1、第8卷 第1期2 0 2 3年2月分布式能源D i s t r i b u t e dE n e r g yV o l.8N o.1F e b.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 1 0 5基于补偿截距电压的直流微电网分级改进下垂控制研究胡子安,张紫凡,王 玕(广州城市理工学院电气工程学院,广东省 广州市5 1 0 8 0 0)摘要:针对传统下垂控制方法存在的分流精度和母线电压偏差难以同时调节的矛盾,提出了基于补偿截距电压的改进下垂控制策略。首先,分析了传统下垂控制原理,指出了传统下垂控制的弊端。其次,提出了分级改进
2、下垂控制原理,改进得到总的控制模型。最后,在M a t l a b/S i m l i n k和P S C A D中搭建相应的数学模型和电路模型,计算并设置相应的参数,验证所提出的控制策略进行了稳定性和有效性。关键词:直流微电网;下垂控制;分流精度;母线压降;补偿截距电压中图分类号:T K0 1 文献标志码:AR e s e a r c ho nH i e r a r c h i c a lD r o o pC o n t r o l o fD CM i c r o g r i dB a s e do nC o m p e n s a t e dI n t e r c e p tV o l t
3、 a g eHUZ i a n,Z HANGZ i f a n,WANGG a n(S c h o o l o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,G u a n g z h o uC i t yI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u5 1 0 8 0 0,G u a n g d o n gP r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:A i m i n ga t t h ec o n t r a d i c t i o n t h
4、a t t h e s h u n t a c c u r a c ya n d t h eb u sv o l t a g ed e v i a t i o na r ed i f f i c u l t t oa d j u s ta t t h es a m e t i m e i nt h e t r a d i t i o n a l d r o o pc o n t r o lm e t h o d,a n i m p r o v e dd r o o pc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nc o m p e n s a t e di
5、n t e r c e p tv o l t a g e i sp r o p o s e d.F i r s t l y,t h ep r i n c i p l eo f t r a d i t i o n a l s a g g i n gc o n t r o l i sa n a l y z e d,a n dt h ed i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a l s a g g i n gc o n t r o l a r ep o i n t e do u t.S e c o n d l y,t h ep r i n c i
6、 p l eo f i m p r o v e dd r o o pc o n t r o l i sp u t f o r w a r d,a n dt h eo v e r a l l c o n t r o lm o d e l i s i m p r o v e d.F i n a l l y,t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dc i r c u i tm o d e l a r eb u i l t i nM a t l a b/S i m l i n ka n dP S C A D
7、,a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da n ds e tt ov e r i f yt h es t a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g y.K E Y WO R D S:D Cm i c r o g r i d;d r o o pc o n t r o l;s h u n t a c c u r a c y;b u sv
8、 o l t a g ed e v i a t i o n;c o m p e n s a t e d i n t e r c e p tv o l t a g e基金项目:广东省高等教育教学改革项目(面向电力“紫领”人才培养的电气工程专业基础课程教学改革研究与实践)P r o j e c ts u p p o r t e db yG u a n g d o n g H i g h e rE d u c a t i o nT e a c h i n gR e f o r mP r o j e c t(R e s e a r c ha n dP r a c t i c eo nB a s i c
