直流微電網(wǎng)并聯(lián)儲能系統(tǒng)改進(jìn)下垂控制策略

張 晨，王嘯塵，陳劍月，孫欣宇

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

為了推動實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排目標(biāo)，包含光伏、風(fēng)電等清潔能源的微電網(wǎng)越來越受到關(guān)注[1]。與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)與可再生能源之間的互連更加簡單高效，直流系統(tǒng)中也不存在優(yōu)化無功分布，抑制諧波等問題，因此更有發(fā)展優(yōu)勢[2]。在獨(dú)立直流微網(wǎng)中，可再生能源具有隨機(jī)性和波動性，需加入儲能系統(tǒng)為負(fù)載提供不間斷的電力[3-4]。為提高高功率水平分布式能源中儲能側(cè)變換器的可靠性，通常對變換器采取并聯(lián)連接，其輸出功率可按照要求進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)并聯(lián)變換器之間具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度[5]。當(dāng)DC-DC 變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各變換器之間功率是否平均分配，電壓調(diào)節(jié)是否在規(guī)定范圍內(nèi)顯得尤為重要。下垂控制是最常見的方法[6]，其具有即插即用、無需高頻通信等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。然而實(shí)際運(yùn)行過程中，傳統(tǒng)的下垂控制會因?yàn)橄到y(tǒng)線纜阻抗的存在和變換器的參數(shù)誤差而出現(xiàn)功率分配不均及循環(huán)電流的現(xiàn)象[9]，當(dāng)流經(jīng)某并行模塊的電流較大時(shí)，不僅增大開關(guān)的損耗，還會使變換器過載[10]。為此，國內(nèi)外學(xué)者展開了很多研究。

文獻(xiàn)[11]為改善下垂控制參數(shù)采用虛擬阻抗方法，但需要在并網(wǎng)時(shí)獲取信息得到虛擬阻抗，微電網(wǎng)無法孤島運(yùn)行。文獻(xiàn)[12]通過注入微小脈沖電壓的方式獲取信息來改變下垂系數(shù)，但其誤差會隨著線路阻抗及等效電容的減小而放大。文獻(xiàn)[13]以輸出電流和母線電壓變化率來改進(jìn)下垂控制，但母線電壓的穩(wěn)定和儲能系統(tǒng)之間電流的分配精度不能同時(shí)兼顧。文獻(xiàn)[14]提出一種自適應(yīng)下垂控制，通過PI 控制器自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂參數(shù)，用另一個自適應(yīng)PI控制器的次級環(huán)路調(diào)節(jié)直流微網(wǎng)總線電壓，但它對通信要求很高。

上述的研究方法雖然能夠改善線纜阻抗及變換器的參數(shù)誤差對傳統(tǒng)下垂策略帶來的影響，但改進(jìn)策略較繁瑣、對通信要求高。為此，本文提出一種改進(jìn)方法，以調(diào)節(jié)控制算法修改并聯(lián)變換器電壓設(shè)定點(diǎn)改善上述問題，該方法通過測量公共耦合點(diǎn)的電壓、電流，就能滿足并聯(lián)系統(tǒng)對電壓、電流的分配要求，無需在轉(zhuǎn)換器之間建立通信。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)方法的有效性。

1 傳統(tǒng)下垂控制策略

如圖1所示，直流微網(wǎng)并聯(lián)儲能系統(tǒng)包含了儲能單元、并聯(lián)連接的變換器、線纜電阻、負(fù)載單元[15]。圖1中：upcc為直流母線電壓；Ii為變換器輸出電流；usi為儲能單元電壓；Rci為線路阻抗；R 為負(fù)載；Iload為負(fù)載電流。并聯(lián)變換器間采用下垂控制，通過給定的下垂參數(shù)可以控制儲能系統(tǒng)之間的電流分配[16]，傳統(tǒng)下垂控制表達(dá)式為

圖1 并聯(lián)儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化圖Fig.1 Simplified structure of parallel energy storage system

