关于交直流双向功率变换器的下垂控制策略的改进分析

【摘要】近年来，由于环境问题与能源问题的逐渐严重化，因此在进行科学技术研究时逐渐向可再生能源研究，以缓解能源压力与环境污染。而在电力能源研究方面，分布式发电技术得到了广泛的应用。该技术的应用能够减少环境污染，降低能源消耗。为协调分布式发电系统与大电网之间存在的问题，从而出现了微电网。在微电网运行过程中，为并网逆变器选择合理的控制方式。基于此，出现了交直流双向功率变换器改进下垂控制方式。该控制方式能够对停机、整流、逆变三种模式之间相互切换。本文主要对交直流双向功率变换器下垂控制进行分析，并对其改进下垂控制方式进行分析。

【关键词】下垂控制;微电网;改进分析

0.引言

自分布式发电技术出现以来，便成为电网运行中电能传输的重要支撑技术。且随着科技的不断发展，已经将负荷与电源相结合的微电网变为现实，在电网工程中的应用越来也广泛。而在微电网运行过程中，需要对变换器下垂控制进行重点关注，从而确保电网的正常运行。交直流双向功率变换器的下垂控制方式便是对当前微电网运行中的技术问题进行研究下的产物，对提高微电网系统稳定性、可靠性具有一定的促进作用。因此，相关电网部门应加强交直流双向功率变换器下垂控制方面的应用与研究，从而提升微电网的运行质量。

1.分析微电网下垂控制

微电网的运行方式主要用并网与孤岛两种，微电网的运行能够使区域内供电的可靠性能得到一定的提升。且由于其中的电能是通过分布式发电技术转化而来的，因此对新能源的利用率较高，不会对环境造成严重的污染。当前微电网组网主要有三种，包括交直流混合微电网、直流微电网与交流微电网。且随着新能源发电的逐渐增多，当前分布式电源的并网组网已经发展成直流微电网方式。直流微电网主要由负荷、微源、储能装置、电网、电力电子变换器等构成，能够利用交直流双向功率变换器将这些组成部分接入到系统中。（直流微电网结构如图1）

与交流微电网相比，直流微电网的控制方式相对简单，并不需要对电压相位同步问题进行考虑。由于交流微电网对电力电子装置的应用较少，因此其在设备制造方面的费用可以适当减少。而且因为电力电子装置应用减少，从而降低了小系统谐波含量与小系统的损耗，对微电网系统的电能质量能够起到一定的改善作用。直流负荷与直流微源在并入微电网时，可以直接并入。直流微电网系统在进行相同功率传输时应用的直流输电相对较少，能够减少一定的成本支出，因为该系统在传输功率时并不需要考虑无功功率。因为直流微电网不需要考虑无功功率，所以在系统功率平衡检测时可以将母线电压作为指标。当系统的电压出现失稳现象时，就会导致负荷供电出现问题或者引起保护动作，从而对大电网的正常运行造成影响。因此需要通过一定的方式对交流微电网电力电子器件进行控制，确保母线电压不会对系统的稳定运行造成影响[1]。

虽然分布式光伏发电对电网的运行具有一定的推动作用，但新能源的分布相对分散，从而对逆变器的控制造成一定的影响。因此，在进行逆变器控制时，一般都通过下垂特性进行控制，从而确保微电网系统的稳定运行。在进行逆变器下垂控制方面，可以对逆变器的输出电压进行检测，从而对电压进行实时调整。在进行微电网逆变器下垂控制时，可以将母线电压作为参考量，然后以下垂特性为基础，对各微源的出力进行调节，从而使直流微电网系统的母线电压得到控制，不会对系统的稳定运行造成影响。鉴于分布式电源各自的作用与容量存在一定的差异性，因此在进行下垂系数选择时，应该根据微源的作用与容量选择合理的下垂系数。微源容量与下垂系数之间表达式如下：

其中第n个微源下垂系数用 表示，第n个微源有功功率容量用 表示。

2.分析变换器下垂改进

对当前微电网运行现状进行分析可知，随着分布式电源接入量的不断增长，微电网的运行问题逐渐凸显出来。因此，需要对微电网系统中的器件进行控制，从而提升系统运行的稳定性、可靠性及安全性。下面从微电网变换器下垂特性、下垂改进对策、改进后的下垂特性等进行研究。

2.1微电网变换器下垂特性

笔者对当前电网进行研究发现，多数电网都属于交流电网，所以需要通过交直流双向功率变换器转化成直流微电网。鉴于直流微电网系统稳定运行指标只有母线电压，在利用交直流双向功率变换器进行转换时，需要对微电网的母线电压进行判断，并对其处理进行调节，从而确保微电网的稳定运行。在进行母线电压判断时，应该通过交直流双向功率变换器对其传输功率大小和功率流向进行判断，从而确保母线电压能够控制在一定的范围内，不会对系统运行造成影响。微电网的运行模式主要有孤岛与并网两种。在进行直流微电网的并网运行时，可以利用交直流双向功率变换器达到和大电网交换能量的目的。若是在运行过程中大电网出现了故障，則可以将直流微电网转变成孤岛运行，通过分布式电源调节功率，确保功率的平衡。在孤岛运行过程中，若是系统重载，应该对负荷进行适当的切除，从而确保负荷的正常供电。在切除负荷时应该以负荷重要性为基准，将一些次要的负荷切除掉。若是系统出现了轻载，应该对储能装置运行状态与分布式电源控制方式进行改变，从而确保系统内部功率的平衡[2]。（经简化后的直流微电网结构如图2）

