支　娜　張　輝　肖　曦

(1.西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院　西安　710048 2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室(清華大學(xué))　北京　100084)

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提高直流微電網(wǎng)動態(tài)特性的改進(jìn)下垂控制策略研究

支娜1張輝1肖曦2

(1.西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院西安710048 2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室(清華大學(xué))北京100084)

從理論上分析了功率擾動對輸出電壓的影響因素，提出一種阻性虛擬阻抗加補(bǔ)償虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略，阻性虛擬阻抗實現(xiàn)直流微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時的功率分配，補(bǔ)償虛擬阻抗提升其動態(tài)性能；通過對一個簡單的直流微電網(wǎng)進(jìn)行小信號建模，給出了補(bǔ)償虛擬阻抗的參數(shù)設(shè)計過程。仿真和實驗結(jié)果表明，補(bǔ)償虛擬阻抗下垂控制策略能夠提升母線電壓的動態(tài)特性，阻尼特性增強(qiáng)。

下垂控制虛擬阻抗動態(tài)特性直流微電網(wǎng)

0　引言

以分布式發(fā)電技術(shù)[1，2]為主的微電網(wǎng)成為未來智能電網(wǎng)的一個重要組成部分。作為微電網(wǎng)技術(shù)的一個重要分支，直流微電網(wǎng)以其可靠性高、效率高、控制簡單以及便于電源接入等優(yōu)點成為未來家庭和樓宇的主要供電架構(gòu)[3]。直流微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，分布式電源(光伏、風(fēng)電等)優(yōu)先為家庭或樓宇提供電能供應(yīng)，儲能(蓄電池、超級電容等)作為后備電源提供當(dāng)分布式電源功率不足時的功率補(bǔ)給。多個小容量直流微電網(wǎng)并聯(lián)在直流母線上，通過DC-AC變換器和變壓器接入交流母線[4]。

圖1　直流微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Common structure of DC microgrid

直流微電網(wǎng)的控制策略分為集中式控制和分布式控制兩種[5，6]，集中式控制采用中央控制器，基于信息采集、預(yù)測、分析等實現(xiàn)直流微電網(wǎng)的優(yōu)化控制[7]，這種強(qiáng)通信方式適用于大容量的直流微電網(wǎng)；分布式控制基于本地信息，采用電壓-功率下垂控制，不需要通信線路或基于弱通信即可實現(xiàn)直流微電網(wǎng)不同微源之間的功率分配，控制簡單，更適用于容量較小的直流微電網(wǎng)[8]。傳統(tǒng)的電壓-功率下垂控制策略，在母線電壓允許的波動范圍內(nèi)，采集微源的輸出電流，利用阻性虛擬阻抗線性化減小電壓的參考值，實現(xiàn)功率分配[9-14]。該控制策略存在以下問題：①下垂特性使母線電壓下降，為有差控制；②線路阻抗的存在容易影響功率分配的準(zhǔn)確度。針對母線電壓下降問題，可通過采集PCC電壓和直流微電網(wǎng)的母線電壓，增加基于通信的第二級控制來提升母線電壓[10]。文獻(xiàn)[11]采用三級控制實現(xiàn)了直流微電網(wǎng)的功率分配及調(diào)度，其中第一級采用下垂控制，保證底層變換器的功率自主分配，第二級和第三級均通過通信分別實現(xiàn)母線電壓的提升及上級電網(wǎng)對直流微電網(wǎng)的調(diào)度。線路阻抗或傳感器精度會對下垂控制的電流分配準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，基于低帶寬通信，通過計算電壓、電流的平均值可補(bǔ)償由于線路阻抗引起的電流分配誤差[12，13]，提升功率分配準(zhǔn)確度。下垂系數(shù)對直流微電網(wǎng)的電流分配準(zhǔn)確度及電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的影響，可通過求取電流、電壓平均值增加補(bǔ)償控制[14]、加入自適應(yīng)下垂電阻(Adaptive Droop Resistance，ADR)[15]或模糊控制[16]等方法提高分配準(zhǔn)確度，提升直流微電網(wǎng)的工作可靠性。

