直流微电网下垂控制技术研究

王爱岭 王日霞

摘  要：微电网在分布式能源发电中应用比较广泛。微电网分为交流和直流两种，在实际应用中，由于储能设备以及负载等利用直流电，因此，直流微电网应用范围更广泛。直流微电网的稳定运行需要科学的管理策略，尤其是在底层控制中的电流分配问题，在电流分配过程中，下垂控制是经常运用的方式，但传统的下垂控制方式有一定局限性。文章在分析微电网结构的基础上，指出直流微电网传统下垂控制的实现方式及存在的不足，并提出了优化补偿法的改进下垂控制方式，最后对直流微电网的下垂控制进行了合理的展望，以期为该领域的研究提供一些借鉴。

关键词：直流微电网  下垂控制  技术  优化补偿

中图分类号：TM727                          文献标识码：A                   文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0050-03

Research on Droop Control Technology of DC Micro-grid

WANG Ailing  WANG Rixia

（Shandong Huayu Institute of Technology，Dezhou， Shandong Province，253034 China）

Abstract： Micro-grid is widely used in distributed energy generation. Micro-grid is divided into AC and DC. In practical applications， since energy storage equipment and loads use DC power， the DC micro-grid has a wider range of applications. The stable operation of DC micro-grid needs scientific management strategy， especially the current distribution problem in the bottom control. Droop control is often used in the current distribution process， but the traditional droop control method has some limitations. On the basis of analyzing the structure of micro-grid， this paper points out the realization way and deficiency of the traditional droop control of DC micro-grid， and puts forward the improved droop control way of the optimized compensation method. Finally， the reasonable prospect of DC micro-grid Droop control is given， which can provide some references for the research in this field.

Key Words： DC micro-grid; Droop control; Technology; Optimization compensation

科學技术的发展，在推动社会进步的同时，也带来了严峻的环境问题。尤其是在全球能源危机的背景下，如何科学合理地利用自然界资源成为了重要的课题。为了解决能源问题，以清洁能源为主的分布式发电应用越来越广泛。但是以风能和太阳能为主的清洁能源发电技术在实际应用中存在一定不足，那就是风能及太阳能的变化会导致输出功率波动较大，供电质量下降。为更好地解决这一问题，提高供电质量，微电网技术得到了广泛应用。微电网的应用主要是降低电力系统中的功率波动，实现的方式是利用多能源协同及对负荷的有效管理等，这样就可以将风能及太阳能等新能源变化对电网的冲击降低，确保供电系统稳定，保证供电质量。微电网主要分为交流微电网和直流微电网两种，在实际应用中，直流微电网的可靠性高，控制复杂程度也比较低，因此，应用比较广泛。为确保直流微电网的稳定运行，通常应用下垂控制来作为控制策略，但传统的下垂控制存在一些不足，因此，提出下垂控制改进方式，对于直流微电网的稳定运行具有重要的意义。

1  直流微电网的结构

直流微电网的整体结构利用直流连接方式，各个单元和直流母线相互连接，利用各单元的功率交换确保系统的稳定平衡，直流微电网典型结构如图1所示。

在分布式发电单元，由于风电及光伏都只作为发电源，是为系统提供能量的，因此，它们的功率传输是单向的，不可逆的。风电及光伏利用单向的变换器（AC/DC、DC/DC）连接在直流母线上。而在储能系统中，蓄电池或超级电容器等，不仅可以发电，还可以将系统中多余的能量储存起来，因此，它们与直流母线的连接是双向的，双向连接是通过双向变换器（DC/DC）实现的，为满足这一要求，DC/DC变换器也具备双向传输的功能。在系统的负荷部分，无论是交流负荷还是直流负荷都是消耗能量的，因此，交直流负载与直流母线的连接也是单向的。

2  直流微电网的传统下垂控制及不足

2.1 传统下垂控制

在直流微电网的系统运行中，分布式发电单元是重要的组成部分，可以为系统提供电能，运行主要由变换器控制策略决定。为保证系统的稳定运行，就要结合系统的运行要求制定有效的管理策略。在直流微电网的管理策略中，由于各个系统可能处于不同的层级，因此，分层控制是常用的控制方式。根据现有的研究，直流微电网的底层控制是电网运行的基础，而且由于系统中的各个单元是与直流母线并联的，因此，单元的电流分配就是直流微电网底层控制的根本。在已有的电流分配方式中，下垂控制应用比较广泛，通过下垂控制，可以很好地分配分布式电源间的功率，确保系统稳定的运行。多数的变换器采用的控制是电压电流双闭环方式，下垂控制是在变换器的电压电流双闭环控制外加入下垂曲线控制，将变换器的输出电流电压参考值得到后，再对电压电流双闭环进行控制。

