交直流混合微网系统中直流母线电压稳定性控制策略

郑诗程，曹梦林，李壮壮

(安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243032)

微电网(简称微网)是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等有机组合的小型发配电、用电系统，也是连接分布式电源与配电网的重要枢纽，合理利用微网是发挥分布式电源效能的有效方式[1-3]。其中，直流母线电压的稳定是交直流混合微网系统中直流侧稳定运行的条件之一，分布式电源的存在会导致直流侧微网系统的功率波动，解决由分布式电源带来的功率波动始终是研究交直流微网的一个重要课题。文献[4]中建立了光储直流微网仿真模型，并提出稳定直流母线的控制策略，然而并未考虑实际中普通的双向变流器能否实现高变比及解决开关器件的电压应力问题。为此，针对光储型微网系统，以交错并联双向DC/DC(直流)变换器与双向DC/AC(交流)变换器构成微网能量变换接口，采用电压外环电流内环的双闭环控制策略实现对直流母线电压的控制，以期有效抑制光照强度变化引起的功率波动，稳定直流母线电压，减小对负载产生的不利影响。

1 交直流混合微网系统

交直流混合微网主要由分布式电源、双向变流器、储能系统、交直流负荷以及交直流母线构成[5-6]，其结构如图1。交直流混合微网系统中由于风电、光伏等分布式电源存在间歇性、随机性以及不可控性等问题，导致系统内部电压、频率波动，对电能质量、供电可靠性以及电网稳定性造成不利影响[7-8]。

图1 交直流混合微网结构Fig.1 Structure ofAC and DC hybrid micro-grid system

文中微网直流侧以光伏储能型为研究对象，由光伏发电系统、双向交错并联DC/DC变换器、蓄电池、负载(Load)以及双向DC/AC变换器等组成，如图2[9]。其中：光伏发电系统由光伏电池与单相Boost变换器构成；采用扰动观测法实现MPPT(最大功率点跟踪技术)；储能系统由交错并联双向DC/DC变换器与铅酸蓄电池组成；双向DC/AC采用全桥拓扑结构。

图2 光储微网系统Fig.2 Micro-grid system of light storage

2 微网系统能流和控制分析

2.1 变换器控制策略

在光储微网系统直流侧，光伏电池发出的功率主要由光照强度和外界温度决定，光照及温度会实时影响直流母线电压，造成系统不稳定，储能系统以及双向DC/AC可灵活应对光伏电池的功率波动，稳定直流母线电压。

2.1.1 双向DC/DC控制策略

交错并联拓扑结构的双向DC/DC变换器(bi-directional DC/DC converter,BDC)具有输入输出电压电流纹波小，开关器件电压应力低和稳定性能强等优势。图3为交错并联双向DC/DC拓扑结构与其控制策略。 图3(a)中，交错并联双向DC/DC变换器有两种工作模式，分别为Buck模式和Boost模式。当白天光照强度充足且温度适宜时，储能系统工作于Buck模式，将太阳能转换成化学能储存于蓄电池组中。在该模式下，开关管S1,S2的占空比相同，且具有固定的180o相位差。当夜间无光照时，储能系统工作于Boost模式，将蓄电池组中储存的化学能转换成电能输出到系统直流侧。在该模式下，开关管S3,S4的占空比相同，且具有固定的相位差180o。Buck模式与Boost模式下的电压增益AV分别如式(1)和(2)：

其中：D为功率开关器件的占空比；Ubat为蓄电池侧端电压；Ubus为直流母线电压。

如图3(b)所示，交错并联双向DC/DC变换器控制策略中，将电压外环控制直流母线电压Ubus与采集直流母线电压与给定值Ubus-ref进行比较，其误差经过PI调节器后作为蓄电池充电电流的给定值ibat-ref,且与蓄电池充放电电流ibat进行比较，经过PI调节后与三角波进行比较，得到变换器的PWM控制信号。

图3 交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构与其控制策略Fig.3 Topology and control strategy of interleaved BDC

2.1.2 双向DC/AC控制策略

图4为双向DC/AC变换器拓扑结构与其控制策略。如图4(a)所示，双向DC/AC变换器拓扑结构既可工作在整流状态，又可工作在有源逆变状态。其中：ig为网侧电流；ug为网侧电压；Lg为滤波电感[10]。

如图4(b)所示：双向DC/AC变换器的电压外环采用PI调节器，通过稳定直流母线电压实现输入与输出的能量平衡；电流内环的电流幅值Ig-ref,参考值是由电压外环的输出给定，电网电压ug的相位角θ通过软件锁相环PLL得到，由cosθ与Ig-ref的乘积可得网侧电流的参考信号ig-ref,由于内环给定为交流量，故电流内环采用P调节器实现对电流的快速跟踪。值得注意的是，系统工作在整流或者逆变状态下，内环的给定符号是相反的，否则系统无法正常运行。

