基于變下垂系數(shù)調(diào)節(jié)的直流母線電壓穩(wěn)定性控制

　　董翰林，張曉虎（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412008）

　　摘?要：為了提高直流配電網(wǎng)中直流母線電壓的電能質(zhì)量，根據(jù)帶死區(qū)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(jié)合的控制方法。所述控制策略在隨機(jī)功率波動(dòng)較小時(shí)，采用恒壓控制方法來調(diào)節(jié)直流母線電壓，保證直流母線電壓的穩(wěn)定；當(dāng)隨機(jī)仿真功率波動(dòng)較大時(shí)，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(dòng)。最后，在MATLAB/Simulink中搭建了改進(jìn)型下垂控制策略模型并驗(yàn)證了該控制策略對(duì)提高直流母線電壓質(zhì)量的可行性。

　　關(guān)鍵詞：直流配電網(wǎng)；帶死區(qū)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(duì)環(huán)境保護(hù)和能源緊缺意識(shí)的提高，以清潔能源為主的分布式可再生能源配電系統(tǒng)的發(fā)展得到了世界各國(guó)廣泛的關(guān)注。為解決分布式可再生能源供電的電能質(zhì)量問題，通過利用電力電子技術(shù)使多種能源協(xié)同互補(bǔ)和有效管理儲(chǔ)能設(shè)備的微電網(wǎng)被專家們所提出。

　　微電網(wǎng)的研究主要可分成三大類：交流微電網(wǎng)、交直流混合微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。雖說交流微電網(wǎng)是目前的主要研究對(duì)象，但由于在交流配電網(wǎng)中存在功角穩(wěn)定性、相位平衡以及多種損耗問題等。另一方面直流微電網(wǎng)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(wǎng)來說，直流配電系統(tǒng)具有供電容量更大，供電半徑更長(zhǎng)、運(yùn)行效率更高、電能質(zhì)量不突出，可閉環(huán)運(yùn)行等優(yōu)勢(shì) ^[1] 。因此以分布式能源為主的直流微電網(wǎng)成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。

　　文獻(xiàn)^[2]指出直流配電網(wǎng)的控制策略主要有主從控制和下垂控制方式，文獻(xiàn)^[3]分析了傳統(tǒng)下垂控制存在的固有局限性，并對(duì)不同的改進(jìn)下垂控制進(jìn)行了系統(tǒng)的分類和技術(shù)分析。文獻(xiàn)^[4]分析了與傳統(tǒng)下垂控制不同的帶死區(qū)下垂控制方式，當(dāng)在死區(qū)內(nèi)時(shí)，變流器可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的電壓-功率無差調(diào)節(jié)，在一定程度上改進(jìn)常規(guī)下垂控制的特性。文獻(xiàn)^[5]采用下垂控制的虛擬慣性控制方法，使蓄電池對(duì)系統(tǒng)提供慣性支持，即在變流器直流側(cè)虛擬出比實(shí)際并聯(lián)電容大得多的虛擬電容，從而增大系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　由于直流母線電壓的穩(wěn)定性是衡量直流微電網(wǎng)電能質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn) ^[5] ，結(jié)合上述情況，為了使直流配電網(wǎng)在一定范圍內(nèi)的小功率波動(dòng)時(shí)，直流母線電壓保持不變；而出現(xiàn)大的功率波動(dòng)時(shí)，可以使直流母線電壓的波動(dòng)盡可能地減小。本文基于對(duì)蓄電池的調(diào)節(jié)，結(jié)合帶死區(qū)型下垂控制的思想，將恒壓控制和虛擬慣性下垂控制相結(jié)合的控制策略，來提高直流母線電壓的質(zhì)量。

　　1 直流配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

　　為了充分利用好可再生能源，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)主要包含有多種分布式發(fā)電方式、儲(chǔ)能裝置以及各式變換器等，其典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可歸納為如下圖1所示。

　　在圖1所示的直流微電網(wǎng)中，給系統(tǒng)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(chǔ)能單元?jiǎng)t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(wǎng)與交流配電網(wǎng)連接時(shí)，可通過雙向DC/AC進(jìn)行互聯(lián)。

　　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(guān)系來進(jìn)行分析，本文提出一種由光伏變換器和蓄電池協(xié)調(diào)控制的下垂控制策略，下垂控制可使直流配電網(wǎng)系統(tǒng)無需通信 ^[6] ，便可實(shí)現(xiàn)多個(gè)變流器共同維持直流母線電壓的穩(wěn)定。為了便于分析，可先只對(duì)一個(gè)變換器進(jìn)行分析，故其U-P

　　數(shù)學(xué)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(shù)； k _p 為輸出功率的系數(shù)。

