直流微电网下垂控制方案研究与设计

刘艳东

（陕西吉电能源有限公司 陕西 西安 710000 ）

摘 要：本文主要研究了直流微电网系统中的下垂控制，通过Matlab/Simulink搭建下垂控制仿真模型，在输出波形稳定的基础上引用并联变换器，逐步分析无线路电阻和有线路电阻时的波形。最后通过下垂控制调节不同输出线路电阻的均流效果，此外还采用负载切换单元来判断系统在不同负载时的有效性，控制部分添加算法投切来观察均流的实时性。

关键词：直流微电网；下垂控制；功率均分

1 引 言

近年来，随着世界对微电网技术的不断研究，微电网逐渐变得多样化，系统结构也得到了充分的发展。为了保证单元间热应力和电应力的均匀合理分配，实现电力系统中模块电流的自动均流效果，以及在输入电压或负载电流变化时，保证各模块的输出电压稳定和良好的瞬态均流特性，必须引入有效的负载分配控制策略来实现其控制功能，当前下垂控制是较好的选择。

因此，本文以直流微电网的典型系统结构和传统下垂控制为前提，总结了各种改进的新型下垂控制方法和其实现流程。在传统双环控制的基础上，引入下垂控制调节不同输出线路电阻的均流效果，最后在控制部分添加算法投切和负载切换来观察均流的实时有效性。

2 仿真实验设计

本节主要对整体电路进行仿真实验设计。通过汲取有用的仿真线路搭建和有效数据，设计仿真情况包括：

（1）单个变换器的数据整定与模型分析；

（2）双变换器对称并联，无线路电阻的传统双环控制器；

（3）双变换器并联，存在不同线路电阻的传统双环控制器；

（4）双变换器并联，有线路电阻并采用下垂控制；

（5）在上面的基础上添加负载切换和算法投切。

常用的PI控制器是一种线性控制器，可根据给定值与实际值输出构成偏差，偏差的比例和积分控制线性组合成控制量以控制受控对象。而本文采用双闭环控制是因为电流内环具有更快的动态性能，可以尽可能的减小误差。采用的电压和电流双闭环控制，由此搭建出双闭环控制的仿真模型。模型参数设置负载电阻取值50，电感L为0.8e-3，线路电阻为0，PI参数为0.2/20，电容取值2200e-6，P参数为0.01。

3 结果与讨论

3.1 传统双环控制器

双控制器控制是在单控制器的基础上并联一个同样的控制电路。其中直流母线电压为400V，公共负载电阻R设置为50欧，当无输出线路电阻，且两个控制器完全对称时可知，由于两方参数完全对称，且不存在线路电阻，两个输出电流趋势完全重合并趋向稳定，能够实现均流效果,电压控制到400V。

当线路中存在不对称线路电阻时，暂设变换器1输出线路电阻为1Ω，变换器2输出线路电阻为3Ω。此时系统内参数不对称变换器的输出电流分配精确度受到一定的影响，在这种情况下，由于线路电阻太小，可以不考虑线路阻抗，母线电压为还是为400V。由于变换器存在不同的线路电阻，系统不对称，各支路电流发生变化，这种情况下，电流不均衡，故此时需要采用下垂控制单元。

3.2 含下垂控制双环控制器

为保证在系统内参数不对称时，变换器仍然可以实现均流分配，故在系统中引用下垂控制。在上述基础上两个控制器同时引用下垂控制单元。本文两台变换器的下垂系数均为5Ω，可以得到两台变换器的输出电流趋向于相等，由此可以得出采用下垂控制后，两条支路的负荷分配得到改善，但是由母线电压波形可以发现，电压存在20V左右的电压跌落。其中系统稳定运行时，变换器输出电流为3.7A左右，下垂控制单元中加入的下垂系数相当于电阻，与输出电流I相乘后，得到一个反向下垂电压，再叠加到400V基准电压上，所以母线上的电压存在的20V左右的压降，这基本上都是因为引入下垂控制引起的压差。这也验证了要想实现均流，就必须要以牺牲母线电压为代价。由此可知当下垂系数增大时，均流精度越好，但是电压质量也越差；反之，当下垂系数减小时，均流精度就变差，但电压质量可以得到改善。

负载输出端添加负载切换单元，验证在负载突变时，控制系统能否实现均流效果。添加断路器breaker模块与所需的负载，与原公共负载并联，这样减小负载值，起到增大功率的效果。既定仿真时间为2s，故断路器设置0.5s，初始值设置为0断开。设置好一切参数并进行仿真，得到结果发现当并联入40欧负载时，电路总负载降低，稳定时的输出电流增大，在下垂系数不变的情况下，下垂系数乘输出电流反向叠加到设定值400V上，故添加并联负载时，母线电压减小。但此时可以发现当仿真时间到达breaker模块的设定的断开时间4/5s时并没有波形变化，这是因为断路器的关闭条件是控制信号为零并且流过的电流为零。简而言之，断路器的分断能力不足以断开电流。由此可以得到即使负载改变，系统也可以实现均流效果。

为了感受系统加入下垂部分后的波形变化，来判断下垂控制的实时有效性，故在控制部分添加算法投切，这样可以有效地观察在投入下垂系数后，系统的实时变化曲线。在负载切换电路的基础上添加算法投切，仿真时间设置的2s，负载切换设置在0.5s，所以这里投入下垂时间设置在1s，在step元件中设置，初始值为0，在1s时阶跃。开关Switch设置,中间接口为条件，当满足条件时，开关接通1端口，不满足条件时，开关接通2端口，step信号在1s后恒为1，所以如果要想满足条件，switch条件设为大于号，下垂单元连入1端口。连接好线路，启动仿真。可以看出系统添加负载切换和算法投切后，电压输出波形在负载切换设定时间0.5s时有明显波动并趋于稳定400v，在1s投入下垂单元时，存在电压跌落。输出电流波形在1s前没有实现均流，并随着负载切换有电流的增加，在1s投入下垂控制后才逐渐实现均流。这完全符合前面几种情况，并满足了下垂控制要求，仿真实验成功验证下垂控制原理的有效性。

结 论

本文在对微电网研究的基础上，逐渐引出直流微电网的优势，通过分析传统双变换器难以实现均流的基础上，引入下垂后发现能够实现均流效果，并且通过引入算法投切和负载切换单元验证方法具有良好的实时性、有效性。

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