基于多端口直流變換器的直流微電網的控制與仿真

黃志鵬，　潘三博，　馬　咪，　蔡靜雯

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

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基于多端口直流變換器的直流微電網的控制與仿真

黃志鵬，潘三博，馬咪，蔡靜雯

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

摘要研究了一種由分布式能源、儲能及負荷等單元構成的基于多端口直流變換器的直流微電網結構；利用直流母線電壓下垂控制方法對各個端口的直流變換器進行控制，實現直流微電網中能量的合理分配及直流母線電壓的穩定。通過建立相應的PSCAD仿真模型驗證了多端口直流變換器用于直流微電網的可行性以及系統的協調控制能力。

關鍵詞直流微電網; 多口直流變換器; 協調控制; 最大功率點跟蹤

環境污染與能源危機的加重使得能源的利用從傳統能源向可再生能源轉化。可再生能源通常是以分布式發電的形式接入電網，而分布式能源的間歇性和波動性將對傳統電網產生一系列新的挑戰。為了滿足電力系統的穩定性、靈活性及可靠性等要求，直流微電網應運而生。2004年日本提出了直流微電網配電構思，并完成了10kW直流配電系統樣機[1]；2011年ABB首個推出了全球直流微電網方案，2012年中國廈門大學完成了國內首個全直流微電網項目并成功運行[2]。直流微網具有線路成本低、輸電能力強、控制簡單、轉化效率高等特點[3-5]，能夠滿足新能源接入、輕型直流輸電、高科技、節能等各方面的需求，同時符合環保要求[6]，是未來電網發展的新方向。

在直流微電網中，為保證系統的安全可靠運行，需采取有效的措施來實現分布式能源發電、負載與儲能之間的協調控制。文獻[7-8]中介紹了雙輸入變換器的結構及工作原理，但未分析其在實際中的應用及相應的控制策略。文獻[9]中對一光伏側變換器進行了分析，但其結構太簡單，不能體現多端口直流變換器的優越性。本文將太陽能、風能等自然能源轉化為電能，通過多端口直流變換器接入直流母線，給出了基于多端口直流變換器的直流微電網的結構模型，對模型中的能源特性、多端口直流變換器控制方式進行了分析。通過PSCAD軟件建立了相應的仿真模型，仿真結果驗證了模型及控制策略的正確性。

1結構及微源特性

1.1結構框架

為了解決直流微電網中能源的接入、控制和傳輸等問題，本文研究了一種基于多端口直流變換器的直流微電網結構模型。在孤網狀態下，該直流微電網的結構框架如圖1所示。

圖1　基于多端口直流變換器的直流微電網結構框架Fig.1　Framework of DC micro-grid based on multi-port DC converter

該結構主要包括分布式能源、多端口直流變換器、儲能及負荷等單元。其中，分布式能源的電力通過多端口直流變換器納入到微電網中來，實現能源的協調控制，包括能源的交換和用量調節。該結構的突出優勢如下： 具有通用型接口，可實現分布式能源的即插即用，結構簡單，成本低等。該框架的內部結構如圖2所示。

圖2　框架的內部結構Fig.2　Internal structure of the framework

1.2微源特性

直流微電網中分布式能源發電是能量的主要來源，為了使光伏發電及風力發電發出的功率得到最大程度的利用，需要對光伏及風力發電模塊進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。

1.2.1光伏發電模塊光伏電池的輸出特性曲線如圖3所示[10]。由圖3(a)可見，當光伏電池輸出電壓較小時，其輸出電流在一定范圍內保持不變，相當于電流源的性質；當光伏電池輸出電流較小時，其輸出電壓將在一定范圍內保持一致，此時光伏電池相當于電壓源的性質。光伏電池輸出功率為圖中的陰影部分，即為最大功率點所對應的是最大功率點電壓與最大功率點電流的乘積。由圖3(b)可知，在一定環境條件下，光伏電池的最大功率點只有一個。而在實際情況下，光伏電池受外界環境條件等的影響會使工作點偏離最大功率點處。

光伏發電MPPT控制就是對光伏電池的輸出功率進行檢測，運用相應的控制算法，不斷地調節其系統工作狀態，來跟蹤最大功率點，從而實現

圖3　光伏電池輸出特性曲線Fig.3　Output characteristic curve of PV cells

系統的最大功率輸出。目前比較常見的MPPT方法有電導增量法、擾動觀察法、恒定電壓跟蹤法等[11]。由于電導增量法具有使光伏電池輸出電壓隨光照和溫度變化而變化，且穩定在最大功率點附近，不會出現誤判情況，控制效果好、控制精度高的特點[12]。因此，本文采用電導增量法來實現光伏發電的MPPT。

電導增量法的基本原理是根據最大功率點處的電壓對光伏電池的輸出電壓進行調節。由圖 3(b) 可知，光伏電池在輸出最大功率點滿足曲線斜率為零，即

dP/dU=0

(1)