2.2 传统下垂控制的不足

在直流微电网中，线缆阻抗对于系统具有一定的影响，利用下垂控制，就是加入了下垂控制器，这样等同于虚拟了一个串联阻抗，让原来的输出阻抗增加，当阻抗远大于线缆阻抗的话，分流的精度就提高了。但在线缆阻抗差异大的情况下，采取下垂控制方式仍存在一定的不足，假设功率单元的输出功率相同，虚拟阻抗相同，但线缆的阻抗是有差异的，因此，变换器运行的曲线是不同的。在实际运行中，变换器的下垂曲线系数有较大和较小两种，无论是选择较大还是较小下垂曲线系数，都无法满足高分流精度和较小的电压偏差。当选择较大下垂曲线系数时，分流精度提高，但是电压差会增大;反之，选择较小下垂曲线系数，电压差减小，但分流精度不高。因此，传统的下垂控制具有一定的局限性，既要保证分流精度，又要降低电压偏差是难以实现的，需要对其进行改进优化。

3  优化补偿法的改进下垂控制方式

3.1 模糊算法

模糊算法应用比较广泛，可以对不同的管理目标进行管理，利用其这一优势可以应用在下垂控制的改进方面，可以实现较高的分流精度及较小的直流母线电压偏差。利用模糊算法可以协调控制直流微电网中的分布式发电及储能系统，平衡各系统单元间的能量，同时，减小直流母线电压偏差。具体应用中，可以由分布式发电单元及储能系统单元来实现母线电压的调节。无论采取哪种方式，负责调节母线电压的单元利用下垂控制方式，另外一个单元就采用恒压控制或者是最大功率点跟踪控制方式。分布式发电单元利用下垂控制调节母线电压时，储能系统单元的剩余容量是模糊控制系统的输入变量，而下垂控制的曲线系数是输出变量，对系统进行控制只需要调整下垂曲线系数即可。同样，当储能系统单元利用下垂控制来调节母线电压时，输入及输出变量分别是母线电压偏差和分布式发电单元的下垂曲线系数的增量信号，调节下垂曲线系数也可以实现系统控制的目的。总而言之，模糊算法的应用，主要是利用模糊系统来实现的，在电网中一些需要调节的物理量是系统的輸入量，而下垂曲线系数是其输出量，改进下垂控制只需要对下垂曲线系数进行改变即可。这种方法，无须改变模糊系统，即使在无通信情况下，也可以实现对多个目标的控制，保证系统稳定运行。

3.2 一致性算法

在直流微电网的实际应用中，多数的直流微电网系统需要进行低速通信才可以进行二次控制，改进下垂控制。如果系统的单元数比较多的话，系统的通信压力就会增加，系统中的各个单元的动态调整会受到限制。因此，在系统中多采用分布式多智能体系统，在无全局通信的情况下，各智能体之间也可以实现系统状态一致。利用一致性算法来实现下垂控制的改进，是基于平移曲线法实现的。利用一致性算法，可以对下垂曲线的初始电压值进行修改。同时，利用多智能体滑模控制器来平确保本单元的剩余容量和相邻单元的剩余容量平衡。优化补偿主要是通过优化控制算法来改变下垂曲线的不同参数，确保系统中的某些变量一致，实现下垂控制改进。以后随着控制算法的发展，可能会有更多的优化算法来应用到直流微电网系统中去。

补偿方式和通信方式是改进下垂控制两个主要的方面。在补偿方式上，优化补偿主要是依靠优化算法来调整下垂曲线参数，实现对系统的控制。在通信方式上，系统单元数少的情况下，利用低速通信实现各个单元协调工作，单元数比较多的话，利用分布式一致性算法对下垂控制进行改进，确保系统中的一些物理量一致，达到控制的目的。而且利用优化补偿法，可以实现对多个目标的管理，也可以减轻通信压力。

4  直流微电网下垂控制的发展

微电网的下垂控制无论是补偿方式还是通信方式，都有很大的改进空间，未来其发展也需要在这两个方面进行优化。在补偿方式上，可以利用更优化的算法，根据系统的运行状态采取不同的组合方式来进行下垂控制改进，满足系统运行的要求。比如直流母线的电压在实际运行中是不同的，根据电压的不同等级可以划分运行的模态，从而选择更加有效的下垂控制策略。在通信方式上，将工业以太网及无线通信等现代通信技术应用到直流微电网管理系统中，结合系统的规模以及数据传输等因素，选择可靠的通信方式。因此，直流微电网的下垂控制要根据系统的具体情况，选择合适的下垂控制策略。优化补偿法的下垂控制，要结合系统的运行实际，选择合适的算法，优化下垂控制，也可以对不同算法的输入量及优化指等参数进行调整，满足不同的系统需要。从这个角度来看，不同的直流微电网系统中，下垂控制是管理系统能量的重要方式。

5  结语

在直流微电网中，分布式发电单元受线路阻抗的影响，需要利用下垂控制来实现系统的稳定运行。但是传统的下垂控制在线路阻抗的影响下，会出现分配精度的偏差。在实际应用中，利用优化补偿法来对下垂曲线系数进行调节，可以提高各单元的功率分配精度，提升下垂控制的控制性能。随着控制算法的发展，下垂控制还需要在补偿方式以及通信方式等方面进行创新，进而更好地满足电力系统要求。

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