9、C o u r s eT e a c h i n gR e f o r m o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g M a j o rf o rC u l t i v a t i n g“P u r p l eC o l l a r”T a l e n t s)0 引言 由于分布式能源的随机性和间歇性,直接联网会对电网的稳定运行带来威胁,微电网概念的提出,有效地解决了上述矛盾1-2。直流微电网一般由分布式电源(光伏设备和燃料电池)、储能设备、各类交直流用户负载、转换装置(D C/D C或者A C/D C转换)、控制环节和公共电网单元等,再通过直流
10、母线整合来并网。由于其不存在无功功率、相位和频率,在系统运行中不存在同步问题。直流微网结构简单,节省了许多D C/A C或者A C/D C的变换环节,减少了系统的复杂性,降低了换流损耗,节省了投资与运行费用3-4。因其诸多优点,近几年研究人员对直流微网进行了大量的研究。下垂控制无需通信要求就可以实现功率分配,并维持微电网的电压稳定,结构简单易操作等的优点,因此成为直流微电网之中最常用的一种控制策略5-1 0,诸多学者在改进下垂控制方面开展了很多研究工作。文献1 1 提出了一种考虑了各变换器的电流裕度的非线性改进下垂控制。使变换器可以根据电流裕度改变下垂系数,使电流裕度大的变换器承担较大的功率变
11、化量,电流裕度小的变换器承担较小的功率变化量,但会出现电压跌落问题,而且要改变下垂系数,使模型结构复杂,不易于操作1 2。其中文献1 3 中提出了一种提高功率精确分配的补偿下垂系数的改进下垂控制,通过变换器输出的电流来调节下垂系数,实现功率平均,大大4 0 分布式能源第8卷 第1期提升传统下垂控制的控制性能,但没有实现功率按比例分配,且会造成电压跌落。除此以外,随着智能算法的不断发展,出现了许多新颖的控制算法,如文献1 4 中提出了一种基于模糊算法的改进下垂控制,文献1 5 中提出了一种一致性算法的改进下垂控制。上述2个模型通过智能算法来对下垂控制进行改进,需要较高的通讯成本,因为要通过远程控
12、制,所以要有较高的计算能力和实时性。图1 传统下垂控制框图F i g.1 B l o c kd i a g r a mo f t r a d i t i o n a l s a gc o n t r o l 本文提出了一种采用两级电压补偿的改进下垂控制策略。第一级电压补偿,用于提升变流器分流精度,第二级电压补偿用于降低电压偏差。在不改变下垂系数的前提下,采用2级电压补偿提升了母线电压和分流精度,并对控制环节的参数进行优选,最后基于电磁暂态仿真软件P S C A D搭建模型并进行仿真验证。1 储能设备的下垂控制在直流微电网中,直流母线电压的波动直接反映了系统功率传输的信息1 6。因此,在直流微电
13、网系统中通常采用基于直流母线电压信号的控制策略,来稳定母线电压,调节功率输出。那么表征电压和电流关系的下垂控制就是一种既简单又可靠的选择方案1 7。1.1 下垂控制原理目前,大多数的D C/D C控制采用的都是电压电流内外环控制,可以通过母线电压信号来调节和稳定变换器的输出电流。所以下垂控制就是在原有的电压电流内外环控制的基础上加入了下垂控制环节作为外环控制,改变D C/D C变换器的输出电压的期望值,再进行电压电流双闭环控制,得到控制信号,然后输入给D C/D C变换器,控制框图如图1所示。图中:Ur a t e为设定的变换器输出电压期望值;Ur e f为通过下垂控制计算得到的变换器输出电压
14、参考值;Ir e f为电压环输出的参考电流;d为占空比;r为下垂系数;IL 1、IL 2为变换器L 1、L 2输出的电流;IC 1、IC 2为母线侧滤波器电容电流;IR为母线负载电流;Ud c为母线电压;C为直流母线侧滤波电容;I1、I2为储能系统输入到母线的电流;Ip v为光伏系统输入到母线的电流1 8。下垂控制的数学表达式可以表示为Ur e f=Ur a t e-ILr(1)1.2 下垂控制的缺陷直流微网电路可以简化为由3个直流稳压源构成的并联电路,如图2所示。下垂控制相当于在线路上加入了1个阻值为下垂系数r的虚拟电阻。R为母线负载。Ud c 1和Ud c 2分别为变换器输出的电压,Ud
15、c为母线电压。U1和U2为储能设备的空载电压,RL 1和RL 2为等效的线路阻抗。光伏设备可以等效为一个直流电源,I3为其输入到母线的电流;I1和I2为储能系统输入到母线的电流;Id c为负载输出的电流。再根据基尔霍夫定律可以得到储能设备1的U-I公式为Ud c 1=U1-I1(r1+RL 1)Ud c 2=U2-I2(r2+RL 2)(2)如果是3个分布式电 源并联运行,且RL 1RL 2。那么2个储能系统之间的环流大小可以表示为Ici=U1-U2RL 1+RL 2+r1+r2=I1(RL 1+r1)-I2(RL 2+r2)RL 1+RL 2+r1+r2(3)V o l.8N o.1胡子安,
16、等:基于补偿截距电压的直流微电网分级改进下垂控制研究4 1 图2 直流微网等效电路F i g.2 D Cm i c r o g r i de q u i v a l e n t c i r c u i t 为了消除环流,设置U1=U2。若忽略线路电阻,通过式(2)可以得到I2I1=r1r2(4)在储能系统并联运行的时候,各储能设备的功率分配与设置的下垂系数成反比关系,两者密切相关。如果r1/r2=1,则2个储能可以实现等功率输出。若考虑线路阻抗,则2个变换器输出电流的比值关系为I2I1=r1+RL 1r2+RL 2=Rb 1Rb 2r1r2(5)式中:Rb1和Rb2为等效输出阻抗。由式(5)可知,一般储能系统可以通过下垂系数来实现等比例功率输出。但由于存在线路阻抗等因素的影响,传统下垂控制会出现电压和功率偏差的现象。在直流微网中,往往会假设线路跨度小或假设输出电阻远大于线路阻抗来忽略较小的线路阻抗的影响,但在实际系统中,特别是在功率分配精度要求较高的情况下,线路阻抗是无法忽略的。因此,根据式(5)可知,只有当等效输出阻抗Rb1和Rb2两者的阻抗比值等于下垂系数比值时,线路阻抗才不会影响