式中：ui為第i 臺變換器端口實(shí)際電壓；urefi為設(shè)定電壓，Ii為下垂控制電流；Rdi為給定的下垂系數(shù)。

在小規(guī)模系統(tǒng)中，線路阻抗可忽略不計(jì)，由下垂參數(shù)進(jìn)行功率分配[17]，然而當(dāng)直流微網(wǎng)規(guī)模很大時(shí)，電流分配的精度會因線路阻抗的存在而降低?？紤]線路阻抗時(shí)，由圖1可得：

聯(lián)立式（1）和式（2），可求得電流分配的比例關(guān)系：

由式（3）可知，電流分配因?yàn)榫€路阻抗的不同而不同；且變換器的電感、電容等參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中也會存在誤差，加劇電流分配誤差，使得變換器無法按照給定下垂參數(shù)進(jìn)行功率分配。

2 改進(jìn)下垂控制策略

2.1 阻抗誤差消除控制算法

由上述分析可知，傳統(tǒng)下垂控制方法中的均流效果由并聯(lián)變換器的下垂系數(shù)決定，但線纜阻抗的存在會降低并聯(lián)系統(tǒng)的電流分配精度和電壓穩(wěn)定性[18]。為消除線路阻抗所帶來的影響，本文通過變換器耦合點(diǎn)的電流和負(fù)載電壓信息，求得電壓修正量，修正變換器的電壓設(shè)定點(diǎn)，以此消除線路阻抗對傳統(tǒng)下垂參數(shù)所造成的影響，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。求取電壓修正量過程如下所示：

考慮線路阻抗時(shí)，電纜電阻會在公共耦合點(diǎn)改變下垂特性，負(fù)載電壓可以用變換器1 或變換器2的輸出電流表示如下：

負(fù)載總電壓uload和變換器電流Ii，線路阻抗R 關(guān)系如下：

將式（6）代入式（4）和式（5）可獲得每個變換器的空載電壓，將式（4）和式（5）改寫如下：

通過求解式（7）和式（8），就可獲得2 個并聯(lián)變換器的輸出電流估算值：

基于估算的變換器輸出電流和負(fù)載電壓值，可得到第i 個變換器的輸出電壓uoutput-i：

利用直流母線測得的額定電壓值與第i 個變換器的估計(jì)輸出電壓值做差，求得電壓修正量ΔV。因此，可通過ΔV 重新設(shè)定變換器的控制電壓，使負(fù)載電流能夠被每個變換器所共享，補(bǔ)償電壓下跌。圖2為改進(jìn)控制方法控制策略框圖。

圖2 控制策略對比框圖Fig.2 Control strategy comparison block diagram

2.2 參數(shù)誤差補(bǔ)償控制算法

由2.1 節(jié)分析可知，線路阻抗造成的電流、電壓誤差可利用改變變換器在下垂控制中的電壓設(shè)定點(diǎn)來消除。但實(shí)際運(yùn)行過程中，變換器自身電感、電流等參數(shù)誤差也會產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象[19]，為進(jìn)一步精準(zhǔn)分配電流，減小環(huán)流影響，對電流控制提出一種新的算法，通過將變換器和負(fù)載的電流值進(jìn)行比較，將另一電壓修正量加入控制環(huán)節(jié)，從而更好地提升電流分配的精度。

控制算法流程如圖3所示，其作用是減小參數(shù)誤差對變換器帶來的影響，通過測量總負(fù)載和變換器的輸出電流值，計(jì)算出第i 個變換器電流共享百分比PCS：

