电气传动2015年第45卷第3期
光伏直流微网母线电压稳定控制
李圣清，徐天俊，张彬，杨峻
（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412008）
摘要：为了实现光伏直流微网母线电压的稳定控制，提出了一种分层协调控制方法，该方法通过设定合理的电压阈值，对直流母线电压变化量的控制来协调蓄电池储能接口、网侧接口及光伏接口的工作方式，确保在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡。通过在并网过程中采用预同步控制和脱网过程中的电压电流双环控制以减小暂态电流冲击。利用Matlab/Simulink进行了仿真和实验验证，结果证明了该方法的有效性和可行性。
关键词：直流微网；光伏发电；分层协调控制；母线电压；切换控制策略中图分类号：TM351
文献标识码：A
Bus Voltage Stable Sontrol in the Photovoltaic DC Micro ⁃grid
LI Sheng ⁃qing ，XU Tian ⁃jun ，ZHANG Bin ，YANG Jun
（College of Electrical and Information Engineering ，Hunan University of Technology ，Zhuzhou 412008，Hunan ，China ）
coordination control method of DC bus voltage. The method was based on the control of DC bus voltage variation to
Abstract:In order to realize bus voltage stable control in the photovoltaic DC micro ⁃grid ，proposed a layered
coordinate photovoltaic battery energy storage interface ，netside interface and the interface work by setting resonable grid and off ⁃grid process ，switching between layers for a smooth design to reduce the transient current impaction. Used Matlab/Simulinksimulation and experimental verification ，the results verify the effectiveness and feasibility of the method. control strategy
threshold voltage ，ensured that under different conditions can keep the network in active power balance. During the on ⁃
Key words:DC micro ⁃grid ；photovoltaic generation ；hierarchical coordinated control ；bus voltage ；switching
1引言
对微电网的稳定运行提出了相应的控制方法。文献［5］根据多微网之间的串联和并联组网结构，设计了串并联不同结构的多微网系统两级分层控制方案，针对多微网系统的联络线功率控制，并网和孤岛模式切换，提出串并联结构的多微网中央控制器间的协调配合策略。文献［6］以风电直流微网为例，在分析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上，提出电压分层协调控制策略。该控制策略通过检测直流电压的变化量来协调各电力电子变流器的工作方式，从而确保
微网是指将微型电源、负荷和储能装置结合
在一起的电网形式，它作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行［1-4］。直流微网是以直流配电的形式，利用一条公共的直流母线将所有微电源连接起来的可控系统。相对于传统交流系统，直流微网因为具有高效节能、成本较低、控制简单及可靠性高等优点，得到了学术界和工业界的普遍关注。目前，已有相关文献针
