基于變下垂系數調節的直流母線(xiàn)電壓穩定性控制

　　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(xiàn)電壓的電能質(zhì)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(dòng)較小時(shí)，采用恒壓控制方法來(lái)調節直流母線(xiàn)電壓，保證直流母線(xiàn)電壓的穩定；當隨機仿真功率波動(dòng)較大時(shí)，則采用虛擬慣性下垂控制方法來(lái)減小直流母線(xiàn)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證了該控制策略對提高直流母線(xiàn)電壓質(zhì)量的可行性。

　　關(guān)鍵詞：直流配電網(wǎng)；帶死區型下垂控制；恒壓控制；虛擬慣性控制

　　0 引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)人們對環(huán)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(fā)展得到了世界各國廣泛的關(guān)注。為解決分布式可再生能源供電的電能質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)利用電力電子技術(shù)使多種能源協(xié)同互補和有效管理儲能設備的微電網(wǎng)被專(zhuān)家們所提出。

　　微電網(wǎng)的研究主要可分成三大類(lèi)：交流微電網(wǎng)、交直流混合微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。雖說(shuō)交流微電網(wǎng)是目前的主要研究對象，但由于在交流配電網(wǎng)中存在功角穩定性、相位平衡以及多種損耗問(wèn)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(lái)的問(wèn)題，而且相比于交流微電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，直流配電系統具有供電容量更大，供電半徑更長(cháng)、運行效率更高、電能質(zhì)量不突出，可閉環(huán)運行等優(yōu)勢 ^[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^[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^[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(jìn)下垂控制進(jìn)行了系統的分類(lèi)和技術(shù)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(shí)，變流器可以實(shí)現無(wú)差調節，實(shí)現在一定范圍內的電壓-功率無(wú)差調節，在一定程度上改進(jìn)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(shí)際并聯(lián)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(xiàn)電壓的穩定性是衡量直流微電網(wǎng)電能質(zhì)量的唯一標準 ^[5] ，結合上述情況，為了使直流配電網(wǎng)在一定范圍內的小功率波動(dòng)時(shí)，直流母線(xiàn)電壓保持不變；而出現大的功率波動(dòng)時(shí)，可以使直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)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(lái)提高直流母線(xiàn)電壓的質(zhì)量。

　　1 直流配電網(wǎng)的結構

　　為了充分利用好可再生能源，直流微電網(wǎng)系統主要包含有多種分布式發(fā)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(wǎng)中，給系統提供能量的分布式單元均通過(guò)單相AC/DC或DC/DC變換器連接到直流母線(xiàn)；而儲能單元則一般通過(guò)雙向AC/DC或雙向DC/DC連接到直流母線(xiàn)；若直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)連接時(shí)，可通過(guò)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(guò)直流電壓和功率的關(guān)系來(lái)進(jìn)行分析，本文提出一種由光伏變換器和蓄電池協(xié)調控制的下垂控制策略，下垂控制可使直流配電網(wǎng)系統無(wú)需通信 ^[6] ，便可實(shí)現多個(gè)變流器共同維持直流母線(xiàn)電壓的穩定。為了便于分析，可先只對一個(gè)變換器進(jìn)行分析，故其U-P

　　數學(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； k _p 為輸出功率的系數。

　　當 k _p =0 時(shí)，式（1）為定直流電圧控制；當 k _u =0時(shí)，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(shí)，電壓隨之降低；當功率變小時(shí)，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(dòng)時(shí)，電壓保持不變；當功率波動(dòng)較大時(shí)，電壓才隨之相應升高或是降低，其功率—電壓特性曲線(xiàn)如圖2所示。

　　在圖2中：實(shí)線(xiàn)部分為帶功率死區的下垂控制，虛線(xiàn)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(shí)，在死區內變流器可以實(shí)現無(wú)差調節，實(shí)現了一定范圍內的電壓—功率無(wú)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(xiàn)中，變流器端電壓變化量與功率變化量的比值稱(chēng)為下垂段的斜率。在圖2中，帶功率死區的下垂特性曲線(xiàn)的上段下垂段的斜率為

　　式中： V 表示上段特性曲線(xiàn)上某一運行點(diǎn)端電壓； V _e 表示電壓的期望值；P表示上段特性曲線(xiàn)上某一運行點(diǎn)的功率； P _e1 表示使電壓波動(dòng)的臨界功率。下段類(lèi)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： 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(xiàn)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)生對應的PWM控制信號來(lái)控制變換器，該方法在一定的功率波動(dòng)范圍內可維持直流母線(xiàn)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(tài)時(shí)，由式（1）可得

　　為了使系統在發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)，蓄電能夠依據U-P特性進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)：

　　由式（5）可知，當電壓隨功率的波動(dòng)而波動(dòng)時(shí)，隨之變大或變小，使電壓趨于穩定狀態(tài);當電壓穩定時(shí)，的值為零，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：當電壓出現波動(dòng)時(shí)，下垂系數的增長(cháng)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(jìn)行計算設置，其對應的下垂系數變化曲線(xiàn)如圖3所示。

　　3 直流母線(xiàn)電壓控制策略

　　我們知道引起直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)的因素有很多，這里只研究負荷突變，由于功率的波動(dòng)從而導致直流電壓波動(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合的策略來(lái)調節直流電壓的穩定性。

　　由于，兩邊同時(shí)對時(shí)間t求導可得：

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

　　4 仿真與實(shí)驗結果

　　為驗證本文所述控制策略對提高直流母線(xiàn)電壓質(zhì)量的可行性，在MATLAB/Simulink平臺上搭建了圖4所示的仿真系統來(lái)進(jìn)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(xiàn)電壓的穩定值為585 V。

　　4.1 小功率負載接入對母線(xiàn)電壓影響仿真

　　圖5表示了小功率負載R ₀ 在t=2 s時(shí)接入系統，t=3 s時(shí)斷開(kāi)系統的仿真圖。由圖5可知，當系統發(fā)生小功率隨機波動(dòng)時(shí)，即時(shí)，直流母線(xiàn)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(xiàn)電壓影響仿真

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

　　5 結論

　　本文提出了一種變下垂系數的改進(jìn)型直流微電網(wǎng)母線(xiàn)電壓穩定控制的方法，在一定程度上改善了直流微電網(wǎng)母線(xiàn)電壓的電能質(zhì)量。以直流母線(xiàn)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(lái)檢驗控制方法的可行性。

　　最終仿真結果表明，當功率波動(dòng)較小時(shí)，直流母線(xiàn)電壓幾乎不發(fā)生波動(dòng)現象；而當功率波動(dòng)較大時(shí)，該控制策略也能夠有效地減小直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)幅度?？偟膩?lái)說(shuō)，該控制策略改善了直流母線(xiàn)電壓的穩定性，提高了母線(xiàn)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(lái)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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。