圖3 控制算法流程Fig.3 Control algorithm flow chart

由于2 個并聯(lián)變換器均分總負(fù)載的電流，所以并聯(lián)時(shí)，第i 個變換器輸出的電流值的大小應(yīng)為總負(fù)載電流值的一半。因此，當(dāng)?shù)趇 個變換器在輸出電流占比高于一半時(shí)，需減小電壓補(bǔ)償量ΔuCA以降低電壓設(shè)定值；相反，在輸出電流占比低于一半時(shí)，變換器的電壓設(shè)定值應(yīng)增加ΔuCA的電壓補(bǔ)償量。通過上述算法可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)變換器之間電流的精確分配。但是，如圖4所示，在實(shí)現(xiàn)電流均等共享的過程中，轉(zhuǎn)換器的電流預(yù)設(shè)變化區(qū)間會在期望工作點(diǎn)附近產(chǎn)生較小的振蕩現(xiàn)象。因此，必須選擇適當(dāng)?shù)摩CA值以減小電流振蕩對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響。除此之外，當(dāng)負(fù)載調(diào)節(jié)特性的下垂參數(shù)在轉(zhuǎn)換器中表現(xiàn)較高時(shí)（即K＞K′時(shí)），可實(shí)現(xiàn)所期望的工作點(diǎn)附近的振蕩影響最小。

圖4 不同下垂參數(shù)下期望點(diǎn)電流振蕩Fig.4 Current oscillation at desired point under different droop parameters

本文中選擇的ΔuCA較小，2 個下垂系數(shù)的取值在工作點(diǎn)附近產(chǎn)生的電流波形振蕩也可忽略。所提的2 種控制算法同時(shí)使用時(shí)，通過對線路阻抗和參數(shù)誤差進(jìn)行分析，引入2 種電壓設(shè)定點(diǎn)補(bǔ)償法，有效地解決了電流分配過程中存在的問題，系統(tǒng)總控制框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總控制框圖Fig.5 System total control block diagram

3 實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提控制算法的有效性，圖6所示在Matlab/Simulink 中搭建了光伏直流微電網(wǎng)并聯(lián)儲能系統(tǒng)模型，線路阻抗值采用被動檢測法估計(jì)得到[20]。仿真采用的參數(shù)如下：光伏陣列工作在MPPT 模式下，固定輸出電流40 A；直流母線額定電壓為400 V；2個儲能變換器采用相同下垂系數(shù)Rd=0.2，線路阻抗Rc1=0.2 Ω，線路阻抗Rc2=0.3 Ω；考慮到實(shí)際運(yùn)行條件下相同變換器也會存在參數(shù)誤差，設(shè)置變換器的參數(shù)不同，模擬實(shí)際使用時(shí)存在的情況，變換器輸出電容C1=470 μF，C2=520 μF；變換器輸入電感L1=0.5 mH，L2=0.6 mH；負(fù)載Rload1=50 Ω，負(fù)載Rload2=100 Ω，負(fù)載Rload3=150 Ω。

圖6 直流微電網(wǎng)并聯(lián)儲能系統(tǒng)仿真模型Fig.6 Simulation model of parallel energy storage system in DC microgrid

3.1 阻抗誤差消除算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證2.1 節(jié)所提控制算法的有效性，此實(shí)驗(yàn)將加入電壓補(bǔ)償改進(jìn)控制算法的實(shí)驗(yàn)仿真和采用傳統(tǒng)下垂控制方法的實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)中直流微電網(wǎng)設(shè)定為獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)載在2 s 和4 s時(shí)發(fā)生波動，電流波形如圖7和圖8所示。

圖7（a）為采用傳統(tǒng)下垂控制方法的電流波形，在2 s 和4 s 時(shí)負(fù)荷發(fā)生波動，負(fù)荷功率由22.4 kW變?yōu)?5.6 kW。傳統(tǒng)下垂控制中，電流分配如下：開始時(shí)兩DG 輸出電流分別4.89 A 和3.06 A； 第一次負(fù)荷波動后輸出電流分別為9.4 A 和6.2 A；第二次負(fù)荷波動后輸出電流分別為14.3 A 和9.5 A，當(dāng)負(fù)荷功率增大時(shí)，電流分配誤差也會加大，進(jìn)一步加劇環(huán)流，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。圖7（b）為改進(jìn)后的電流分配波形，可見電流誤差顯著減小。

