兼容分布式电源的直流配电系统运行控制技术

摘 要：该文主要探究兼容分布式电源的直流配电系统运行控制技术，旨在提升直流配电网的电压稳定性和运行可靠性。以直流配电系统中的并网接口作为控制对象，在并网接口中设计三相VSC变换器和DC/DC变换器，均采用电流与电压的双闭环控制策略。在交流负载侧采用恒压恒频控制，满足直流配电网向交流电网供电的需要。仿真结果表明，并网接口的VSC变换器和DC/DC变换器直流侧输出电压在启动1.5 s后达到设定值并且维持稳定，系统动态响应性能良好；交流负载侧电压的幅值和频率恒定，稳定输出220 V交流电压，保证直流配电系统的可靠运行。

关键词：兼容分布式电源；直流配电系统；变换器；并网接口；控制模块

中图分类号：TM721.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0178-04

Abstract： This paper mainly explores the operation control technology of DC distribution system compatible with distributed power supply， in order to improve the voltage stability and operation reliability of DC distribution network. Taking the grid-connected interface of DC distribution system as the control object， three-phase VSC converter and DC/DC converter are designed in the grid-connected interface， both of which adopt the double closed-loop control strategy of current and voltage. Constant voltage and constant frequency control is adopted on the AC load side to meet the needs of DC distribution network to supply power to AC network. The simulation results show that the DC-side output voltage of VSC converter and DC/DC converter with grid-connected interface reaches the set value and remains stable after 1.5s start-up， and the dynamic response performance of the system is good; the amplitude and frequency of AC load side voltage are constant， and the output voltage of 220V AC is stable， which ensures the reliable operation of DC distribution system.

Keywords： compatible distributed power supply; DC distribution system; converter; grid-connected interface; control module

现阶段技术较为成熟的分布式电源有光伏电池、燃料电池、风力机等，分布式电源产生的直流电可以直接并入直流配电网，省去了换流步骤，简化了直流配电系统的结构。从实际应用效果来看，直流配电系统具有更高的供电可靠性、更低的线路损耗、更便捷的分布式电源接入方式等特点，因此兼容分布式电源的直流配电系统得到了广泛运用。为了进一步提高系统运行稳定性，避免因为分布式电源的波动而引起直流母线电压闪变、跌落等情况，必须要对直流配电系统进行实时监控。结合兼容分布式电源的直流配电系统的结构特点与运行模式，探究其运行控制策略对保障直流配电系统可靠运行、维护电网公司经济利益有积极帮助。

1 直流配电系统及其各单元控制模式

1.1 直流配电系统控制模块

为保证直流母线电压稳定在安全区间，需要对直流配电系统进行有效控制。可选择的控制对象有若干种，如并网接口交流器以及负载侧变换器等。其中，并网接口可以在直流配电网的电压出现波动时，起到缓解用户侧电压陡升或骤降的作用，从而避免用户侧电气设备因为电压波动而遭受损失；负载侧变换器则是在电网负荷出现小范围突变后自动调节负荷侧电压，避免电压波动对直流母线侧电压产生不良影响。直流配电系统的控制原理如图1所示。

由图1可知，该直流配电系统可以兼容光伏发电、风力发电、燃料电池3种分布式电源。通过分布式电源发电容量PDG以及负荷侧用电情况PLOAD判断VSC（电压源换流器）和DC/DC（直流-直流变换器）的运行工况。如果存在PDG＞PLOAD，此时VSC处于逆变状态，DC/DC置于Boost模式（升压模式），将多余的电量经并网接口传输给交流主网，即直流配电网向交流电网供电；反之，如果存在PDG＜PLOAD，此时VSC处在整流状态，DC/DC置于Buck模式（降压模式），由交流电网向直流配电网供电[1]。

