微電網(wǎng)是一種集成分布式電源（Distributed Generation, DG）、儲(chǔ)能系統(tǒng)（Energy Storage System, ESS）和多類型負(fù)荷，利用電力電子變換器實(shí)現(xiàn)能量的控制與轉(zhuǎn)換，并具有并網(wǎng)和孤立兩種運(yùn)行模式。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，通過相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作和解列控制，可使微電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式而成為一個(gè)自治的電力系統(tǒng)，獨(dú)立向其所轄負(fù)荷供電，從而提高用戶供電的可靠性與安全性。

相比于傳統(tǒng)交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)由于能量變換過程少、效率高、損耗低，無需考慮電壓相位及頻率問題，因此系統(tǒng)運(yùn)行的可控性及可靠性大大提高。直流微電網(wǎng)還可通過雙向AC-DC變換器與交流微電網(wǎng)或配電網(wǎng)柔性互聯(lián)，并能有效隔離交流側(cè)擾動(dòng)和故障，從而保證直流系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的高可靠供電。因此，直流微電網(wǎng)的研究和發(fā)展受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

孤立直流微電網(wǎng)的控制模式有依靠中央控制器的集中式和無需中央控制器的分散自治式。在基于下垂特性的分散自治控制下，微電網(wǎng)中具有穩(wěn)定出力的DG單元按各自容量成比例的原則參與負(fù)荷的功率分配，無需依靠中央控制器即可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)功率平衡，具備即插即用功能，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了控制的可靠性。且無論在并網(wǎng)還是孤立運(yùn)行模式，各DG的下垂控制策略無需改變，易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的無縫切換。因此，相比于集中式主從控制，基于下垂特性的分散控制已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。

傳統(tǒng)下垂控制模式下，直流微電網(wǎng)中各DG出口線路參數(shù)不一致，且存在本地負(fù)荷，因而會(huì)降低負(fù)荷功率的分配精度，難以最大化發(fā)揮DG的效率，甚至引發(fā)DG變流器輸出功率超過其額定容量而重載運(yùn)行等問題，同時(shí)線路電阻的電壓降會(huì)進(jìn)一步降低直流母線的電壓質(zhì)量，尤其對(duì)于低壓直流微電網(wǎng)來說，這一問題更為突出。鑒于此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在傳統(tǒng)直流微電網(wǎng)下垂控制的基礎(chǔ)上，提出了多種改進(jìn)方案，主要包括以下幾種：

（1）在傳統(tǒng)下垂環(huán)節(jié)中引入虛擬阻抗，以降低線路阻抗不匹配對(duì)負(fù)荷分配的影響。文獻(xiàn)[11,12]提出了基于虛擬電阻的直流微網(wǎng)下垂控制，以補(bǔ)償由線路電阻引起的負(fù)荷分配偏差。文獻(xiàn)[13]提出了一種以功率損耗最小為目標(biāo)的虛擬電阻優(yōu)化算法來抑制并聯(lián)變流器間的環(huán)流，但需要不斷修正系統(tǒng)參數(shù)，降低了控制的實(shí)時(shí)性。以上方法均未考慮DG出口的本地負(fù)荷，且直流母線電壓雖有提升，但仍無法維持在額定值。

（2）通過引入通信以獲取相鄰DG的電氣信息，從而改善負(fù)荷分配精度。文獻(xiàn)[14]基于并聯(lián)變流器之間輸出電流的差異引入了下垂指數(shù)的概念，從而計(jì)算出為減小環(huán)流所需補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)虛擬電阻大小。文獻(xiàn)[15-17]在利用低速通信實(shí)現(xiàn)DG信息共享的基礎(chǔ)上，分別提出基于二次調(diào)節(jié)的自適應(yīng)下垂控制策略，以實(shí)現(xiàn)成比例的負(fù)荷功率分配。這種控制方法能夠克服集中控制對(duì)中央控制單元的依賴，但對(duì)每個(gè)DG來說都要獲得其余DG的電氣信息，因此功率分配效果對(duì)通信系統(tǒng)的要求較高，同時(shí)直流母線電壓依然無法維持在額定值。

（3）采用新型下垂控制策略。文獻(xiàn)[18]提出了基于“電流-直流電壓變化率”的新型下垂控制策略，以提高電流負(fù)荷分配精度并實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。但在該策略控制下，負(fù)荷分配精度越高，直流母線電壓偏差越大。文獻(xiàn)[19]提出了一種具有柔性下垂系數(shù)的“高次電流-直流電壓”的下垂控制策略，但在輕載情況下負(fù)荷分配精度仍有較大誤差，同時(shí)高次電流電氣量的工程實(shí)現(xiàn)具有一定難度。文獻(xiàn)[20]提出了一種基于“功率-二次直流電壓”下垂特性的直流微電網(wǎng)控制策略，但仿真結(jié)果顯示，直流母線電壓仍然存在偏差。

綜上所述，已有研究雖然從不同角度提出了直流微網(wǎng)的改進(jìn)下垂控制，但仍無法解決功率精確分配與直流母線電壓維持額定之間的固有矛盾。

為此，本文提出了基于自適應(yīng)下垂特性的功率精確分配策略和直流母線電壓無偏差控制策略。同時(shí)，在功率分配策略中考慮了本地負(fù)荷的影響，避免了DG出口功率突變導(dǎo)致供電可靠性降低以及變流器重載運(yùn)行甚至損壞的情況。對(duì)DC-DC變換器在所提改進(jìn)下垂控制下的響應(yīng)特性進(jìn)行分析，并討論了關(guān)鍵控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后通過在PSCAD/ EMTDC中進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

圖1 直流微電網(wǎng)示意圖

圖7 孤立直流微網(wǎng)改進(jìn)下垂控制

圖10 仿真模型結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了基于自適應(yīng)下垂特性的功率精確分配策略，以實(shí)現(xiàn)孤立直流微電網(wǎng)的功率合理分配，并考慮了本地負(fù)荷的影響。同時(shí)，提出了基于電壓恢復(fù)的直流母線電壓無偏差控制策略，以消除由下垂特性引起的直流母線電壓偏差。

通過對(duì)所提控制策略進(jìn)行了響應(yīng)特性分析，驗(yàn)證了控制策略的穩(wěn)定性，并討論了關(guān)鍵控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在PSCAD/EMTDC中的仿真分析表明了所提控制策略的正確性和有效性。