光伏供电直流微电网中用于有效功率分配的自主下垂控制负荷控制方法

《Energies》：Autonomous Droop-Based Load Control in PV-Supplied DC Microgrids for Effective Power Sharing

　　

光伏供电的直流微电网(PV-DCMGs)非常适合为许多离网应用供电。下垂控制(Droop control)是管理微电网中电源的一种有效方法，因为它提高了系统的可靠性和可扩展性。然而，传统的下垂控制可能无法满足PV-DCMGs的要求，在这些微电网中，负荷必须根据太阳能的可用性动态地连接和断开。本文提出了一种基于下垂的方法，用于在PV-DCMG中运行多个负荷。母线电压(Line voltage)用作在负荷之间分配功率并确定其连接状态的信号。一个关键要求是平滑的母线电压瞬变，以保持稳定性并避免不必要的负荷连接或断开。本文提出了控制逻辑和确定母线电容的步骤，以实现有效且稳定的运行。它还分析了直流微电网模型中关键非理想因素的影响，并提出了缓解方法。仿真和实验结果证明了所提出的控制逻辑和组件尺寸确定程序在管理PV-DCMG中可用功率的有效性。

本文的研究背景源于直流微电网(DCMGs)在整合可再生能源方面的技术经济优势，尤其是光伏(PV)电源的应用。在传统系统中，负荷需求决定了电源的输出功率，但在光伏供电直流微电网(PV-DCMGs)中，可用功率随太阳辐照度和大气条件变化，因此维持供需平衡面临挑战。通常在PV-DCMGs中加入电池储能系统(BESSs)以维持稳定，但在农业灌溉泵等负荷可根据太阳能可用性调整的应用场景中，使用BESSs并不划算。现有的多泵供电系统往往由于泵频繁启停导致光伏资源利用率低下。因此，开展此项研究旨在开发一种分布式控制方案，在保持稳定运行的同时管理负荷状态和功率消耗，有效分配可用的PV功率。本文研究成果发表在《Energies》期刊上，其重要意义在于提出了一种无需中央控制器和关键通信链路即可实现负荷平滑、动态投切的分布式控制架构，有效提升了PV资源的利用率，且适用于基于PV的制氢系统、电动汽车充电站等多种场景。

研究人员在开展研究时主要使用了以下关键技术方法：首先采用基于下垂控制(Droop control)和母线电压信号的分布式控制逻辑，通过设计算法定义负荷的投切优先级时间与功率分配系数；其次，引入根轨迹理论对系统进行闭环稳定性与零极点分析；随后，针对系统带宽与电容容量，提出了无超调与允许特定超调两种母线电容容量的参数估算与控制修改机制；最后，通过搭建包含光伏模拟器、多个Boost DC/DC变换器及电阻负载的48V微电网实验平台，并引入晴天与多云天气的动态光伏功率曲线，对控制逻辑和应对非理想特性的补偿策略进行仿真与实验验证。

研究结果部分总结如下：
在拟议的系统结构和操作方案（Proposed System Structure and Operating Scheme）中，研究人员指出系统无需数字通信网络，而是通过测量母线电压来决定负荷功率。各负荷控制器根据下垂系数和参考电压计算出所需消耗的功率，并依据设定的电压阈值与重连定时器来执行断开与重连逻辑，以此实现平滑的动态响应。

在直流母线电容容量确定（DC-Bus Capacitance Sizing）部分，通过动力学建模与根轨迹分析，研究人员得出结论：负荷动态响应的时间常数会显著影响所需电容的大小。研究提出了一种无超调响应的电容确定方法，能够计算出实现无超调动态响应所需的最小电容值。另外，为降低系统成本，研究人员还推导出允许特定超调百分比的电容计算方法，并修改控制逻辑，使得在满足可靠性的前提下进一步缩减电容容量。

在非理想因素对所提方法性能的影响（Non-Idealities’ Impact on the Proposed Method Performance）部分，分析了线路电阻和电容等效串联电阻(ESR)的效应。通过电路分析得出，当所有负荷控制器测量同一母线电压时，线路电阻不会影响系统动态响应；但电容的非零ESR会引入静态增益和右半平面(RHP)零点，导致电压瞬态反向并引起不必要的负荷断开。为缓解此影响，提出了一种修改电源DC/DC变换器电流设定值的方法，通过增加补偿极点来抵消ESR的影响。

在仿真和实验结果（Simulation and Experimental Results）部分，通过实验平台验证得出，未达到规定电容容量会导致负荷反复断开与扰动；而采用容量与下垂控制策略能够实现平滑瞬变和精确功率分配。在多云天气模拟中，负荷能根据优先级连接和断开并分配光伏功率，证明了所提方法在动态功率管理上的有效性。而采用允许20%超调的计算方法可以缩减66%的电容大小。

在结论部分，研究人员总结指出，本文针对独立PV-DCMG提出了一种基于下垂的电源与负荷运行方法。该方法利用母线电容电压作为控制信号，管理灵活负荷的功率消耗并维持母线电压稳定。研究确定了消除母线电压动态超调所需电容的计算程序，并提出了允许特定超调以减少电容尺寸的方法。当联合测量母线电压时，线路阻抗不影响性能，但电容的等效串联电阻(ESR)会降低性能，因此提出了电源功率管理补偿法。该控制逻辑与母线电容确定方法可应用于新装的PV-DCMG系统中，并在系统满足条件时也可应用于改造现有设备。