基于多端口直流变换器的直流微电网的控制与仿真

黄志鹏，　潘三博，　马　咪，　蔡静雯

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)



基于多端口直流变换器的直流微电网的控制与仿真

黄志鹏，潘三博，马咪，蔡静雯

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

摘要研究了一种由分布式能源、储能及负荷等单元构成的基于多端口直流变换器的直流微电网结构；利用直流母线电压下垂控制方法对各个端口的直流变换器进行控制，实现直流微电网中能量的合理分配及直流母线电压的稳定。通过建立相应的PSCAD仿真模型验证了多端口直流变换器用于直流微电网的可行性以及系统的协调控制能力。

关键词直流微电网; 多口直流变换器; 协调控制; 最大功率点跟踪

环境污染与能源危机的加重使得能源的利用从传统能源向可再生能源转化。可再生能源通常是以分布式发电的形式接入电网，而分布式能源的间歇性和波动性将对传统电网产生一系列新的挑战。为了满足电力系统的稳定性、灵活性及可靠性等要求，直流微电网应运而生。2004年日本提出了直流微电网配电构思，并完成了10kW直流配电系统样机[1]；2011年ABB首个推出了全球直流微电网方案，2012年中国厦门大学完成了国内首个全直流微电网项目并成功运行[2]。直流微网具有线路成本低、输电能力强、控制简单、转化效率高等特点[3-5]，能够满足新能源接入、轻型直流输电、高科技、节能等各方面的需求，同时符合环保要求[6]，是未来电网发展的新方向。

在直流微电网中，为保证系统的安全可靠运行，需采取有效的措施来实现分布式能源发电、负载与储能之间的协调控制。文献[7-8]中介绍了双输入变换器的结构及工作原理，但未分析其在实际中的应用及相应的控制策略。文献[9]中对一光伏侧变换器进行了分析，但其结构太简单，不能体现多端口直流变换器的优越性。本文将太阳能、风能等自然能源转化为电能，通过多端口直流变换器接入直流母线，给出了基于多端口直流变换器的直流微电网的结构模型，对模型中的能源特性、多端口直流变换器控制方式进行了分析。通过PSCAD软件建立了相应的仿真模型，仿真结果验证了模型及控制策略的正确性。

1结构及微源特性

1.1结构框架

为了解决直流微电网中能源的接入、控制和传输等问题，本文研究了一种基于多端口直流变换器的直流微电网结构模型。在孤网状态下，该直流微电网的结构框架如图1所示。

图1　基于多端口直流变换器的直流微电网结构框架Fig.1　Framework of DC micro-grid based on multi-port DC converter

该结构主要包括分布式能源、多端口直流变换器、储能及负荷等单元。其中，分布式能源的电力通过多端口直流变换器纳入到微电网中来，实现能源的协调控制，包括能源的交换和用量调节。该结构的突出优势如下： 具有通用型接口，可实现分布式能源的即插即用，结构简单，成本低等。该框架的内部结构如图2所示。

图2　框架的内部结构Fig.2　Internal structure of the framework

1.2微源特性

直流微电网中分布式能源发电是能量的主要来源，为了使光伏发电及风力发电发出的功率得到最大程度的利用，需要对光伏及风力发电模块进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。

1.2.1光伏发电模块光伏电池的输出特性曲线如图3所示[10]。由图3(a)可见，当光伏电池输出电压较小时，其输出电流在一定范围内保持不变，相当于电流源的性质；当光伏电池输出电流较小时，其输出电压将在一定范围内保持一致，此时光伏电池相当于电压源的性质。光伏电池输出功率为图中的阴影部分，即为最大功率点所对应的是最大功率点电压与最大功率点电流的乘积。由图3(b)可知，在一定环境条件下，光伏电池的最大功率点只有一个。而在实际情况下，光伏电池受外界环境条件等的影响会使工作点偏离最大功率点处。

光伏发电MPPT控制就是对光伏电池的输出功率进行检测，运用相应的控制算法，不断地调节其系统工作状态，来跟踪最大功率点，从而实现

图3　光伏电池输出特性曲线Fig.3　Output characteristic curve of PV cells

系统的最大功率输出。目前比较常见的MPPT方法有电导增量法、扰动观察法、恒定电压跟踪法等[11]。由于电导增量法具有使光伏电池输出电压随光照和温度变化而变化，且稳定在最大功率点附近，不会出现误判情况，控制效果好、控制精度高的特点[12]。因此，本文采用电导增量法来实现光伏发电的MPPT。

电导增量法的基本原理是根据最大功率点处的电压对光伏电池的输出电压进行调节。由图 3(b) 可知，光伏电池在输出最大功率点满足曲线斜率为零，即

dP/dU=0

(1)

由于

诗意美是《雨巷》最为突出的特点之一。“艺术作品的形式美，归根结底，也正是这样一种生命感应的产物”。诗歌作为一种充满艺术性的作品形式，与其他体裁相比，简洁而又含蓄，却能将作者的心绪、感受完美地诠释；精练的语言，短小的篇幅，却能引人遐想。