基金项目：国家自然科学基金项目（51077046）；湖南省自然科学基金项目（2015JJ5009）；湖南省重点建设学科项目（201176）作者简介：李圣清（1961-），男，博士，教授，硕士生导师，Email ：[email protected]
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李圣清，等：光伏直流微网母线电压稳定控制电气传动2015年第45卷第3期
在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡。文献［7］建立了风电场中级联STATCOM 的数学模型，分析其在4象限下的控制特性，提出有功功率均等分配来控制其各模块直流侧电压的平衡方法，通过控制其交流侧吸收的有功功率来控制其直流侧电压的大小。利用分层协调控制实现级联STATCOM 的有功、无功调节，上层通过解耦实现总体控制，下层通过模块控制器实现有功功率均等分配控制。
本文以光伏直流微网为例，针对直流微网电压稳定性问题，提出一种直流母线电压分层协调控制法，该方法通过对直流母线电压变化量的检测控制来协调蓄电池储能接口、网侧接口及光伏接口的工作方式，确保在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡，同时降低了成本，提高了可靠性。
工作状态分为孤岛运行及蓄电池接口放电状态、并网运行及网侧接口逆变状态、孤岛运行及光伏接口单元输出恒压状态。根据光伏阵列输出功率与负载功率平衡原则，以系统直流母线电压参考值为阈值，将母线直流电压分成3层，从而得到母线直流电压3层协调控制方法。该分层协调控制方法中的变换器既相互独立又互相协调配合，既节约了成本，又减少了干扰。
通常情况下，取直流总线电压的标称值U dc 为250V ，变换器工作切换时电压模态变化量ΔU dc 为4%U dc 。如果ΔU dc 取值过小，系统会因为采样误差和外部扰动而频繁切换导致误操作，影响微网的正常运行；如果ΔU dc 过大，会使母线电压变化范围过大，动态响应不够灵敏，降低系统可靠性。
为了便于分析，用U dc （2，3）表示不同层i i =1，级下的直流母线电压参考值，为避免层间切换频繁，在切换点U dc i 处采用电压滞环控制方式，滞环电压即死区电压，范围为-1.5~1.5V 。P pv 表示光伏发电输出功率，P Load 表示负载功率（包括蓄电池充电所需功率）。母线直流电压分层协调控制示意图如图2所示。
2光伏直流微网的结构
光伏直流微网的典型结构图如图1所示，主要
由PV 发电、储能、负载及并网变流器4部分组成。其中，PV 发电单元把太阳能直接转化为电能，并实现最大功率点跟踪，储能单元由蓄电池［8-10］组成，可实现能量双向流动。光伏接口单元后接负载，其连接方式与负载类型有关。网侧接口单元接入交流主网，通过电压型PWM 变流器接入交流主网。
图2母线直流电压分层协调控制方法
3.2
Fig.2
第1层控制
Bus voltage DC hierarchical coordinated control
method
该层控制下系统处于孤岛运行模式，U dc1=0.96U dc =240V ，因为P pv
图1
Fig.1
光伏直流微电网的典型结构
Typical structure of photovoltaic DC micro grid
一般情况下，蓄电池储能单元剩余容量范围为40%~95%，当其下降到40%时，为了保护蓄电池，Buck/Boost双向变换器将停止工作，前级的Boost 变换器仍然工作在MPPT 状态，为了使直流母线电压保持稳定，需切掉一定的负载。进行完减载操作后，电网将恢复正常，由于光伏发电单元输出功率仍然小于负载功率，且U dc1低于网侧
49
3
3.1
光伏直流微网的电压分层协调
控制
分层协调控制方法
按照直流微网的运行模式［8-10］，可将微网的
电气传动2015年第45卷第3期李圣清，等：
光伏直流微网母线电压稳定控制
接口变换器整流直流电压给定值250V 。孤岛模式下，母线电压控制常采用下垂控制法，采集母线输出电流控制电压为
*
k 1U dc1式中：为直流母线参考电压，为240~250V ；
k 1=0.03/I dc-max ，为第1控制层内下垂系数，I dc-max 为
*
U dc1=250-k 1´I dc1
母线电压不断变化，影响后级DC/AC实现逆变和并网功能。
为了保证逆变器的可靠运行，仍然需要对扰动的母线电压进行控制。由于前级DC/DC变换器在MPPT 模式下无法维持输出电压恒定，因此，直流母线电压的稳定状态控制从光伏接口控制器自然过渡到网侧接口控制器。随着母线电压升高使得P pv >P Load ，说明光伏阵列多余的输出功率未能及时馈送到电网，若要降低母线电压，只要增大输出电流即可。