以上方法均基于阻性虛擬阻抗提升了直流微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)工作性能，直流微電網(wǎng)中，大量分布式電源的“不確定”性、本地負(fù)載的突變以及容量較大的微源投入切出等因素均會造成直流母線電壓的波動，而直流母線電壓的不穩(wěn)定會造成保護(hù)設(shè)備的誤動作或引起用電設(shè)備的損壞，而阻性下垂系數(shù)實現(xiàn)了各微源穩(wěn)態(tài)時的功率分配，不能提升微電網(wǎng)的動態(tài)特性。

本文通過在純阻性虛擬阻抗的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)償虛擬阻抗的方法對直流微電網(wǎng)中傳統(tǒng)的電壓-功率下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn)，提出基于補(bǔ)償虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略。該控制策略通過阻性虛擬阻抗實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時直流微電網(wǎng)內(nèi)變換器的功率分配，同時通過補(bǔ)償虛擬阻抗，改善母線電壓的動態(tài)特性；建立了變換器的控制框圖，理論推導(dǎo)了補(bǔ)償虛擬阻抗的設(shè)計方法，詳細(xì)分析了補(bǔ)償虛擬阻抗對變換器阻尼特性的影響；建立了一個簡單的直流微電網(wǎng)，采用兩級控制，對本文所提出的改進(jìn)控制算法進(jìn)行了仿真和實驗驗證。

1　下垂控制策略

1.1傳統(tǒng)下垂控制策略原理及其局限性

為了研究傳統(tǒng)下垂控制對變換器電流分配的準(zhǔn)確度以及輸出電壓的影響，本文將兩個下垂控制變換器并聯(lián)[17]，簡化電路如圖2所示。

圖2　含有兩個變換器的下垂控制簡化框圖Fig.2　Simple structure of droop control with two converters

傳統(tǒng)下垂控制數(shù)學(xué)表達(dá)式為

udcrefi=uN-Rdiidcii=1，2,…,n

(1)

式中，uN為變換器空載輸出電壓；idci為變換器輸出電流；udcrefi為變換器參考電壓；Rdi為阻性下垂系數(shù)，其值取決于直流微電網(wǎng)所允許的最大電壓擾動范圍(Umax-Umin)和微源的最大輸出功率(用電流Imax表示[18-20])，定義如下

(2)

直流微電網(wǎng)中，往往假定變換器的距離跨度較小，忽略線路阻抗r1和r2的影響，認(rèn)為變換器的輸出電流與虛擬阻抗呈反比，然而，在對功率分配準(zhǔn)確度要求較高的情況下，不能忽略線路阻抗。由圖2得

uload=uN-Rd1idc1-Rd1r1

uload=uN-Rd2idc2-Rd2r2

(3)

由式(3)得到

(4)

由式(4) 可知，只有在線路阻抗的比值與下垂系數(shù)的比值相等時，才不會影響電流分配準(zhǔn)確度，當(dāng)線路阻抗不成比例時，可采用求取電流平均值的方法來提升電流分配的準(zhǔn)確度[12-14]。

建立式(1)的小信號模型，可得負(fù)載電流擾動對參考電壓的影響為

Δudcref=-ΔRdidc-RdΔidc

(5)

式中，Δudcref為電壓參考值變化量；ΔRd和Δidc分別為下垂系數(shù)和輸出電流變化量。由式(5)可看出，在下垂系數(shù)一定(ΔRd=0)的情況下，Δudcref正比于Δidc，當(dāng)負(fù)載電流產(chǎn)生擾動時，變換器的參考電壓會發(fā)生同頻率的擾動，導(dǎo)致母線電壓產(chǎn)生擾動，降低了直流微電網(wǎng)的動態(tài)特性。

1.2改進(jìn)下垂控制策略

為了提升直流微電網(wǎng)的動態(tài)特性，研究負(fù)載電流擾動對母線電壓的影響，對傳統(tǒng)下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn)，考慮增加補(bǔ)償虛擬阻抗消除電流擾動對母線電壓動態(tài)特性的影響。加入補(bǔ)償虛擬阻抗的下垂控制小信號控制框圖如圖3所示。

