低压直流微电网母线电压控制策略

赵中田，王泓钊，李 伟，胡 健，陈洪涛

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

低压直流微电网母线电压控制策略

赵中田，王泓钊，李 伟，胡 健，陈洪涛

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

直流母线电压恒定是直流微电网运行控制的目标之一，考虑直流微电网并网和离网两种运行模式，提出基于交流电网和储能电池的直流母线电压控制策略.合理设计AC-DC变换器和DC-DC变换器的电压外环和电流内环控制参数，提高控制系统的动态性能，维持直流母线电压恒定，实现系统功率平衡流动.搭建直流微电网的Simulink模型，验证母线电压控制策略的有效性.结果表明当直流微电网系统内的负载波动时，母线电压控制策略可快速保障直流母线电压恒定，验证了提出的母线电压控制策略的有效性.

直流微电网;母线电压控制;功率平衡;AC-DC变换器;DC-DC变换器

为整合风力发电和光伏发电等分布式发电，提高新能源利用效率，微电网的概念被提出[1].依据系统内电压和电流的性质，微电网可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网[2].直流微电网系统不存在频率控制问题，也无需优化无功分布.直流微电网系统内的功率是否平衡由直流母线电压唯一反映，因此直流母线电压的恒定是系统内能量平衡流动的关键[3].

直流微电网的运行控制策略可分为集中控制、分布式控制和分散式控制[4].文献[5]提出一种三层控制策略，可协调集中控制和分布式控制，保障直流微电网的能量供需平衡.文献[6]提出一种协调控制策略，协调控制分布式电源、储能和交流变换器的运行，维持直流母线电压恒定.文献[7]提出非重要负载降功率运行稳定直流母线电压的控制策略.针对传统直流母线电压信号控制引起的母线电压偏差，文献[8]提出基于本地信息的能量管理和协调控制方法，消除母线电压波动，提高系统的稳定性和供电可靠性.

本文考虑直流微电网的并网和离网两种运行模式.根据直流微电网不同的工作模式，采用基于交流电网或储能电池的母线电压控制策略，通过合理设计AC-DC变换器和DC-DC变换器的电压外环和电流内环控制参数，提高控制系统的动态性能，维持直流母线电压恒定，平衡直流微电网系统内的功率流动.

1 直流微电网系统

1.1 拓扑结构

直流微电网通常由分布式电源、电力电子装置、储能设备和负载单元等部分构成.直流微电网的直流母线主要有单母线结构、多母线结构和母线可重构结构等，其中低压直流微电网一般采用单母线结构，如图1所示.图1中，直流母线由正极线P和中性线N组成.交流电网通过LCL型AC-DC变换器接入直流母线系统；风机通过整流单元和Boost变换器与直流母线相连接；光伏电池采用直流升压变换器接入直流母线；储能单元通过Boost-Buck变换器与直流母线互联；直流母线通过斩波器和逆变器电能变换装置为直流负载和交流负载提供电能.

图1 直流微电网拓扑结构Fig.1 The topology of DC microgrid

1.2 直流母线等值模型

直流母线是直流微电网系统内的主要设备之一，具有汇集和分配电能的作用.依据图1所示的直流微电网结构，可得直流母线简化等值模型如图2所示，其中Ppv、Pac和Pw分别为光伏、交流电网和风机注入直流微电网的功率；Pb为储能电池注入直流微电网的功率，-Pb表征储能电池从微电网吸收功率；PL为微电网负载消耗的总功率；Udc表示直流母线电压值；C为直流母线的等效电容.

图2 直流母线简化等值模型Fig.2 The simplified equivalent model of DC bus

因此，直流母线的充电功率为

(1)

式中，∑P=Ppv+Pac+Pw+Pb.由式(1)可知，当直流微电网的注入功率和消耗功率瞬时平衡时，直流母线充电功率为零，即直流母线电压恒定无波动.因此，为保障直流微电网系统的能量平衡，直流母线电压的稳定控制是关键.

2 直流母线电压控制策略

光伏发电和风力发电容量一般较小，且其具有间歇性.根据图1所示的直流微电网系统，本文设定光伏和风机均最大功率追踪模式工作，以最高的效率利用清洁能源，母线电压稳定由交流电网和储能单元控制.

