Compensation of droop control using common load condition in DC microgrids to improve voltage regulation and load sharing

DC microgrid is one feasible and effective solution to integrate renewable energy resources, as well as to supply reliable electricity. The control objective of DC microgrids is to obtain system stability, low voltage regulation and equal load sharing in per unit. The droop control is an effectively method adopted to implement the control of microgrids with multiple distributed energy units. However in the application of low-voltage DC microgrids, the nominal reference mismatch and unequal cable resistances require a trade-off to be made between voltage regulation and load sharing. In this paper, a unified compensation framework is proposed using the common load condition in local controller, to compensate the voltage drop and load sharing errors. The voltage deviation is compensated with a P controller while the load sharing is compensated through a PI controller. An additional low bandwidth communication is introduced to share the output current information, and the average output current in per unit is generated to represent the common load condition. The performance of the proposed method is analyzed and compared with basic droop control and hierarchical structure method. The large signal stability is analyzed to define the margin of compensation coefficients. Simulations and experiments are carried out to verify the performance of the proposed method.     

含母线电压补偿和负荷功率动态分配的直流微电网协调控制

针对孤岛直流微电网需要独自承担系统母线电压稳定和精确的功率分配,提出了含母线电压补偿和负荷功率动态分配的协调控制策略。在主控制层中采用下垂控制来实现分布式电源之间的功率共享;在下垂控制的基础上,提出了考虑电压调节控制和电流矫正控制的分布式二次控制,其对传统下垂控制带来的直流母线电压跌落进行补偿,使得母线电压恢复到额定值;通过对下垂系数的不断调整,达到了负荷功率分配的高精度。最后,利用MATLAB/Simulink对所设计的控制策略在不同运行模式下进行仿真验证,仿真结果表明所提的控制策略可以实现直流微电网的稳定运行和负荷功率的动态分配,且能够满足分布式电源即插即用等要求。     

基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制

直流微电网的控制目标主要是实现维持电压稳定和负荷比例分配,传统的下垂控制无法同时兼顾两个控制目标,而集中控制存在依赖中央控制器等弊端。文中提出一种基于有限时间一致性的直流微电网分布式控制策略,在下垂控制的基础上,提出包括电流矫正控制和电压调节控制的分布式二次控制。该策略基于多代理系统及其分布式交互协议实现,各分布式电源代理仅与邻居交互输出电流信息,通过有限时间一致性协议,完成各分布式电源的输出电流按比例分配,并利用平均输出电流进行电压协同调节。所述控制策略以分布式的方式实现,能够满足分布式电源即插即用的要求,采用有限时间一致性算法具有较好的收敛性能。为验证该策略的控制效果,在PSCAD/EMTDC中建立了详细的直流微电网模型进行仿真。结果表明所述策略可以有效地完成直流微电网电压稳定和负荷比例分配的控制目标。     

基于电流一致性的直流微网自适应下垂控制

在直流微电网中,传统下垂控制存在功率均分和母线电压控制不能同时兼顾的矛盾。针对这一问题,研究了带阻性负载直流微网系统,提出基于电流一致性的直流微网自适应下垂控制策略。该策略包括一次、二次和电流一致性控制。引入输出电容电压反馈构成一次控制,参考电压补偿和下垂系数修正构成二次控制。各分布式电源间仅相邻变换器交换电流信息,通过电流一致性迭代控制和一次、二次控制结合,在保障输出功率均分的同时,消除了直流母线电压偏差。为验证该策略的控制有效性,对系统进行小信号建模理论分析,分析控制参数变化对系统稳定性的影响,最后进行了仿真验证。理论分析与仿真结果表明,该控制策略在微网结构改变时,也能保证系统稳定,自适应完成直流微网功率均分和母线电压控制目标。     

基于功率下垂特性的直流微电网分布式控制

针对直流微电网传统的下垂控制微源间功率分配不均导致系统环流以及直流母线电压偏移造成系统不稳定等问题,提出了一种基于功率下垂特性的直流微电网分布式控制。该方法通过引入微源输出电压、输出功率标幺值来效验微源的输出功率,确定各微源的运行条件,从而实现负载功率按照分配功率与额定功率成比例的方法精确分配,减少了系统环流;通过增加电压偏移量,有效补偿了下垂控制器及等效线路阻抗引起的电压降,使直流母线电压不受负载变化的影响而保持恒定。为了实现该方法,所有确定微源参考电压所需的信息都是通过低速通信网络进行传递。最后,在Matlab/Simulink中搭建两台变换器并联运行的实验模型,分别在低速通信网络故障和负载动态变化的工况下进行仿真试验,结果证明了该方法的可行性与有效性。     

