关于直流分布式发电系统母线电压控制及负载分配的一种新的控制方法

时代经贸　２０１　２年９月　总第２５３期　关于直流分布式发电系统母线电压控制及负载分配的一种新的控制方法　吴洁颖王珊　（冀北电力有限公司廊坊供电公司。河北廊坊０６５０００）　【摘要】本文针对直流分布式发电系统中直流母线电压控制和负载分配问题，提出了一种新的控制方法。具体的是以一个由燃料电池和交流电网并联运行的　直流分布式发电系统为研究对象，分析了新的电压控制方法的静态特性和负载分配能力问题。这种控制方法虽然对电压的调整性能较差，但可以有效地实现负　载的合理分配。　【关键词】直流分布式发电系统；直流母线电压控制；负载分配　一、引言　由于系统涉及两个电源，所以必须考虑负载分配的问题。为　随着科技的进步，人们对电能质量要求的提高和环保意识的增　实现负载分配，文中提出了一种新的直流母线电压控制方法。　强，采用分布式电源，　“远离”集中式电源系统的趋势正在被工业所　这里对每个变换器都进行了电流内环及电压外环的双闭环控　接受。分布式电源在电力系统中的作用变得越来越重要，它已广泛应　制。不同的是，对于三相ＰＷＭ整流器和逆变器是对交流输入或输出　用于军事电子系统、商业计算机和其他通信领域的高功率场合＿ｒ。　电流进行控制，对于ＤＣ／ＤＣ变换器是对直流输入电流进行控制。　将来的应用将会涉及到基于可再生能源的分布式电源系统。　这种控制方法将使得交流电网和燃料电池既可以单独运行，　这样的分布式电源主要为微型涡轮发电机、小型风力发电系统、　给负载提供能量（如正常情况下，由交流电网给负载供电，当突　燃料电池和太阳能光伏发电等。由于这些电源不能直接输出电力　然发生断电等故障时，可由燃料电池暂时供电，维持直流电压在　系统所严格要求的交流电能，因此可以采用直流母线连接这些电　一定水平）；又可以同时运行，实现两者同等功率给负载供电或　源构成直流分布式发电系统。而分布式发电系统与现有的交流电　按比例分配负载。　力系统并联运行时，只需在某些点将直流分布式发电系统通过电　三、针对直流母线电压的一种新的控制方法　力电子设备与交流电力系统连接　２］。　ｌ、传统的方法　二、所要研究的直流分布式发电系统结构　关于直流母线电压的控制电路，常用的有两种：主从控制和　本文研究了一个由燃料电池和交流电网并联运行的直流分布　倾斜控制。主从控制属于有连线并联，它较强地依赖于电源和负　式发电系统，其结构图如图１所示。系统是由连接在一条公共直流　载变换器之间的快速通信。其中一个变换器是主变换器，负责控　环形母线的三个电力电子变换器组成。其中三相ＰｗＭ整流器通过一　制直流母线电压和分配其他变换器的功率参考信号。　个电感与电网相连，末端通过电容与直流母线连接；燃料电池通　而电压倾斜控制法，属于无连线并联，不要求变换器之间的　过ＤＣ／ＤＣ变换器与直流母线相连；两者同为电源，给与三相负载连　任何通讯。相反，是测量每个变换器的直流母线电压。所有的变　接、作为负载的逆变器提供能量。　换器共同作用，分配系统中负载消耗及损耗的总能量。　图２给出了直流母线和电网或负载之间的三相变流器原理图。　倾斜控制结构如图５所示。基本工作原理是：测得的直流母　图３是ＤＣ／ＤＣ变换器的结构图。图４为直流母线模型。注意：直流母　线电压　㈣经过低通滤波器，与参考电压　（　）比较后，送给Ｐ调节　线是属于容性和感性的Ｐ型环节，线路电容很小，被包含在两侧变　器，产生的信号，　）与电流前馈环节　ｆ　１／Ｖｌｆｓ）决定的电流信号，　…　换器的直流侧电容Ｃ　和Ｃ　中。　相加，共同作为电流参考信号，与反馈的电流信号比较送给电流　控制器进行电流调节。　，　、　、（、｜Ｉ　ｌ　ｈ　／…一　ｐ，　ｌ　‘　｝，：一　＿　＿Ⅲ，　ｌ　。一　料　．　ｌ　／　／　ｕ　“。一１　，矗　ｉ／　一　ｕ　、　：　圉１直流分布式发电系统的结构　Ｆｉ　ｇ　１：Ｔｈｅ　ｊｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ＤＣ　ｄｉ　ｓｔｒｉ　ｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　；　　，，：　Ｗ　　ｆ杀毒　一互Ｉ，１　Ｒ．　　ｉ．　