P=UI

(2)

对式(2)关于U进行微分，得

(3)

根据光伏电池I/U特性，曲线的瞬时电导为

G=I/U

(4)

则电导增量为

ΔG=dI/dU

(5)

将式(4)、(5)代入式(3)，可得

(6)

(7)

1.2.2风力发电模块风机通过其叶片来捕获风能，并将其转化为机械能，带动发电机的运转。最大风能的跟踪即为跟踪风机所能捕获的最大风能。为了反映风能转换为机械能的复杂过程，需要运用空气动力学中桨叶基本理论来建立精确的模型。但是，该理论含有相关的几何学知识、复杂的计算过程以及多种风信号，为建模带来较大的困难。为了避免上述困难，可通过风速与捕捉的能量的关系式，建立简易的风力机模型。

根据贝兹理论，有

(8)

式中，m为风的质量；ρ0为空气密度，kg/m3；v为实际风速，m/s；P0为风通过风轮扫掠单位面积所获取的功率，W；R为风轮半径，m。

根据式(8)可得出风机捕获的功率为[13]

P=0.5ρ0Sv3CP

(9)

Tm=0.5ρ0πR3v3CP(λ，β)/β

(10)

式中，CP为风机利用风能的系数；λ为叶尖速比；Tm为机械转矩；β为叶桨矩角。风机的风能利用系数CP反映了风机对风能吸收利用的效率，其大小与风速、风机转速以及叶片参数有关[13]。

风能MPPT控制技术具有代表性的方法包括[14]： 叶尖速比法、反馈控制策略、扰动控制策略。前两者对小型风机不具有适用性，而扰动控制策略较适用于小型风机的最大功率跟踪，故本文采用扰动控制策略来进行风能最大功率跟踪控制。该策略同光伏发电最大功率跟踪的扰动法相似，只要给定风机出现微小的扰动，就能使风机输出功率发生微小变化，若变化量为正，则扰动方向为正向，可继续增加扰动；若变化量为负，则扰动方向为反向，如此反复控制使风机工作在最大功率点处。

1.3多端直流变换器类型

为提高系统工作的灵活性，输出并联型多端口变换器成为光伏发电、风力发电及负载接入直流母线的重要设备。其中的各个变换器均具有升压、降压的功能，当分布式能源发电输出端电压变化较大时，既可通过升压接入直流母线，又可通过降压接入直流母线，使分布式电源接入直流微网的灵活性大大提高；对于负载来说，具有升、降压功能的变换器可使多电压等级的负载稳定工作。

在直流微电网中，输出并联型多端口直流变换器相当于多个单端口直流变换器的并联，即分布式能源、储能都有单独的直流变换器，各个变换器的输出端并联接入直流母线(见图1)；变换器的输出电压相同，输出电流的大小则根据负载情况和各分布式电源的功率输出特点而定。

2协调控制策略分析

本文研究的多端口直流变换器的直流微电网采用直流母线电压下垂控制策略[15-17]，将直流母线电压作为控制信号，根据各分布式能源的优先级设置参考阈值，使其运行在下垂控制模式或MPPT模式。

在基于多端口直流变换器的直流微电网中，通过对各个端口的直流变换器的控制实现直流微电网中能量的合理分配及直流母线电压的稳定。其中，光伏发电经过Boost变换器接入直流母线电压；风力发电通过不控整流后，使交流电转换成直流电，然后经过Boost变换器接入直流母线；超级电容则通过Buck/Boost变换器控制储能单元的充、放电；直流负载通过Buck/Boost变换器接入直流母线，可满足具有不同额定电压等级的负载之间的切换，具有广泛的适用性。

2.1光伏侧直流变换器控制方式

光伏侧直流变换器控制方式如图4所示。该变换器可工作在MPPT模式及电压下垂控制模式。当负荷较大时，开关信号为0，光伏发电工作在MPPT模式；当负荷减小或分布式电源发出的功率增加，经储能后仍有剩余时，开关信号为1，光伏发电工作在电压下垂控制模式[18-19]。

图4　光伏发电接口变换器控制方式Fig.4　Control method of PV interface converter

以光伏发电为例分析电压下垂控制策略的工作原理，图5为光伏发电系统电压下垂特性曲线。

图5　光伏发电系统电压下垂特性曲线Fig.5　Voltage droop characteristic curve of PV

图中，UPV，MPPT为光伏发电系统在MPPT模式时直流母线电压的参考阈值；ΔUPV为光伏发电模式切换阈值间变换量；IPV，MPPT为光伏发电系统工作在MPPT模式时的直流变换器的输出端电流；PPV，MPPT为光伏发电最大输出功率。UPV，n已给定，则

(12)

设PPV为光伏电池输出功率，有

PPV=UPVIPO

(13)