圖3　加入補(bǔ)償虛擬阻抗的下垂控制小信號控制框圖Fig.3　Small signal configuration in droop control with compensate virtual impedance

圖3中，kc(s)為補(bǔ)償虛擬阻抗；Δidc、Δudc和ΔuN分別為變換器直流母線側(cè)輸出電流、輸出電壓的擾動量和空載電壓的擾動量；GPIu(s)為電壓補(bǔ)償器；C為直流母線側(cè)濾波電容；Gc(s)為電流環(huán)傳遞函數(shù)，當(dāng)設(shè)計電壓環(huán)帶寬遠(yuǎn)大于電流環(huán)帶寬時，Gc(s)可等效為一個一階延遲環(huán)節(jié)[13]，其時間常數(shù)大于系統(tǒng)采樣時間的3倍

(6)

由圖3推導(dǎo)出輸出電壓變化量Δudc的表達(dá)式為

Δudc=

(7)

由式(7)可見，ΔuN和Δidc都會對母線電壓產(chǎn)生影響，ΔuN所產(chǎn)生的影響與電壓電流環(huán)的PI參數(shù)及電路參數(shù)有關(guān)，而Δidc對母線電壓的影響與補(bǔ)償虛擬阻抗kc(s)有關(guān)，因此合理設(shè)計補(bǔ)償虛擬阻抗kc(s)可減小負(fù)載電流擾動對母線電壓的影響。

令式(7)中1+kc(s)GPIu(s)Gc(s)=0， 可推導(dǎo)出補(bǔ)償虛擬阻抗表達(dá)式為

(8)

忽略s高次方的影響，則式(8)可簡化為

(9)

式中，ωc=KIu/KPu；k=1/KPu。

改進(jìn)后的下垂控制器框圖如圖4所示。

圖4　改進(jìn)下垂控制器Fig.4　Improved droop controller

由圖4可得，改進(jìn)后的虛擬阻抗在阻性虛擬阻抗的基礎(chǔ)上增加了一個截止頻率為ωc的高通濾波器。當(dāng)直流微電網(wǎng)工作在穩(wěn)態(tài)時，阻性下垂系數(shù)Rd實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時微源接口變換器之間的功率分配；當(dāng)負(fù)載切換或產(chǎn)生功率擾動時，利用補(bǔ)償虛擬阻抗檢測出其中的擾動分量，進(jìn)而得到前饋修正后的下垂系數(shù)，提升直流微電網(wǎng)的動態(tài)特性。

2　直流微電網(wǎng)建模

為了驗證改進(jìn)下垂控制策略的有效性，本文建立了一個由兩個DC-DC變換器構(gòu)成的直流微電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。并聯(lián)于本地直流母線上的DC-DC變換器，通過采集本地電壓和電流信息，采用改進(jìn)下垂控制策略實現(xiàn)第一級的功率分配控制；當(dāng)直流微電網(wǎng)需要并網(wǎng)運行時，第二級控制基于通信線路，通過采集PCC電壓獲取上級直流母線電壓，與本地母線電壓比較，經(jīng)過電壓控制器產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Δu，補(bǔ)償?shù)谝患壪麓箍刂茙淼碾妷翰頪10，11]。為了合理設(shè)計補(bǔ)償虛擬阻抗的參數(shù)，需要對直流微電網(wǎng)中的變換器及負(fù)荷進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

2.1DC-DC變換器小信號建模

根據(jù)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時的等效電路，忽略開關(guān)損耗，考慮電感內(nèi)阻的情況下，雙向DC-DC變換器的平均模型表達(dá)式為[21]

LiLs=-rLiL-dudc+Us

(10)

(11)

式中，udc、Udc分別為直流母線電壓的瞬時值和穩(wěn)態(tài)值；Us為輸入電壓；iL為電感電流；Rload、Pload分別為阻性負(fù)載和恒功率負(fù)載?；谄骄Ｐ?，得到圖5中DC-DC變換器的控制框圖如圖6所示。

