微電網是一種集成分布式電源（Distributed Generation, DG）、儲能系統（Energy Storage System, ESS）和多類型負荷，利用電力電子變換器實現能量的控制與轉換，并具有并網和孤立兩種運行模式。當大電網發生故障時，通過相應的保護動作和解列控制，可使微電網轉為孤島運行模式而成為一個自治的電力系統，獨立向其所轄負荷供電，從而提高用戶供電的可靠性與安全性。

相比于傳統交流微電網，直流微電網由于能量變換過程少、效率高、損耗低，無需考慮電壓相位及頻率問題，因此系統運行的可控性及可靠性大大提高。直流微電網還可通過雙向AC-DC變換器與交流微電網或配電網柔性互聯，并能有效隔離交流側擾動和故障，從而保證直流系統內負荷的高可靠供電。因此，直流微電網的研究和發展受到了國內外學術界和工業界的廣泛關注。

孤立直流微電網的控制模式有依靠中央控制器的集中式和無需中央控制器的分散自治式。在基于下垂特性的分散自治控制下，微電網中具有穩定出力的DG單元按各自容量成比例的原則參與負荷的功率分配，無需依靠中央控制器即可實現全網功率平衡，具備即插即用功能，簡化了控制系統的復雜程度，提高了控制的可靠性。且無論在并網還是孤立運行模式，各DG的下垂控制策略無需改變，易于實現運行狀態的無縫切換。因此，相比于集中式主從控制，基于下垂特性的分散控制已成為國內外學者的研究重點。

傳統下垂控制模式下，直流微電網中各DG出口線路參數不一致，且存在本地負荷，因而會降低負荷功率的分配精度，難以最大化發揮DG的效率，甚至引發DG變流器輸出功率超過其額定容量而重載運行等問題，同時線路電阻的電壓降會進一步降低直流母線的電壓質量，尤其對于低壓直流微電網來說，這一問題更為突出。鑒于此，國內外研究學者在傳統直流微電網下垂控制的基礎上，提出了多種改進方案，主要包括以下幾種：

（1）在傳統下垂環節中引入虛擬阻抗，以降低線路阻抗不匹配對負荷分配的影響。文獻[11,12]提出了基于虛擬電阻的直流微網下垂控制，以補償由線路電阻引起的負荷分配偏差。文獻[13]提出了一種以功率損耗最小為目標的虛擬電阻優化算法來抑制并聯變流器間的環流，但需要不斷修正系統參數，降低了控制的實時性。以上方法均未考慮DG出口的本地負荷，且直流母線電壓雖有提升，但仍無法維持在額定值。

（2）通過引入通信以獲取相鄰DG的電氣信息，從而改善負荷分配精度。文獻[14]基于并聯變流器之間輸出電流的差異引入了下垂指數的概念，從而計算出為減小環流所需補償的瞬時虛擬電阻大小。文獻[15-17]在利用低速通信實現DG信息共享的基礎上，分別提出基于二次調節的自適應下垂控制策略，以實現成比例的負荷功率分配。這種控制方法能夠克服集中控制對中央控制單元的依賴，但對每個DG來說都要獲得其余DG的電氣信息，因此功率分配效果對通信系統的要求較高，同時直流母線電壓依然無法維持在額定值。

（3）采用新型下垂控制策略。文獻[18]提出了基于“電流-直流電壓變化率”的新型下垂控制策略，以提高電流負荷分配精度并實現輸出電壓穩定。但在該策略控制下，負荷分配精度越高，直流母線電壓偏差越大。文獻[19]提出了一種具有柔性下垂系數的“高次電流-直流電壓”的下垂控制策略，但在輕載情況下負荷分配精度仍有較大誤差，同時高次電流電氣量的工程實現具有一定難度。文獻[20]提出了一種基于“功率-二次直流電壓”下垂特性的直流微電網控制策略，但仿真結果顯示，直流母線電壓仍然存在偏差。

綜上所述，已有研究雖然從不同角度提出了直流微網的改進下垂控制，但仍無法解決功率精確分配與直流母線電壓維持額定之間的固有矛盾。

為此，本文提出了基于自適應下垂特性的功率精確分配策略和直流母線電壓無偏差控制策略。同時，在功率分配策略中考慮了本地負荷的影響，避免了DG出口功率突變導致供電可靠性降低以及變流器重載運行甚至損壞的情況。對DC-DC變換器在所提改進下垂控制下的響應特性進行分析，并討論了關鍵控制參數對系統穩定性的影響。最后通過在PSCAD/ EMTDC中進行仿真對比，驗證了所提控制策略的正確性和有效性。

圖1 直流微電網示意圖

圖7 孤立直流微網改進下垂控制

圖10 仿真模型結構

結論

本文提出了基于自適應下垂特性的功率精確分配策略，以實現孤立直流微電網的功率合理分配，并考慮了本地負荷的影響。同時，提出了基于電壓恢復的直流母線電壓無偏差控制策略，以消除由下垂特性引起的直流母線電壓偏差。

通過對所提控制策略進行了響應特性分析，驗證了控制策略的穩定性，并討論了關鍵控制參數對系統穩定性的影響。在PSCAD/EMTDC中的仿真分析表明了所提控制策略的正確性和有效性。