基于多智能体一致性算法的微电网分布式分层控制策略

在含有分布式电源的微电网中,下垂控制会导致系统频率、电压偏离额定值,需要上层控制环节来消除偏差。然而分层控制中大多数控制策略都需要集中式的控制中心,对通信依赖度高,具有一定的局限性。文中结合微电网分层控制的基本框架,以实现每一层的分布式控制为目标,提出了基于多智能体一致性算法的分布式分层控制策略,以维持微电网系统频率和电压的稳定,以及实现有功、无功负荷在分布式电源间的灵活分配。文中提出的控制策略采用完全分布式的控制方法,在每一层控制中均不需要集中式的控制中心,适用于拓扑结构多变的微电网。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台验证了该控制策略的有效性。     

一种改进的分布式电源无功功率精确分配下垂控制策略

由于独立运行的微网中馈线阻抗不匹配,采用传统下垂控制策略的分布式电源难以精确地分配输出功率。针对该问题,提出了一种改进的分布式电源无功功率精确分配下垂控制策略。在该策略中,中心控制器采用低带宽通信向各个分布式电源发送交流母线电压偏离补偿信号,分布式电源的本地控制器获取该补偿信号后,通过积分构造出输出电压的幅值参考。采用所提出的下垂控制策略,各分布式电源在实现无功功率精确分配的同时,可以有效消除交流母线的电压降,将母线电压恢复至额定值。仿真结果表明,所提出的改进下垂控制策略在复阻抗特性馈线微网中具有一定的有效性和可行性。     

Modelling and Coordinated Control of Grid Connected Photovoltaic, Wind Turbine Driven PMSG, and Energy Storage Device for a Hybrid DC/AC Microgrid

In a DC/AC microgrid system, the issues of DC bus voltage regulation and power sharing have been the subject of a significant amount of research. Integration of renewable energy into the grid involves multiple converters and these are vulnerable to perturbations caused by transient events. To enhance the flexibility and controllability of the grid connected converter (GCC), this paper proposes a common DC bus voltage maintenance and power sharing control strategy of a GCC for a DC/AC microgrid. A maximum power point tracking algorithm is employed to enhance the power delivered by the wind turbine and photovoltaic module. The proposed control strategy consists of primary and secondary aspects. In the primary layer control, the DC bus voltage is regulated by the GCC. In the secondary layer, the DC bus voltage is maintained by the energy storage device. This ensures reliable power for local loads during grid failures, while power injection to the grid is controlled by an energy management algorithm followed by reference generation of inductor current in the GCC. The proposed control strategy operates in different modes of DC voltage regulation, power injection to the grid and a hybrid operating mode. It provides wide flexible control and ensures the reliable operation of the microgrid. The proposed and conventional techniques are compared for a 15.8 kW DC/AC microgrid system using the MATLAB/Simulink environment. The simulation results demonstrate the transient behaviour of the system in different operating conditions. The proposed control technique is twice as fast in its transient response and produces less oscillation than the conventional system.     

基于功率补偿量及下垂系数衰减的直流微电网并网转离网无缝切换控制策略

无缝切换控制策略是保证直流微电网稳定可靠运行的关键。针对传统并网转离网切换控制方法存在母线电压恢复慢、电能质量较差的问题,提出一种基于功率补偿量及下垂系数衰减的直流微电网并网转离网无缝切换控制策略。孤岛检测期间,并网变流器工作在电压控制模式,储能变流器(Energy Storage Converter, ESC)工作在下垂控制模式。通过建模分析,证明采用下垂控制时孤岛检测期间直流母线电压是可控的,由此得到下垂系数选择方法。孤岛检测完成后,以固定函数衰减ESC功率补偿量和下垂系数,实现ESC下垂控制和定电压控制的无缝切换,防止因ESC控制模式的突变而引起直流母线电压波动和ESC电流冲击。讨论了衰减函数的选择方法。仿真结果表明,所提无缝切换控制策略能够有效解决孤岛检测期间直流母线电压不可控的问题,抑制孤岛检测完成后因ESC模式切换时所产生的电流冲击。     