圖5　直流微電網(wǎng)控制框圖Fig.5　Control structure of DC Micogrid

圖6　DC-DC變換器控制框圖Fig.6　Control structure of DC-DC converter

圖6中，電壓、電流控制器的數(shù)學(xué)模型為

udcref=uN-kd(s)idc

(12)

idc=diL

(13)

(udcref-udc)GPIu(s)=iLref

(14)

-(iLref-iL)GPIi(s)+Us=dudc

(15)

式(12)為改進(jìn)電壓-電流下垂控制器，用于計算變換器輸出直流電壓的參考值udcref，其中uN為變換器空載時的輸出電壓，kd(s)為改進(jìn)虛擬阻抗，kd(s)=Rd+kc(s)；式(13)為輸出電流idc與電感電流iL之間

的關(guān)系，其中d為雙向DC-DC變換器Buck模式下的占空比；電壓、電流補(bǔ)償器的設(shè)計如式(14)和式(15)所示，其中GPIu(s)為電壓環(huán)比例(KPu)積分(KIu)控制器，GPIi(s)為電流環(huán)比例(KPi)積分(KIi)控制器。由式(10)、式(12)和式(15)得到電流環(huán)及電壓環(huán)的傳遞函數(shù)分別如式(16)和式(17)所示。

為了研究改進(jìn)下垂控制算法下雙向DC-DC變換器的小擾動穩(wěn)定性，建立變換器閉環(huán)控制的小信號模型，如式(18)所示。

(16)

(17)

iL=IL+ΔiL， d=D+Δd， udc=Udc+Δudc

(18)

式中，IL、Udc、D分別為電感電流、輸出直流電壓和占空比的穩(wěn)態(tài)值；ΔiL、Δudc、Δd分別為電感電流、輸出直流電壓和占空比下的擾動量。將式(18)帶入式(10)、式(14)、式(15)可得到電流擾動量ΔiL與Δudc之間的傳遞函數(shù)及Δudc與Δd之間的傳遞函數(shù)分別如式(19)和式(20)所示。

(19)

(20)

2.2負(fù)載模型

直流微電網(wǎng)中，負(fù)載總是通過電力電子變換器連接在直流母線上，其輸出呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性[22]，即功率恒定的情況下，電壓增加或減少時，電流相應(yīng)地減少或增加，阻抗的增加值是負(fù)的。任何一個工作點處，恒功率負(fù)載都可等效為一個恒流源(iCPL)和負(fù)電阻的并聯(lián)(RCPL)

(21)

為了研究負(fù)載功率變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文在仿真中采用阻性負(fù)載加恒功率負(fù)載的混合負(fù)載模型，其中恒功率負(fù)載用一個理想電流源代替[23]。

3　虛擬阻抗參數(shù)設(shè)計及穩(wěn)定性分析

由1.2節(jié)的分析可知，變換器補(bǔ)償虛擬阻抗的參數(shù)與電壓控制器的參數(shù)設(shè)計有關(guān)，應(yīng)綜合考慮變換器穩(wěn)定裕度、阻尼特性、電壓/電流環(huán)帶寬等設(shè)計虛擬阻抗參數(shù)。DC-DC變換器的參數(shù)如表1所示。

表1　DC-DC變換器參數(shù)Tab.1　Parameters of DC-DC converter

3.1控制器參數(shù)設(shè)計

設(shè)計DC-DC變換器電流環(huán)帶寬為300 Hz，根據(jù)式(16)設(shè)計電流環(huán)參數(shù)為：KPi=0.3，KIi=6。電壓環(huán)控制器帶寬應(yīng)遠(yuǎn)小于電流環(huán)帶寬，通常設(shè)計在10～60 Hz之間[24]。圖7分別為KPu=2、4、6以及KIu=62.8、125.6、188.4，相應(yīng)的電壓環(huán)帶寬分別為13.3 Hz、32.2 Hz、42.7 Hz時，輸出電壓到參考電壓的波特圖及奈奎斯特曲線。

