直流微網(wǎng)中母線電壓對直流負載影響

張國榮，王新兵，喬龍洋

(教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，合肥工業(yè)大學能源研究所，安徽 合肥 230009)

0 引言

微電網(wǎng)，是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關負荷、監(jiān)控和保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、自我保護和自我管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以獨立運行。以直流方式傳輸?shù)木徒兄绷魑⒕W(wǎng)，以交流方式傳輸?shù)木徒薪涣魑⒕W(wǎng)。與傳統(tǒng)交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)擁有顯著優(yōu)點:(1)直流微網(wǎng)中自身多種微型電源與直流母線的連接方式更為簡便，不必考慮交流微網(wǎng)中輸出電壓的頻率和相位等問題。(2)對直流微網(wǎng)的控制只決定于直流母線電壓，對交流微網(wǎng)的控制更大程度上取決于電網(wǎng)電流，因此直流微網(wǎng)更容易實現(xiàn)各微電源間的協(xié)同控制。(3)當大電網(wǎng)發(fā)生故障時，直流微網(wǎng)能快速地與大電網(wǎng)分離，并能夠通過自身的能量源維持本系統(tǒng)正常運行。(4)分布在負載側(cè)的變流裝置可以保證很高的供電可靠性和電能質(zhì)量。(5)發(fā)電功率和負荷功率的調(diào)整變化在直流微網(wǎng)中可以作為一個整體進行協(xié)同管理和補償[1]。

圖1 直流微網(wǎng)結構圖

在直流微網(wǎng)中，系統(tǒng)中由于不用考慮無功功率的流動 ，電壓就成為反映系統(tǒng)功率平衡的唯一指標。直流微網(wǎng)的電壓穩(wěn)定可以定義為 :當系統(tǒng)受到外界干擾時，要將直流母線電壓保持在一定范圍內(nèi)，母線電壓波動不超過額定值 ±5% 的能力[2]?？刂浦绷魑⒕W(wǎng)中的母線電壓穩(wěn)定，就可以控制微網(wǎng)穩(wěn)定運行，如果發(fā)生母線電壓失穩(wěn)，很可能會導致保護動作或甩負荷，甚至還會影響大電網(wǎng)的正常運行[3－4]。現(xiàn)有多種方法可以保證母線電壓的穩(wěn)定，例如每一個微電源并入直流母線時都要對其輸出電壓的穩(wěn)定性進行控制，使其達到一定標準，直流微網(wǎng)中的蓄電池也起到維持直流母線電壓的穩(wěn)定作用，也可以在母線輸出側(cè)添加一個電壓平衡器來優(yōu)化輸出的母線電壓，或者并接一個大的輸出電容以改善母線電壓的質(zhì)量，但是即便對直流母線電壓采取了各種保護措施來維持其穩(wěn)定性，當掛載在母線電壓上的設備或微電源投入或切除時，直流母線電壓還是會有小范圍的波動和突變，本文的研究目的就是在直流母線電壓波動和小的突變情況下來維持掛接在直流母線上的直流負載輸出電壓的穩(wěn)定性[5－7]。

1 BUCK降壓型DC-DC變換器小信號模型的建立

圖2 BUCK型直流負載主電路圖

假定掛接在母線上的直流負載為5歐姆的電阻，母線與負載通過BUCK降壓型電路進行連接。

1.1 將BUCK電路平均化

為了保證模型的精確性，本次建模考慮BUCK變換器中主要元器件的寄生參數(shù)，主要包括:濾波電容的寄生電阻 Rc，濾波電感的寄生電阻及電路中線路電阻之和 RL，開關管導通壓降Vs，以及續(xù)流二極管導通壓降Vd和等效電阻Rd，把這些參數(shù)全部考慮進去后，變換器的等效電路如 圖3所示。S1和S2分別為理想開關管和理想續(xù)流二極管，α和p兩點間的電壓為vαp，c和p兩點間的電壓為 vcp，考慮負載為 5 歐姆純電阻[8－9]。

