一種無需高帶寬通信線路的高精度自主均流控制策略

支 娜 丁 可 黃慶輝 李武華 張 輝

一種無需高帶寬通信線路的高精度自主均流控制策略

支 娜1丁 可1黃慶輝2李武華2張 輝1

（1. 西安理工大學自動化與信息工程學院 西安 710048 2. 浙江大學電氣工程學院 杭州 310000）

直流微電網并聯系統多采用下垂控制實現功率分配，但線路阻抗的存在會降低其分配精度，傳統均流策略基于高帶寬通信網絡采集電壓或電流信息實現功率補償，制造成本偏高、可靠性較低，同時通信線路存在通信延時，會對均流效果產生影響。為實現直流微電網并聯系統變換器輸出功率自主均分控制，提出一種無高帶寬通信線路的直流微電網并聯光儲變換器均流策略。該策略通過分析恒壓運行模式與下垂運行模式下，線路阻抗對并聯變換器功率分配特性的影響規律，設計虛擬阻抗補償環節，根據變換器自身輸出電氣特性，對變換器輸出功率進行調節，實現輸出功率的自主均分。仿真和實驗結果表明，所提控制策略能夠提高并聯變換器的功率自主分配精度。

直流微電網 自主均流策略 虛擬阻抗補償

0 引言

直流微電網作為分布式發電系統的重要組成部分，具有結構簡單、控制靈活等優點[1]。以直流母線為主要能量傳輸通路的直流微電網架構是未來分布式發電技術中一個重要的發展方向。直流微電網中發電設備和用電設備均通過電力電子變換器并聯在直流母線上，協調各微源之間的出力，實現并聯系統分布式能量的管理與控制，對直流微電網的穩定運行具有重要的意義[2-3]。

微電網并聯變換器功率均分控制策略主要分為集中控制與分布式控制兩種[4-6]。集中控制包括主從控制、最大電流功率均分控制、平均電流功率均分控制等[7-9]；分布式控制主要采用具有即插即用特性的下垂控制實現功率分配[10]，控制方式簡單靈活，是目前應用較為廣泛的一種控制策略[11-13]。但由于電能傳輸線路阻抗及傳感器采樣誤差的存在，導致傳統下垂控制功率分配精度不高[14]。

為提升下垂控制的功率均分精度，文獻[15-16]提出電壓補償功率均分策略，通過高帶寬通信線路采集系統內各變換器電氣信息，計算平均功率，再以各變換器輸出功率與平均功率的偏差作為二次電壓補償環節，產生電壓補償量，調節電壓給定值產生功率交叉點達到功率均分目的。文獻[17-21]采用自適應下垂控制，通過調節下垂系數減小工作點功率偏差。主要分為兩種：一種是通過對下垂系數進行自適應的改進，基于通信線路采集各變換器輸出功率，將各變換器輸出功率與平均功率偏差代入下垂系數計算中，在重載時采用較大的下垂系數來保證功率均分的精度，輕載時采用較小的下垂系數保證母線電壓的穩定，達到功率均分的目的，但該控制策略存在可靠性低或協調策略在全工況下通用性差等缺陷；另一種通過構造一個電氣控制指標，例如，虛擬損耗與功率均分精度的價值指標函數，選取指標最優點對應的下垂系數作為實際控制下垂系數，實現虛擬損耗最小且功率均分精度最高的最優控制。文獻[22]提出虛擬負阻抗對消法，通過將線路阻抗引入下垂控制中產生虛擬負阻抗，從而消除線路阻抗的影響，達到功率均分控制的目的。引入虛擬負阻抗可以有效地將線路阻抗的影響減小甚至消除，但其功率均分精度取決于線路阻抗估計精度，可靠性較低。

綜上，現有均流方法多采用高帶寬通信線路通過交換各變換器自身電氣信息，對下垂控制進行調節，提升變換器間功率分配的精度，實現直流微電網內功率平衡。但基于高帶寬通信線路的控制方法，增加了制造成本、降低了可靠性，同時通信線路存在通信延時，影響均流效果。

本文提出一種無通信網絡的直流微電網并聯系統自主均流控制策略，通過對恒壓工作模式和下垂工作模式功率分配偏差機理的分析，設計虛擬阻抗補償環節，從而減少線路阻抗帶來的功率分配誤差，提升功率分配精度，實現直流微電網的穩定運行。

1 直流微電網并聯系統等效電路建模分析

1.1 并聯系統等效建模

直流微電網典型拓撲示意圖如圖1所示，直流微電網通常由光伏、風電等分布式電源、儲能裝置、并網逆變器及直流負荷組成，發電裝置和用電裝置均通過電力電子變換器并聯到直流母線上。