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

　　2.2 功率

　　死區(qū)型下垂控制功率死區(qū)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(xiàn)下垂特性的控制方法。但有別于傳統(tǒng)的功率—電壓下垂控制，在傳統(tǒng)的功率—電壓下垂控制中，當(dāng)出現(xiàn)功率變大時(shí)，電壓隨之降低；當(dāng)功率變小時(shí)，電壓隨之升高；它是一種有差調(diào)節(jié)控制。而帶功率死區(qū)型下垂控制，則是當(dāng)功率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，電壓保持不變；當(dāng)功率波動(dòng)較大時(shí)，電壓才隨之相應(yīng)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(shí)線部分為帶功率死區(qū)的下垂控制，虛線部分則為常規(guī)的下垂控制。如圖2可知，當(dāng)采用帶功率死區(qū)下垂控制時(shí)，在死區(qū)內(nèi)變流器可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的電壓—功率無差調(diào)節(jié)，該種方法在一定程度上改良了常規(guī)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(qū)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(yùn)行點(diǎn)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(yùn)行點(diǎn)的功率； P _e1 表示使電壓波動(dòng)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(fā)現(xiàn)： K 值越大，變流器輸出功率首端電壓的影響越??；而K值越小，變流器功率收配電網(wǎng)波動(dòng)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(shí)際電壓 U _dc 與參考電壓 U _dcref 進(jìn)行比較后，經(jīng) PI 控制器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM控制信號(hào)來控制變換器，該方法在一定的功率波動(dòng)范圍內(nèi)可維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

　　2.4 虛擬慣性下垂控制

　　當(dāng)蓄電池采用U-P特性下垂控制,且 K_pfalse=1并假使系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，由式（1）可得

　　為了使系統(tǒng)在發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)，蓄電能夠依據(jù)U-P特性進(jìn)行迅速的充電或是放電，為系統(tǒng)提供慣性支持，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可對(duì)式（4）中的下垂系數(shù)uKfalse進(jìn)行改進(jìn)：

　　由式（5）可知，當(dāng)電壓隨功率的波動(dòng)而波動(dòng)時(shí)，隨之變大或變小，使電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)電壓穩(wěn)定時(shí)，的值為零，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，下垂系數(shù)的增長(zhǎng)速度快，且自帶有最大和最小下垂系數(shù)分別為，且式中的 a、b、c的值可根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，其對(duì)應(yīng)的下垂系數(shù)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(dòng)的因素有很多，這里只研究負(fù)荷突變，由于功率的波動(dòng)從而導(dǎo)致直流電壓波動(dòng)的這一種情況。其簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

　　為了提高直流電壓的電能質(zhì)量，使直流電壓在小功率波動(dòng)時(shí)能保持穩(wěn)定，在大功率波動(dòng)時(shí)能最大限度地減小直流電壓的波動(dòng)幅度。本文將采用控制和虛擬慣性下垂控制相結(jié)合的策略來調(diào)節(jié)直流電壓的穩(wěn)定性。

　　由于，兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得：

　　在該策略中，當(dāng)時(shí)，變流器進(jìn)行帶功率死區(qū)中的恒壓控制；而當(dāng)時(shí)，變流器則以變下垂系數(shù)的控制方式來調(diào)節(jié)直流電壓的波動(dòng)。結(jié)合式（5）和式（6）可得其下垂系數(shù) K 與 ?P 對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。其值如下：

　　4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為驗(yàn)證本文所述控制策略對(duì)提高直流母線電壓質(zhì)量的可行性，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建了圖4所示的仿真系統(tǒng)來進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在圖4中，分布式電源設(shè)置為200 V，分布式變換器側(cè)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(biāo)準(zhǔn)電壓設(shè)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(fù)載使用電阻代替，直流母線電壓的穩(wěn)定值為585 V。

　　4.1 小功率負(fù)載接入對(duì)母線電壓影響仿真

　　圖5表示了小功率負(fù)載R ₀ 在t=2 s時(shí)接入系統(tǒng)，t=3 s時(shí)斷開系統(tǒng)的仿真圖。由圖5可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生小功率隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，即時(shí)，直流母線電壓幾乎穩(wěn)定不變，維持在585 V左右，偏差很小。

　　4.2 超大功率負(fù)載接入對(duì)母線電壓影響仿真

　　圖6表示了超大功率負(fù)載 R ₀ 在t=2 s時(shí)接入系統(tǒng)，t=3s時(shí)斷開系統(tǒng)的仿真圖。由仿真可知，當(dāng)功率負(fù)載超過一定值時(shí)，即時(shí)，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(wěn)定。由圖6可知，此時(shí)我們采用自適應(yīng)下垂系數(shù)控制的方法來控制蓄電池側(cè)變換器時(shí)，能夠很好地抑制直流母線電壓的波動(dòng)幅度。

　　5 結(jié)論

　　本文提出了一種變下垂系數(shù)的改進(jìn)型直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定控制的方法，在一定程度上改善了直流微電網(wǎng)母線電壓的電能質(zhì)量。以直流母線電壓作為參考值，先后使系統(tǒng)分別接入功率較小和功率較大的負(fù)載來檢驗(yàn)控制方法的可行性。

　　最終仿真結(jié)果表明，當(dāng)功率波動(dòng)較小時(shí)，直流母線電壓幾乎不發(fā)生波動(dòng)現(xiàn)象；而當(dāng)功率波動(dòng)較大時(shí)，該控制策略也能夠有效地減小直流母線電壓的波動(dòng)幅度?？偟膩碚f，該控制策略改善了直流母線電壓的穩(wěn)定性，提高了母線電壓的電能質(zhì)量。

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　　作者簡(jiǎn)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(wǎng)電能質(zhì)量控制技術(shù)。

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