兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)運行控制技術

摘 要：該文主要探究兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)運行控制技術，旨在提升直流配電網的電壓穩(wěn)定性和運行可靠性。以直流配電系統(tǒng)中的并網接口作為控制對象，在并網接口中設計三相VSC變換器和DC/DC變換器，均采用電流與電壓的雙閉環(huán)控制策略。在交流負載側采用恒壓恒頻控制，滿足直流配電網向交流電網供電的需要。仿真結果表明，并網接口的VSC變換器和DC/DC變換器直流側輸出電壓在啟動1.5 s后達到設定值并且維持穩(wěn)定，系統(tǒng)動態(tài)響應性能良好；交流負載側電壓的幅值和頻率恒定，穩(wěn)定輸出220 V交流電壓，保證直流配電系統(tǒng)的可靠運行。

關鍵詞：兼容分布式電源；直流配電系統(tǒng)；變換器；并網接口；控制模塊

中圖分類號：TM721.1 文獻標志碼：A 文章編號：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

現階段技術較為成熟的分布式電源有光伏電池、燃料電池、風力機等，分布式電源產生的直流電可以直接并入直流配電網，省去了換流步驟，簡化了直流配電系統(tǒng)的結構。從實際應用效果來看，直流配電系統(tǒng)具有更高的供電可靠性、更低的線路損耗、更便捷的分布式電源接入方式等特點，因此兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)得到了廣泛運用。為了進一步提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，避免因為分布式電源的波動而引起直流母線電壓閃變、跌落等情況，必須要對直流配電系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。結合兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)的結構特點與運行模式，探究其運行控制策略對保障直流配電系統(tǒng)可靠運行、維護電網公司經濟利益有積極幫助。

1 直流配電系統(tǒng)及其各單元控制模式

1.1 直流配電系統(tǒng)控制模塊

為保證直流母線電壓穩(wěn)定在安全區(qū)間，需要對直流配電系統(tǒng)進行有效控制。可選擇的控制對象有若干種，如并網接口交流器以及負載側變換器等。其中，并網接口可以在直流配電網的電壓出現波動時，起到緩解用戶側電壓陡升或驟降的作用，從而避免用戶側電氣設備因為電壓波動而遭受損失；負載側變換器則是在電網負荷出現小范圍突變后自動調節(jié)負荷側電壓，避免電壓波動對直流母線側電壓產生不良影響。直流配電系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

由圖1可知，該直流配電系統(tǒng)可以兼容光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池3種分布式電源。通過分布式電源發(fā)電容量PDG以及負荷側用電情況PLOAD判斷VSC（電壓源換流器）和DC/DC（直流-直流變換器）的運行工況。如果存在PDG＞PLOAD，此時VSC處于逆變狀態(tài)，DC/DC置于Boost模式（升壓模式），將多余的電量經并網接口傳輸給交流主網，即直流配電網向交流電網供電；反之，如果存在PDG＜PLOAD，此時VSC處在整流狀態(tài)，DC/DC置于Buck模式（降壓模式），由交流電網向直流配電網供電[1]。

1.2 直流配電系統(tǒng)并網接口模塊

1.2.1 三相VSC變換器

在直流配電系統(tǒng)中，并網接口選用VSR（電壓型PWM整流器），其特點是將電容作為儲能元件，從而使VSR的直流輸出側呈現出低阻抗的電壓源特性。三相VSR采用三相半橋拓撲結構，如圖2所示。

圖2中，Usa、Usb、Usc表示三相電壓，ia、ib、ic表示三相電流，R表示三相濾波電阻，L表示三相濾波電感，6個全控器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）采用對稱并聯(lián)方式連接，idc和Udc分別表示直流側的電流和電壓。當VSR正常運行時，從交流側流向整流橋的能量會存儲到網側濾波電感上，然后進行PWM整流。電感值對直流配電系統(tǒng)的運行有明顯影響，增大電感能夠減少輸入側電流中高次諧波的含量，從而提高電能質量；但是電感太大又會導致直流配電系統(tǒng)響應速度降低，實際應用中需要根據直流配電網的額定電壓確定電感值。

在控制策略上，三相VSR采用由電壓外環(huán)和電流內環(huán)組成的“雙閉環(huán)”控制，電壓外環(huán)上的PWM整流器可以跟蹤直流側電壓的給定值，靈活調節(jié)實際輸出電壓值，保證實際值與給定值之間的誤差在±5 V以內，達到穩(wěn)壓的目的；電流內環(huán)上設置了交流側電流反饋，進一步增強了整流器網側電流的響應速度，提升電流控制的魯棒性，從而使直流配電系統(tǒng)的動態(tài)響應速度得到了加強[2]。

1.2.2 DC/DC變換器

并網接口中的DC/DC變換器，可以把一種直流電源轉變成另一種幅值不同、極性不同的直流電源，具體又可分為Boost變換器（升壓型）、Buck變換器（降壓型）以及雙向變換器等類型。鑒于直流配電系統(tǒng)的并網接口處，存在能量雙向流動的特性，因此本文在設計中選擇了雙向DC/DC變換器，該器件的拓撲結構如圖3所示。

圖3中，U1側為高壓側，與VSC直流端相連；Udc側為低壓側，輸出電壓為直流母線電壓；開關S1和二極管D1、開關S2和二極管D1分別組成2個IGBT器件。當S1閉合、S2斷開時，能量流動方向為U1→Udc，此時為Buck變換器模式，即交流電網向直流配電系統(tǒng)供電；反之，當S1斷開、S2閉合時，能量流動方向為Udc→U1，此時為Boost變換器模式，即直流配電系統(tǒng)向交流電網供電。需要注意的是，無論直流配電系統(tǒng)處于哪種工作狀態(tài)，電壓U0的波形始終為正，而電感電流iL的方向受到U0和Udc差值的影響，若U0-Udc的值為正，則iL的方向為正，反之同理。

