直流微网中母线电压对直流负载影响

张国荣，王新兵，乔龙洋

(教育部光伏系统工程研究中心，合肥工业大学能源研究所，安徽 合肥 230009)

0 引言

微电网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷、监控和保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、自我保护和自我管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以独立运行。以直流方式传输的就叫直流微网，以交流方式传输的就叫交流微网。与传统交流微网相比，直流微网拥有显著优点:(1)直流微网中自身多种微型电源与直流母线的连接方式更为简便，不必考虑交流微网中输出电压的频率和相位等问题。(2)对直流微网的控制只决定于直流母线电压，对交流微网的控制更大程度上取决于电网电流，因此直流微网更容易实现各微电源间的协同控制。(3)当大电网发生故障时，直流微网能快速地与大电网分离，并能够通过自身的能量源维持本系统正常运行。(4)分布在负载侧的变流装置可以保证很高的供电可靠性和电能质量。(5)发电功率和负荷功率的调整变化在直流微网中可以作为一个整体进行协同管理和补偿[1]。

图1 直流微网结构图

在直流微网中，系统中由于不用考虑无功功率的流动 ，电压就成为反映系统功率平衡的唯一指标。直流微网的电压稳定可以定义为 :当系统受到外界干扰时，要将直流母线电压保持在一定范围内，母线电压波动不超过额定值 ±5% 的能力[2]。控制直流微网中的母线电压稳定，就可以控制微网稳定运行，如果发生母线电压失稳，很可能会导致保护动作或甩负荷，甚至还会影响大电网的正常运行[3－4]。现有多种方法可以保证母线电压的稳定，例如每一个微电源并入直流母线时都要对其输出电压的稳定性进行控制，使其达到一定标准，直流微网中的蓄电池也起到维持直流母线电压的稳定作用，也可以在母线输出侧添加一个电压平衡器来优化输出的母线电压，或者并接一个大的输出电容以改善母线电压的质量，但是即便对直流母线电压采取了各种保护措施来维持其稳定性，当挂载在母线电压上的设备或微电源投入或切除时，直流母线电压还是会有小范围的波动和突变，本文的研究目的就是在直流母线电压波动和小的突变情况下来维持挂接在直流母线上的直流负载输出电压的稳定性[5－7]。

1 BUCK降压型DC-DC变换器小信号模型的建立

图2 BUCK型直流负载主电路图

假定挂接在母线上的直流负载为5欧姆的电阻，母线与负载通过BUCK降压型电路进行连接。

1.1 将BUCK电路平均化

为了保证模型的精确性，本次建模考虑BUCK变换器中主要元器件的寄生参数，主要包括:滤波电容的寄生电阻 Rc，滤波电感的寄生电阻及电路中线路电阻之和 RL，开关管导通压降Vs，以及续流二极管导通压降Vd和等效电阻Rd，把这些参数全部考虑进去后，变换器的等效电路如 图3所示。S1和S2分别为理想开关管和理想续流二极管，α和p两点间的电压为vαp，c和p两点间的电压为 vcp，考虑负载为 5 欧姆纯电阻[8－9]。

图3 考虑寄生参数的等效电路

1.2 按能量守恒法对BUCK电路进行小信号建模

图4 所示的等效电路。(1－D)Vd为续流二极管导通时等效压降Vd按能量守恒定律折算到电感支路上的对应压降，DVs为开关管导通时等效压降Vs按能量守恒定律折算到电感支路上的对应压降，(1－D)Rd为续流二极管导通时等效电阻Rd按能量守恒定律折算到电感支路上的对应电阻[10]。

图4 BUCK平均值等效电路图

小信号建模的前提是低频，低纹波，小波动(波动幅值远远小于稳态直流幅值)，在这个前提下，由上述的等效电路，得出下列等式关系，将稳态量和小信号量分离，同时由于假定为小信号波动，故线性化时可将两个小信号的乘积忽略掉，这样剩下的就是线性小信号模型，得到的传递函数如下:

2 控制策略原理

采用输入电压前馈加反馈的控制策略来抑制输入电压扰动对直流负载的影响。电压前馈就是在电路中把输入电压通过一个中间环节引入到控制系统中，消除输入电压的波动对输出负载的影响以改善系统性能。传统的电压模式控制中，占空比是通过反馈环节固定的锯齿波与给定电压比较产生的，输入电压前馈的控制方式是将锯齿波的产生与输入电压线性相关(即使锯齿波的峰值电压与输入电压成比例关系)[11－13]。有下式:

式中:a为常量，Un为锯齿波峰值(这里a取1)

故而可得出占空比关系如下:

注意此时占空比是稳态情况下的占空比，Ub为控制器的输出电压。

对占空比求全微分，得出如下方程式:

由此可以得出uin加到控制系统的中间环节为aD，从ub到占空比d之间的中间环节为1/aUin。加入电压前馈后的小信号模型结构如图3所示。

图5 加入前馈的电压负反馈的复合控制系统结构图

3 系统仿真结果

BUCK降压型DC－DC变换器直流母线电压Uin=180 V(这里为了模拟直流母线电压的波动，采用三相整流桥输出的直流电压作为母线电压)，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，输出电压 U0=100 V，频率 fs=7 000 Hz。

经过计算可得PI调节器的传递函数为:

仿真验证:

从图6中可以看出当直流母线电压在155 V和180 V之间波动时，通过加入前馈加反馈的控制方法后，输出的稳态电压只有不到0.1 V的波动，在图7中母线电压从180 V突增到200 V时，输出电压也只有0.3 V左右的变化，所以加入此种控制方法后，直流负载受母线电压的影响非常小，直流母线电压的波动对负载的影响几乎可以忽略。

4 实验验证

由实验结果图8和图9可以看出，只有反馈的控制策略在母线电压突增的情况下，负载电压会有7 V左右的波动，加入前馈后当母线电压突增时，负载电压波动很小。所以前馈加反馈的控制策略能有效地抑制母线电压的影响。

5 结束语

直流微网是近年来新发展起来的一种电网模式，它以其自身的优点，在很多场合都得到了应用，本文分析了直流微网的优点，给出微网结构图，同时指出了直流母线电压存在的稳定性问题，对所存在的问题进行了建模分析，并通过前馈加反馈的控制策略近似消除了母线电压的波动对输出直流负载的影响。通过仿真和实验验证了理论的可行性。

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