图4中，将A/D采样得到的太阳能电池阵列的输出电压U pv 和电流I pv 与前一次电压和电流的采样值进行比较，根据MPPT 控制算法调节DC/AC 逆变器输出电流的幅值指令I ref ，再将I ref 与电
网电压同步的单位正弦信号sin θ相乘得到逆变器输出指令I ref sin θ，然后将I ref sin θ与并网逆变器实际输出电流I out 的误差值经过内环电流控制器作用后，输出信号与固定频率的三角波比较后得到PWM 控制信号，再经过驱动电路放大后去控
（1）
直流侧母线最大电流。
由孤岛切换到并网运行时的冲击电流大小主要由微网与公共配电网之间电压偏差和相角偏差综合决定。因此采用预同步控制，可以减小并网合闸时的冲击，实现稳定和平滑切换，通过调节逆变器输出电压和相角跟踪外部电压和相角，可将电压和频率调到与网侧接口单元基本一致。控制框图如图3所示。
图3预同步控制框图
制DC/AC逆变器的开关管。
三相电压；U i 为逆变器输出电压额定值；f i 为额定
′
′
图3中，U g abc 为网侧三相电压；U i abc 为逆变器
图4
Fig.4
网侧接口变换器控制框图
Fig.3Pre ⁃synchronizing control block diagram
频率；U i 和f i 分别为经过预同步控制调整后的电压和频率；ΔU 0，Δf 0分别为电压幅值误差和频率误差。
电压幅值误差为
k
（2）DU 0=(k p1+)(|U g |-|U i |)
k p1，k i1为比例积分系数；式中：|U g |，|U i |分别为电
Control diagram of network side interface
converter
当系统由并网切换到孤岛运行状态时，层间切换的稳定性和平滑性由逆变器侧电压电流双环控制器进行调节。电压外环控制器主要用于维持电压稳定，通过采样滤波电感电流和滤波电容电压来控制逆变器输入电压，同时产生电流内环参考信号，内环控制器主要进行精细的调节，调节电流使输出电压跟踪参考电压值。使得逆变器动态响应加快，输出电流的谐波含量减小，实现稳定和平滑切换。3.4
第3层控制
若直流母线电压继续上升，直到U dc3=1.04U dc =260V ，则系统进入第3层控制，微网与电网分离，进入孤岛运行模式。此时P pv >P Load 。多余的能量聚集在直流母线上，导致直流母线电压升高，所以此时Boost 变换器工作在恒压模式，蓄电池经过一段过渡时间后充电，将多余的能量储存起来，同时抑制不断上升的母线电压。极端情况下，若蓄电池充完电后还有剩余能量，则可对
网和逆变器输出电压幅值。
频率误差为
Df 0=(k p2+
k （3）)(θg -θi )
θg ，θi 分别为电网和逆变器输出电压相位；式中：s
为经拉普拉斯变换后复变量。3.3
第2层控制
当母线电压持续上升到U dc2=U dc =250V 时，系统将切换到并网运行，网侧接口处于逆变状态，进入第2层控制。前级Boost 变换器工作在MPPT 模式，与母线电压保持在同一电位U dc2=250V 状态，蓄电池处于放电状态。采用干扰观察法（perturbation and observation ，P&O）原理的MPPT 算法连续追踪最大功率点电压，导致直流50
李圣清，等：
光伏直流微网母线电压稳定控制电气传动2015年第45卷第3期
系统进行加载操作，因负载变化而引起直流母线电压变化时，仍然采用下垂法来保持母线电压稳定，但需要增加一个虚拟的输出阻抗环，实现负载功率的分配。直流母线参考电压为其中
*
U dc3=260-k 3I dc3
Simulink 搭建了仿真系统。光伏阵列在标准测试条件下最大功率为600W ，温度T =25℃，光照强度为1000W/m2，输出电压为180V ，占空比D *为0.4。在上述3种工作状态下，直流母线电压、电流，光伏接口变换器电流及蓄电池接口变换器电流如图7~图10所示。
（4）
k 3=DU ´
*
I dc3为第3控制U dc3式中：为直流母线参考电压；
k 3为虚拟输出阻抗；DU =层下直流侧母线电流；
U dc -min 为该电压等级下最小输出电4%U dc =10V ；
P pv 为光伏阵列输出功率。压；
U pv
（5）
U B 图5为蓄电池储能接口变换器控制框图，
U BH ，U BL 分别表示蓄电池剩余表示蓄电池电压；
图7Fig.7
直流母线电压DC bus
voltage
