直流配電網光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制

劉青,張彤鈺，田艷軍

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市 071003)

0 引 言

隨著直流配電網中分布式光伏滲透率的提高，保證高比例、大規模分布式光伏電源友好接入成為研究熱點[1-2]。配電網中光伏電源經變流器接入直流母線，直流母線經網側逆變器連接至大電網。日常運行時，網側逆變器維持直流配電網母線電壓的恒定，并同時滿足上級電網的功率調度要求。

根據受端交流電網不同故障狀態，網側逆變器退出運行，或運行在控制輸入交流電網有功功率和無功功率(PQ控制)模式下，不承擔直流配電網電壓調節任務[3]。在網側逆變器不承擔直流配電網電壓調節任務的情況下，根據《電力系統網源協調技術規范》要求，對于新建光伏電站，都應該通過保留有功備用或配置儲能設備來實現一次調頻/調壓功能[4]。

文獻[5]提出了基于儲能的光伏虛擬同步發電機控制策略，當負荷、光照強度分別發生突變時，有效減小了母線電壓的波動幅值。但其對儲能設備的容量要求較高，且不易對現有的光伏變流器進行改造。下垂控制由于無需通信互聯線、冗余度好、可靠性高等優點成為目前實現光伏有功備用，參與直流配電網電壓調節的研究重點[6-7]。但在實際情況下，環境因素引起的光伏出力變化以及負載變化等將導致系統母線電壓及功率分配發生變化。

文獻[8]基于風電并入直流電網的拓撲結構，提出以額定運行點為轉折點的兩段式下垂控制使各換流器依據實時功率裕度自適應調節輸出功率。文獻[9-11]通過設置合理的有功功率儲備，實現了光伏系統在無儲能情況下的下垂控制和慣性響應，改善了直流微電網動態響應情況。文獻[12-13]從負載分配、電壓調節、系統效率和穩定性4個方面闡述了線性下垂控制及非線性下垂控制的區別，得出設置合理的非線性下垂控制可以改善系統控制性能的結論。傳統的下垂控制大多數通過增大系統慣性的方法解決光伏電源功率波動的問題，但是調節能力有限，無法解決光伏電源受環境溫度和光照強度影響長時間出力不均時引發的系統環流增大及穩定性問題。對于相同的系統負載，當光伏整體出力較大時，系統負載體現出輕載的特性；當光伏整體出力較小時，系統負載體現出重載的特性。若在重載和輕載的條件下設置相同的下垂系數，則無法滿足系統在輕載情況下實現母線電壓的穩定控制，在重載情況下提高系統功率分配精度的要求。分段下垂控制對于下垂系數切換點處理不足，當光伏輸出功率隨環境變化時，由于下垂系數的切換，可能導致直流母線電壓波動以及功率波動等問題。

針對上述問題，本文提出一種光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制策略，主要工作包括：通過引入本地輻照度和溫度信號，在不同出力情況下，自適應調整光伏變流器下垂特性曲線，匹配光伏電源柔性出力的特點；對下垂特性曲線進行優化處理，改善下垂控制均流能力；建立下垂控制模式下變流器輸出阻抗特性模型，分析下垂系數對系統均流度和環流的影響；最后仿真驗證理論分析的正確性及有效性。

1 多光伏變流器并聯系統及下垂控制

1.1 多光伏逆變器并聯系統結構

本文所采用的光伏接入直流配電網系統拓撲結構如圖1所示，主要組成為：光伏電源、儲能裝置、DC/DC變流器、直流負載、網側逆變器G-VSC和交流網絡。其中，DC/DC變流器采用雙有源橋式變流器(dual active bridge，DAB)結構，其提供的電流隔離能夠使光伏發電機的負極端子接地，并消除“潛在誘導退化(potential induced degradation，PID)”現象[14]。若光伏側無儲能裝置，則只考慮功率單向傳輸的情況，高壓側可用全橋不可控器件代替全控器件以保證大量應用的經濟性。

圖1 光伏接入直流配電網系統拓撲結構Fig.1 Topology of photovoltaic power's parallel connection to DC distribution network