2.1 基于交流电网的电压控制

直流微电网工作在并网模式下，依托交流电网的大容量，针对图1所示的直流微电网系统，通过AC-DC变换器维持直流母线电压恒定.本文AC-DC变换器采用双闭环解耦控制，如图3所示，其中外环为电压控制和无功功率控制，内环为电流环控制.直流母线电压参考值Udcref根据直流母线的额定电压决定；无功功率参考值Qref由AC-DC变换器输出无功功率的控制目标获得，本文设定为零.AC-DC变换器通过LCL滤波器与交流电网连接.电流内环控制的带宽小于LCL滤波器的谐振频率，在低频段LCL滤波器可忽略电容支路，因此LCL可等效为纯电感滤波器[9-11].

图3 AC-DC变流器及控制框图Fig.3 The control block diagram of the AC-DC converter

通过3s/2r坐标转换可将三相交流相量转化为dq两相旋转相量，在dq0坐标系下，AC-DC变换器的数学模型为

(2)

式中，R为线路等效电阻与滤波器附加电阻的总和，L为滤波器等效电感.根据图3与式(2)，可得d轴电流环的控制框图图4所示，电流闭环传递函数为

(3)

图4 电流内环控制框图Fig.4 The block diagram of current loop control

图5 特征根随电流PI控制器参数变化的分布Fig.5 Distribution of characteristic root with current PI controller parameters

根据图3和式(3)，可得AC-DC变换器母线电压闭环控制框图如图6所示.其中，k为直轴电流与直流母线电流的转换系数，忽略AC-DC变换器的功率损耗和直流母线电压的波动，可得k=1.5ud/Udc；GUPI(s)为电压外环PI控制器，GUPI(s)=kpu+kiu/s.由图6，可得AC-DC变换器母线电压控制开环传递函数为

Gvol(s)=

(4)

图6 AC-DC变换器母线电压控制框图Fig.6 The block diagram of bus voltage control for AC-DC converter

母线电压开环控制系统的相角裕度与电压PI控制参数的关系如图7所示.当比例系数增加时，系统相角裕度也随之增加；当积分系数增加时，系统相角裕度相应的降低.为防止系统中元件性能的变化可能造成的不利影响，母线电压开环控制系统应当保持适当的稳定裕度.本文设计电压PI控制参数为kpu=1.1，kiu=15.8，因此可得开环系统的相角裕度为48.4°，增益裕度为95.7dB.

图7 电压PI控制参数对开环系统相角裕度的影响Fig.7 The phase angle margins of open-loop system changing with the variation of voltage PI control parameters

2.2 基于储能电池的电压控制

直流微电网工作在离网模式下，由于光伏发电和风力发电具有波动性，针对图1所示的直流微电网系统，本文设计依靠储能电池维持直流母线电压恒定，储能电池采用Buck-Boost DC-DC变换器与直流母线进行能量交换.DC-DC变换器的控制框图如图8所示.

图8 DC-DC变换器及控制框图Fig.8 The control block diagram of DC-DC converter

DC-DC变换器工作在连续导通(Continuous Conduction Mode CCM)模式下，根据状态空间平均法，可得DC-DC变换器的动态模型和电流内环控制框图如图10所示.图中Rb为线路等效电阻；GiPI(s)为电流内环PI控制器；KPWM为调制传递增益；D为DC-DC变换器静态工作点下的占空比.根据图9，可得DC-DC变换器电流与占空比的动态小信号传递函数为

(5)

图9 DC-DC变换器动态模型及电流内环控制框图Fig.9 DC-DC converter dynamic model and block diagram of internal current loop control

DC-DC变换器的内环控制为电流PI控制，如图8所示，其输出占空比的增量为

ΔD=(ΔiLref-ΔiL)(kBpi+kBii/s)

(6)

根据式(5)和式(6)，可得

ΔiL=

(7)

DC-DC变换器电流内环PI控制器的设计原理与上文AC-DC变流器的电流环设计原理相同.本文设定直流母线电压为400V；储能电池额定电压为160V；滤波电感Lb=7mH；线路等效电阻Rb=130mΩ；静态工作点的占空比D为0.6.设计电流PI控制器的参数为kBpi=2×10-3，kBii=0.25.因此可得系统的动态性能参数为ζ=0.68，ωn=169.03rad/s，tp=25.34ms，ts=28.8ms，mp=5.4%.

