基于变下垂系数调节的直流母线电压稳定性控制
董翰林，张晓虎（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008）
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201910/406442.htm摘 要：为了提高直流配电网中直流母线电压的电能质量，根据带死区的下垂控制思想，提出了一种将恒压控制和虚拟惯性控制相结合的控制方法。所述控制策略在随机功率波动较小时，采用恒压控制方法来调节直流母线电压，保证直流母线电压的稳定；当随机仿真功率波动较大时，则采用虚拟惯性下垂控制方法来减小直流母线电压的波动。最后，在MATLAB/Simulink中搭建了改进型下垂控制策略模型并验证了该控制策略对提高直流母线电压质量的可行性。
关键词：直流配电网；带死区型下垂控制；恒压控制；虚拟惯性控制
0 引言
近年来，随着人们对环境保护和能源紧缺意识的提高，以清洁能源为主的分布式可再生能源配电系统的发展得到了世界各国广泛的关注。为解决分布式可再生能源供电的电能质量问题，通过利用电力电子技术使多种能源协同互补和有效管理储能设备的微电网被专家们所提出。
微电网的研究主要可分成三大类：交流微电网、交直流混合微电网和直流微电网。虽说交流微电网是目前的主要研究对象，但由于在交流配电网中存在功角稳定性、相位平衡以及多种损耗问题等。另一方面直流微电网不仅不需要考虑相位和频率等带来的问题，而且相比于交流微电网来说，直流配电系统具有供电容量更大，供电半径更长、运行效率更高、电能质量不突出，可闭环运行等优势 [1] 。因此以分布式能源为主的直流微电网成为学者们的研究热点。
文献[2]指出直流配电网的控制策略主要有主从控制和下垂控制方式，文献[3]分析了传统下垂控制存在的固有局限性，并对不同的改进下垂控制进行了系统的分类和技术分析。文献[4]分析了与传统下垂控制不同的带死区下垂控制方式，当在死区内时，变流器可以实现无差调节，实现在一定范围内的电压-功率无差调节，在一定程度上改进常规下垂控制的特性。文献[5]采用下垂控制的虚拟惯性控制方法，使蓄电池对系统提供惯性支持，即在变流器直流侧虚拟出比实际并联电容大得多的虚拟电容，从而增大系统的抗干扰能力。
由于直流母线电压的稳定性是衡量直流微电网电能质量的唯一标准 [5] ，结合上述情况，为了使直流配电网在一定范围内的小功率波动时，直流母线电压保持不变；而出现大的功率波动时，可以使直流母线电压的波动尽可能地减小。本文基于对蓄电池的调节，结合带死区型下垂控制的思想，将恒压控制和虚拟惯性下垂控制相结合的控制策略，来提高直流母线电压的质量。
1 直流配电网的结构
为了充分利用好可再生能源，直流微电网系统主要包含有多种分布式发电方式、储能装置以及各式变换器等，其典型的拓扑结构可归纳为如下图1所示。
在图1所示的直流微电网中，给系统提供能量的分布式单元均通过单相AC/DC或DC/DC变换器连接到直流母线；而储能单元则一般通过双向AC/DC或双向DC/DC连接到直流母线；若直流配电网与交流配电网连接时，可通过双向DC/AC进行互联。
2 直流变流器控制分析
2.1 U-P特性下垂控制
直流电压下垂控制可以通过直流电压和功率的关系来进行分析，本文提出一种由光伏变换器和蓄电池协调控制的下垂控制策略，下垂控制可使直流配电网系统无需通信 [6] ，便可实现多个变流器共同维持直流母线电压的稳定。为了便于分析，可先只对一个变换器进行分析，故其U-P
数学特性可归纳为:
式中： U dcref ， P ref 分别为直流电压和输出功率的参考值；k u 为直流电压的系数； k p 为输出功率的系数。
当 k p =0 时，式（1）为定直流电圧控制；当 k u =0时，式（1）则为定输出功率控制。
2.2 功率
死区型下垂控制功率死区型下垂控制，即是功率—电压下垂控制，变流器的端电压随功率变化呈现下垂特性的控制方法。但有别于传统的功率—电压下垂控制，在传统的功率—电压下垂控制中，当出现功率变大时，电压随之降低；当功率变小时，电压随之升高；它是一种有差调节控制。而带功率死区型下垂控制，则是当功率在一定范围内波动时，电压保持不变；当功率波动较大时，电压才随之相应升高或是降低，其功率—电压特性曲线如图2所示。
在图2中：实线部分为带功率死区的下垂控制，虚线部分则为常规的下垂控制。如图2可知，当采用带功率死区下垂控制时，在死区内变流器可以实现无差调节，实现了一定范围内的电压—功率无差调节，该种方法在一定程度上改良了常规下垂控制的特性。
下垂特性曲线中，变流器端电压变化量与功率变化量的比值称为下垂段的斜率。在图2中，带功率死区的下垂特性曲线的上段下垂段的斜率为
式中： V 表示上段特性曲线上某一运行点端电压； V e 表示电压的期望值；P表示上段特性曲线上某一运行点的功率； P e1 表示使电压波动的临界功率。下段类似，这里不再赘述。
由式（2）可推得，变流器端口输出功率为
从式（3）可以发现： K 值越大，变流器输出功率首端电压的影响越小；而K值越小，变流器功率收配电网波动影响较大。