當直流配電網孤島模式運行時，網側逆變器G-VSC退出運行；當網側逆變器G-VSC需要降低有功功率的輸出，并向交流側提供無功功率支撐時，網側逆變器采取PQ控制，此時交流電網等效為直流配電網的恒功率負載，網側逆變器G-VSC不承擔直流配電網電壓調節任務，等同于直流配電網孤島模式。網側逆變器不承擔直流配電網電壓調節任務的情況下，光伏側變流器承擔電壓控制任務。直流配電網光伏電源及儲能裝置協調運行模式如圖2所示。

圖2 直流配電網協調運行控制Fig.2 Coordinated operation control of DC distribution network

光伏側變流器處于下垂控制運行時，光伏電源輸出功率需滿足本地直流負載要求以及向網側逆變器定功率輸出。

1.2 傳統下垂控制及分段式下垂控制

直流配電網分布式電源“P-U”下垂控制方法的下垂控制表達式為:

(1)

(2)

傳統光伏下垂控制功率參考值[10]為：

(3)

式中：α為減載運行比例系數，α<1，取值范圍一般為0.6～0.8[15-16]。

在光伏減載之后，各光伏電源對于系統重載和輕載情況有不同的調節能力。在輕載和重載情況下設置相同的下垂系數，不利于實現合理的功率分配。可以利用分段式下垂控制[17]來實現系統重載和輕載條件下不同的控制需求：

(4)

設第一段直線斜率為kdroopi1,第二段斜率為kdroopi2,額定運行點為A點。根據公式(4)畫出下垂特性曲線，如圖3所示。

圖3 分段下垂特性曲線Fig.3 Characteristic curve of segmented droop

由圖3可知，重載情況下下垂系數較大，輕載條件下下垂系數較小。重負載下，不合理的負載分配會導致電源飽和，并加速直流母線電壓下降，因此在重載下應實現功率精確分配，可通過增大下垂系數實現；相反，在輕載條件下，功率分配的精度不是很關鍵，較小的下垂系數對嚴格的電壓調節是有益的，下垂系數的選擇只需要保持光伏電源在極限范圍內正常工作[18]。

2個功率單元并聯運行的直流配電網簡化電路模型如圖4所示，其中Ri(i=1,2)為變流器的輸出阻抗；Uload為負載上的電壓。

圖4 直流配電網簡化電路模型Fig.4 Simplified circuit model of DC distribution network

P-U下垂控制2個變流器輸出功率的比例關系為[17]：

(5)

由于變流器并聯接入公共直流母線，因此滿足Uo1≈Uo2≈Uload。由公式(5)可知，在線路阻抗相等的情況下，下垂系數的設置影響變流器的輸出功率分配。若不考慮環境因素導致光伏電源出力變化的影響，對于額定容量和線路阻抗相等的光伏電源，可得出kdroop1=kdroop2，Po1=Po2。

輻照度Si和溫度Ti與光伏電站PVi的輸出功率之間的關系為[19]:

(6)

(7)

ΔTi=Ti-Tref

(8)

式中：Sref為參考輻照度；Tref為參考溫度；Pimppt為任意輻照度任意溫度下PVi的最大輸出功率；a、b、c為常數，典型值為：a=0.002 50/℃、b=0.5、c=0.002 88/℃。由公式(8)可知，光伏電源出力受環境因素的影響。設光伏電站出力系數δi為：

(9)

由公式(9)可知，溫度相同的情況下，輻照度越高，光伏出力越大；輻照度相同的情況下，溫度越高，光伏出力越小。若不考慮本地輻照度以及溫度變化對光伏電站輸出功率的影響進行下垂控制參數的設定,由公式(5)可知，在δ1>δ2的情況下，可能出現P1mppt>Po1=Po2>P2mppt的情況，導致系統功率分配不均，因此需要根據光伏電站出力設定合理的下垂曲線。

1.3 光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制

實現成比例的負荷分配需要各光伏變流器的下垂系數與輸出功率指令值的關系滿足:

kdroop1Po1ref=kdroop2Po2ref=kdroop3Po3ref

(10)

由公式(4)可知，分段下垂控制依靠輸出功率與功率指令值的大小關系判斷系統重載與輕載情況。當光伏出力變化時，各光伏側變換器下垂系數與輸出功率指令值需要適應實時的工況，才能在輻照度不均的情況下，判斷各光伏電站的輕載/重載情況。由于系統中3個光伏電站額定容量相同，在溫度25 ℃，輻照度1 000 W/m2情況下，各光伏電站下垂控制輸出功率指令值關系為：

(11)