Ｓ十ｗ　；　一　一　＝　、　二＿　一～、　』　…　…　图５直流母线电压倾斜控制器的结构Ⅲ　０１　Ｆｉｇ　５　Ｓｔ　ｒｕｃｔｕｒ￣ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｂｕｓ　ｖｏＩｔａｇｅ　ｄｒｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏＩ　Ｉ　ｅｒ　　：２、新的控制方法　图２三相变换器的原理图　这里，提出了一种新的针对直流母线电压的控制方法。与电　Ｆ　ｉ　ｇ　２：Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｃｏｎｖｅ　ｒｔｅｒ　ｃｏｎｆ　ｉ　ｇｕ　ｒａｔ　ｉ　ｏｎ　压倾斜控制法相似，它也属于无连线并联，不要求变换器之间的　任何通信，而是分别对每个变换器的输出电压和输入电流进行了　双闭环控制。但与倾斜控制法不同的是，这种新的控制方法中，　电压控制器采用的是ＰＩ调节器；检测到的变换器输出电流信号与　反馈电压相加，共同作为输入电流的基准信号；电流调节器与倾　斜控制法相同，采用的也是ＰＩ调节器。　针对Ｄｃ／Ｄｃ变换器及三相ＰｗＭ变流器的具体控制原理图如图６和图　７所示。为了实现功率流控制，每个变换器都采用这样的控制结构。　在这里，由于电压反馈信号中常含有交流分量，故须加低通滤波器，　囱３　ＤＣ／ＤＣ变换器的结构图　用来滤除反馈信号中的交流分量，但由于这样会给反馈信号带来延　Ｆｉｇ　３：Ｔｈｅ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　滞，所以为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入了具有相同　时间常数的给定滤波环节。电压调节器的传递函数为：　ｆ　．！Ｉ　ｃａｈｌｅｒ、ｒ　、．．．二．）哪一．．１¨！　２　，Ｊ　６　。　）　ｔ±ｓ　ｖ　毫　（　鼍ｖ２　电流环的闭环传递函数化简为：　ｊ　　ｉｆ　Ｇ　）～～　坦～＿５］　…２　＋】　图４直流母线的ｐ形等效电路　三相变流器和ＤＣ／ＤＣ变换器电流环闭环都用这一传函表示；电　Ｆｉ　ｇ　４：Ｐ—Ｉ　ｉ　ｎｋ　ｅｑｕｉ　ｖａＩｅｎｔ　ｃｉ　ｒｃｌＪｉｔ　ｆｏｒ　ＤＣ　ｂｕｓ　流补偿信号的系数为ａ。　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ＆Ｔｒａｄｅ　Ｕｐｄａｔｅ　Ｓｕｍ．ＮＯ．２５３Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ．２０１２　ｎ　２　～　一　ｉｚ（０　　ｊ．　～一　！　＋所以可得：　精　比　简　●●　）＝　＿●　。…一　图６新控制方法的控制原理图　Ｆｉｇ　６：Ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｏｏｎｔｒｏＩ　ｐｒｉｎｃｉ　ＰＩ　ｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎＯＶＢＩ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｍｅｔｈｏｄ　结果为式（３）。　根据叠加原理可得，　（　）和‘㈨共同作用时，变换器的输出电　曩望～　压为式（２）。　）　对式（２）取ｓ—Ｏ时的极限，可得：　“　一　ｌｌ一ｂ一，　　一　先以由两个三相变流器（一个电源，一个负载）组成的系统为　例，当不考虑线路电感和电阻，并将图２中始末端电容合并时，可得　“空载”情况下实际电压和参考电压之间的闭环传递函数为：　一古　～　取ｂ＝＝１，最终可得：　：　一ａ１　啦　　一（４）　Ｇ。　ａＣ　：　一毒　＋（ｏｃｊｔ＋　（１）　进一步可得变换器的静态输出特性曲线如图７所示。稳态时等　效输出阻抗为：　＝ａ。　＋ｂ　Ｃｄ）　＋　＋ａＣ’ｄ　＋ｂ　其中，　Ｃ１Ｉ－ｆ　，　和。为电源变换器和负载变换器的直流侧　电容（包括直流母线的等效电容）。　（具体推导：将图４中负载电流‘Ｏ）视为扰动，不予考虑，则　图４变为：　，　、、、　上　Ⅲ啊；　眷一，　．∥　．．　≮　，结果为公式（１）。　