1.2 直流配电系统并网接口模块

1.2.1 三相VSC变换器

在直流配电系统中，并网接口选用VSR（电压型PWM整流器），其特点是将电容作为储能元件，从而使VSR的直流输出侧呈现出低阻抗的电压源特性。三相VSR采用三相半桥拓扑结构，如图2所示。

图2中，Usa、Usb、Usc表示三相电压，ia、ib、ic表示三相电流，R表示三相滤波电阻，L表示三相滤波电感，6个全控器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）采用对称并联方式连接，idc和Udc分别表示直流侧的电流和电压。当VSR正常运行时，从交流侧流向整流桥的能量会存储到网侧滤波电感上，然后进行PWM整流。电感值对直流配电系统的运行有明显影响，增大电感能够减少输入侧电流中高次谐波的含量，从而提高电能质量；但是电感太大又会导致直流配电系统响应速度降低，实际应用中需要根据直流配电网的额定电压确定电感值。

在控制策略上，三相VSR采用由电压外环和电流内环组成的“双闭环”控制，电压外环上的PWM整流器可以跟踪直流侧电压的给定值，灵活调节实际输出电压值，保证实际值与给定值之间的误差在±5 V以内，达到稳压的目的；电流内环上设置了交流侧电流反馈，进一步增强了整流器网侧电流的响应速度，提升电流控制的鲁棒性，从而使直流配电系统的动态响应速度得到了加强[2]。

1.2.2 DC/DC变换器

并网接口中的DC/DC变换器，可以把一种直流电源转变成另一种幅值不同、极性不同的直流电源，具体又可分为Boost变换器（升压型）、Buck变换器（降压型）以及双向变换器等类型。鉴于直流配电系统的并网接口处，存在能量双向流动的特性，因此本文在设计中选择了双向DC/DC变换器，该器件的拓扑结构如图3所示。

图3中，U1侧为高压侧，与VSC直流端相连；Udc侧为低压侧，输出电压为直流母线电压；开关S1和二极管D1、开关S2和二极管D1分别组成2个IGBT器件。当S1闭合、S2断开时，能量流动方向为U1→Udc，此时为Buck变换器模式，即交流电网向直流配电系统供电；反之，当S1断开、S2闭合时，能量流动方向为Udc→U1，此时为Boost变换器模式，即直流配电系统向交流电网供电。需要注意的是，无论直流配电系统处于哪种工作状态，电压U0的波形始终为正，而电感电流iL的方向受到U0和Udc差值的影响，若U0-Udc的值为正，则iL的方向为正，反之同理。

在控制策略上，针对传统单环控制存在的响应速度慢等问题，在原来电压反馈的基础上引入电流反馈，形成由电流控制和电压控制相结合的“双环”控制模式[3]。其中，电流控制用于实时监测并灵活调节功率开关管的最大电流值，电压控制则是对比输出电压与参考电压的差值，由PI控制器根据差值输出一个PWM电压控制信号，从而使输出电压始终等于或接近参考电压。

1.3 直流配电系统负载侧控制模块

负载侧变换器作为直流配电系统中的核心设备，可用于保证母线侧电压不受负荷侧电压的波动影响。为了满足直流配电系统向交流电网供电的需要，本文设计了交流负载侧单向DC/AC逆变器，支持自定义输出电压的幅值和频率，并基于电流、电压双环控制策略，保证输出恒压、恒频的工频交流电压。这样既可以满足向交流负载侧供电的需要，同时又能提高动态响应性能。交流负载侧的恒压恒频（V/F）控制系统结构如图4所示。

系统首先对比设定的参考电压Vref与采样得到的输出电压V0，将两者的误差信号Ve发送到电压环控制器上。经过处理后，控制器输出电流环的参考电流iref，同时采集逆变器的电感电流iL，按照同样的方法得到误差信号ie，并将其发送到电流环控制器。经过处理后，控制器输出逆变器SPWM控制信号。在该信号的驱动下，IGBT输出工频正弦电压。在保证逆变器输出电压稳定的前提下，适当加强电流环，将会使直流配电系统的抗干扰能力和动态响应速度得到明显提升[4]。