基于有限时间一致性的直流微电网分布式协调控制

直流微电网的主要控制目标是维持母线电压稳定及实现负荷的按比例分配。为克服直流微电网采用集中式控制的缺陷,提出了一种分布式的协调控制策略。该控制策略利用分层结构,在原始下垂控制的基础上引入电压二次控制及发电成本运行控制,各发电单元仅与相邻通信单元进行信息交互,通过有限时间一致性算法,最终实现电压稳定及发电成本最小等多控制目标。所提控制策略兼具分层控制与有限一致性控制的优点,灵活性高、鲁棒性强、收敛性能好。为了验证所提出的控制策略,搭建了相应的直流微电网模型,并对电源投退、负荷波动等不同场景进行了仿真,算例结果验证了该策略的有效性。     

高渗透率光伏发电的直流微电网故障穿越控制策略研究

为使直流微电网具备一定的故障穿越能力,考虑增强系统对直流母线电压的调节能力,提出了基于电池储能的故障穿越方案。引入基于非线性扰动观测的前馈项,设计了基于储能单元改进下垂控制的直流微电网故障穿越控制策略。这种控制策略可以有效抑制直流母线电压波动,缩短电压调节时间,使直流母线电压保持在安全运行范围内,从而实现直流微电网在直流支路短路故障下的故障穿越。最后在Simulink中搭建有高渗透率光伏发电的直流微电网仿真模型,对所提出的方案和所设计的故障穿越控制策略进行验证。     

基于模糊-下垂控制的光伏直流微电网混合储能功率分配及母线稳压研究

针对离网型光伏直流微电网中光伏输出功率与负载消耗功率不匹配引起的母线电压波动问题,通常采用蓄电池和超级电容相结合的混合储能装置进行补偿,一般通过下垂控制对储能装置进行功率分配,传统下垂控制很难实现下垂系数按照不同频率特性的功率波动进行有效调节,其分配特性还会受线路阻抗等其它因素的影响。文章在传统下垂控制的基础上提出了模糊-下垂控制策略,实时优化下垂系数,平抑系统内部因素所引起的负面影响,实现直流微电网中不平衡功率在蓄电池和超级电容间的合理分配。通过MATLAB/Simulink仿真证明,所提出的模糊-下垂控制策略能够有效实现直流微电网中的功率调节,抑制母线电压的波动,提高了系统的鲁棒性。     

直流微电网二次调压系统设计

母线电压恒定是直流微电网正常运行的关键。针对直流微电网下垂调压方式不能实现无差调节,双闭环调压方式不能实现各微源根据自身容量灵活调节出力、效率低的问题,整合两种调压方式设计了直流微电网二次调压系统。当微电网功率不平衡导致母线电压偏离额定值时,首先由下垂调压系统进行一次调压,将直流母线电压调节至稳定工作区;然后根据微网工作模式,孤岛模式下由钒电池(Vanadium Redox Battery,VRB)系统与锂电池储能系统配合进行二次调压,并网模式下由钒电池系统与并网变换器配合进行二次调压,将母线电压进一步调节至额定值;此时,若微网再次出现较大功率波动,系统重新回到一次下垂调压,重复上述过程。一次调压、二次调压协调配合,灵活切换,实现母线电压高效调节。该调压系统在保留下垂控制高效、灵活优点的同时,能够实现母线电压无差调节,提高了微网运行效率。仿真及实验验证了所提出调压系统的有效性和可行性。     

基于低频电流注入的船舶直流微电网线路阻抗检测

下垂控制是船舶直流微电网中一种实现系统能量分配的有效方法。在传统下垂控制中,系统内各微源之间线路阻抗不一致,导致各分布式微源承担的功率也不一致,严重时微源直流变换器甚至出现过载故障。为了解决船舶直流微电网中由线路阻抗引起的负载均流精度问题,提出利用低频注入来检测线路阻抗的方法。通过在电感电流上注入低频交流信号,检测注入后的变换器电压、电流信息,利用傅里叶变换求得线路阻抗值,进一步补偿下垂系数。该方法可以提高微电网系统直流母线电压质量,改善直流变换器并联均流时的负载均分效果,对系统稳定运行影响小。最后仿真结果验证了该方法的有效性。     