图4 DC/AC变换器拓扑结构与其控制策略Fig.4 Topology and control strategy of DC/AC converter

2.2 储能系统功率流动

微网有两种运行模式，即孤岛运行模式与并网运行模式。孤岛运行时，微网与大电网分离，储能系统既可作为电源，在母线电压过低时向直流母线侧发出功率，也可作为负载；在母线电压过高时吸收系统冗余的功率，母线电压由交错并联双向DC/DC变换器进行控制。并网运行时，微电网与大电网并联运行，微网既可作为一种特殊电源向大电网输出功率，也可作为一种负荷吸收大电网的功率，依靠大电网来提供电压频率支撑，特殊情况下，也可通过双向DC/AC变流器来维持直流母线侧电压稳定。

图5 微网孤岛模式结构Fig.5 Structure of micro-grid in islanding mode

2.2.1 孤岛运行模式时的功率流动

图5为直流侧微网孤岛模式结构。由图5可知：光伏电池发出的功率为Ppv,MPPT装置始终使光伏电池工作于最大功率点附处；直流母线侧并联一个足够容量的电容C，目的是缓冲前、后级能量变换，且起到前、后级控制上的解耦作用；储能系统由交错并联双向DC/DC变换器和蓄电池构成，可使能量双向流动，发出或吸收的功率为Pbat,双向DC/DC变换器可根据直流母线电压是否高于或低于电压给定值Ubus=ref,决定蓄电池工作于放电或者充电状态；负载侧为纯阻性负载，吸收的功率为PLoad。

理想情况下，忽略开关器件以及线路内阻的损耗，则瞬时功率Ppv,PLoad,Pbat分别为：

式中：udc,idc分别为直流母线电压与电流；iL为负载侧电流；ub,ib分别为蓄电池端电压与充放电电流。

若令稳态时udc=Udc,ub=Ub,则孤岛模式下的功率关系为

由式(6)可得

由式(7)可知，孤岛模式下，直流母线电压通过蓄电池充放电电流ib来控制。当母线电压高于或低于参考范围时，为减小给负载带来的不利影响，蓄电池侧通过改变充放电电流ib进行调压控制，使直流母线侧的功率变化量ΔPdc与蓄电池吸收或释放功率ΔPbat相等。孤岛模式时，直流侧系统有两种状态。

1)光照强度充足时，若系统储能侧蓄电池处于非满充状态，光伏侧发出的能量大于负载所能吸收的能量，即Ppv＞PLoad时，则蓄电池工作于充电状态，吸收系统多余的能量，使直流母线侧电压稳定在给定的范围内，此时

若系统储能侧处于满充状态，考虑到需对蓄电池进行保护，此时蓄电池处于涓流充电状态(可设此时蓄电池吸收的能量近似为零)，光伏电池发出的功率高于负载吸收的功率，则需使光伏电池工作于降功率模式(OFF-MPPT)，母线电压不高于电压给定值，此时有

2)光照强度不充足或无光照时，若系统储能侧蓄电池电量充足，光伏侧发出的能量无法满足负载所需的能量，即Ppv＜PLoad时，则蓄电池工作于放电状态，补充系统的能量缺额，从而稳定直流母线侧电压，此时

若系统储能侧蓄电池电量不足，光伏侧与系统储能侧发出的能量无法满足负载所需的能量，即Ppv+Pbat＜PLoad时，为防止蓄电池的过放影响蓄电池使用寿命，应切除部分非重要负荷，保证重要负荷安全有效运行。

2.2.2 并网运行模式时的功率流动

图6为直流侧微网并网模式结构。由图6可知，光伏电池发出的功率为Ppv,MPPT装置始终使光伏电池工作于最大功率点处；直流母线侧并联一个足够容量的电容C，以缓冲前、后级能量变换且起到前、后级控制上的解耦作用；储能系统实现能量双向流动，发出或吸收的功率为Pbat;双向DC/AC变换器采用全桥拓扑结构，既能工作于整流状态，也能工作于并网逆变状态。在并网模式下，可通过控制双向DC/AC变换器输入或输出电流的大小进而控制直流母线电压，达到对直流母线控制的作用。

图6 微网并网模式结构Fig.6 Structure of micro-grid in grid connected mode

设双向DC/AC变换器的输入或输出功率为Pg负载侧吸收的功率为PLoad。其中交流电网侧的瞬时功率Pg为

其中φ为功率角。由式(3)～(5)和式(11)可知，若令稳态时udc=Udc,ub=Ub,则并网模式下的功率关系为

由式(12)可得

由式(13)可知，母线电压不仅可通过蓄电池充放电电流ib进行控制，而且可通过网侧电流ig进行控制。此时，蓄电池功率变化量ΔPbat和交流电网侧有功功率变化量ΔPg之和与直流母线侧功率变化量ΔPpv相等，即

