直流微電網(wǎng)電壓無靜差與環(huán)流抑制策略研究

侯明宣，李 雪，程 蘭，遲 頌

(1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130)

1 引言

近幾年，新能源發(fā)電所占比例與日俱增，而其中分布式發(fā)電在新能源發(fā)電中有著重要的地位，雖然其規(guī)模小，但是所產(chǎn)生的電能可以自產(chǎn)自用，有效地提高了大電網(wǎng)的經(jīng)濟性[1，2]。相比與交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)不存在頻率的影響，控制方式簡單，可靠性更高，因此，直流微電網(wǎng)受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[3]。直流微電網(wǎng)分為孤島運行和并網(wǎng)運行兩種方式，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時，通過相應(yīng)的保護動作，使公共耦合點與電網(wǎng)斷開，直流微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為獨立自治的系統(tǒng)，即為孤島模式運行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

孤立直流微電網(wǎng)中，分布式發(fā)電分布廣泛，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，直流母線電壓會產(chǎn)生波動，這非常不利于孤立直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性[5]。而且存在大量變換器并聯(lián)的現(xiàn)象，線路阻抗不同，那么并聯(lián)變換器間會出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象，這些情況嚴(yán)重影響了直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行[6]。

為了解決直流母線電壓波動的問題，W.He， S和M.A[7-8]等人提出適用于BOOST變換器電阻性負(fù)荷的非線性干擾的觀測器，但非線性干擾觀測器參數(shù)不易整定。另一方面，為了解決環(huán)流問題，Tah A和王勉等人[9-13]提出了新型的下垂控制算法，但下垂控制本身會導(dǎo)致直流母線的下降，而且線路阻抗不同，也會產(chǎn)生環(huán)流。

根據(jù)以上情況，本文提出一種新型的控制方法，以無源控制為電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為中間環(huán)，線路阻抗補償為最外環(huán)。新型三閉環(huán)控制方法保證系統(tǒng)既可以快速無靜差的跟蹤負(fù)荷變化，還基本消除了由于線路阻抗而產(chǎn)生的環(huán)流。最后，在Matlab/Simulink和RT-LAB實時仿真機中搭建模型，與傳統(tǒng)無源控制方法對比，驗證了新型方法的可行性。

2 變換器的數(shù)學(xué)模型與歐拉-拉格朗日模型

直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

本文以上圖中升壓變換器為例，如圖2所示。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，此時電源Vs與電感L構(gòu)成一個回路，電源Vs給電感L充能，電容C與負(fù)荷R構(gòu)成一個回路，電容C向負(fù)荷放電。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，Vs通過電感L和二極管VD向負(fù)荷與電容供電。

圖2 升壓變換器拓?fù)鋱D

2.1 升壓變換器的數(shù)學(xué)模型

iL和Vc為變換器的電感電流和電容電壓，L為電感，C為電容，R為電阻負(fù)載，設(shè)變換器工作占空比為D，周期為Ts：變換器工作在連續(xù)狀態(tài)，

1)0

(1)

2)D·Ts

(2)

根據(jù)上述兩種開關(guān)狀態(tài)，對開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間進行加權(quán)，可以得出系統(tǒng)的平均狀態(tài)方程如下：

(3)

2.2 升壓變換器的歐拉-拉格朗日模型

(4)

A是正定的對角陣，(1-D)B為反對稱矩陣，R具有對稱的正定矩陣的特點，所以式(3)有EL模型[14]的特點，BOOST變換器也具有EL屬性。

由式(3)得

(5)

(6)

(7)

由此見得，BOOST變換器是嚴(yán)格無源的。

3 環(huán)流的產(chǎn)生

直流微電網(wǎng)中變換器的并聯(lián)很常見，而且并聯(lián)接入直流母線時，由于距離不同，傳輸過程中復(fù)雜等情況等，會導(dǎo)致線路阻抗不一致，而直流母線電壓相同，所以會在變換器間產(chǎn)生環(huán)流，在傳統(tǒng)的控制策略中將線路阻抗忽略，環(huán)流的影響也就忽略了。但是環(huán)流的存在會嚴(yán)重影響變換器間功率的分配，而且線路阻抗的存在也會導(dǎo)致直流母線電壓與變換器輸出電壓不同，產(chǎn)生電壓降落。下面以兩個變換器為例，圖3為兩個變換器并聯(lián)電路圖，圖4為兩個變換器并聯(lián)等效電路圖。

圖3 BOOST變換器并聯(lián)示意圖

圖4 BOOST變換器并聯(lián)等效圖

可將圖3化簡等效為圖4。對圖4進行分析，VO1、VO2、iO1和iO2分別為變換器1、2的輸出電壓，輸出電流，Vbus為直流母線電壓，Rline1和Rline2分別為變換器1、2到直流母線的線路阻抗，R為負(fù)荷電阻。可得

(8)

