趙中田，王泓釗，李 偉，胡 健，陳洪濤

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

低壓直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略

趙中田，王泓釗，李 偉，胡 健，陳洪濤

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

直流母線電壓恒定是直流微電網(wǎng)運行控制的目標(biāo)之一，考慮直流微電網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式，提出基于交流電網(wǎng)和儲能電池的直流母線電壓控制策略.合理設(shè)計AC-DC變換器和DC-DC變換器的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，維持直流母線電壓恒定，實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡流動.搭建直流微電網(wǎng)的Simulink模型，驗證母線電壓控制策略的有效性.結(jié)果表明當(dāng)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載波動時，母線電壓控制策略可快速保障直流母線電壓恒定，驗證了提出的母線電壓控制策略的有效性.

直流微電網(wǎng);母線電壓控制;功率平衡;AC-DC變換器;DC-DC變換器

為整合風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式發(fā)電，提高新能源利用效率，微電網(wǎng)的概念被提出[1].依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)電壓和電流的性質(zhì)，微電網(wǎng)可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)[2].直流微電網(wǎng)系統(tǒng)不存在頻率控制問題，也無需優(yōu)化無功分布.直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率是否平衡由直流母線電壓唯一反映，因此直流母線電壓的恒定是系統(tǒng)內(nèi)能量平衡流動的關(guān)鍵[3].

直流微電網(wǎng)的運行控制策略可分為集中控制、分布式控制和分散式控制[4].文獻(xiàn)[5]提出一種三層控制策略，可協(xié)調(diào)集中控制和分布式控制，保障直流微電網(wǎng)的能量供需平衡.文獻(xiàn)[6]提出一種協(xié)調(diào)控制策略，協(xié)調(diào)控制分布式電源、儲能和交流變換器的運行，維持直流母線電壓恒定.文獻(xiàn)[7]提出非重要負(fù)載降功率運行穩(wěn)定直流母線電壓的控制策略.針對傳統(tǒng)直流母線電壓信號控制引起的母線電壓偏差，文獻(xiàn)[8]提出基于本地信息的能量管理和協(xié)調(diào)控制方法，消除母線電壓波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性.

本文考慮直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式.根據(jù)直流微電網(wǎng)不同的工作模式，采用基于交流電網(wǎng)或儲能電池的母線電壓控制策略，通過合理設(shè)計AC-DC變換器和DC-DC變換器的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，維持直流母線電壓恒定，平衡直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率流動.

1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)通常由分布式電源、電力電子裝置、儲能設(shè)備和負(fù)載單元等部分構(gòu)成.直流微電網(wǎng)的直流母線主要有單母線結(jié)構(gòu)、多母線結(jié)構(gòu)和母線可重構(gòu)結(jié)構(gòu)等，其中低壓直流微電網(wǎng)一般采用單母線結(jié)構(gòu)，如圖1所示.圖1中，直流母線由正極線P和中性線N組成.交流電網(wǎng)通過LCL型AC-DC變換器接入直流母線系統(tǒng)；風(fēng)機(jī)通過整流單元和Boost變換器與直流母線相連接；光伏電池采用直流升壓變換器接入直流母線；儲能單元通過Boost-Buck變換器與直流母線互聯(lián)；直流母線通過斬波器和逆變器電能變換裝置為直流負(fù)載和交流負(fù)載提供電能.

圖1 直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of DC microgrid

1.2 直流母線等值模型

直流母線是直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的主要設(shè)備之一，具有匯集和分配電能的作用.依據(jù)圖1所示的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可得直流母線簡化等值模型如圖2所示，其中Ppv、Pac和Pw分別為光伏、交流電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)注入直流微電網(wǎng)的功率；Pb為儲能電池注入直流微電網(wǎng)的功率，-Pb表征儲能電池從微電網(wǎng)吸收功率；PL為微電網(wǎng)負(fù)載消耗的總功率；Udc表示直流母線電壓值；C為直流母線的等效電容.