在进行交直流双向功率变换器应用时，应该将传输功率和母线电压相互对应，从而使系统输出特性能够与下垂特性相符。在进行微网系统功率平衡调节时，一般都是通过加入一些储能装置平衡功率。然而由于储能装置本身的功率容量有限，因此这种调节方式只能对一些功率不平衡范围较小的系统进行调节。因为当电力系统已经稳定时，其电压仍然处在一定的波动。在实际微网运行时，一般都将母线电压值设置在额定电压值附近。当系统处于稳定状态时，一般不会和大电网之间进行能量交换。

2.2变换器下垂改进对策

笔者通过研究文献发现，若是下垂系数的取值过大，就无法使微电网系统稳定运行，而若是下垂系数过小，就会导致系统的响应速度迟缓。而对以往的下垂控制方式进行研究可知，一般都是选择固定的下垂系数进行系统器件控制，这种控制方式无法得到有效的控制效果。在微电网系统运行过程中，若是功率出现了变动，此时的控制信号的处理时间虽然会逐渐缩短，但仍然在一定范围内。若是选取的下垂系数较小，那微源就无法对母线电压出力进行及时的调整。当微电网系统的频率与电压出现大幅度波动时，稳定时的微源出力就可能导致功率波动出现问题，从而对功率平衡造成影响。若选择的下垂系数较大，此时的微源出力就会出现过度调节的现象，从而使功率出现波动，对微电网的稳定运行造成一定的影响。因此，当微电网系统的功率出现波动时，应该在短时间内选择下垂系数较大的值。当微源出力逐渐变化时，下垂系数也会逐渐减小，从而使微网系统的功率能够达到平衡状态[3]。

2.3分析改进后的变换器下垂特性

在利用交直流双向功率变换器进行直流微电网系统下垂控制时，应该对电力电子器件的使用量进行控制，从而降低谐波。经改进后的下垂控制，交直流双向功率变换器的工作模式有三种类型，包括整流模式、逆变模式与关机模式。一、整流模式。当微电网系统的符合功率超出额定功率之后，系统便会出现重载运行现象，此时母线电压就会开始下降，且比UL1还要低。而针对这种现状，可以通过交直流双向功率变换器的整流工作模式进行运行，即利用大电网对微电网内部中的不足电量进行补充。当母线电压恢复到UL1时，即可停止并网双向变换器的整流工作模式。二、逆变模式。变换器的逆变工作模式主要是针对微电网系统的轻载运行。当系统出现轻载时，其母线电压就会不断上升，从而超过UH1。此时可以通过变换器开启逆变工作模式，将系统中多余的功率传输到大电网[4]。在进行传输功率大小选择时，应该以下垂控制特性为基准进行考虑。当微电网的母线电压已经恢复时，则可以停止逆变工作模式。三、关机模式。当微电网系统的母线电压位置在额定值附近时，此时系统便可以通过储能装置与分布式发电单元维持功率的平衡。由于此时不需要进行功率传输，因此可以开启关机工作模式。经改进后的下垂控制在进行停机模式、整流模式及逆变模式工作时，并不需要依靠控制信号，可以在三种工作模式中自由切换。在进行系统功率的平衡维持时，可以通过配套的控制系统进行，并不需要通过多种控制方式进行协调。（變换器下垂特性如图3）

3.结语

综上可知，微电网系统的稳定运行能够为人们正常使用电网起到一定的保障作用。而随着分布式电源接入量的不断增长，系统的运行问题逐渐凸显出来。针对这种情况，可以通过改进后的下垂控制对系统稳定运行进行控制。因此，相关电网部门应加强对改进后下垂控制的研究，以促进电网的良好发展。

【参考文献】

[1]丁明，田龙刚，潘浩，张雪松，周金辉.交直流混合微电网运行控制策略研究[J].电力系统保护与控制.2015（09）

[2]周稳，戴瑜兴，毕大强，范柱烽.交直流混合微电网协同控制策略[J].电力自动化设备.2015（10）

[3]阎发友，汤广福，贺之渊，孔明.基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略[J].中国电机工程学报.2014（03）

[4]吴振奎，宋文隽，魏毅立，张继红，赵杰.低电压微电网虚拟坐标变换下垂控制策略[J].电力系统保护与控制.2014（08）

作者简介：陈建卫（1986-） ，男（汉），华北电力大学硕士，中级工程师，主要从事电力电子、新能源方向研究。