DC-DC变换器的电压控制框图如图10所示，GvPI(s)为电压外环PI控制器.根据图10和式(7),可得DC-DC变换器母线电压控制开环传递函数为

(8)

与AC-DC变换器的电压外环的设计原则相同，因此，设计DC-DC变换器的电压PI控制参数为kBpu=3.52，kBiu=3.37，可得开环系统的相角裕度为47.7°，增益裕度为101dB.

图10 DC-DC变换器直流母线电压控制框图Fig.10 The block diagram of bus voltage control for DC-DC converter

3 仿真验证

搭建如图1所示的直流微电网Simulink模型，验证本文提出的直流母线电压控制策略的有效性。交流电网采用三相电源模型，容量30MVA，频率50Hz，线电压380V。交流侧负荷为有功1MW，无功500kVar。储能电池容量为100Ah，额定电压160V，初始荷电状态(State of Charge，SOC)设定为80%。风机与光伏发电单元用直流电源等效代替。

3.1 流电网控制

直流微电网运行在并网模式下，直流母线电压由交流电网控制。当直流微电网内的负载波动时，交流电网对母线电压的控制如图11所示。图12表示直流微电网内的负载波动情况。直流微电网初始负载为75kW，如图12所示。AC-DC变换器经过130ms将直流母线电压维持在400V，如图11所示。0.5s时，直流微电网投入负载25kW，注入直流微电网的瞬时功率小于直流微电网的瞬时需求功率，由于直流微电网瞬时功率不平衡，因此母线电压暂时跌落，跌落谷值为398V，经过60ms后直流母线电压维持恒定值400V。在1.0s时，直流微电网再次投入负载25kW，情况与上述分析相同。1.5s时，直流微电网负载减少到100kW，直流微电网瞬时需求功率小于瞬时供给功率，因此直流母线电压暂时上升，上升峰值为401.6V，经过40ms后直流母线维持恒定值400V。图13表示交流侧电压与电流的变化情况。交流侧母线电压始终维持在1pu，电流则随功率输出而波动，保障对直流微电网的能量供给，维持直流母线电压恒定。

图11 交流电网控制下直流母线电压Fig.11 DC bus voltage at AC grid control

图12 直流微电网负载功率Fig.12 DC microgrid load power

图13 交流电网标幺值电压与电流Fig.13 The per unit value of voltage and current of AC grid

3.2 储能电池控制

直流微电网运行在离网模式下，直流母线电压由储能电池控制。直流母线电压随负载波动的变化情况如图14所示。图15表示直流微电网内的负载变化情况。直流微电网的初始负载设定为75kW，如图15所示。储能变换器经过180ms将直流母线电压维持在400V，如图14所示。0.5s时，25kW的负载投入到直流微电网，由于注入直流微电网的瞬时功率小于直流微电网的瞬时需求功率，因此母线电压暂时下降，下降谷值为397V，直流母线电压经过70ms后维持恒定值400V。在1.0s时，直流微电网再次投入负载25kW，分析与上述相同。1.5s时，直流微电网切除25kW负载，瞬时供给功率大于直流微电网瞬时需求功率，因此直流母线电压短时上升，上升峰值为403.2V，经过63ms后直流母线维持恒定值400V。受储能电池放电电流的影响，储能电池的输出端电压也随之波动，如图16所示。

图14 储能控制下直流母线电压Fig.14 DC bus voltage at battery control

图15 直流微电网负载功率Fig.15 DC microgrid load power

图16 储能电池输出端电压Fig.16 The discharge current of battery

4 结束语

考虑直流微电网并网和离网两种运行模式，根据直流微电网不同的工作状态，采用基于交流电网或储能电池的控制策略.并网状态下，AC-DC变换器采用前馈解耦的dq控制.离网状态下，DC-DC变换器采用电压电流双环PI控制.通过合理设计变换器的控制参数，提高控制系统的动态性能，保持直流母线电压恒定，实现了系统功率平衡流动.

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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

赵中田，男，zztianor@126.com;

胡健，男，hujian@sdut.edu.cn

1672-6197(2018)01-0069-06

TM7

A

(编辑：刘宝江)