圖2 直流母線簡化等值模型Fig.2 The simplified equivalent model of DC bus

因此，直流母線的充電功率為

(1)

式中，∑P=Ppv+Pac+Pw+Pb.由式(1)可知，當(dāng)直流微電網(wǎng)的注入功率和消耗功率瞬時平衡時，直流母線充電功率為零，即直流母線電壓恒定無波動.因此，為保障直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡，直流母線電壓的穩(wěn)定控制是關(guān)鍵.

2 直流母線電壓控制策略

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電容量一般較小，且其具有間歇性.根據(jù)圖1所示的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，本文設(shè)定光伏和風(fēng)機(jī)均最大功率追蹤模式工作，以最高的效率利用清潔能源，母線電壓穩(wěn)定由交流電網(wǎng)和儲能單元控制.

2.1 基于交流電網(wǎng)的電壓控制

直流微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式下，依托交流電網(wǎng)的大容量，針對圖1所示的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過AC-DC變換器維持直流母線電壓恒定.本文AC-DC變換器采用雙閉環(huán)解耦控制，如圖3所示，其中外環(huán)為電壓控制和無功功率控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)控制.直流母線電壓參考值Udcref根據(jù)直流母線的額定電壓決定；無功功率參考值Qref由AC-DC變換器輸出無功功率的控制目標(biāo)獲得，本文設(shè)定為零.AC-DC變換器通過LCL濾波器與交流電網(wǎng)連接.電流內(nèi)環(huán)控制的帶寬小于LCL濾波器的諧振頻率，在低頻段LCL濾波器可忽略電容支路，因此LCL可等效為純電感濾波器[9-11].

圖3 AC-DC變流器及控制框圖Fig.3 The control block diagram of the AC-DC converter

通過3s/2r坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可將三相交流相量轉(zhuǎn)化為dq兩相旋轉(zhuǎn)相量，在dq0坐標(biāo)系下，AC-DC變換器的數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中，R為線路等效電阻與濾波器附加電阻的總和，L為濾波器等效電感.根據(jù)圖3與式(2)，可得d軸電流環(huán)的控制框圖圖4所示，電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.4 The block diagram of current loop control

圖5 特征根隨電流PI控制器參數(shù)變化的分布Fig.5 Distribution of characteristic root with current PI controller parameters

根據(jù)圖3和式(3)，可得AC-DC變換器母線電壓閉環(huán)控制框圖如圖6所示.其中，k為直軸電流與直流母線電流的轉(zhuǎn)換系數(shù)，忽略AC-DC變換器的功率損耗和直流母線電壓的波動，可得k=1.5ud/Udc；GUPI(s)為電壓外環(huán)PI控制器，GUPI(s)=kpu+kiu/s.由圖6，可得AC-DC變換器母線電壓控制開環(huán)傳遞函數(shù)為

Gvol(s)=

(4)

圖6 AC-DC變換器母線電壓控制框圖Fig.6 The block diagram of bus voltage control for AC-DC converter

母線電壓開環(huán)控制系統(tǒng)的相角裕度與電壓PI控制參數(shù)的關(guān)系如圖7所示.當(dāng)比例系數(shù)增加時，系統(tǒng)相角裕度也隨之增加；當(dāng)積分系數(shù)增加時，系統(tǒng)相角裕度相應(yīng)的降低.為防止系統(tǒng)中元件性能的變化可能造成的不利影響，母線電壓開環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度.本文設(shè)計電壓PI控制參數(shù)為kpu=1.1，kiu=15.8，因此可得開環(huán)系統(tǒng)的相角裕度為48.4°，增益裕度為95.7dB.

圖7 電壓PI控制參數(shù)對開環(huán)系統(tǒng)相角裕度的影響Fig.7 The phase angle margins of open-loop system changing with the variation of voltage PI control parameters

2.2 基于儲能電池的電壓控制

直流微電網(wǎng)工作在離網(wǎng)模式下，由于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電具有波動性，針對圖1所示的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，本文設(shè)計依靠儲能電池維持直流母線電壓恒定，儲能電池采用Buck-Boost DC-DC變換器與直流母線進(jìn)行能量交換.DC-DC變換器的控制框圖如圖8所示.

