基于變下垂系數調節的直流母線電壓穩定性控制

　　董翰林，張曉虎（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412008）

　　摘?要：為了提高直流配電網中直流母線電壓的電能質量，根據帶死區的下垂控制思想，提出了一種將恒壓控制和虛擬慣性控制相結合的控制方法。所述控制策略在隨機功率波動較小時，采用恒壓控制方法來調節直流母線電壓，保證直流母線電壓的穩定；當隨機仿真功率波動較大時，則采用虛擬慣性下垂控制方法來減小直流母線電壓的波動。最后，在MATLAB/Simulink中搭建了改進型下垂控制策略模型并驗證了該控制策略對提高直流母線電壓質量的可行性。

　　關鍵詞：直流配電網；帶死區型下垂控制；恒壓控制；虛擬慣性控制

　　0 引言

　　近年來，隨著人們對環境保護和能源緊缺意識的提高，以清潔能源為主的分布式可再生能源配電系統的發展得到了世界各國廣泛的關注。為解決分布式可再生能源供電的電能質量問題，通過利用電力電子技術使多種能源協同互補和有效管理儲能設備的微電網被專家們所提出。

　　微電網的研究主要可分成三大類：交流微電網、交直流混合微電網和直流微電網。雖說交流微電網是目前的主要研究對象，但由于在交流配電網中存在功角穩定性、相位平衡以及多種損耗問題等。另一方面直流微電網不僅不需要考慮相位和頻率等帶來的問題，而且相比于交流微電網來說，直流配電系統具有供電容量更大，供電半徑更長、運行效率更高、電能質量不突出，可閉環運行等優勢 ^[1] 。因此以分布式能源為主的直流微電網成為學者們的研究熱點。

　　文獻^[2]指出直流配電網的控制策略主要有主從控制和下垂控制方式，文獻^[3]分析了傳統下垂控制存在的固有局限性，并對不同的改進下垂控制進行了系統的分類和技術分析。文獻^[4]分析了與傳統下垂控制不同的帶死區下垂控制方式，當在死區內時，變流器可以實現無差調節，實現在一定范圍內的電壓-功率無差調節，在一定程度上改進常規下垂控制的特性。文獻^[5]采用下垂控制的虛擬慣性控制方法，使蓄電池對系統提供慣性支持，即在變流器直流側虛擬出比實際并聯電容大得多的虛擬電容，從而增大系統的抗干擾能力。

　　由于直流母線電壓的穩定性是衡量直流微電網電能質量的唯一標準 ^[5] ，結合上述情況，為了使直流配電網在一定范圍內的小功率波動時，直流母線電壓保持不變；而出現大的功率波動時，可以使直流母線電壓的波動盡可能地減小。本文基于對蓄電池的調節，結合帶死區型下垂控制的思想，將恒壓控制和虛擬慣性下垂控制相結合的控制策略，來提高直流母線電壓的質量。

　　1 直流配電網的結構

　　為了充分利用好可再生能源，直流微電網系統主要包含有多種分布式發電方式、儲能裝置以及各式變換器等，其典型的拓撲結構可歸納為如下圖1所示。

　　在圖1所示的直流微電網中，給系統提供能量的分布式單元均通過單相AC/DC或DC/DC變換器連接到直流母線；而儲能單元則一般通過雙向AC/DC或雙向DC/DC連接到直流母線；若直流配電網與交流配電網連接時，可通過雙向DC/AC進行互聯。

　　2 直流變流器控制分析

　　2.1 U-P特性下垂控制

　　直流電壓下垂控制可以通過直流電壓和功率的關系來進行分析，本文提出一種由光伏變換器和蓄電池協調控制的下垂控制策略，下垂控制可使直流配電網系統無需通信 ^[6] ，便可實現多個變流器共同維持直流母線電壓的穩定。為了便于分析，可先只對一個變換器進行分析，故其U-P

　　數學特性可歸納為:

　　式中： U _dcref ， P _ref 分別為直流電壓和輸出功率的參考值；k _u 為直流電壓的系數； k _p 為輸出功率的系數。

　　當 k _p =0 時，式（1）為定直流電圧控制；當 k _u =0時，式（1）則為定輸出功率控制。

　　2.2 功率

　　死區型下垂控制功率死區型下垂控制，即是功率—電壓下垂控制，變流器的端電壓隨功率變化呈現下垂特性的控制方法。但有別于傳統的功率—電壓下垂控制，在傳統的功率—電壓下垂控制中，當出現功率變大時，電壓隨之降低；當功率變小時，電壓隨之升高；它是一種有差調節控制。而帶功率死區型下垂控制，則是當功率在一定范圍內波動時，電壓保持不變；當功率波動較大時，電壓才隨之相應升高或是降低，其功率—電壓特性曲線如圖2所示。

　　在圖2中：實線部分為帶功率死區的下垂控制，虛線部分則為常規的下垂控制。如圖2可知，當采用帶功率死區下垂控制時，在死區內變流器可以實現無差調節，實現了一定范圍內的電壓—功率無差調節，該種方法在一定程度上改良了常規下垂控制的特性。