根據輻照度和溫度對光伏電源輸出功率的影響，在任意輻照度Si和任意溫度Ti下,光伏側變流器輸出功率指令值設置為:

(12)

根據公式(12)所示任意輻照度任意溫度下光伏側變流器輸出功率指令值Poiref、公式(6)所示任意輻照度任意溫度下最大輸出功率Pimppt以及電壓允許波動范圍，設置光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線，使光伏變流器按光伏電站出力自適應調節輸出功率。下垂特性曲線以輸出功率為變量的下垂系數分段函數為：

(13)

從系統的不平衡功率在不同光伏電站之間分配的角度上分析，公式(13)可寫為:

(14)

δi用于衡量光伏電站的出力大小，出力大的光伏電站δi>1,出力小的光伏電站δi<1。在直流母線額定電壓為800 V 的條件下，根據公式(14)畫出δi從0.3變化到1.5時的優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線變化情況，如圖5所示。

圖5 優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線隨δi變化情況Fig.5 Characteristic curve of adaptive segmented droop control based on flexible output of PV converter before optimization δichanges

由圖5可知，本文所提優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線的輸出功率指令值與光伏出力成正比關系，下垂系數與光伏出力成反比關系。因此系統中出力大的光伏電站將分擔更多的功率，出力小的光伏電站將分擔更少的功率。

1.4 光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制的優化

由圖4可知，各光伏變流器并網端電壓Uoi與公共直流母線電壓Uload之間的關系為：

Uoi=Uload+IoiRlinei

(15)

在輻照度不均的情況下，輸出功率高的變流器輸出電流大，因此輸出功率高的光伏變流器并網端電壓Uoi較高；輸出功率低的變流器輸出電流小，因此輸出功率低的光伏變流器并網端電壓Uoi較低。假設光伏電源PV1的出力大于PV2，優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線如圖6所示。

圖6 出力不同的光伏電源的優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制曲線Fig.6 Adaptive segmented droop control curve for flexible output of photovoltaic converter before optimization for photovoltaic power supply with different output

不同容量變流器并聯，若要滿足功率精確分配，需將下垂系數按容量比例進行設計，否則并聯變流器之間會產生較大環流，影響系統正常運行[20]。如圖6所示，當PV1運行于B1點，PV2運行于B2點時，光伏變流器輸出功率、下垂系數與光伏出力之間的關系為：

(16)

在額定運行點處下垂系數躍變較大的情況下，光伏變流器的下垂系數未按照光伏電源出力比例進行設置，將產生較大的環流，影響系統的功率分配精度，產生較大的功率損耗。

根據公式(1)，下垂控制電壓偏差和功率偏差之間的關系由下垂系數決定：

(17)

隨著光伏出力不斷變化，下垂系數的躍變可能會引起功率偏差和電壓偏差的比例波動，進而導致電壓波動和輸出功率的不合理分配。

因此，需要對圖5所示光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線進行優化。優化后的下垂特性曲線需滿足以下要求：下垂特性曲線的電壓及功率控制范圍不變；優化后的下垂特性曲線不能增大其電壓偏差；當系統中一個或多個光伏變流器運行于額定運行點Ai附近時，不會因為下垂系數的躍變，引發系統功率分配不均和環流增大的問題；整條下垂特性曲線仍然需要呈現輕載情況下減小直流母線電壓偏差，重載情況下提高系統功率分配精度的控制效果。

基于以上優化需求，優化處理后得出的光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制曲線如圖7所示。

圖7 優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制曲線Fig.7 Optimized adaptive segmented droop control curve for flexible output of photovoltaic converter

光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線kdroopi2段的表達式為：

(18)

由圖7可知，光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制功率調節范圍仍然是0～Pimppt；光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制下垂系數仍按照光伏出力比例設置；kdroopi2段內，光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制的斜率最大值大于優化前下垂控制斜率最大值，能進一步增大重載情況下系統的功率分配精度；在kdroopi2段內，光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制的電壓偏差都略小于優化前，且在額定運行點A處不會發生下垂系數的躍變。

綜上所述，本文所采取的光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制方程為:

(19)

其中：

(20)

2 光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制系統設計、建模與分析

2.1 光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制系統設計

光伏側DC/DC變流器采用輸出電壓電流的雙閉環控制有利于實現基波和諧波環流抑制[21]。光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制系統的控制框圖如圖8所示。