選取相同的變換器1、2，那么，變換器輸出電壓VO1=VO2，如果線路阻抗不一致，那么iO1不等于iO2，會在兩個變換器間會產(chǎn)生環(huán)流，假設(shè)環(huán)流為ih

ih=io1-io2

(9)

線路阻抗的存在會產(chǎn)生直流母線電壓的降落Δv

Δvi=ioiRlineii=1，2

(10)

所以，對于直流微電網(wǎng)中并聯(lián)變換器的線路阻抗的考慮是必不可少的，這對于變換器的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。

4 新型控制策略

本文提出了一種新型三閉環(huán)控制策略，以無源控制為電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為中間環(huán)，線路阻抗補償為最外環(huán)，總體控制框圖如圖5所示。

圖5 新型控制策略控制框圖

4.1 無源電流控制器的設(shè)計

(11)

(12)

雞皮刺螨感染引起的鵝體表寄生蟲病要選擇高效驅(qū)蟲藥物進行針對性治療。本次治療選擇使用伊維菌素，使用劑量為2 mg/kg體重，連續(xù)使用5 d。同時，將養(yǎng)殖舍內(nèi)的墊料全部清理，堆積發(fā)酵，殺滅墊料中存在的成蟲。選擇使用0.005%的溴氰菊酯或精制敵百蟲外用藥物，配成2%的溶液對養(yǎng)殖舍墻角、縫隙、飲水器、水管等處進行噴灑消毒，一定要噴灑徹底，上述藥物交替使用，1周噴灑2次，連續(xù)使用2周。通過采用上述綜合處理手段處理2周后，該養(yǎng)殖場有75只鵝死亡，剩余患病鵝恢復(fù)健康，病情得到切實有效的控制。

(13)

當(dāng)系統(tǒng)的誤差等于0時

(14)

能量函數(shù)H(x)

(15)

對能量函數(shù)H(x)求導(dǎo)

(16)

因為B是反對稱矩陣，m=0，R+Rd是正定對角陣，所以n>0。

(17)

式(17)即為無源控制率，將各個矩陣代入上式，得

(18)

(19)

(20)

(21)

若能準(zhǔn)確獲得電路的數(shù)學(xué)模型和運行狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，上述閉環(huán)控制可以使電流快速跟蹤負(fù)荷的變化并使輸出電壓精準(zhǔn)的控制在期望值，但由于負(fù)荷的隨機性和波動性，會導(dǎo)致母線電壓產(chǎn)生靜態(tài)誤差，且由于存在線路阻抗，并聯(lián)變換器會出現(xiàn)環(huán)流和直流母線電壓的降落。

4.2 電壓環(huán)的設(shè)計

為了解決直流母線的電壓值在負(fù)荷波動時會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的問題，因為上述閉環(huán)選取電感電流為反饋量，而不是選取電容電壓為反饋量，而無源電流控制選取電容電壓作為反饋量時會導(dǎo)致系統(tǒng)的無源性受到影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。綜上所述，提出以電容兩端電壓作為反饋量，設(shè)計電壓外環(huán)控制器，電容電壓為BOOST變換器的輸出電壓，若不考慮線路阻抗，輸出電壓為直流母線電壓。此控制器采用PI控制。

(22)

(23)

4.3 抑制線路阻抗環(huán)的設(shè)計

在線路阻抗不同的情況下，如果既想抑制環(huán)流，而且又不影響直流母線電壓的穩(wěn)定，那么變換器輸出電壓VOi一定不同，若改變輸出電壓參考值為

Vrefnew=VOi+EiIOi

(24)

Vrefnew為新的輸出電壓參考值，Ei為對應(yīng)變換器的反饋控制器的系數(shù)，iOi為各個變換器輸出電流，通過調(diào)節(jié)Ei的系數(shù)，使變換器的反饋系數(shù)Ei等于線路阻抗Rlinei，則新的輸出電壓參考值補償了線路阻抗的壓降，消除了環(huán)流的影響。但由于線路阻抗不易測量，且如果用采樣電壓電流的方法來計算容易產(chǎn)生誤差，所以在控制中引入公用的直流母線電壓信息Vbus，此時將式(24)變換為

Vrefnew=Vref+VOi-Vbus

(25)

本文提出的控制策略采用分散控制的方式，只需要全局通信母線電壓即可，不需要時刻通信其它變換器的信息，大大減小了通信壓力，且可以適應(yīng)線路阻抗發(fā)生變化時的情況。其次，相比于傳統(tǒng)的PI控制，因為內(nèi)環(huán)是無源控制，系統(tǒng)的動態(tài)性大大提高。最后，相比于在無源控制基礎(chǔ)上在添加非線性觀測器，電壓外環(huán)的PI參數(shù)整定更為簡單。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 SIMULINK建模與分析

