学术简报｜一种应用于直流微电网的改进型下垂控制策略
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南京工程学院电力工程学院、南京工程学院自动化学院的研究人员徐宏健、赵涛、朱爱华、季宁一，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，在直流微电网中，下垂控制是解决多微源系统下负荷功率分配问题的基本控制方法之一。传统下垂控制策略是基于定下垂系数的U-I下垂控制方法。该方法虽然可靠性和经济性较好，但由于系统中各微源到负载端的线路阻抗不完全相同，导致各微源对负载的输出功率不能合理分配。
为此，本文提出一种基于电压偏移补偿控制和电流分配补偿控制的改进下垂控制方法。该方法利用变换器输出电压、电流平均值来校正各变换器的输出电压与电流，从而达到减小母线电压降落和提高变换器电流分配精度的目的。本文对该控制方法分别在线路阻抗不一致和公共负载波动的工况下进行了仿真，其结果验证了该控制策略的有效性。
近年来，随着不可再生能源的逐渐减少和环境污染问题的逐步加剧，以光伏、风电等清洁能源为代表的新能源发电方式因其具备可再生特性，有助于推进节能减排和实现能源可持续发展，使含可再生能源的微电网技术成为人们研究的热点。
微电网按其母线电压性质可被分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。相比于交流微电网，直流微电网不存在谐波抑制、无功分布优化等问题，而且直流微电网能够更加高效可靠地接纳分布式直流发电系统（光伏、燃料电池等）以及其他直流负载。
在直流微电网系统中，各分布式电源和负载必须通过DC-DC变换器接入各个电压等级的直流母线。对于直流微电网而言，能否实现各分布式电源之间负荷功率的合理分配以及稳定的直流母线电压是衡量整个系统供电质量的重要依据。因此，能够准确分配负荷功率，同时稳定直流母线电压的并联变换器控制策略，对于直流微电网的稳定运行显得至关重要。
可将直流微电网中并联变换器的控制策略主要分为集中式控制和分布式控制两种。集中式控制由顶层的中央控制器发出各变换器输出指令值，经由通信线路送达底层各变换器控制器，从而实现控制器对各变换器输出进行实时调节。这种采用集中式控制的微电网系统的稳定性依赖于各模块之间的通信链路，一般更适用于较大容量的直流微电网。
分布式控制则是在系统的每个单元中都有独立的本地控制器，各单元控制器基于本地信息完成自身的控制目标，无需依赖通信技术即可实现功率分配和电压调整，这种控制模式更适用于容量较小的直流微电网。下垂控制作为分布式控制的典型控制策略，因其结构简单、即插即用的特点成为了科研人员研究的热点。在传统的U-I下垂控制中，由于线路阻抗的存在，当下垂系数取值较小时，母线电压偏差也较小，但电流分配精度低，使得功率分配误差大，反之亦然，因此传统下垂控制存在着电压偏差和电流分配精度之间的矛盾。
为了解决这两个问题，文献[8]采用动态虚拟电阻的改进控制，使得下垂系数能够自适应调整取值，减小了线路电压降落。文献[9]中提出的改进下垂控制利用了模糊算法对下垂曲线进行调整，其中，下垂系数根据各单元的输出功率来调整，模糊控制用于获取母线电压参考值。该方法可以实现母线电压调整、功率分配调节的目标。
本文首先分析了传统下垂控制策略的弊端，然后根据分析结果得到了可变下垂系数并提出电压偏移补偿控制和电流分配补偿控制方法，使得控制具备较好的均流效果和较小的电压降落。最后，通过仿真结果验证了该方法的可行性与可靠性。
图3 直流变换器下垂控制结构图
图4 改进下垂控制系统框图
本文对直流微电网中两分布式电源并联运行存在的电压降落和负荷功率分配问题进行了分析，所提出的电压偏移补偿控制和电流分配补偿控制根据各微源侧直流变换器输出电压和电流信息计算得出补偿电压和下垂补偿系数，优化了控制系统中下垂曲线的构造，从而有效抑制了传统下垂控制策略引起的电压降落较大和功率分配精度较低的缺陷。最后基于Matlab仿真验证了所提改进方法的优越性，对中小容量的直流微电网控制系统的设计具有指导意义。