交直流混合微电网接口变换器双向下垂控制

交直流混合微电网中的接口变换器对于系统的稳定运行和功率的协调分配有着重要的作用。提出了一种接口变换器的双向下垂控制方法,分别采用变换器两侧的交流母线频率和直流母线电压对交流、直流微电网的电能需求程度进行衡量,确定变换器传输功率的大小与方向。控制架构中包括直流电压-有功功率和交流频率-有功功率两个下垂环节,并将二者输出之差作为接口变换器的功率参考值。同时,为了减缓下垂控制导致的电压或频率的跌落,在下垂控制基础上设计了恢复控制策略,以提高交直流混合微电网的电能质量和可靠性。这种双向下垂控制可以更精确地协调交流与直流微电网之间的能量传输,实现分布式能源的充分利用。利用DigSILENT软件搭建系统仿真模型,验证了控制方法的正确性。     

基于分布式控制的直流微电网控制稳定性分析

随着电网技术的发展,直流微电网已经成为了电网的重要组成部分,成为居民住宅和商用楼宇的主要能源来源型式,具有可靠性高、可控性强的优点.微电网的稳定性控制一直是微电网的重点研究方向,本文基于分布式控制模式下的微电网大信号、小信号模型的角度出发,采用Lyapunov方法研究了直流微电网中与大信号下稳定运行的参数边界条件,提出...     

基于动态负荷分配的直流微电网电压控制策略

U-I下垂控制具有良好的自适应性及扩展性,可用于直流微电网的电压控制及负荷分配.传统下垂控制存在难以兼顾稳态电压控制精度与负荷分配精度、下垂系数整定受限等问题.为此,提出了一种适用于下垂控制的二次电压控制策略,通过电压灵敏度整定下垂控制的电压参考值,实现直流母线电压的快速调节,提高系统的暂态响应速度;根据运行需求整定负荷分配系数,并更新下垂控制的电流参考值,在功率单元间实现所需比例的负荷分配.仿真结果验证了所提控制策略在负荷突变、下垂系数改变、分布式发电发生故障、通信中断等情形下的有效性及适应性.     

一种基于离散时间交互的改进直流微电网控制策略

直流微电网的控制目标是保证直流微电网的电流分配精度和减小直流母线电压偏差,以维持系统的功率平衡。传统的下垂控制不能同时满足这2个控制目标。利用分布式二次控制框架,文中提出了一种改进的基于离散时间交互的直流微电网控制策略,包括了连续电压控制和离散电流控制,在保证电流分配精度的同时减小了直流母线电压偏差。不同于其他已提出的控制方法,文中所提方法只需要在离散时刻采样电流平均值信息,降低了通信负担。在MATLAB/Simulink软件上搭建了系统仿真模型,仿真验证了所提策略的有效性。     

多储能直流微电网的分布式控制

下垂控制在直流微网中的应用越来越广泛。但是下垂特性以及直流母线电阻的存在,使得节点电压偏离额定值且影响系统的负荷分配。为充分发挥直流微电网中储能系统的作用,本文提出了多储能系统直流微电网的分布式控制策略。该控制策略在传统V-I下垂控制策略的基础上加入了平均电压控制环节和功率协调控制环节。两环节通过一致性算法仅仅需要交换相邻两节点的信息,构建一个稀疏的信息交流网络,就能补偿下垂控制造成的电压偏移,且负荷能够按照不同储能系统的荷电状态来分配。针对上述所提的控制策略,本文首先对含两储能系统的直流微电网进行了小干扰稳定性分析。然后在MATLAB/SIMULINK中搭建了含三储能系统的直流微电网模型,通过时域仿真验证了所提控制策略的有效性。     

考虑多储能系统功率分配的独立直流微电网协调控制策略

针对多源储结构的独立直流微电网,提出考虑多储能系统功率分配的独立直流微电网协调控制策略,以实现源储能源利用率最大化与多储能系统间功率合理分配两方面的平衡控制,提升微网持续供电能力。根据直流母线电压信号将微网系统运行划分为5种工作模式,以协调源储运行,保证光伏能源利用率最大化及储能系统出力充足。同时,直流微电网工作模式切换过程中源储控制器保持不变,并根据当前运行状态自动调节自身运行曲线,维持系统功率平衡和母线电压稳定。其中,基于自适应功率控制的光伏系统控制方法根据母线电压自动调节光伏系统运行点追踪或偏离最大功率点,实现最大功率点跟踪(maximum power point tracking ,MPPT)模式与降功率模式间的平滑切换。其次,基于荷电状态(state of charge,SOC)的自适应功率下垂控制器根据储能单元自身SOC调节其下垂曲线,实现系统功率在多储能单元间的动态分配,避免过充过放。最后,通过搭建Matlab /Simulink 仿真模型,验证了所提方法的有效性。