并网模式下，直流母线不像孤岛模式时仅由储能系统控制，而是通过双向DC/AC和储能系统共同进行控制，不仅提高了系统的稳定性，也提高了系统功率调度的灵活性。在该模式下，有以下3种状态。

1)光照强度充足时，若系统储能侧蓄电池处于非满充状态，光伏电池发出的能量大于负载和储能系统吸收的能量，即Ppv＞Pbat+PLoad,则双向DC/AC开始工作于并网逆变状态，吸收系统多余的能量，使直流母线电压稳定在给定的范围内，此时

当储能系统处于充满状态，无法再吸收能量时(可设蓄电池涓流充电时吸收的能量近似为零)，此时，可以通过改变并网电流将光伏电池发出的多余能量馈入交流电网侧，储能系统不参与对直流母线电压的控制，此时

2)光照不充足时，若光伏电池发出的能量与储能系统发出的能量均无法满足负载的能量需求时，即Ppv+Pbat＜PLoad,则双向DC/AC工作于整流状态，向直流侧发出能量，补充系统的能量缺额，稳定直流母线电压，此时

3)无光照时，若系统储能侧蓄电池电量充足，且直流母线并联负载的功率较小，则可以通过蓄电池放电，将系统存储的能量输出到交流电网侧，双向DC/AC工作于并网逆变状态，此时

若系统储能侧蓄电池电量不足，则可通过控制双向DC/AC工作于整流状态，同时向蓄电池及负载供电，此时

3 仿真结果与分析

在MATLAB/SIMULINK仿真平台搭建如图2所示的光储型仿真模型，以验证双向DC/DC变换器与双向DC/AC变换器控制策略。仿真参数：给定光伏电池温度为25℃，直流母线电压Ubus=400 V,直流侧滤波电容Co=600 μF,双向DC/DC变换器直流侧电容Co=400 μF,储能电感L1=L2=6 mH,开关频率为20 kHz。

图7为孤岛模式下光强度发生变化时直流母线电压和蓄电池充电电流仿真波形。由图7(a)可看出：在0～2 s内，光照强度S为1 000 W/m2；在2～3.5 s内，光照强度线性下降到600 W/m2；在3.5 s处光照强度阶跃到900 W/m2，之后始终保持该光照强度。由图7(b)可看出：直流母线电压在0.9 s处达给定值的范围内，在2 s处由于光照强度逐渐降低，直流母线电压有所降低，但并未低于给定值范围的下限，400 V；在3.5 s处光照强度阶跃变换，直流母线电压波动后又回到稳态值400 V，由此表明孤岛模式下储能系统可有效抑制光伏侧功率波动。由图7(c)可看出：0.2～2 s内充电电流恒为38 A；2～3.5 s内电流线性降低，随着光照强度的下降，母线电压降低；3.5 s后充电电流恒为34 A。

并网模式仿真波形如图8。由图8(a)可看出，0～2 s内光照强度为400 W/m2，2～3.5 s内光照强度下降到 0 W/m2，3.5 s之后始终保持无光照。由图8(b)可看出：直流母线电压在0.5 s处到达给定值的范围；在2 s处由于光照强度逐渐降低，直流母线电压有所降低，但并未低于给定值范围的下限；3.5 s处时光照强度降为0，双向DC/AC工作于整流状态，直流母线电压由双向DC/AC提供支撑，之后始终保持为400 V。由此表明，并网模式下，双向DC/AC变换器与交错并联双向DC/DC共同参与调节直流母线电压，抑制光伏侧的功率波动。由图8(c)可看出：0.5～2 s内，充电电流恒为11 A；在2～3.5 s内随着光强度的下降，电流线性降低；3.5 s之后，充电电流恒为2 A。为便于观察，将并网电流放大5倍，截取两个时间段的电压电流波形如图8(d)，(e)。由图8(d)可看出，1.5～1.7 s内，网侧电压与电流同相，双向DC/AC工作于逆变状态；由图8(e)可看出，4.8～5 s内，网侧电压与电流反相，双向DC/AC工作于整流状态。

图7 孤岛模式仿真波形Fig.7 Simulation waveform in islanding mode

4 结 语

微网系统中直流侧母线光照强度的变化使光伏功率发生变化，致使直流母线电压产生波动，影响系统内负荷的稳定运行。采用交错并联双向DC/DC变换器与双向DC/AC变换器共同控制直流母线电压，利用电压外环电流内环的双闭环控制策略平抑光伏侧功率波动。在此基础上，提出微网在孤岛和并网两种模式下稳定直流母线电压的控制方法，且在MATLAB/SIMULINK环境下建立系统的仿真平台。仿真结果验证了微网无论是工作于孤岛状态或是并网状态，提出的稳定直流母线电压的控制策略都是有效和可行的，为实现交直流混合微网系统的进一步应用奠定了理论基础。

图8 并网模式时仿真波形Fig.8 Simulation waveform in grid connected mode