容量为95%和40%时的电压；I BC_max，I BD_max为最大*I B ，充放电电流；I B 分别为电池电流和反馈电流；I r1，I r2分别为经过限幅后的输出电流；G （）为电流1s PI 控制器；D *为占空比。
G v （），G v （）分别为充电和放电状态下传递函数；1s 2s
图8Fig. 8
直流母线电流DC bus current
图5
Fig.5
蓄电池储能接口变换器控制框图
Control diagram of battery energy storage interface converter
图6为光伏接口变换器控制框图，U pv ，I pv 分别为太阳能电池阵列的输出电压和电流，U MPPT 为光
k d1是反馈系数，伏阵列电压参考值，U 1，U 2分别为经过传递函数G v （）和G v （）后的输出电压。1s 2s
Fig.9
图9光伏接口变换器电流
Photovoltaic interface converter
current
图10
图6Fig.6
光伏接口变换器控制框图
Fig.10
蓄电池接口变换器电流
Battery energy storage interface converter
current
4仿真与实验分析
4.1
仿真分析
Control diagram of PV interface converter
仿真开始t =0s 时，系统运行在孤岛模式，光伏阵列未与电网相连，蓄电池放电为负载提供能量。此时，直流母线电压维持在240V ，母线电流输出为8.3A ，蓄电池放电电流为5.2A 。以充电电流方向为正方向，电流反方向说明蓄电池工作
51
为验证上述策略的正确性，利用Matlab/
电气传动2015年第45卷第3期李圣清，等：
光伏直流微网母线电压稳定控制
在充电状态的逆状态。
当t =0.5s 时，系统切换到第2控制层。光伏阵列与电网相连，并网侧接口变换器工作于逆变状态，母线电压跃升到252V ，光伏接口变换器工作在MPPT 状态，且输出电流为24A ，蓄电池继续保持放电状态，以抑制母线电压升高。
当t =1.0s 时，母线电压上升至261V ，系统进入第3控制层，系统与电网再次分离。光伏接口变换器改变工作状态，进入恒压模式，输出电流维持在24A ，母线电流下降至5.9A 。仿真验证了分层协调控制方法的正确性，采用该方法的系统各工作模态切换平滑，相互之间没有重叠工作区域。过渡过程也无太大扰动，输出电压波形平缓稳定。4.2
实验分析
由直流电压源（180V ）与电阻（40Ω）串联模拟光伏阵列，故最大功率为320W ，对应MPPT 电压为100V ，光伏接口变换器采用Boost 电路。网侧接口单元由2个500W 双向DC -AC 变换器组成，采用单相非隔离全桥拓扑。由蓄电池和双向Buck -Boost 电路组成储能接口单元，蓄电池标称电压为50V ，额定容量为10A ·h ，故最大充放电电流分别设定为1.5和9A 。实验状态的切换如图11、图12所示。
段时间后由240V 平滑切换到250V ，过渡时间虽然很短，但是没有出现明显跃变，说明分层协调控制方法取得了较好的控制效果。在图12中，由模态2切换到模态3的时间大大缩短，说明系统的动态响应快，母线电压一直维持在260V ，表明系统稳定性好。
5结论
为了维持光伏直流微网中母线电压的稳定
及接口控制器间的有功功率平衡，提出了光伏直流微网母线电压分层协调控制方法，通过设定合理的电压层级阈值及对直流母线电压变化量的控制，依靠各个接口控制器间的协调配合来维持直流母线电压的稳定，保持系统正常运行。在切换过程中，采用预同步控制和电压电流双环控制的方法，实现层间工作模式的平滑切换。能够在允许的工作范围内使直流母线电压保持稳定状态，保证直流微电网对负载的正常供电，提高电网的可靠性。
参考文献
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算［J ］. 中国电机工程学报，2009，29（13）：35-40.
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换与管理［J ］. 电工技术学报，2013，28（2）：248-254. ［3］廖志凌，阮新波. 独立光伏发电系统能量管理策略［J ］. 中国
电机工程学报，2009，29（21）：46-52.
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［5］周念成，金明，王强钢，等. 串联和并联结构的多微网系统分
层协调控制策略［J ］. 电力系统自动化，2013，37（12）：13-18.
