的穩定運行。在進行母線電壓判斷時，應該通過交直流雙向功率變換器對其傳輸功率大小和功率流向進行判斷，從而確保母線電壓能夠控制在一定的范圍內，不會對系統運行造成影響。微電網的運行模式主要有孤島與并網兩種。在進行直流微電網的并網運行時，可以利用交直流雙向功率變換器達到和大電網交換能量的目的。若是在運行過程中大電網出現了故障，則可以將直流微電網轉變成孤島運行，通過分布式電源調節功率，確保功率的平衡。在孤島運行過程中，若是系統重載，應該對負荷進行適當的切除，從而確保負荷的正常供電。在切除負荷時應該以負荷重要性為基準，將一些次要的負荷切除掉。若是系統出現了輕載，應該對儲能裝置運行狀態與分布式電源控制方式進行改變，從而確保系統內部功率的平衡[2]。（經簡化后的直流微電網結構如圖2）

在進行交直流雙向功率變換器應用時，應該將傳輸功率和母線電壓相互對應，從而使系統輸出特性能夠與下垂特性相符。在進行微網系統功率平衡調節時，一般都是通過加入一些儲能裝置平衡功率。然而由于儲能裝置本身的功率容量有限，因此這種調節方式只能對一些功率不平衡范圍較小的系統進行調節。因為當電力系統已經穩定時，其電壓仍然處在一定的波動。在實際微網運行時，一般都將母線電壓值設置在額定電壓值附近。當系統處于穩定狀態時，一般不會和大電網之間進行能量交換。

2.2變換器下垂改進對策

筆者通過研究文獻發現，若是下垂系數的取值過大，就無法使微電網系統穩定運行，而若是下垂系數過小，就會導致系統的響應速度遲緩。而對以往的下垂控制方式進行研究可知，一般都是選擇固定的下垂系數進行系統器件控制，這種控制方式無法得到有效的控制效果。在微電網系統運行過程中，若是功率出現了變動，此時的控制信號的處理時間雖然會逐漸縮短，但仍然在一定范圍內。若是選取的下垂系數較小，那微源就無法對母線電壓出力進行及時的調整。當微電網系統的頻率與電壓出現大幅度波動時，穩定時的微源出力就可能導致功率波動出現問題，從而對功率平衡造成影響。若選擇的下垂系數較大，此時的微源出力就會出現過度調節的現象，從而使功率出現波動，對微電網的穩定運行造成一定的影響。因此，當微電網系統的功率出現波動時，應該在短時間內選擇下垂系數較大的值。當微源出力逐漸變化時，下垂系數也會逐漸減小，從而使微網系統的功率能夠達到平衡狀態[3]。

2.3分析改進后的變換器下垂特性

在利用交直流雙向功率變換器進行直流微電網系統下垂控制時，應該對電力電子器件的使用量進行控制，從而降低諧波。經改進后的下垂控制，交直流雙向功率變換器的工作模式有三種類型，包括整流模式、逆變模式與關機模式。一、整流模式。當微電網系統的符合功率超出額定功率之后，系統便會出現重載運行現象，此時母線電壓就會開始下降，且比UL1還要低。而針對這種現狀，可以通過交直流雙向功率變換器的整流工作模式進行運行，即利用大電網對微電網內部中的不足電量進行補充。當母線電壓恢復到UL1時，即可停止并網雙向變換器的整流工作模式。二、逆變模式。變換器的逆變工作模式主要是針對微電網系統的輕載運行。當系統出現輕載時，其母線電壓就會不斷上升，從而超過UH1。此時可以通過變換器開啟逆變工作模式，將系統中多余的功率傳輸到大電網[4]。在進行傳輸功率大小選擇時，應該以下垂控制特性為基準進行考慮。當微電網的母線電壓已經恢復時，則可以停止逆變工作模式。三、關機模式。當微電網系統的母線電壓位置在額定值附近時，此時系統便可以通過儲能裝置與分布式發電單元維持功率的平衡。由于此時不需要進行功率傳輸，因此可以開啟關機工作模式。經改進后的下垂控制在進行停機模式、整流模式及逆變模式工作時，并不需要依靠控制信號，可以在三種工作模式中自由切換。在進行系統功率的平衡維持時，可以通過配套的控制系統進行，并不需要通過多種控制方式進行協調。（變換器下垂特性如圖3）

3.結語

綜上可知，微電網系統的穩定運行能夠為人們正常使用電網起到一定的保障作用。而隨著分布式電源接入量的不斷增長，系統的運行問題逐漸凸顯出來。針對這種情況，可以通過改進后的下垂控制對系統穩定運行進行控制。因此，相關電網部門應加強對改進后下垂控制的研究，以促進電網的良好發展。

【參考文獻】

[1]丁明，田龍剛，潘浩，張雪松，周金輝.交直流混合微電網運行控制策略研究[J].電力系統保護與控制.2015（09）

[2]周穩，戴瑜興，畢大強，范柱烽.交直流混合微電網協同控制策略[J].電力自動化設備.2015（10）

[3]閻發友，湯廣福，賀之淵，孔明.基于MMC的多端柔性直流輸電系統改進下垂控制策略[J].中國電機工程學報.2014（03）

[4]吳振奎，宋文雋，魏毅立，張繼紅，趙杰.低電壓微電網虛擬坐標變換下垂控制策略[J].電力系統保護與控制.2014（08）

作者簡介：陳建衛（1986-） ，男（漢），華北電力大學碩士，中級工程師，主要從事電力電子、新能源方向研究。