圖3 考慮寄生參數(shù)的等效電路

1.2 按能量守恒法對BUCK電路進行小信號建模

圖4 所示的等效電路。(1－D)Vd為續(xù)流二極管導通時等效壓降Vd按能量守恒定律折算到電感支路上的對應壓降，DVs為開關管導通時等效壓降Vs按能量守恒定律折算到電感支路上的對應壓降，(1－D)Rd為續(xù)流二極管導通時等效電阻Rd按能量守恒定律折算到電感支路上的對應電阻[10]。

圖4 BUCK平均值等效電路圖

小信號建模的前提是低頻，低紋波，小波動(波動幅值遠遠小于穩(wěn)態(tài)直流幅值)，在這個前提下，由上述的等效電路，得出下列等式關系，將穩(wěn)態(tài)量和小信號量分離，同時由于假定為小信號波動，故線性化時可將兩個小信號的乘積忽略掉，這樣剩下的就是線性小信號模型，得到的傳遞函數(shù)如下:

2 控制策略原理

采用輸入電壓前饋加反饋的控制策略來抑制輸入電壓擾動對直流負載的影響。電壓前饋就是在電路中把輸入電壓通過一個中間環(huán)節(jié)引入到控制系統(tǒng)中，消除輸入電壓的波動對輸出負載的影響以改善系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)的電壓模式控制中，占空比是通過反饋環(huán)節(jié)固定的鋸齒波與給定電壓比較產(chǎn)生的，輸入電壓前饋的控制方式是將鋸齒波的產(chǎn)生與輸入電壓線性相關(即使鋸齒波的峰值電壓與輸入電壓成比例關系)[11－13]。有下式:

式中:a為常量，Un為鋸齒波峰值(這里a取1)

故而可得出占空比關系如下:

注意此時占空比是穩(wěn)態(tài)情況下的占空比，Ub為控制器的輸出電壓。

對占空比求全微分，得出如下方程式:

由此可以得出uin加到控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)為aD，從ub到占空比d之間的中間環(huán)節(jié)為1/aUin。加入電壓前饋后的小信號模型結構如圖3所示。

圖5 加入前饋的電壓負反饋的復合控制系統(tǒng)結構圖

3 系統(tǒng)仿真結果

BUCK降壓型DC－DC變換器直流母線電壓Uin=180 V(這里為了模擬直流母線電壓的波動，采用三相整流橋輸出的直流電壓作為母線電壓)，Vs=2 V，Vd=0.355 V，Rd=0.006 Ω，RL=0.08 Ω，L=1 mH，C=2 350 uF，Rc=0.03 Ω，R=5 Ω，輸出電壓 U0=100 V，頻率 fs=7 000 Hz。

經(jīng)過計算可得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:

仿真驗證:

從圖6中可以看出當直流母線電壓在155 V和180 V之間波動時，通過加入前饋加反饋的控制方法后，輸出的穩(wěn)態(tài)電壓只有不到0.1 V的波動，在圖7中母線電壓從180 V突增到200 V時，輸出電壓也只有0.3 V左右的變化，所以加入此種控制方法后，直流負載受母線電壓的影響非常小，直流母線電壓的波動對負載的影響幾乎可以忽略。

4 實驗驗證

由實驗結果圖8和圖9可以看出，只有反饋的控制策略在母線電壓突增的情況下，負載電壓會有7 V左右的波動，加入前饋后當母線電壓突增時，負載電壓波動很小。所以前饋加反饋的控制策略能有效地抑制母線電壓的影響。

5 結束語

直流微網(wǎng)是近年來新發(fā)展起來的一種電網(wǎng)模式，它以其自身的優(yōu)點，在很多場合都得到了應用，本文分析了直流微網(wǎng)的優(yōu)點，給出微網(wǎng)結構圖，同時指出了直流母線電壓存在的穩(wěn)定性問題，對所存在的問題進行了建模分析，并通過前饋加反饋的控制策略近似消除了母線電壓的波動對輸出直流負載的影響。通過仿真和實驗驗證了理論的可行性。

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