圖8 光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制系統的控制框圖Fig.8 Control block diagram of adaptive segmented droop control for flexible output of photovoltaic converter

實際系統中，儲能DC/DC變流器需要結合母線電壓和儲能裝置的荷電狀態確定儲能工作狀態，本文為了突顯光伏變流器對母線電壓的調節作用，因而弱化了儲能對系統母線電壓的支撐作用。其系統控制框圖如圖9所示。

圖9 儲能裝置控制框圖Fig.9 Control block diagram of energy storage device

光伏變流器下垂控制模式下，網側逆變器G-VSC運行于PQ控制模式(見圖10)或者退出運行。

圖10 PQ控制模式下G-VSC控制框圖Fig.10 G-VSC control block diagram in PQ control mode

2.2 下垂控制系統的輸出阻抗建模

選定光伏側DC/DC變流器的狀態變量為電感電流IL以及輸出電壓Uo。假設變流器無損耗，Rc=0,列出光伏側DC/DC變流器狀態空間方程[22-24]：

(21)

式中：X=[IL(t)Uo(t)]T；U是輸入矩陣，U=[Vn]；Y是輸出矩陣，Y=[IL]；A、B、C參數矩陣如下:

(22)

(23)

(24)

式中：Ls為DC/DC變流器的濾波電感；D為占空比；f為頻率；Co光伏側DC/DC變流器并網端電容；Ro為等效負載；sgn(t)為符號函數，滿足：

(25)

式中：T為開關周期，T=1/f。

圖中膜通量增加明顯，因為實驗剛開始時鹽溶液濃度相對較低，水的活度大，相同溫度下水的蒸汽分壓較大，水蒸氣的跨膜驅動力大；而隨著實驗進行，鹽溶液濃度越來越大，膜通量逐漸減小。由鹽溶液蒸氣數據知，同一溫度同一濃度時3種溶液的蒸氣壓大小為：KCl>NaCl>MgCl2；3種鹽溶液的蒸氣壓隨著濃度的增大而減小，所以3種鹽溶液膜蒸餾的跨膜驅動力依次減小，膜通量依次減小；同一濃度下，3種鹽溶液各自的蒸氣壓值隨著溫度的增大而升高，60 ℃時的膜通量最大，30 ℃的膜通量最小。這是因為溫度高時，溶液表面的水汽分壓增大，傳質驅動力增大，膜通量增大，所以可以得出溫度越高時膜通量越大。

對公式(21)進行拉氏變換，可得狀態變量IL(s)的表達式為：

IL(s)=C(sI-A)-1BU(s)

(26)

式中：I為單位矩陣。

光伏側DC/DC變流器的輸出電流IL到占空比D的傳遞函數GI-D的表達式為：

(27)

光伏側DC/DC變流器電流內環的閉環傳遞函數為：

Gbh(s)=GPI2(s)GI-D(s)/[1+GPI2(s)GI-D(s)]

(28)

式中：GPI2(s)為自適應分段下垂控制的電流內環PI2控制器傳遞函數。由圖8可知，系統的戴維南等效模型為：

(29)

式中：GPI1(s)為自適應分段下垂控制的電壓外環PI1控制器傳遞函數；Gv(s)為Uoi與U′oiref之間的傳遞關系；Zv(s)為Uoi與Ioi之間的傳遞關系；U′oiref為引入下垂控制等效阻抗后的電壓參考調制信號：

U′oiref=Uoiref-ZdroopIoi

(30)

式中：Zdroop為下垂控制等效阻抗。對公式(1)所示傳統下垂控制進行小信號處理：

(31)

Uoi=Uoiref-kdroopi(Uoi-Uoiref)Ioi

(32)

傳統下垂控制等效阻抗為：

(33)

公式(4)所示分段下垂控制等效阻抗與公式(13)所示優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制等效阻抗為：

Zdroopi=kdroopi(Uoi-Uoiref)

(34)

由公式(19)可知，重載情況下，優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制特性曲線是關于功率偏差的二次函數，對公式(19)重載情況下的下垂控制方程中功率偏差進行小信號處理，公式(19)—(20)可轉化為：

(35)

因此公式(19)—(20)所示優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制重載情況下等效阻抗為：

(36)

則光伏側DC/DC變流器等效輸出阻抗為：

Zo(s)=Gv(s)Zdroopi+Zv(s)

(37)