圖1 直流微電網典型拓撲示意圖

對圖1的發電設備、用電裝置及線路阻抗進行等效，其源荷分布示意圖如圖2所示。圖2中，oi、loadi分別為第臺變換器輸出電壓及負載電流；lineij為第臺與第臺變換器間線路阻抗。

圖2 直流微電網源荷分布示意圖

由圖2可知，微源與微源間，微源與負荷間均存在阻值不定的線路阻抗，直接采用下垂控制會影響功率的分配精度。為分析線路阻抗對功率分配精度的影響，簡化圖2的直流微電網源荷分布，分別對恒壓運行模式與下垂運行模式下的變換器進行建模，并聯變換器等效示意圖如圖3所示。圖3中，恒壓工作模式微源等效為一個電壓源dci；下垂控制模式微源等效為電壓源dci和阻性下垂系數di的串聯。由圖3可得，各分布式電源微源輸出功率表達式為

式中，Poi為第i臺變換器輸出功率；uoi、uload分別為第i臺變換器輸出電壓及負載電壓；rlinei為第i臺變換器輸出線路阻抗。

1.2 并聯系統功率分配不均機理分析

圖3a為恒壓控制模式下并聯變換器等效示意圖。采用恒壓控制模式的變換器輸出電壓oi跟蹤初始給定電壓nom，當達到穩態時，有

將式（2）代入式（1），恒壓模式下各變換器輸出功率為

式中，cvoi為恒壓模式下各變換器輸出功率；load1為恒壓控制下負載電壓。

圖3b為加入電壓下垂后并聯變換器等效示意圖，圖中，d1、d2分別為電壓-電流下垂特性的下垂系數，對應等效電壓-功率下垂關系為

式中，p為電壓-功率下垂系數，其表達式為

式中，L為直流母線電壓最小值；rat為功率變換器額定功率。則各變換器輸出功率為

式中，dpoi為下垂控制模式下各變換器輸出功率；load2為下垂控制模式下負載電壓。

在線路阻抗不等的工況下，由式（3）與式（6）可得各變換器輸出功率示意圖如圖4所示。

圖4 各變換器輸出功率示意圖

圖4中，點線為兩臺并聯變換器輸出功率o曲線，實線為下垂曲線。由圖4可以看出，線路阻抗越大，功率曲線斜率越大，對應的輸出功率越小。例如，當采用恒壓模式即變換器輸出電壓為下垂初始電壓nom時，變換器1工作在A2點，輸出功率為cvo1；相對地，變換器2工作在B2點，輸出功率為cvo2，兩者功率偏差為D2，變換器輸出功率存在功率偏差。

2 自主均流控制策略工作原理

2.1 自主均流策略原理分析

為使并聯變換器能夠在無高帶寬通信的情況下，依據本地信息實現變換器自主功率均分，對下垂控制及恒壓控制功率偏差進行積分補償，得到如圖5所示補償后變換器輸出功率波形。

由于線路阻抗的影響，當變換器1工作在下垂模式時（A1點），變換器2在相同下垂特性下，工作點為B1，兩者存在D1的功率偏差；當變換器1工作在恒壓控制模式，即變換器輸出電壓取恒定值

圖5 補償后變換器輸出功率波形

nom時，變換器1工作在A2點，變換器2工作在B2點，兩者存在功率偏差D2。設計積分補償環節，其表達式為

式中，mi為補償量；m為積分時間常數；u為比例系數，其表達式為

2.2 自主均流策略穩態均分特性分析

通過在并聯系統控制中加入虛擬阻抗補償環節對各變換器輸出功率進行調節后，各變換器輸出功率逐步趨于穩態功率均分點。本節分別對穩態點兩種控制模式下穩態功率均分特性進行分析，驗證自主均流策略穩態點并聯系統的功率均分特性。