圖7 兩種控制方法電流波形仿真結(jié)果Fig.7 Two control methods current waveform simulation results

同時(shí)，如圖8（a）所示，傳統(tǒng)情況下母線電壓在負(fù)載波動時(shí)分別跌落為395 V 和390 V，補(bǔ)償量加入后，電壓能夠始終保持在400 V，保證了電壓質(zhì)量。

圖8 兩種控制方法電壓波形仿真結(jié)果Fig.8 Two control methods voltage waveform simulation results

3.2 參數(shù)偏差補(bǔ)償控制算法驗(yàn)證

上述阻抗誤差控制算法考慮了線路阻抗的影響，仿真結(jié)果也表明，新的控制策略能抑制循環(huán)電流，電壓降落問題也得到了解決。但圖8（b）中，電流分配偏差沒有能夠完全消除，這是由于未考慮變換器參數(shù)偏差對控制造成的影響。為了驗(yàn)證2.2 節(jié)中參數(shù)偏差補(bǔ)償方法的有效性，設(shè)定了2 個變換器參數(shù)誤差，圖9為加入電流算法后的電流波形。

圖9 加入誤差補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)控制仿真結(jié)果Fig.9 Improved control simulation results with error compensation

由于本地通信網(wǎng)絡(luò)下，變換器輸出電流與負(fù)載電流信息實(shí)時(shí)傳遞，使得系統(tǒng)不斷調(diào)整ΔuCA的值，修正電壓最終達(dá)到了理想電壓設(shè)定值。仿真波形顯示，在負(fù)荷頻繁波動時(shí)，阻抗和變換器參數(shù)對系統(tǒng)造成的影響完全消除，輸出電流在每次波動后0.2 s左右就能實(shí)現(xiàn)精確分配。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證直流微電網(wǎng)并聯(lián)儲能系統(tǒng)改進(jìn)下垂控制有效性，建立了儲能系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺。包括了2 組蓄電池來充當(dāng)儲能單元，dSPACE，2 臺升壓變換器，以及負(fù)載等元件。實(shí)驗(yàn)中變換器參數(shù)、線路阻抗參數(shù)、負(fù)載參數(shù)與仿真保持不變。實(shí)驗(yàn)時(shí)在25 s 切換負(fù)載，模擬負(fù)載波動情況，圖10為實(shí)驗(yàn)波形。

圖10 實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform

從圖10（a）可以看出，傳統(tǒng)控制下，電流分配存在差異，并且隨著負(fù)載的波動，變換器間產(chǎn)生的電流誤差會加大，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，容易造成變換器的過載。圖10（b）為考慮阻抗補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)控制電流波形，負(fù)載波動時(shí)循環(huán)電流顯著減小，但還沒有完全達(dá)到要求。圖10（c）為加入?yún)?shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾娏鞑ㄐ危梢钥闯隼帽疚奶岢龅目刂撇呗?，達(dá)到了系統(tǒng)功率分配要求，證明了方法的有效性。

4 結(jié)語

針對直流微電網(wǎng)中并聯(lián)儲能系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電壓-電流下垂控制方式時(shí)，線路阻抗和變換器參數(shù)誤差造成的循環(huán)電流和母線電壓波動問題。本文提出了一種用于改善并聯(lián)變換器負(fù)載電流共享的控制方法。消除阻抗影響的算法基于公共耦合點(diǎn)的變換器電流和負(fù)載電壓信息，修改了每個變換器的電壓設(shè)定點(diǎn)，且無需在并聯(lián)儲能單元之間建立通信鏈接；參數(shù)偏差消除算法通過PSC 循環(huán)控制回路，利用每個變換器的電流與總負(fù)載電流的均流百分比與設(shè)定值比較，最終確定了電壓設(shè)定值，確保了精確的負(fù)載電流共享和母線電壓穩(wěn)定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的改進(jìn)控制算法的有效性。