在控制策略上，針對傳統(tǒng)單環(huán)控制存在的響應速度慢等問題，在原來電壓反饋的基礎上引入電流反饋，形成由電流控制和電壓控制相結合的“雙環(huán)”控制模式[3]。其中，電流控制用于實時監(jiān)測并靈活調節(jié)功率開關管的最大電流值，電壓控制則是對比輸出電壓與參考電壓的差值，由PI控制器根據差值輸出一個PWM電壓控制信號，從而使輸出電壓始終等于或接近參考電壓。

1.3 直流配電系統(tǒng)負載側控制模塊

負載側變換器作為直流配電系統(tǒng)中的核心設備，可用于保證母線側電壓不受負荷側電壓的波動影響。為了滿足直流配電系統(tǒng)向交流電網供電的需要，本文設計了交流負載側單向DC/AC逆變器，支持自定義輸出電壓的幅值和頻率，并基于電流、電壓雙環(huán)控制策略，保證輸出恒壓、恒頻的工頻交流電壓。這樣既可以滿足向交流負載側供電的需要，同時又能提高動態(tài)響應性能。交流負載側的恒壓恒頻（V/F）控制系統(tǒng)結構如圖4所示。

系統(tǒng)首先對比設定的參考電壓Vref與采樣得到的輸出電壓V0，將兩者的誤差信號Ve發(fā)送到電壓環(huán)控制器上。經過處理后，控制器輸出電流環(huán)的參考電流iref，同時采集逆變器的電感電流iL，按照同樣的方法得到誤差信號ie，并將其發(fā)送到電流環(huán)控制器。經過處理后，控制器輸出逆變器SPWM控制信號。在該信號的驅動下，IGBT輸出工頻正弦電壓。在保證逆變器輸出電壓穩(wěn)定的前提下，適當加強電流環(huán)，將會使直流配電系統(tǒng)的抗干擾能力和動態(tài)響應速度得到明顯提升[4]。

2 直流配電系統(tǒng)運行控制仿真分析

為驗證兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)的運行控制效果，基于Matlab軟件進行了仿真試驗。將系統(tǒng)直流母線電壓設定崗位DC380 V，模擬為4個居民樓用戶供電。用戶側的分布式電源有3種，分別是光伏電池、儲能電池、小型風機，分布式電源相互獨立，各臺分布式電源與交流器采用一對一的方式連接后接入直流配電系統(tǒng)實現并網。為滿足用戶的用電需要，將直流配電系統(tǒng)負荷的總容量確定為300 kW。另外，選擇4個相同的100 kW變流器作為并網接口，3主1備，任意一臺主變流器發(fā)生故障后，備用變流器自動投切使用，保證直流配電系統(tǒng)的可靠運行。

2.1 并網接口模塊仿真

基于上述直流配電系統(tǒng)仿真模型，驗證并網接口模塊的功能實現情況。仿真參數設定如下。

交流側輸入電壓為380 V。

VSC直流側輸出電壓為800 V。

交流側輸如電感為5 mH。

VSC直流側電容為20 mF。

DC/DC直流側輸出電壓為380 V。

DC/DC側輸入電感為1 mH。

DC/DC直流側電容為100 mF。

設定好各項參數后，觀察VSC和DC/DC直流側的輸出電壓波形，如圖5所示。

由圖5可知，在直流配電系統(tǒng)啟動運行后，VSC直流側輸出電壓和DC/DC直流側輸出電壓快速升高，大約在1.5 s后穩(wěn)定在設定的800 V和380 V。該直流配電系統(tǒng)只需要1.5 s的響應時間即可達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，動態(tài)響應性能較好。

2.2 負載DC/AC模塊仿真

直流配電系統(tǒng)與交流電網之間進行雙向能量傳遞，本文設計的直流配電系統(tǒng)中加入了單向的DC/AC逆變器，確保在直流配電系統(tǒng)向交流電網供電時，能夠輸出一個恒壓恒頻的電壓[5]。為了驗證這一功能，對負載DC/AC模塊進行了仿真驗證。采用電壓和電流雙環(huán)控制方式，仿真參數設定如下。

直流母線電壓為380 V。

負載側電壓為220 V。

開關頻率為100 kHz。

濾波電感為20 mH。

濾波電容為100 mF。

開關管類型為IGBT。

負載側電壓波形如圖6所示。

由圖6可知，交流負載側電壓波形的幅值和頻率恒定，并且實際電壓值與設定值相同（220 V），說明本文設計的直流配電系統(tǒng)在加入了單向DC/AC逆變器后，能夠實現恒壓恒頻控制。

3 結束語

隨著光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源發(fā)電技術的成熟，基于分布式電源的直流配電系統(tǒng)也得到了廣泛應用。如何保證直流配電系統(tǒng)的可靠運行，實現直流配電網與交流電網的雙向能量交換，成為當前研究的重點。在直流配電系統(tǒng)中加入基于VSC變換器和DC/DC變換器的并網接口，在提高系統(tǒng)響應速度的同時，還能減少電壓波動，提高了電能質量。同時，在交流負載側采取DC/AC恒壓恒頻控制策略，能夠保證直流配電系統(tǒng)向交流電網穩(wěn)定供電，進一步提高了風能、光能等新能源的利用率。

參考文獻：

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