由于

詩意美是《雨巷》最為突出的特點之一。“藝術作品的形式美，歸根結底，也正是這樣一種生命感應的產物”。詩歌作為一種充滿藝術性的作品形式，與其他體裁相比，簡潔而又含蓄，卻能將作者的心緒、感受完美地詮釋；精練的語言，短小的篇幅，卻能引人遐想。

P=UI

(2)

對式(2)關于U進行微分，得

(3)

根據光伏電池I/U特性，曲線的瞬時電導為

G=I/U

(4)

則電導增量為

ΔG=dI/dU

(5)

將式(4)、(5)代入式(3)，可得

(6)

(7)

1.2.2風力發電模塊風機通過其葉片來捕獲風能，并將其轉化為機械能，帶動發電機的運轉。最大風能的跟蹤即為跟蹤風機所能捕獲的最大風能。為了反映風能轉換為機械能的復雜過程，需要運用空氣動力學中槳葉基本理論來建立精確的模型。但是，該理論含有相關的幾何學知識、復雜的計算過程以及多種風信號，為建模帶來較大的困難。為了避免上述困難，可通過風速與捕捉的能量的關系式，建立簡易的風力機模型。

根據貝茲理論，有

(8)

式中，m為風的質量；ρ0為空氣密度，kg/m3；v為實際風速，m/s；P0為風通過風輪掃掠單位面積所獲取的功率，W；R為風輪半徑，m。

根據式(8)可得出風機捕獲的功率為[13]

P=0.5ρ0Sv3CP

(9)

Tm=0.5ρ0πR3v3CP(λ，β)/β

(10)

式中，CP為風機利用風能的系數；λ為葉尖速比；Tm為機械轉矩；β為葉槳矩角。風機的風能利用系數CP反映了風機對風能吸收利用的效率，其大小與風速、風機轉速以及葉片參數有關[13]。

風能MPPT控制技術具有代表性的方法包括[14]： 葉尖速比法、反饋控制策略、擾動控制策略。前兩者對小型風機不具有適用性，而擾動控制策略較適用于小型風機的最大功率跟蹤，故本文采用擾動控制策略來進行風能最大功率跟蹤控制。該策略同光伏發電最大功率跟蹤的擾動法相似，只要給定風機出現微小的擾動，就能使風機輸出功率發生微小變化，若變化量為正，則擾動方向為正向，可繼續增加擾動；若變化量為負，則擾動方向為反向，如此反復控制使風機工作在最大功率點處。

1.3多端直流變換器類型

為提高系統工作的靈活性，輸出并聯型多端口變換器成為光伏發電、風力發電及負載接入直流母線的重要設備。其中的各個變換器均具有升壓、降壓的功能，當分布式能源發電輸出端電壓變化較大時，既可通過升壓接入直流母線，又可通過降壓接入直流母線，使分布式電源接入直流微網的靈活性大大提高；對于負載來說，具有升、降壓功能的變換器可使多電壓等級的負載穩定工作。

在直流微電網中，輸出并聯型多端口直流變換器相當于多個單端口直流變換器的并聯，即分布式能源、儲能都有單獨的直流變換器，各個變換器的輸出端并聯接入直流母線(見圖1)；變換器的輸出電壓相同，輸出電流的大小則根據負載情況和各分布式電源的功率輸出特點而定。

2協調控制策略分析

本文研究的多端口直流變換器的直流微電網采用直流母線電壓下垂控制策略[15-17]，將直流母線電壓作為控制信號，根據各分布式能源的優先級設置參考閾值，使其運行在下垂控制模式或MPPT模式。

在基于多端口直流變換器的直流微電網中，通過對各個端口的直流變換器的控制實現直流微電網中能量的合理分配及直流母線電壓的穩定。其中，光伏發電經過Boost變換器接入直流母線電壓；風力發電通過不控整流后，使交流電轉換成直流電，然后經過Boost變換器接入直流母線；超級電容則通過Buck/Boost變換器控制儲能單元的充、放電；直流負載通過Buck/Boost變換器接入直流母線，可滿足具有不同額定電壓等級的負載之間的切換，具有廣泛的適用性。

2.1光伏側直流變換器控制方式

光伏側直流變換器控制方式如圖4所示。該變換器可工作在MPPT模式及電壓下垂控制模式。當負荷較大時，開關信號為0，光伏發電工作在MPPT模式；當負荷減小或分布式電源發出的功率增加，經儲能后仍有剩余時，開關信號為1，光伏發電工作在電壓下垂控制模式[18-19]。

圖4　光伏發電接口變換器控制方式Fig.4　Control method of PV interface converter

以光伏發電為例分析電壓下垂控制策略的工作原理，圖5為光伏發電系統電壓下垂特性曲線。

圖5　光伏發電系統電壓下垂特性曲線Fig.5　Voltage droop characteristic curve of PV

圖中，UPV，MPPT為光伏發電系統在MPPT模式時直流母線電壓的參考閾值；ΔUPV為光伏發電模式切換閾值間變換量；IPV，MPPT為光伏發電系統工作在MPPT模式時的直流變換器的輸出端電流；PPV，MPPT為光伏發電最大輸出功率。UPV，n已給定，則