2.3 下垂系數取值對系統均流度的影響

對于圖4所示2個功率單元并聯運行的直流配電網簡化電路，假設某時刻2個光伏電站出力比例為δ1∶δ2。2個變流器之間的循環功率為[25]：

(38)

由公式(38)可知，當滿足：

(39)

以及輸出電壓幅值滿足Uo1=Uo2時，可以精確地分配有功功率，消除環流。

設：

(40)

式中：k′droopi為下垂控制等效阻抗Zdroopi與電壓偏差項(Uoi-Uoiref)之間的系數關系，與采用的下垂控制方法有關。

根據公式(37)—(40)可知：

(41)

直流配電網系統主要參數如表1所示。

表1 系統主要參數Table 1 Main parameters of the system

對并聯運行的光伏電源PV1與PV2進行分析，假設PV1處于溫度25 ℃,輻照度為1 000 W/m2的情況，PV2處于溫度25 ℃,輻照度為500 W/m2的情況，重載情況下各下垂控制方法的k′droopi取值如表2所示。

由公式(41)及表2可知，傳統下垂控制和分段下垂控制PV1與PV2輸出阻抗之比為:

表2 各下垂控制方法的k′droopi值Table 2 Value of each droop control method

(42)

根據公式(38)，傳統下垂控制和分段下垂控制在光伏出力不均的情況下，各并聯光伏變流器之間將產生較大的循環功率。在不計(Zv(s)+Rlinei)項影響的條件下，優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制及優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制PV1與PV2輸出阻抗之比滿足：

(43)

根據公式(38)，優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制及優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制在不計(Zv(s)+Rlinei)項影響的條件下，各并聯光伏變流器之間可以完全消除循環功率。

如果要達到在重載條件下提高功率分配精度的要求，則需要使(Zv(s)+Rlinei)項對系統輸出功率均分影響更小。根據公式(37)畫出隨k′droopi變化的光伏側DC/DC變流器輸出阻抗波特圖，如圖11所示。

圖11 隨k′droopi變化的輸出阻抗特性波特圖Fig.11 Bode diagram of the output impedance characteristics with k′droopi

由圖11可知，隨著k′droopi增大，變流器等效輸出阻抗的幅值也增大。由公式(40)可知，增大變流器等效輸出阻抗可以減小線路阻抗對均流度的影響。因此在重載情況下，在光伏側變流器向最大輸出功率靠近的過程中，優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制的均流度逐漸變高，對環流的抑制作用最好。

綜上所述，本文所提優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制方法按照光伏出力比例設置下垂系數，有利于并聯光伏電源之間環流的抑制；在重載條件下，增大系統等效輸出阻抗，有利于減小線路阻抗對均流度的影響，進一步提高了系統的均流度。

3 光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制系統模型驗證及對比分析

3.1 下垂控制系統仿真模型

為驗證本文所提光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制的可行性和正確性，基于MATLAB/Simulink搭建如圖1所示的直流配電網仿真模型進行驗證分析。直流配電網系統主要仿真參數見表1，光伏電源輻照度變化仿真工況設置見圖12，3個光伏電站溫度保持20 ℃不變。

圖12 光伏電源輻照度變化圖Fig.12 Radiation variation diagram of photovoltaic power supply

根據公式(9)計算得出光伏電源出力系數δi的變化情況，如圖13所示。

圖13 各光伏電源出力系數Fig.13 Radiation variation diagram of photovoltaic power supply

3.2 不同下垂控制方法仿真結果對比

在負載為43.036 kW的情況下，本文采用公式(1)—(2)所示傳統下垂控制、圖3所示傳統的分段下垂控制、公式(13)所示優化前光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制以及圖7所示優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制方法進行對比。為了突出光伏電源下垂控制方法對母線電壓的控制效果及優化前后下垂特性的差別，需弱化儲能裝置對母線電壓的調節作用，因此系統中的儲能裝置運行于恒流充電模式。

4種控制方法下仿真得出的直流母線電壓對比如圖14所示，各光伏側變換器輸出功率如圖15所示。

圖14 不同下垂控制方法電壓對比Fig.14 Voltage comparison chart of different droop control method

圖15 4種下垂控制方法下各變流器輸出功率圖Fig.15 Output power diagram of each converter under four droop control methods