2 直流配电系统运行控制仿真分析

为验证兼容分布式电源的直流配电系统的运行控制效果，基于Matlab软件进行了仿真试验。将系统直流母线电压设定岗位DC380 V，模拟为4个居民楼用户供电。用户侧的分布式电源有3种，分别是光伏电池、储能电池、小型风机，分布式电源相互独立，各台分布式电源与交流器采用一对一的方式连接后接入直流配电系统实现并网。为满足用户的用电需要，将直流配电系统负荷的总容量确定为300 kW。另外，选择4个相同的100 kW变流器作为并网接口，3主1备，任意一台主变流器发生故障后，备用变流器自动投切使用，保证直流配电系统的可靠运行。

2.1 并网接口模块仿真

基于上述直流配电系统仿真模型，验证并网接口模块的功能实现情况。仿真参数设定如下。

交流侧输入电压为380 V。

VSC直流侧输出电压为800 V。

交流侧输如电感为5 mH。

VSC直流侧电容为20 mF。

DC/DC直流侧输出电压为380 V。

DC/DC侧输入电感为1 mH。

DC/DC直流侧电容为100 mF。

设定好各项参数后，观察VSC和DC/DC直流侧的输出电压波形，如图5所示。

由图5可知，在直流配电系统启动运行后，VSC直流侧输出电压和DC/DC直流侧输出电压快速升高，大约在1.5 s后稳定在设定的800 V和380 V。该直流配电系统只需要1.5 s的响应时间即可达到稳定运行状态，动态响应性能较好。

2.2 负载DC/AC模块仿真

直流配电系统与交流电网之间进行双向能量传递，本文设计的直流配电系统中加入了单向的DC/AC逆变器，确保在直流配电系统向交流电网供电时，能够输出一个恒压恒频的电压[5]。为了验证这一功能，对负载DC/AC模块进行了仿真验证。采用电压和电流双环控制方式，仿真参数设定如下。

直流母线电压为380 V。

负载侧电压为220 V。

开关频率为100 kHz。

滤波电感为20 mH。

滤波电容为100 mF。

开关管类型为IGBT。

负载侧电压波形如图6所示。

由图6可知，交流负载侧电压波形的幅值和频率恒定，并且实际电压值与设定值相同（220 V），说明本文设计的直流配电系统在加入了单向DC/AC逆变器后，能够实现恒压恒频控制。

3 结束语

随着光伏发电、风力发电等新能源发电技术的成熟，基于分布式电源的直流配电系统也得到了广泛应用。如何保证直流配电系统的可靠运行，实现直流配电网与交流电网的双向能量交换，成为当前研究的重点。在直流配电系统中加入基于VSC变换器和DC/DC变换器的并网接口，在提高系统响应速度的同时，还能减少电压波动，提高了电能质量。同时，在交流负载侧采取DC/AC恒压恒频控制策略，能够保证直流配电系统向交流电网稳定供电，进一步提高了风能、光能等新能源的利用率。

参考文献：

[1] 许乾隆，丁宜海，白练.基于差分进化算法的分布式电源DG规划设计[J].电力大数据，2023（6）：36-48.

[2] 张文杰，吕世轩，高启瑄.基于固态变压器的交直流混合配电系统协调运行控制策略[J].电力建设，2023（4）：10-12.

[3] 余江盛，黄匀飞，袁灿培，等.基于自适应功率调节的多端柔性直流配电网主从控制策略[J].广东电力，2022（3）：35-36.

[4] 吴琦，邓卫，裴玮.低压多端直流配电系统的电压控制主站选取分析研究[J].电网技术，2022（9）：46-48.

[5] 赵亚雄.基于IDC配电系统的直流变压器拓扑及其控制方法的研究[J].通信电源技术，2023（11）：4-6.