图11Fig.11
模态1切换到模态2
Transition from mode 1to mode 2
［6］王毅，张丽荣，李和民，等. 风电直流微网的电压分层协调控
制［J ］. 中国电机工程学报，2013，33（4）：16-24.
［7］李圣清，徐文祥，栗伟周，等. 风电场中级联STATCOM 直
流侧电压控制方法［J ］. 电工技术学报，2013，28（3）：［8］刘志文，夏文波，刘明波. 基于复合储能的微电网运行模式
平滑切换控制［J ］. 电网技术，2013，37（4）：906-913. ［9］戴欣平，马广，杨晓红. 太阳能发电变频器驱动系统的最大功
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电工技术学报，2012，27（1）：98-106. 248-253.
图12Fig.12
模态2切换到模态3
Transition from mode 2to mode 3
收稿日期：2014-04-20修改稿日期：2014-08-06
实验开始后，图11中直流母线电压经过一52
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（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412008）
摘要：为了实现光伏直流微网母线电压的稳定控制，提出了一种分层协调控制方法，该方法通过设定合理的电压阈值，对直流母线电压变化量的控制来协调蓄电池储能接口、网侧接口及光伏接口的工作方式，确保在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡。通过在并网过程中采用预同步控制和脱网过程中的电压电流双环控制以减小暂态电流冲击。利用Matlab/Simulink进行了仿真和实验验证，结果证明了该方法的有效性和可行性。
关键词：直流微网；光伏发电；分层协调控制；母线电压；切换控制策略中图分类号：TM351
文献标识码：A
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LI Sheng ⁃qing ，XU Tian ⁃jun ，ZHANG Bin ，YANG Jun
（College of Electrical and Information Engineering ，Hunan University of Technology ，Zhuzhou 412008，Hunan ，China ）
coordination control method of DC bus voltage. The method was based on the control of DC bus voltage variation to
Abstract:In order to realize bus voltage stable control in the photovoltaic DC micro ⁃grid ，proposed a layered
coordinate photovoltaic battery energy storage interface ，netside interface and the interface work by setting resonable grid and off ⁃grid process ，switching between layers for a smooth design to reduce the transient current impaction. Used Matlab/Simulinksimulation and experimental verification ，the results verify the effectiveness and feasibility of the method. control strategy
threshold voltage ，ensured that under different conditions can keep the network in active power balance. During the on ⁃
Key words:DC micro ⁃grid ；photovoltaic generation ；hierarchical coordinated control ；bus voltage ；switching
1引言
对微电网的稳定运行提出了相应的控制方法。文献［5］根据多微网之间的串联和并联组网结构，设计了串并联不同结构的多微网系统两级分层控制方案，针对多微网系统的联络线功率控制，并网和孤岛模式切换，提出串并联结构的多微网中央控制器间的协调配合策略。文献［6］以风电直流微网为例，在分析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上，提出电压分层协调控制策略。该控制策略通过检测直流电压的变化量来协调各电力电子变流器的工作方式，从而确保
微网是指将微型电源、负荷和储能装置结合