圖8 DC-DC變換器及控制框圖Fig.8 The control block diagram of DC-DC converter

DC-DC變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通(Continuous Conduction Mode CCM)模式下，根據(jù)狀態(tài)空間平均法，可得DC-DC變換器的動態(tài)模型和電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖10所示.圖中Rb為線路等效電阻；GiPI(s)為電流內(nèi)環(huán)PI控制器；KPWM為調(diào)制傳遞增益；D為DC-DC變換器靜態(tài)工作點下的占空比.根據(jù)圖9，可得DC-DC變換器電流與占空比的動態(tài)小信號傳遞函數(shù)為

(5)

圖9 DC-DC變換器動態(tài)模型及電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.9 DC-DC converter dynamic model and block diagram of internal current loop control

DC-DC變換器的內(nèi)環(huán)控制為電流PI控制，如圖8所示，其輸出占空比的增量為

ΔD=(ΔiLref-ΔiL)(kBpi+kBii/s)

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)，可得

ΔiL=

(7)

DC-DC變換器電流內(nèi)環(huán)PI控制器的設(shè)計原理與上文AC-DC變流器的電流環(huán)設(shè)計原理相同.本文設(shè)定直流母線電壓為400V；儲能電池額定電壓為160V；濾波電感Lb=7mH；線路等效電阻Rb=130mΩ；靜態(tài)工作點的占空比D為0.6.設(shè)計電流PI控制器的參數(shù)為kBpi=2×10-3，kBii=0.25.因此可得系統(tǒng)的動態(tài)性能參數(shù)為ζ=0.68，ωn=169.03rad/s，tp=25.34ms，ts=28.8ms，mp=5.4%.

DC-DC變換器的電壓控制框圖如圖10所示，GvPI(s)為電壓外環(huán)PI控制器.根據(jù)圖10和式(7),可得DC-DC變換器母線電壓控制開環(huán)傳遞函數(shù)為

(8)

與AC-DC變換器的電壓外環(huán)的設(shè)計原則相同，因此，設(shè)計DC-DC變換器的電壓PI控制參數(shù)為kBpu=3.52，kBiu=3.37，可得開環(huán)系統(tǒng)的相角裕度為47.7°，增益裕度為101dB.

圖10 DC-DC變換器直流母線電壓控制框圖Fig.10 The block diagram of bus voltage control for DC-DC converter

3 仿真驗證

搭建如圖1所示的直流微電網(wǎng)Simulink模型，驗證本文提出的直流母線電壓控制策略的有效性。交流電網(wǎng)采用三相電源模型，容量30MVA，頻率50Hz，線電壓380V。交流側(cè)負(fù)荷為有功1MW，無功500kVar。儲能電池容量為100Ah，額定電壓160V，初始荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)設(shè)定為80%。風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電單元用直流電源等效代替。

3.1 流電網(wǎng)控制

直流微電網(wǎng)運行在并網(wǎng)模式下，直流母線電壓由交流電網(wǎng)控制。當(dāng)直流微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載波動時，交流電網(wǎng)對母線電壓的控制如圖11所示。圖12表示直流微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載波動情況。直流微電網(wǎng)初始負(fù)載為75kW，如圖12所示。AC-DC變換器經(jīng)過130ms將直流母線電壓維持在400V，如圖11所示。0.5s時，直流微電網(wǎng)投入負(fù)載25kW，注入直流微電網(wǎng)的瞬時功率小于直流微電網(wǎng)的瞬時需求功率，由于直流微電網(wǎng)瞬時功率不平衡，因此母線電壓暫時跌落，跌落谷值為398V，經(jīng)過60ms后直流母線電壓維持恒定值400V。在1.0s時，直流微電網(wǎng)再次投入負(fù)載25kW，情況與上述分析相同。1.5s時，直流微電網(wǎng)負(fù)載減少到100kW，直流微電網(wǎng)瞬時需求功率小于瞬時供給功率，因此直流母線電壓暫時上升，上升峰值為401.6V，經(jīng)過40ms后直流母線維持恒定值400V。圖13表示交流側(cè)電壓與電流的變化情況。交流側(cè)母線電壓始終維持在1pu，電流則隨功率輸出而波動，保障對直流微電網(wǎng)的能量供給，維持直流母線電壓恒定。