2.3 恒压控制
在恒压模式中，蓄电池变换器的控制框图如图3所示。即将直流母线实际电压 U dc 与参考电压 U dcref 进行比较后，经 PI 控制器产生对应的PWM控制信号来控制变换器，该方法在一定的功率波动范围内可维持直流母线电压的稳定。
2.4 虚拟惯性下垂控制
当蓄电池采用U-P特性下垂控制,且 Kpfalse=1并假使系统处于稳态时，由式（1）可得
为了使系统在发生功率波动时，蓄电能够依据U-P特性进行迅速的充电或是放电，为系统提供惯性支持，提高系统的稳定性，可对式（4）中的下垂系数uKfalse进行改进：
由式（5）可知，
当电压随功率的波动而波动时，
随之变大或变小，使电压趋于稳定状态;当电压稳定时，
的值为零，该方法的主要优点在于：当电压出现波动时，下垂系数的增长速度快，且自带有最大和最小下垂系数分别为
，且式中的 a、b、c的值可根据系统的需求进行计算设置，其对应的下垂系数变化曲线如图3所示。
3 直流母线电压控制策略
我们知道引起直流母线电压波动的因素有很多，这里只研究负荷突变，由于功率的波动从而导致直流电压波动的这一种情况。其简化模型如图4所示。
为了提高直流电压的电能质量，使直流电压在小功率波动时能保持稳定，在大功率波动时能最大限度地减小直流电压的波动幅度。本文将采用控制和虚拟惯性下垂控制相结合的策略来调节直流电压的稳定性。
由于
，两边同时对时间t求导可得：
在该策略中，当
时，变流器进行带功率死区中的恒压控制；而当
时，变流器则以变下垂系数的控制方式来调节直流电压的波动。结合式（5）和式（6）可得其下垂系数 K 与 ∆P 对应关系如图6所示。其值如下：
4 仿真与实验结果
为验证本文所述控制策略对提高直流母线电压质量的可行性，在MATLAB/Simulink平台上搭建了图4所示的仿真系统来进行仿真验证。在图4中，分布式电源设置为200 V，分布式变换器侧采用了Boost升压电路；蓄电池模块采用的则是Simulink中的蓄电池模型，其标准电压设置为200 V,蓄电池接口采用的是Buck/Boost双向电路，本文只研究了其处于升压工作的情形，直流负载使用电阻代替，直流母线电压的稳定值为585 V。
4.1 小功率负载接入对母线电压影响仿真
图5表示了小功率负载R 0 在t=2 s时接入系统，t=3 s时断开系统的仿真图。由图5可知，当系统发生小功率随机波动时，即
时，直流母线电压几乎稳定不变，维持在585 V左右，偏差很小。
4.2 超大功率负载接入对母线电压影响仿真
图6表示了超大功率负载 R 0 在t=2 s时接入系统，t=3s时断开系统的仿真图。由仿真可知，当功率负载超过一定值时，即
时，前面所采用得恒压控制方法再也无法维持直流母线电压的稳定。由图6可知，此时我们采用自适应下垂系数控制的方法来控制蓄电池侧变换器时，能够很好地抑制直流母线电压的波动幅度。
5 结论
本文提出了一种变下垂系数的改进型直流微电网母线电压稳定控制的方法，在一定程度上改善了直流微电网母线电压的电能质量。以直流母线电压作为参考值，先后使系统分别接入功率较小和功率较大的负载来检验控制方法的可行性。
最终仿真结果表明，当功率波动较小时，直流母线电压几乎不发生波动现象；而当功率波动较大时，该控制策略也能够有效地减小直流母线电压的波动幅度。总的来说，该控制策略改善了直流母线电压的稳定性，提高了母线电压的电能质量。
参考文献
[1]熊雄,季宇,李蕊,孙丽敬,吴鸣,刘海涛.直流配用电系统关键技术及应用示范综述[J].中国电机工程学报,2018,38(23):6802-6813,7115.
[2]蒋智化,刘连光,刘自发,张晓晴.直流配电网功率控制策略与电压波动研究[J].中国电机工程学报, 2016, 36(4):919-926.
[3]朱珊珊,汪飞,郭慧,王奇丰,高艳霞.直流微电网下垂控制技术研究综述[J].中国电机工程学报,2018,38(01):72-84+344.
[4]解大, 喻松涛 ,陈爱康,等.基于下垂特性调节的直流配电网稳态分析[J]. 中国电机工程学报,2018,38(12).
[5]王毅, 黑阳, 付媛, 施凯伦. 基于变下垂系数的直流配电网自适应虚拟惯性控制[J]. 电力系统自动化, 2017(8).
[6]王成山, 李微, 王议锋, 等. 直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述[J]. 中国电机工程学报, 2017(01):96-110.
作者简介:
董翰林(1991-)，男，湖北黄石，汉族，硕士，主要研究方向：直流微电网电能质量控制技术。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第54页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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