　　下垂特性曲線中，變流器端電壓變化量與功率變化量的比值稱為下垂段的斜率。在圖2中，帶功率死區的下垂特性曲線的上段下垂段的斜率為

　　式中： V 表示上段特性曲線上某一運行點端電壓； V _e 表示電壓的期望值；P表示上段特性曲線上某一運行點的功率； P _e1 表示使電壓波動的臨界功率。下段類似，這里不再贅述。

　　由式（2）可推得，變流器端口輸出功率為

　　從式（3）可以發現： K 值越大，變流器輸出功率首端電壓的影響越小；而K值越小，變流器功率收配電網波動影響較大。

　　2.3 恒壓控制

　　在恒壓模式中，蓄電池變換器的控制框圖如圖3所示。即將直流母線實際電壓 U _dc 與參考電壓 U _dcref 進行比較后，經 PI 控制器產生對應的PWM控制信號來控制變換器，該方法在一定的功率波動范圍內可維持直流母線電壓的穩定。

　　2.4 虛擬慣性下垂控制

　　當蓄電池采用U-P特性下垂控制,且 K_pfalse=1并假使系統處于穩態時，由式（1）可得

　　為了使系統在發生功率波動時，蓄電能夠依據U-P特性進行迅速的充電或是放電，為系統提供慣性支持，提高系統的穩定性，可對式（4）中的下垂系數uKfalse進行改進：

　　由式（5）可知，當電壓隨功率的波動而波動時，隨之變大或變小，使電壓趨于穩定狀態;當電壓穩定時，的值為零，該方法的主要優點在于：當電壓出現波動時，下垂系數的增長速度快，且自帶有最大和最小下垂系數分別為，且式中的 a、b、c的值可根據系統的需求進行計算設置，其對應的下垂系數變化曲線如圖3所示。

　　3 直流母線電壓控制策略

　　我們知道引起直流母線電壓波動的因素有很多，這里只研究負荷突變，由于功率的波動從而導致直流電壓波動的這一種情況。其簡化模型如圖4所示。

　　為了提高直流電壓的電能質量，使直流電壓在小功率波動時能保持穩定，在大功率波動時能最大限度地減小直流電壓的波動幅度。本文將采用控制和虛擬慣性下垂控制相結合的策略來調節直流電壓的穩定性。

　　由于，兩邊同時對時間t求導可得：

　　在該策略中，當時，變流器進行帶功率死區中的恒壓控制；而當時，變流器則以變下垂系數的控制方式來調節直流電壓的波動。結合式（5）和式（6）可得其下垂系數 K 與 ?P 對應關系如圖6所示。其值如下：

　　4 仿真與實驗結果

　　為驗證本文所述控制策略對提高直流母線電壓質量的可行性，在MATLAB/Simulink平臺上搭建了圖4所示的仿真系統來進行仿真驗證。在圖4中，分布式電源設置為200 V，分布式變換器側采用了Boost升壓電路；蓄電池模塊采用的則是Simulink中的蓄電池模型，其標準電壓設置為200 V,蓄電池接口采用的是Buck/Boost雙向電路，本文只研究了其處于升壓工作的情形，直流負載使用電阻代替，直流母線電壓的穩定值為585 V。

　　4.1 小功率負載接入對母線電壓影響仿真

　　圖5表示了小功率負載R ₀ 在t=2 s時接入系統，t=3 s時斷開系統的仿真圖。由圖5可知，當系統發生小功率隨機波動時，即時，直流母線電壓幾乎穩定不變，維持在585 V左右，偏差很小。

　　4.2 超大功率負載接入對母線電壓影響仿真

　　圖6表示了超大功率負載 R ₀ 在t=2 s時接入系統，t=3s時斷開系統的仿真圖。由仿真可知，當功率負載超過一定值時，即時，前面所采用得恒壓控制方法再也無法維持直流母線電壓的穩定。由圖6可知，此時我們采用自適應下垂系數控制的方法來控制蓄電池側變換器時，能夠很好地抑制直流母線電壓的波動幅度。

　　5 結論

　　本文提出了一種變下垂系數的改進型直流微電網母線電壓穩定控制的方法，在一定程度上改善了直流微電網母線電壓的電能質量。以直流母線電壓作為參考值，先后使系統分別接入功率較小和功率較大的負載來檢驗控制方法的可行性。

　　最終仿真結果表明，當功率波動較小時，直流母線電壓幾乎不發生波動現象；而當功率波動較大時，該控制策略也能夠有效地減小直流母線電壓的波動幅度。總的來說，該控制策略改善了直流母線電壓的穩定性，提高了母線電壓的電能質量。

　　參考文獻

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　　作者簡介:

　　董翰林(1991-)，男，湖北黃石，漢族，碩士，主要研究方向：直流微電網電能質量控制技術。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第11期第54頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。