由圖14可知，光伏出力不均的情況下，傳統下垂控制及分段下垂控制不能維持直流母線電壓穩定。在光伏出力不均的情況下，若不考慮光伏電站出力變化的影響，會造成分段下垂控制的誤判，將出力較小的光伏電源誤判為輕載情況，因此在光伏電源出力不均的條件下，無法發揮傳統分段下垂控制的優點。

由圖14(b)可知，在3～4 s，光伏出力系數連續變化，變流器下垂控制運行點必經過優化前自適應分段下垂控制的斜率切換點。因此，優化前自適應分段下垂控制由于斜率切換點左右下垂系數的切換，使功率差與電壓差之間的比例發生變化，引起較大的電壓波動。而優化后的光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制在光伏出力變化的情況下，不會出現較大的電壓波動。

由圖15(a)與圖15(b)可知，傳統的下垂控制方法及傳統的分段式下垂控制方法無法滿足使光伏側換流器按光伏出力比例分配輸出功率的要求。由于這2種控制方法的下垂系數不隨環境影響變化，不考慮負荷功率在出力不同的光伏電源之間的分配調整，因此在3～9 s，各光伏出力差異較大的情況下，仍然要求各光伏電源均分系統所需功率，導致出力小的光伏電源無法輸出所需功率，出力較大的光伏電源無法充分利用其出力，系統電壓和輸出功率均失穩。并且，傳統的分段式下垂控制在光伏電源出力不均的情況下無法體現出其優勢。

由圖15(c)與圖15(d)可知，優化前和優化后的光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制由于設置了與光伏電源出力變化相匹配的下垂特性曲線，因此都可以在光伏出力變化時使光伏側變流器按光伏出力比例分配輸出功率。在1～3 s，光伏電源的出力系數較高，系統判斷為輕載狀態，將按照光伏出力比例減小輸出功率；4～6 s，3個光伏電站出力系數較小，系統判斷為重載狀態，將按照光伏出力比例增大輸出功率。

由圖15(c)可知，由于優化前的自適應分段下垂控制未對斜率切換點進行處理，在光伏出力不斷變化的情況下，在斜率切換點周圍頻繁切換，所引起的下垂控制功率分配特性頻率發生變化，由此產生功率波動。由圖15(d)可知，由于優化后自適應分段下垂控制參數隨光伏出力變化而變化，對于系統接入多個光伏站，且多個光伏電站出力隨機變化的情況，可以滿足對系統總功率按光伏隨機出力的比例進行分配，能夠抑制由于光伏出力隨機變化導致的功率失穩現象。

在本文中，下垂系數按照光伏出力比例進行設置，因此各光伏側變換器輸出功率與系統總功率按光伏出力比例分配功率差別越小，代表其均流度越高。優化前后的自適應分段下垂控制各光伏側變換器輸出功率與系統總功率按光伏出力比例分配的對比如圖16所示，其中紅色實線代表系統負載按光伏出力比例分配后光伏側變流器應該輸出的功率。

由圖16可知，優化后的光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制在系統功率變化期間以及在系統重載情況下，各光伏變流器輸出功率更加接近系統負載按光伏出力比例分配的輸出功率。因此優化后的光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制在重載情況下提高了系統的功率分配精度。從圖16中用虛線圈出的部分中可以看出，優化后光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制功率過渡較為平滑。

圖16 各光伏側變流器輸出功率對比圖Fig.16 Comparison of output power of each PV-side converter

4 結 論

當直流系統中接入多個光伏電源時，各光伏電源出力的隨機性給下垂控制的應用帶來了挑戰。針對傳統的P-U下垂控制無法滿足在光伏電源受自然因素變化導致出力變化時，合理分配并聯的光伏變流器輸出功率等問題，本文提出了直流配電網光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制方法。根據光伏電源出力特性以及系統額定輸出功率與光伏額定容量的關系，制定自適應分段下垂特性曲線。對光伏側變流器等效輸出阻抗進行建模，分析采取不同的下垂控制對系統均流度及環流的影響。基于MATLAB/Simulink軟件的仿真實驗證明,采用本文所提直流配電網光伏變流器柔性出力自適應分段下垂控制方法可實現根據各光伏電源出力變化合理分配系統所需功率，提高了重載情況下光伏電源出力變化時光伏側變流器的均流度；減小了輕載情況下直流母線電壓偏差，對于未來提高光伏組網系統的穩定性及光伏利用率起到了促進作用。