2.2.1 下垂模式下并聯變換器功率均分特性分析

將式（9）與式（10）分別代入式（7）與式（8）中，可得各變換器輸出功率表達式為

當恒壓模式輸出功率與下垂控制模式輸出功率比例偏差為零時，積分補償量達到穩態固定值，即

化簡式（14）可得

依據圖3，變換器輸出電壓與負載電壓差值為線路阻抗壓降，因此式（15）可進一步簡化為

由式（16）可知，積分補償達到穩態值時，變換器在恒壓模式與下垂模式下輸出電流相等，即

同時，由圖3可知，當兩臺變換器并聯運行時，負載電壓相同，因此可得并聯變換器電壓關系式為

圖6 變換器輸出電流示意圖

圖7 穩態點變換器輸出電流示意圖

將式（9）與式（10）代入式（18）并進行化簡后得到

將式（17）代入式（19）中可得

對式（20）進行化簡可得

由式（21）可以看出，當變換器輸出電流在恒壓模式與下垂模式下保持恒定時，即積分補償環節達到穩態時，并聯變換器在下垂控制模式下實現輸出功率均分。

2.2.2 恒壓模式下并聯變換器功率均分特性分析

由式（19）可知，當變換器輸出電流在下垂模式與恒壓模式下保持恒定時，可以得到

對式（22）進行化簡可得

由式（23）與式（4）可知，穩態時，并聯變換器輸出下垂特性與初始下垂曲線相平行，示意圖如圖8所示。此時恒壓控制指令電壓與下垂初始電壓重合，簡化后可得圖9所示穩態點變換器輸出功率示意圖。

圖8 穩態點變換器輸出功率示意圖

圖9 穩態點變換器下垂特性簡化示意圖

圖9中，各變換器恒壓控制的指令電壓作為下垂特性曲線初始電壓，由圖9可得

由式（24）可知，此時并聯變換器恒壓控制指令電壓與下垂電壓比值相等，因此結合式（7）可知，當系統達到穩態時，變換器恒壓控制模式下輸出功率與下垂控制模式下輸出功率比例偏差為零，即

而由前述證明可知，穩態時并聯變換器下垂模式下輸出功率均分，因此將式（24）代入式（25）中可得

由式（26）可以看出，穩態時并聯變換器恒壓控制模式下，輸出功率均分，結合式（21）與式（26）可得，穩態時變換器輸出功率在兩種模式下都能夠實現功率均分。因此所提并聯直流變換器自主功率均分控制策略，在無高帶寬通信線路情況，僅通過采集變換器本地電氣信息，實現并聯變換器輸出功率均分控制。

3 自主均流策略仿真驗證

模式選擇環節工作示意圖如圖11所示。圖11中，模式選擇單元根據時基信號確定變換器工作模式，當并聯變換器時基信號實現同步后，控制器發出啟動信號，時基信號啟動，模式選擇環節在時基信號作用下，通過在不同時基周期內給定電壓的選擇實現其控制模式的切換。經過虛擬阻抗調節環節對恒壓控制及下垂控制的指令電壓進行補償，調節變換器輸出功率，最終達到穩態點，實現并聯變換器輸出功率均分控制，策略運行程序流程如圖12所示。

圖11 模式選擇環節工作示意圖

圖12 策略運行程序流程

為驗證所提策略的有效性，搭建如圖13所示并聯變換器仿真模型，各分布式微源無高帶寬通信線路連接。功率均分控制仿真參數見表1，采用表1仿真參數得到圖14～圖18仿真結果。

圖13 自主均流策略仿真模型

表1 功率均分控制仿真參數

Tab.1 Simulation parameter table of power sharing control

圖14為未加入均流策略各變換器輸出功率波形，可以看出，由于線路阻抗的存在，各變換器輸出功率不均分。未加入均流策略各變換器輸出功率偏差波形如圖15所示，初始功率偏差大于20%，且當2s、8s、13s及16s發生負載功率投切及變換器投入運行時，誤差始終大于3%。

圖14 未加入均流策略各變換器輸出功率仿真波形

圖15 未加入均流策略各變換器輸出功率偏差波形

圖16為自主均流策略變換器1輸出電壓波形，在時基信號作用下，模式切換產生的電壓波動幅值遠小于5%額定電壓的電壓質量要求范圍。圖17為自主均流控制各變換器輸出功率波形。初始時刻，由于線路阻抗存在，兩臺并聯變換器功率偏差較大，各變換器輸出功率偏差波形如圖18所示?？梢钥闯?，其功率偏差達到平均功率的20%。隨著積分補償環節逐步對給定電壓的補償，各變換器輸出功率逐步趨近平均功率，如圖17所示。

圖16 變換器1輸出電壓波形

圖17 加入均流策略各變換器輸出功率波形

圖17中，2s時負載功率突減，積分補償環節仍保持調節過程；6.3s時各變換器功率達到平衡，變換器固定工作在下垂模式，穩態示意圖如圖18所示；8s時負載功率突增，均流策略積分補償環節重新啟動，經過逐步補償，使系統重新達到穩態；13s時第3臺變換器投入運行，在積分補償環節的調節作用下，3臺變換器在17.2s時輸出功率實現均分。