当光伏电池输出最大功率为PPV，E时，对应的最大功率点电压、电流分别为UPV，MPPT、IPV，MPPT，将点(UPV，MPPT，IPV，MPPT)代入式(12)，可得

(14)

同理，在下垂控制阶段，检测光伏电池任意时刻的直流母线端输出电压与输出电流，均可根据式(12)求得KPV，且在同一环境条件下该值为恒定值。

2.2风力发电侧直流变换器控制方式

风力发电侧直流变换器控制方式如图6所示。与光伏发电变换器控制方法类似，通过开关信号的改变使风力发电工作在MPPT模式[20-22]或电压下垂控制模式。

图6　风力发电接口变换器控制方式Fig.6　Control method of wind power’s interface converter

图中，UW，n为风力发电系统下垂控制参考阈值；KW为风力发电接口变换器的电压下垂系数；IWO为接口变换器母线端电流；IWL，ref为电感电流参考值；iWL为电感电流测量值;UW、IW分别为风机的输出电压与电流。

设ΔUW为风力发电模式切换阈值间变换量；IW，MPPT为风力发电系统工作在MPPT模式时，直流变换器输出端的电流；PW，MPPT为风力发电系统最大输出功率。同理，根据系统发电侧直流变换器控制方式可知：

(15)

(16)

2.3储能侧直流变换器控制方式

储能侧直流变换器控制方式如图7所示。图中，UDC，ref为储能装置直流母线端电压参考值；IBL为储能装置侧电感电流；IBL，ref为电感电流参考值；UC，ref、UC为储能电容端电压参考值和测量值。储能充、放电方式与其端电压及直流母线电压有关。

图7　储能接口变换器控制方式Fig.7　Control method of stored energy’s interface converter

当分布式电源发出的功率大于负载所消耗的功率，且直流母线电压大于设定的参考阈值时，开关信号为0，储能单元开始充电。充电初期，超级电容端电压较低，电压环误差值较大，达到限幅环节的限定值，储能以恒流方式充电；随着超级电容端电压的不断增大，电压环输出不断减小，达到限幅环节限定值后，开始转入恒压充电过程。若负载增加，当分布式电源发出的功率不能满足负载所消耗的功率时，开关信号为1，此时，采用的电压电流双闭环控制策略维持了UDC的稳定。此外，为避免持续充、放电对储能元件寿命的影响，增加了电压保护环节，即当UDC处于保护电压阶段时，储能元件处于关断状态。

2.4负载侧直流变换器控制方式

图8　负载侧接口变换器控制方式Fig.8　Control method of load’s interface converter

3仿真分析

为了分析基于多端口直流变换器的直流微电网在协调控制过程中的工作模式，本文采用PSCAD软件搭建了如图1所示的仿真模型。设UDC额定值为500V，将直流母线电压下垂控制的参考阈值设为525V，而直流母线电压切负荷的参考阈值设为 480V，开关频率为 5kHz，仿真时间

为10s。系统的仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数Tab.1　Parameter of simulation

表2给出了不同时刻，系统各模块的工作状态。图9给出了基于多端口变流变换器的直流微电网孤网运行时的仿真结果。由仿真结果可知： 通过对多端口直流变换器的控制可使风力发电与光伏发电输出的功率得到合理分配，当风力发电不足时，光伏发电由下垂控制切换到MPPT控制状态，与储能系统共同作用，实现能量的协调控制。

表2　不同时刻，系统各模块的工作状态Tab.2　Working state of each module at different times

图9　基于多端口直流变换器的直流微电网仿真波形Fig.9　Simulated wave-formsof DC micro-grid based on multi-port DC converter

4结语

本文研究了一种基于多端口直流变换器的直流微电网结构，采用超级电容充电的形式进行储能，负载侧则采用Buck-Boost直流变换器来满足不同电压等级的负载需求，扩大了多端口直流变换器的应用范围。采用直流母线电压下垂控制策略实现了系统的能量协调控制，使能源得到了高效合理的分配。

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收稿日期：2016-03-28

基金项目：上海市教育委员会科研创新项目资助(14YZ160)

作者简介：黄志鹏(1990-)，男，硕士生，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail： 146001010405@st.sdju.edu.cn

文章编号2095-0020(2016)03-0147-08

中图分类号TM 761

文献标识码A

Control and Simulation of DC Micro-grid Based on Multi-port DC Converter

HUANGZhipeng，PANSanbo，MAMi，CAIJingwen

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractThe structure of DC micro-grid based on multi-port DC/DC converter is studied, which is composed of distributed energy, energy storage and load. DC bus voltage droop control method is used to control the DC converter of each port to achieve a reasonable distribution of energy and stability of the DC bus voltage. A control method of DC bus voltage droop is used to analyze coordinated control of the system. Feasibility of the multi-port DC converter for DC micro-grid and the coordinated control capability of the system is verified by establishment of a corresponding PSCAD simulation model.

KeywordsDC micro-grid; multi-port DC converter; coordinated control; maximum power point tracking(MPPT)