為了驗證所提出的新型控制策略，在MATALB/SIMULINK中搭建模型。

BOOST變換器參數(shù)如表1所示，控制參數(shù)選取為，R1d為100Ω，Kp為5，Ki為1000。開始時，帶5Ω負(fù)荷，0.2s時負(fù)荷由5Ω變?yōu)?.5Ω，0.5s時變回5Ω，0.8s時，變?yōu)?.5Ω，圖6為變換器線路阻抗分別為0.2Ω和0.3Ω時傳統(tǒng)PBC控制策略和新型控制策略的直流母線圖形。圖7為兩個變換器線路阻抗分別為0.2Ω和0.3Ω時傳統(tǒng)PBC控制策略和新型控制策略環(huán)流波形圖。

表1 BOOST變換器參數(shù)值

圖6 直流母線電壓波形圖

圖7 環(huán)流波形圖

由圖6中可知，傳統(tǒng)的無源控制變換器輸出電壓的參考值設(shè)置為48V，在0-0.2s時，直流母線電壓為46.5V，產(chǎn)生了1.5V壓降，在0.2s-0.5s負(fù)荷為5.5Ω時，直流母線電壓升高為48.9V，不能保持在恒定值，在0.8s-1s時，直流母線電壓更是降低為44.1V。而新型控制策略由于添加電壓閉環(huán)和線路阻抗補償閉環(huán)，變換器輸出電壓的參考值仍設(shè)置為48V，直流母線電壓始終保持48V不變，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖7可知，在0-0.2s時，傳統(tǒng)無源控制環(huán)流大小為-0.06A，在0.2s-0.5s時，環(huán)流大小為-0.55A，在0.8s-1s時，環(huán)流增大為-0.86A。而新型控制策略環(huán)流為0A，基本消除了環(huán)流，且隨著負(fù)荷的變化，環(huán)流基本保持為0A不變。

圖8和圖9分別為變換器線路阻抗為0.2Ω和0.5Ω時傳統(tǒng)PBC控制策略和新型控制策略直流母線電壓波形和環(huán)流波形。

圖8 直流母線電壓波形圖

圖9 環(huán)流波形圖

若線路阻抗差距進一步增加為0.3Ω，負(fù)荷為5Ω時，傳統(tǒng)的無源控制直流母線電壓為46.2V，壓降增大為1.8V，環(huán)流進一步增加為-0.13A，而新型控制策略直流母線電壓仍然保持在48V不變，環(huán)流大小仍為0A左右。

5.2 Opal-RT實時仿真

為了進一步驗證所提出的策略的有效性，在RT-LAB實時仿真平臺搭建所提出的控制策略的仿真模型。RT-LAB有著比數(shù)字仿真更接近實際情況的優(yōu)點，它由上位機和仿真目標(biāo)機組成，上位機為傳統(tǒng)的PC端，仿真目標(biāo)機為Opal-RT公司生產(chǎn)的OP5600模塊，DSP采用TMS320F28035系列控制芯片。

RT-LAB實時仿真輸出波形如下，圖11和圖12分別為兩個變換器線路阻抗差距為0.1Ω時的直流母線電壓波形圖和環(huán)流波形圖。

圖11 直流母線電壓波形圖

圖12 環(huán)流波形圖

由圖11和圖12所知，當(dāng)線路阻抗差距為0.1Ω，負(fù)荷為5Ω時，新型控制策略直流母線電壓為48V，而傳統(tǒng)無源控制策略直流母線電壓為46.5V，負(fù)荷變化時，新型控制策略直流母線電壓基本不變，而傳統(tǒng)無源控制直流母線電壓不能維持在恒定值，在0.8s-1s時為44.1V。而且新型控制策略環(huán)流基本為0，而傳統(tǒng)無源控制策略大約有-0.06A的環(huán)流。

圖13和圖14分別為線路阻抗差距0.3Ω時直流母線電壓波形圖和環(huán)流波形圖。

圖13 直流母線電壓波形圖

圖14 環(huán)流波形圖

隨著線路阻抗差距越來越大，傳統(tǒng)無源控制策略的直流母線電壓降落進一步增大，當(dāng)負(fù)荷為0.5Ω時，直流母線電壓為46.2V，在0.8s-1s時為43.7V。而新型控制策略仍為48V，在負(fù)荷波動時，保持不變。而且新型控制策略環(huán)流基本為0，而傳統(tǒng)無源控制策略大約有-0.1A的環(huán)流。與SIMULINK仿真結(jié)果基本一致，進一步驗證了控制策略的可行性。

6 結(jié)論

本文提出了一種三閉環(huán)控制方法，以無源控制為電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為中間環(huán)，線路阻抗補償為最外環(huán)，在負(fù)荷變化時，該控制方法可以使直流母線電壓靜差與線路阻抗引起的環(huán)流均為0，在Simulink中驗證了控制策略的可行性，進一步在更接近實際情況的RT-LAB的半實物仿真平臺中進行驗證，結(jié)果與Simulink基本一致，進一步說明控制策略的有效性。