圖11 交流電網(wǎng)控制下直流母線電壓Fig.11 DC bus voltage at AC grid control

圖12 直流微電網(wǎng)負(fù)載功率Fig.12 DC microgrid load power

圖13 交流電網(wǎng)標(biāo)幺值電壓與電流Fig.13 The per unit value of voltage and current of AC grid

3.2 儲能電池控制

直流微電網(wǎng)運行在離網(wǎng)模式下，直流母線電壓由儲能電池控制。直流母線電壓隨負(fù)載波動的變化情況如圖14所示。圖15表示直流微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載變化情況。直流微電網(wǎng)的初始負(fù)載設(shè)定為75kW，如圖15所示。儲能變換器經(jīng)過180ms將直流母線電壓維持在400V，如圖14所示。0.5s時，25kW的負(fù)載投入到直流微電網(wǎng)，由于注入直流微電網(wǎng)的瞬時功率小于直流微電網(wǎng)的瞬時需求功率，因此母線電壓暫時下降，下降谷值為397V，直流母線電壓經(jīng)過70ms后維持恒定值400V。在1.0s時，直流微電網(wǎng)再次投入負(fù)載25kW，分析與上述相同。1.5s時，直流微電網(wǎng)切除25kW負(fù)載，瞬時供給功率大于直流微電網(wǎng)瞬時需求功率，因此直流母線電壓短時上升，上升峰值為403.2V，經(jīng)過63ms后直流母線維持恒定值400V。受儲能電池放電電流的影響，儲能電池的輸出端電壓也隨之波動，如圖16所示。

圖14 儲能控制下直流母線電壓Fig.14 DC bus voltage at battery control

圖15 直流微電網(wǎng)負(fù)載功率Fig.15 DC microgrid load power

圖16 儲能電池輸出端電壓Fig.16 The discharge current of battery

4 結(jié)束語

考慮直流微電網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式，根據(jù)直流微電網(wǎng)不同的工作狀態(tài)，采用基于交流電網(wǎng)或儲能電池的控制策略.并網(wǎng)狀態(tài)下，AC-DC變換器采用前饋解耦的dq控制.離網(wǎng)狀態(tài)下，DC-DC變換器采用電壓電流雙環(huán)PI控制.通過合理設(shè)計變換器的控制參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，保持直流母線電壓恒定，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率平衡流動.

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BusvoltagecontrolstrategyforlowvoltageDCmicrogrid

ZHAO Zhong-tian, WANG Hong-zhao, LI Wei, HU Jian, CHEN Hong-tao

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

One of the aims for microgrid operational control is to maintain the constant of DC bus voltage. Considering DC microgrid on both grid-connected and islanding operating conditions, DC bus voltage control strategy was proposed based on AC power grid and energy storage battery. Through the reasonable design of voltage outer loop and current inner loop control parameters for the both AC-DC converter and the DC-DC converter, the dynamic performance of the control system was improved, and the DC bus voltage was kept constant. The validity of the bus voltage control strategy was verified by building the Simulink model of the DC microgrid. The results show that the constant of DC bus voltage can be rapidly maintained by the bus voltage control strategy with the load fluctuation of DC microgrid system. Therefore, the bus voltage control strategy is validity.

DC microgrid; bus voltage control; power balance; AC-DC converter; DC-DC converter

2017-01-08

趙中田，男，zztianor@126.com;

胡健，男，hujian@sdut.edu.cn

1672-6197(2018)01-0069-06

TM7

A

(編輯：劉寶江)