圖18 各變換器輸出功率偏差波形

由圖18變換器輸出功率偏差波形可以看出，自主均流控制策略通過逐步對變換器輸出功率的調節，使得變換器輸出功率偏差由初始時刻20%逐步減小到穩態點3%以下，調節過程中在8s負載投切及13s變換器投入時出現功率偏差，最終經過調節仍能回到穩態點，實現變換器輸出功率均分控制。

4 自主均流策略實驗驗證

為更進一步驗證所提自主均流策略的有效性，采用如圖19所示的RT-box半實物平臺，搭建如圖13所示直流微電網并聯系統實驗平臺，實驗參數見表1。

圖20為未采用均流策略下變換器輸出功率實驗波形，由波形可以看出，未采用均流策略，線路阻抗使得下垂控制下垂特性產生偏移，各變換器輸出功率分配不均，存在1.6kW功率偏差，隨負載投切其仍存在較大偏差。而采用自主均流策略后，各變換器輸出功率波形如圖21所示，各變換器輸出功率由初始偏差1.6kW自主調節，逐步趨于穩態功率均分點，且在調節過程中負載功率突降1.6kW時，自主均流策略仍能穩定工作，實現各變換器輸出功率均分控制。

圖19 RT-box半實物平臺

圖20 未采用均流策略下變換器輸出功率實驗波形

圖21 切載工況下變換器輸出功率波形

圖22為系統穩定運行，各變換器達到穩態功率均分點，負載功率突增3kW時各變換器輸出功率波形，由圖中可以看出，當穩態點出現3kW負載功率突變時，自主均流策略無需通信線路，即可及時啟動進行自主調節，實現變換器輸出功率均分控制。

圖22 投載工況下變換器輸出功率波形

圖23在穩態點突降3kW負載功率工況下，仍能自主啟動對各變換器輸出功率進行調節，實現并聯系統自主均流控制。圖24為穩態功率均分點投入第三臺變換器工況下，各變換器輸出功率波形。由波形可以看出，在穩態點突然投入第三臺變換器，自主均流策略自主啟動調節各變換器輸出功率實現并聯系統自主均流控制。

圖23 切載工況下變換器輸出功率波形

圖24 投入第三臺變換器工況下變換器輸出功率波形

通過以上實驗驗證了所提自主均流策略在不同工況下，能夠可靠地自主調節變換器輸出功率實現各變換器輸出功率均分的能力，有效地提升了并聯系統運行的可靠性。

5 結論

直流微電網并聯變換器均流算法多基于高帶寬通信線路，其成本高、可靠性差，本文提出一種并聯系統自主均流策略，變換器依據自身輸出的電氣特性，通過積分補償環節改變下垂控制初始電壓，從而調節微源輸出功率，實現微源輸出功率均分控制。建立并聯系統下垂控制與恒壓控制模式下的數學模型，理論分析了自主均流策略穩態點下垂控制與恒壓控制模式微源輸出功率均分特性，并利用功率差設計積分補償環節。仿真和實驗結果表明，該控制策略能夠提升并聯變換器的功率均分精度。

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An High Precision Autonomous Current Sharing Control Strategy without High Bandwidth Communication Line

11221

（1. School of Automation and Information Engineering Xi’an University of Technology College Xi’an 710048 China 2. School of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310000 China）

The DC microgrid parallel systems mostly use droop control to achieve power distribution. However, the line impedance will reduce power distribution precision. The traditional current sharing strategy is based on high-bandwidth communication lines, which has high manufacturing cost and low reliability. In addition, the communication delay in the communication line will affect the power distribution precision. In this paper, an optical autonomous current sharing strategy of parallel storage converters in the DC microgrid is proposed. This strategy analyzes the influence of line impedance on the power distribution characteristics of the converter in constant voltage operation mode and droop operation mode. A virtual impedance compensation link is designed to adjust the output power of the converter according to the output electrical characteristics of the converter, and then, the output power of each converter is equally shared. The effectiveness of the proposed parallel system autonomous current sharing strategy is verified by simulation and experiment.

DC microgrid, autonomous current sharing strategy, virtual impedance compensation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200738

TM727

支 娜 女，1976年生，博士，副教授，研究方向為新能源發電及微電網控制。E-mail: zhina@xaut.edu.cn

丁 可 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為直流微電網及其協調控制。E-mail: 1597436271@qq.com（通信作者）

國家自然科學基金面上項目（51877175）、陜西省重點項目（2017ZDXM-GY-003）和陜西省自然基金項目（2017JM5100）資助。

2020-06-30

2020-09-14

（編輯 陳 誠）