(12)

設PPV為光伏電池輸出功率，有

PPV=UPVIPO

(13)

當光伏電池輸出最大功率為PPV，E時，對應的最大功率點電壓、電流分別為UPV，MPPT、IPV，MPPT，將點(UPV，MPPT，IPV，MPPT)代入式(12)，可得

(14)

同理，在下垂控制階段，檢測光伏電池任意時刻的直流母線端輸出電壓與輸出電流，均可根據式(12)求得KPV，且在同一環境條件下該值為恒定值。

2.2風力發電側直流變換器控制方式

風力發電側直流變換器控制方式如圖6所示。與光伏發電變換器控制方法類似，通過開關信號的改變使風力發電工作在MPPT模式[20-22]或電壓下垂控制模式。

圖6　風力發電接口變換器控制方式Fig.6　Control method of wind power’s interface converter

圖中，UW，n為風力發電系統下垂控制參考閾值；KW為風力發電接口變換器的電壓下垂系數；IWO為接口變換器母線端電流；IWL，ref為電感電流參考值；iWL為電感電流測量值;UW、IW分別為風機的輸出電壓與電流。

設ΔUW為風力發電模式切換閾值間變換量；IW，MPPT為風力發電系統工作在MPPT模式時，直流變換器輸出端的電流；PW，MPPT為風力發電系統最大輸出功率。同理，根據系統發電側直流變換器控制方式可知：

(15)

(16)

2.3儲能側直流變換器控制方式

儲能側直流變換器控制方式如圖7所示。圖中，UDC，ref為儲能裝置直流母線端電壓參考值；IBL為儲能裝置側電感電流；IBL，ref為電感電流參考值；UC，ref、UC為儲能電容端電壓參考值和測量值。儲能充、放電方式與其端電壓及直流母線電壓有關。

圖7　儲能接口變換器控制方式Fig.7　Control method of stored energy’s interface converter

當分布式電源發出的功率大于負載所消耗的功率，且直流母線電壓大于設定的參考閾值時，開關信號為0，儲能單元開始充電。充電初期，超級電容端電壓較低，電壓環誤差值較大，達到限幅環節的限定值，儲能以恒流方式充電；隨著超級電容端電壓的不斷增大，電壓環輸出不斷減小，達到限幅環節限定值后，開始轉入恒壓充電過程。若負載增加，當分布式電源發出的功率不能滿足負載所消耗的功率時，開關信號為1，此時，采用的電壓電流雙閉環控制策略維持了UDC的穩定。此外，為避免持續充、放電對儲能元件壽命的影響，增加了電壓保護環節，即當UDC處于保護電壓階段時，儲能元件處于關斷狀態。

2.4負載側直流變換器控制方式

圖8　負載側接口變換器控制方式Fig.8　Control method of load’s interface converter

3仿真分析

為了分析基于多端口直流變換器的直流微電網在協調控制過程中的工作模式，本文采用PSCAD軟件搭建了如圖1所示的仿真模型。設UDC額定值為500V，將直流母線電壓下垂控制的參考閾值設為525V，而直流母線電壓切負荷的參考閾值設為 480V，開關頻率為 5kHz，仿真時間

為10s。系統的仿真參數如表1所示。

表1　仿真參數Tab.1　Parameter of simulation

表2給出了不同時刻，系統各模塊的工作狀態。圖9給出了基于多端口變流變換器的直流微電網孤網運行時的仿真結果。由仿真結果可知： 通過對多端口直流變換器的控制可使風力發電與光伏發電輸出的功率得到合理分配，當風力發電不足時，光伏發電由下垂控制切換到MPPT控制狀態，與儲能系統共同作用，實現能量的協調控制。

表2　不同時刻，系統各模塊的工作狀態Tab.2　Working state of each module at different times

圖9　基于多端口直流變換器的直流微電網仿真波形Fig.9　Simulated wave-formsof DC micro-grid based on multi-port DC converter

4結語

本文研究了一種基于多端口直流變換器的直流微電網結構，采用超級電容充電的形式進行儲能，負載側則采用Buck-Boost直流變換器來滿足不同電壓等級的負載需求，擴大了多端口直流變換器的應用范圍。采用直流母線電壓下垂控制策略實現了系統的能量協調控制，使能源得到了高效合理的分配。

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收稿日期：2016-03-28

基金項目：上海市教育委員會科研創新項目資助(14YZ160)

作者簡介：黃志鵬(1990-)，男，碩士生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail： 146001010405@st.sdju.edu.cn

文章編號2095-0020(2016)03-0147-08

中圖分類號TM 761

文獻標識碼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)