圖7　電壓環(huán)帶參數(shù)設(shè)計Fig.7　Parameter degsin of voltage-loop

從圖7中可看出，低頻段電壓環(huán)具有很好的跟蹤能力，電壓環(huán)帶寬增大，調(diào)節(jié)速度變好，但抑制高頻信號的能力減弱，帶寬越大越遠(yuǎn)離禁止區(qū)[25]。根據(jù)電壓環(huán)參數(shù)的變化，圖8給出了ωc分別為31.4、62.8、92.4，k從0.1變化到10時，變換器主導(dǎo)極點的變化情況。從圖中可看出，ωc為31.4時的阻尼特性最好，隨著ωc的增大，變換器的阻尼特性減弱，同時曲線向虛軸靠近，ωc過大，會導(dǎo)致變換器不穩(wěn)定；針對固定的ωc，隨著k值的增大，變換器的主導(dǎo)極點先遠(yuǎn)離虛軸，然后再靠近虛軸移動，說明k值過小或過大，都會導(dǎo)致變換器不穩(wěn)定。綜合考慮變換器的阻尼能力、電壓環(huán)的相角裕量及幅值裕量后，本文設(shè)計的ωc值為31.4，取得轉(zhuǎn)折點處的k值為0.5。

圖8　ωc、k變化時，電壓環(huán)的零極點圖Fig.8　Pole-Zero map of voltage-loop with different ωc and k

3.2補(bǔ)償虛擬阻抗阻尼特性分析

根據(jù)3.1節(jié)的參數(shù)設(shè)計，當(dāng)電壓環(huán)帶寬為13.3 Hz，電壓環(huán)、電流環(huán)控制器參數(shù)分別為KPu=2、KIu=62.8、KPi=0.3、KIi=6時，根據(jù)式(20)，阻性負(fù)載和恒功率負(fù)載的增加量從0.1(pu)變化到0.25(pu)(基準(zhǔn)功率為1.5 kW)時，動態(tài)特性仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　負(fù)載變化時變換器的動態(tài)特性Fig.9　Dynamic characteristic of converter for different load

從圖9中主導(dǎo)極點的變化趨勢可看出，隨著負(fù)載的增加，主導(dǎo)極點向虛軸移動，恒功率負(fù)載增加到1.2(pu)時，變換器不穩(wěn)定；同一個負(fù)載下，改進(jìn)下垂控制策略的極點靠近實軸，阻尼特性增強(qiáng)，減小了動態(tài)過程中的振蕩，響應(yīng)速度也變慢。

3.3下垂系數(shù)對變換器動態(tài)特性的影響

根據(jù)3.1節(jié)的參數(shù)設(shè)計，取電壓環(huán)、電流環(huán)控制器參數(shù)分別為KPu=2、KIu=62.8、KPi=0.3、KIi=6時，根據(jù)式(20)，當(dāng)Rd從0.1變化到1.2時，變換器動態(tài)特性仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10　Rd變化時變換器的零極點圖Fig.10　Pole-Zero map of converter for different Rd

從圖10中主導(dǎo)極點的變化趨勢可看出，當(dāng)Rd增加時，系統(tǒng)的主導(dǎo)極點向虛軸靠近，變換器的阻尼特性減弱，調(diào)節(jié)速度加快，同時超調(diào)量增大。當(dāng)Rd增大到1.2時，傳統(tǒng)下垂控制的阻尼系數(shù)為0.901，超調(diào)量為0.148，而改進(jìn)算法的阻尼系數(shù)為0.939，超調(diào)量為0.018 4，可見改進(jìn)下垂控制策略增強(qiáng)了變換器的阻尼特性，同時超調(diào)量減小。

4　時域仿真和實驗驗證

4.1時域仿真

在Matlab中，根據(jù)圖5，設(shè)置直流母線電壓為200 V，兩個變換器相同，開關(guān)頻率均為10 kHz，仿真參數(shù)與表1中的參數(shù)相同，負(fù)載采用阻性負(fù)載與恒功率并聯(lián)，恒功率負(fù)載采用電流源代替。圖11為恒功率負(fù)載突然增加時的仿真結(jié)果。

圖11　直流微電網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.11　Simulation result of DC microgrid