）　、一一　Ｇ　一　囤８具体仿真实现时系统的结构图　ｂ　Ｆｉｇ　８　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｇｉｍｕＩ　ａｔｅ　ＪｎｖｅｓｔｉｇａｔｉＯｔｌ　最终可以推导出（　对于两个变换器组成的系统（一个电源，一个负载），电源　变换器的直流侧电压为：　）＝Ｇｉ　）一Ｇ！　）　（２）　其中：　Ｇ１ｏ）：　』　，　：　ｔ　ｓ　～《｝　ａ／ｇ　Ｓ　２＋也＋ｔ　＋１）　　．ｃ　Ｉ　＋ｔｓ一　ａ／ＱＤ，　＋　＋ｔ　＋１　四、用新的控制方法实现负载分配问题　这里，对图１所示的由燃料电池和三相ＰＷＭ整流器及逆变器组　成的系统的负载分配问题进行了研究。对三个变换器采用图６所　示的控制结构，变换器的输出电压和输出电流将都满足式（４）　１当设定两个电源变换器的电流补偿系数ａ值相同时，在　输出电压相同的情况下，将有：Ｉ—ｔ　。即燃料电池和交流电网将　均匀分配负载。　当设定ａ值不同时，输出电压相等的情况Ｆ，有：　ｈ：　ｉ　，点ｔ。一　　Ｖ　。　＿　．～．　１。＇　｛　硼　．　，　２　ａｌ　（３）　（具体推导：当只考虑　，０）作用时，　新控制方法的控制原理框　图变为：　＋（　ｂ／ｇ）　Ｈ１）　■＿－．一：　－＿÷　一　’　荔　癸。毒一　‘＿　进一步化简为：　进一步可得：　旦：　！｜　，　ａ　即燃料电池和交流电网将按ａ“反”比例值进行负载分配。　五、结论　本文以一个由燃料电池和交流电网并联运行的直流分布式发电　系统为研究对象，针对直流母线电压和负载分配问题，提出了一种新　的控制方法。这种控制方法虽然对电压的调整性能较羞，但可以有效　地实现负载的合理分配。通过对电流补偿系数ａ进行设置，可以实现　燃料电池和交流电网同等功率给负载供电或按比例分配负载。当选取　变换器的ａ值相等且比较大时，变换器将均匀分配负载；当选取变换　器的ａ值不等时，变换器将按ａ“反”比例值进行负载分配。　参考文献：　三　．　，　：　，　，．　）　啦　，　　：　。…Ｉ　Ｓｈｉｇｕｏ　Ｌｕｏ　Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｐａｒｔ　１：ＤＣ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇ　Ｏ）．　Ｓｙｓｔｅ￣Ｕｌ　ＩＥＥＥ　Ａ＆Ｅ　ＳＹＴＥＭＳ　ＭＡＧＡＺＩＮＥ，ｖｏ１．２０，１１０．８，ｐｐ　５—１４　［２２］　Ｐｅｒ　Ｋａｒｌｓｓｏｎ　ａｎｄ　Ｊｏｒｇｅｎ　Ｓｖｅｎｓｓｏｎ，Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｌｏａｄ　Ｓｈａｒｉｎｇ　ｉｎ　ＤＣ　Ｄｉｓｍｂｕｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｚ］ＥＰＥ　２００３　Ｔｏｕｌｏｕｓｅ，ＰＰ　１—１０　［３］Ｗｅｉｚｈｏｎｇ　Ｔａｎｇ　ａｎｄ　Ｒ．Ｈ　Ｌａｓｓｅｔｅｒ　Ａｎ　ＬＶＤＣ［ｎｄｕｓｔｒｉｌａ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕ０ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　其中：　．０¨１）ｂ／ｑ　。　潘手嚣　ｔ　ｓ　Ｇｓ＋１　，Ｗｉｔｈｏｕｔ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ［Ｚ｝，ＩＥＥＥ—ＰＥＳＣ　ＣｏｎｅｆＪ］ＥＳＣ　００），Ｖｏ１．２，ＰＰ　９７９—９８４Ｊｕｎｅ　１８－２３，２０００．　ｂ　ｂ　ｇ　Ｈ１）　［４］Ｐｅｒ　Ｋａｒｌｓｓｏｎ　ａｎｄ　Ｊｏｒｇｅｎ　Ｓｖｅｎｓｓｏｎ，ＤＣ　Ｂｕｓ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ａ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｚ］ＩＥＥＥ　ｒａｔｒｌｓ．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ　１８，ＰＰ．１４０５—１４１２　一　瓦　而　而　・［５１陈伯时电力拖动自动控制系统『Ｍ］机械工业出版社，２０００年６月第二版　【６】蒋贤哲，王莉．直流分布武电源系统的研究现状与发展Ｕ】电源世界，２００４（８）：１—４　８０・