基于单脉冲注入的直流微电网线路阻抗检测

基于单脉冲注入的直流微电网线路阻抗检测

郑梦圆1陆凤萍2

（1嵊州市四明供电服务有限公司浙江嵊州312400；2嵊州市光宇实业有限公司浙江绍兴312400）

摘要：为解决直流微电网中线路阻抗对传统下垂控制造成的影响，在直流微电网系统结构特点基础上，提出了一种主动阻抗检测方法，即通过主动注入单脉冲扰动，检测变换器输出电压电流变化，获得线路阻抗信息，进而对下垂系数进行补偿，最终改善负荷分配精度和母线电压电能质量。由于该方法属于主动测量法，因此对电能质量影响微小并可控。最后通过仿真和实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

关键词：直流微电网；线路阻抗；负荷分配；主动阻抗检测

1前言

随着光伏、燃料电池、储能装置等具有直流输出特性的微源在微网系统中大规模应用，与交流母线系统相比，采用直流母线的系统使用的电力电子开关器件少，能量转换效率更高。而且直流系统中不存在电压频率和无功功率的概念，因此更容易控制。采用自主式控制方法的直流微电网系统不需要额外的通信总线，可以降低系统成本，提高系统的可靠性和灵活性。微网是一种可以有效整合可再生能源的小型电力系统。按照母线类型分，微网具有直流和交流两种形式。直流微网与交流微网相比具有控制简单、电能转换效率高、造价较低等优势，是未来智能电网一种可能的发展方向。微网系统中采用了大量的可再生能源和储能单元，这种特点使得微网的能量管理问题变得突出。一方面，如何保证直流微网系统的可靠运行是一个函待解决的关键问题；另一方面，可再生能源和储能单元价格昂贵，应对直流微网系统的工作状态进行优化，保证直流微网系统运行在经济性较优的模式中。本文对无通信总线的直流微网的自主式控制系统进行研究，研究了无通信总线的直流微网自主式控制的工作模式及设计方法，使其既能实现微网可靠运行，又能保证微网优先工作在经济性较优的模式中。

2微电网典型结构及特点

网，即系统大电网，通过双向DC-AC变换器、断路器与微电网相连，微电网工作于并网还是离网，与此相关；源，即分布式电源，包括光伏、风力发电机等绿色能源，通过升压变换器与直流母线相连，有MPPT和恒压源两种工作模态；荷，包括两部分，敏感负荷和非敏感负荷，其中非敏感负荷在系统供不应求时应起到可靠切除维持系统稳定的作用，另外日益兴起的电动汽车也归于负荷；储，即蓄电池和超级电容，通过双向DC-DC变换器连接至直流母线，有恒压源和限功率运行两种工作模式，起到消峰填谷、平复直流母线电压波动的作用。为保证系统功率平衡，维持母线电压在正常范围内，4部分应协调运行。其中Ceq表示直流母线等效电容，该电容大小与直流微电网系统功率规模、系统稳定性直接相关，随着功率P的增大，该等效电容容值应相应增大，容值过小会造成系统不稳定。

3直流微电网拓扑结构

图1示意了一种适用于未来智能家庭、商业楼宇，以及工业园区的典型直流微电网结构，系统内可包含光伏、风电等间歇性分布式电源，微型燃气轮机和燃料电池等可控型分布式电源，电池储能、飞轮或超级电容等储能单元以及本地交/直流负荷。若直流微电网可与外部交流电网互联，则可通过双向DC-AC变流器接入交流系统。在未来直流微电网中，为进一步提高直流系统供电灵活性和可靠性，以适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷接入，可采用双极性三线制结构。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供电系统主要如图2所示，其中直流系统与交流系统互联端口采用两个相同容量的双向DC-AC变流器（如图2（a）所示），或者直流系统中两个储能单元通过DC-DC变流器（如图2（b）所示），两者共用一极直流母线，实际上直流系统内部为两个独立供电回路，可靠性较高，但需要两套全功率电力电子变流装置，成本更高。图2（c）中，通过在直流母线电容中点引出中线，在正负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，如果采用具有中点电位平衡功能的三电平中点箝位式DC-AC变流器（NPC），则可以保证直流正负母线电压平衡，但对于常规两电平DC-AC或独立直流微电网来说，则无法实现直流正负极母线电压对称。为解决上述问题，直流微电网可通过如图2（d）所示电压平衡器构成双极三线制系统。电压平衡器的应用不受直流微电网运行模式（并网运行或独立运行）的限制，可以灵活地并入DC-AC或DC-DC变流器的输出端口；同时直流微电网的直流母线电压控制（如并网时由DC-AC来控制，独立运行时由储能DC-DC来控制）和正/负极电压平衡控制（由电压平衡器来控制）两者完全解耦，相比图2（c）所示采用NPC拓扑的直流微电网，控制更加灵活，可靠性更高。

4基于脉冲扰动的阻抗检测方法

4.1阻抗检测实现方法

本文通过主动注入脉冲扰动，测量变换器输出电压电流响应，计算线路阻抗，并将得到的线路阻抗补偿到下垂系数中，从而消除线路阻抗对系统的影响。以1号变换器为例，t0时刻，在变换器输出电压注入脉冲信号，母线电压因系统内存在容值可观的等效电容，相对变换器输出电压变化较缓慢。为保证测量准确度，这里采用平均值滤波提高实际电压、电流的采样精度，根据实际硬件要求将平均值滤波设置为求8次数据平均值，其中每次间隔时间100ns。同时采用低通滤波器滤除电压、电流中的高频分量，经测试确定其带宽为10Hz。系统控制原理主要包含三部分：①电压电流控制环，电压环采用PI控制实现对输出电压给定值的无误差跟踪，电流环可增大系统的带宽，提高系统动态性能，减少输出电流谐波，同时实现过电流保护；②下垂控制单元，其中下垂系数按照各变换器容量进行设计，实现各变换器间的负荷分配；③扰动注入和补偿单元，即通过扰动注入单元，在电压给定值基础上叠加脉冲扰动信号，进而补偿至下垂电阻位置，最终消除线路阻抗对系统功率分配和电压电能质量造成的影响。

4.2阻抗检测精度分析

为简化分析，此处暂时忽略系统控制环的响应延迟，进而分析系统内各部分对测量准确度的影响，从而为脉冲扰动的设计提供一定的参考。测量准确度虽然与动值幅度无明显关系，但脉冲幅度越大，对应实际电压电流变化量越大，显然对电压电流传感器测量越有利。因此从准确度角度考虑，需要采用幅值较大的脉冲信号，但幅度过大对系统电压质量影响会变大。为此，采用5V脉冲电压，同时缩短其脉冲时间，以减小对电压质量造成的影响。由以上分析可以得到以下大致趋势：（1）扰动幅度越大，变化量越大，传感器测量误差越小，但对系统电压质量影响较大。（2）系统容量越大，则等效电容越大，延时时间越长，测量准确度受母线电压变化影响越小。（3）线路阻抗越大，延时时间越长，测量准确度受母线电压变化影响越小，测量越准确。（4）负载越重，测量准确度受母线电压变化影响越小，对测量准确度越有利，但效果不明显，因此测量可适用于全负载范围内。因此，为保证合适的测量精度，当系统容量、系统布局确定后，可通过对脉冲扰动的幅值、时间等方面进行适当调整。

5结束语：针对直流微电网传统下垂控制中线路阻抗对分布式电源负荷分配精度和系统母线电压电能质量造成的影响，该方法测量精度在线路阻抗较小和等效电容较小情况下误差较大，存在一定的不足，对于此场合下的应用将在后续研究中进行深入分析。

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