圖11a為直流母線電壓輸出波形，從圖中可看出，負(fù)載變化時改進(jìn)下垂控制與傳統(tǒng)下垂控制在穩(wěn)態(tài)時均能將直流母線電壓穩(wěn)定在198 V、197 V、196 V，但在負(fù)載突變時，改進(jìn)下垂控制無超調(diào)，但由于改進(jìn)下垂控制的阻尼特性增強(qiáng)，調(diào)節(jié)時間比傳統(tǒng)下垂控制增加了0.01 s。圖11b為下垂系數(shù)相同時，改進(jìn)下垂控制能夠按下垂系數(shù)實現(xiàn)負(fù)載電流的分配。圖11c為直流母線電壓二次控制波形，0.5 s時加入二次調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，母線電壓穩(wěn)定在200 V，改進(jìn)下垂控制策略對二次補(bǔ)償控制沒有影響。

4.2實驗驗證

在實驗室搭建如圖5所示的電路，分布式電源用直流電源代替，兩臺雙向DC-DC變換器參數(shù)與表1中的參數(shù)相同，考慮到實驗設(shè)備的安全性，母線電壓額定值設(shè)置為50 V，其下垂系數(shù)均設(shè)置為5，負(fù)載采用阻性負(fù)載，當(dāng)阻性負(fù)載從40 Ω切換到20 Ω時的實驗結(jié)果如圖12所示。

圖12　直流微電網(wǎng)實驗結(jié)果Fig.12　Experimatal result of DC microgrid

圖12a為兩臺變換器輸出電流波形，下垂系數(shù)相同的情況下，兩臺變換器能夠按比例實現(xiàn)均流；圖12b和圖12c分別為第一級控制的輸出電壓波形和增加第二級控制后的輸出電壓波形，結(jié)果表明改進(jìn)下垂控制能夠提升直流母線電壓的動態(tài)特性。

5　結(jié)論

直流微電網(wǎng)通常采用電壓-功率下垂控制實現(xiàn)不同發(fā)電單元之間的功率分配，純阻性的下垂系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)功率分配的快速性，但不能提升變換器的動態(tài)特性，本文通過增加補(bǔ)償虛擬阻抗的方法減小了功率擾

動對母線電壓的影響。理論分析及仿真實驗結(jié)果表明：①補(bǔ)償虛擬阻抗的增加不影響直流微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時的功率分配；②在負(fù)載功率發(fā)生擾動時，改進(jìn)下垂控制策略提高了直流母線電壓的動態(tài)性能，阻尼特性增強(qiáng)，超調(diào)量降低。

[1]Li Y W，Kao C N.An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multibus microgrid[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(12)：2977-2988.

[2]Maouedj R，Mammeri A，Draou M D，et al.Grid converters for photovoltaic and wind power systems[J].Energy Procedia，2011，28(11)：797-807.

[3]Kakigano H，Nomura M，Ise T.Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with AC system[C]//2010 International Power Electronics Conference，Sapporo，2010：480-486.

[4]Boroyevich D，Cvetkovic I，Dong Dong，et al.Future electronic power distribution systems a contemplative view[C]//2010 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM)，Basov，2010：1369-1380.

[5]吳衛(wèi)民，何遠(yuǎn)彬，耿攀，等.直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(1)：98-106.

Wu Weimin，He Yuanbin，Geng Pan，et al.Key technologies for DC micro-grids[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(1)：98-106.

[6]Cao X，Chen J，Xiao Y，et al.Building-environment control with wireless sensor and actuator networks：centralized versus distributed[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(11)：3596-3605.

[7]Wang B，Sechilariu M，Locment F.Intelligent DC microgrid with smart grid communications：control strategy consideration and design[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(4)：2148-2156.

[8]Jin C，Wang P，Xiao J，et al.Implementation of hierarchical control in DC microgrids[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(8)：4032-4042.

[9]Bryan J，Duke R，Round S.Decentralized generator scheduling in a nanogrid using DC bus signaling[C]//IEEE Power Engineering Society General Meeting，2004，1：977-982.

[10]陸曉楠，孫凱，Guerrero J M，等.適用于交直流混合微電網(wǎng)的直流分層控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(4)：35-42.

Lu Xiaonan，Sun Kai，Guerrero J M，et al.DC hierarchical control system for microgrid applications[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(4)：35-42.

[11]Guerrero J M，Vasquez J C，Matas J，et al.Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids—a general approach toward standardization[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1)：158-172.

[12]Kwasinski A，Onwuchekwa C N.Dynamic behavior and stabilization of DC microgrids with instantaneous constant-power loads[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(3)：822-834.

[13]Lu Xiaonan，Guerrero J M，Sun Kai，et al.An improved droop control method for DC microgrids based on low bandwidth communication with DC bus voltage restoration and enhanced current sharing accuracy[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(4)：1800-1812.

[14]Anand S，F(xiàn)ernandes B G，Guerrero M.Distributed control to ensure proportional load sharing and improve voltage regulation in low-voltage DC microgrids[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(4)：1900-1913.

[15]Huang H H，Hsieh C Y，Liao J Y，et al.Adaptive droop resistance technique for adaptive voltage positioning in boost dc-dc converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(7)：1920-1932.

[16]Kakigano H，Miura Y，Ise T.Distribution voltage control for dc microgrids using fuzzy control and gain-scheduling technique[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5)：2246-2258.

[17]Khorsandi A，Ashourloo M，Mokhtari H.A decentralized control method for a low-voltage DC microgrid[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29(4)：793-801.

[18]Schonberger J，Duke R，Round S D.DC bus signaling：a distributed control strategy for a hybrid renewable nangrid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(5)：1453-1460.

[19]Augustine S，Mishra M K，Lakshminarasamma N.Adaptive droop control strategy for load sharing and circulating current minimization in low-voltage standalone DC microgrid[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy，2015，6(1)：132-141.

[20]Khorsandi A，Ashourloo M，Mokhtari H.An adaptive droop control method for low voltage DC microgrids[C]//2014 5th Power Electronics，Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC)，Tehran，2014：84-89.

[21]圣笛歐.開關(guān)變換器動態(tài)特性：建模、分析與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[22]Rahimi A M，Emadi A.Active damping in DC/DC power electronic converters：a novel method to overcome the problems of constant power loads[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(5)：1428-1439.

[23]Nobrega T A P，Pagano D J，Lenz E，et al.Modeling and stability analysis of islanded DC microgrids under droop control[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(8)：4597-4607.

[24]Blasko V，Kaura V.A new mathematical model and control of a three-phase AC-DC voltage source converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1997，12(1)：116-123.

[25]Liu Jinjun，F(xiàn)eng Xiaogang，Lee F C，et al.Stability margin monitoring for DC distributed power systems via perturbation approaches[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(6)：1254-1261.

Research on the Improved Droop Control Strategy for Improving the Dynamic Characteristics of DC Microgrid

Zhi Na1Zhang Hui1Xiao Xi2

(1.Faculty of Automation and Information EngineeringXi’an University of TechnologyXi’an710048China 2.State Key Lab of Power SystemsTsinghua UniversityBeijing100084China)

In this paper，the influence of the power turbulence on the output voltage is theoretically analyzed.An improved droop control strategy based on the resistive virtual impedance and compensative virtual impedance is presented.The resistive virtual impedance achieves the power sharing and the compensative virtual impedance improves the dynamic characteristics of the DC microgrid.A small signal model of a simple DC microgrid is used to analyze the design process of the compensative virtual impedance parameters.Simulation and experimental results demonstrate that the proposed compensative virtual impedance can improve the dynamic characteristics of the DC microgrid and enhance the damping property.

Droop control，virtual impedance，dynamic characteristics，DC microgrid

2015-06-08改稿日期2015-11-22

TM615

支娜女，1976年生，講師，博士研究生，研究方向為微電網(wǎng)及其穩(wěn)定性分析。

E-mail：zhina@xaut.edu.cn(通信作者)

張輝男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為節(jié)能與新能源發(fā)電、電動車驅(qū)動系統(tǒng)。

E-mail：zhangh@xaut.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(51277150、51307140)、陜西省工業(yè)攻關(guān)項目(2013K07-05)、陜西省教育廳專項科研基金(13JK0994)和陜西省重點學(xué)科建設(shè)專項資金(105-7075X1301)資助。