在一起的电网形式，它作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行［1-4］。直流微网是以直流配电的形式，利用一条公共的直流母线将所有微电源连接起来的可控系统。相对于传统交流系统，直流微网因为具有高效节能、成本较低、控制简单及可靠性高等优点，得到了学术界和工业界的普遍关注。目前，已有相关文献针
基金项目：国家自然科学基金项目（51077046）；湖南省自然科学基金项目（2015JJ5009）；湖南省重点建设学科项目（201176）作者简介：李圣清（1961-），男，博士，教授，硕士生导师，Email ：[email protected]
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李圣清，等：光伏直流微网母线电压稳定控制电气传动2015年第45卷第3期
在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡。文献［7］建立了风电场中级联STATCOM 的数学模型，分析其在4象限下的控制特性，提出有功功率均等分配来控制其各模块直流侧电压的平衡方法，通过控制其交流侧吸收的有功功率来控制其直流侧电压的大小。利用分层协调控制实现级联STATCOM 的有功、无功调节，上层通过解耦实现总体控制，下层通过模块控制器实现有功功率均等分配控制。
本文以光伏直流微网为例，针对直流微网电压稳定性问题，提出一种直流母线电压分层协调控制法，该方法通过对直流母线电压变化量的检测控制来协调蓄电池储能接口、网侧接口及光伏接口的工作方式，确保在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡，同时降低了成本，提高了可靠性。
工作状态分为孤岛运行及蓄电池接口放电状态、并网运行及网侧接口逆变状态、孤岛运行及光伏接口单元输出恒压状态。根据光伏阵列输出功率与负载功率平衡原则，以系统直流母线电压参考值为阈值，将母线直流电压分成3层，从而得到母线直流电压3层协调控制方法。该分层协调控制方法中的变换器既相互独立又互相协调配合，既节约了成本，又减少了干扰。
通常情况下，取直流总线电压的标称值U dc 为250V ，变换器工作切换时电压模态变化量ΔU dc 为4%U dc 。如果ΔU dc 取值过小，系统会因为采样误差和外部扰动而频繁切换导致误操作，影响微网的正常运行；如果ΔU dc 过大，会使母线电压变化范围过大，动态响应不够灵敏，降低系统可靠性。
为了便于分析，用U dc （2，3）表示不同层i i =1，级下的直流母线电压参考值，为避免层间切换频繁，在切换点U dc i 处采用电压滞环控制方式，滞环电压即死区电压，范围为-1.5~1.5V 。P pv 表示光伏发电输出功率，P Load 表示负载功率（包括蓄电池充电所需功率）。母线直流电压分层协调控制示意图如图2所示。
2光伏直流微网的结构
光伏直流微网的典型结构图如图1所示，主要
由PV 发电、储能、负载及并网变流器4部分组成。其中，PV 发电单元把太阳能直接转化为电能，并实现最大功率点跟踪，储能单元由蓄电池［8-10］组成，可实现能量双向流动。光伏接口单元后接负载，其连接方式与负载类型有关。网侧接口单元接入交流主网，通过电压型PWM 变流器接入交流主网。
图2母线直流电压分层协调控制方法
3.2
Fig.2
第1层控制
Bus voltage DC hierarchical coordinated control
method
该层控制下系统处于孤岛运行模式，U dc1=0.96U dc =240V ，因为P pv
图1
Fig.1
光伏直流微电网的典型结构
Typical structure of photovoltaic DC micro grid
一般情况下，蓄电池储能单元剩余容量范围为40%~95%，当其下降到40%时，为了保护蓄电池，Buck/Boost双向变换器将停止工作，前级的Boost 变换器仍然工作在MPPT 状态，为了使直流母线电压保持稳定，需切掉一定的负载。进行完减载操作后，电网将恢复正常，由于光伏发电单元输出功率仍然小于负载功率，且U dc1低于网侧
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3.1
光伏直流微网的电压分层协调
控制
分层协调控制方法
按照直流微网的运行模式［8-10］，可将微网的
电气传动2015年第45卷第3期李圣清，等：
光伏直流微网母线电压稳定控制
接口变换器整流直流电压给定值250V 。孤岛模式下，母线电压控制常采用下垂控制法，采集母线输出电流控制电压为
*
k 1U dc1式中：为直流母线参考电压，为240~250V ；
k 1=0.03/I dc-max ，为第1控制层内下垂系数，I dc-max 为
*
U dc1=250-k 1´I dc1
母线电压不断变化，影响后级DC/AC实现逆变和并网功能。
为了保证逆变器的可靠运行，仍然需要对扰动的母线电压进行控制。由于前级DC/DC变换器在MPPT 模式下无法维持输出电压恒定，因此，直流母线电压的稳定状态控制从光伏接口控制器自然过渡到网侧接口控制器。随着母线电压升高使得P pv >P Load ，说明光伏阵列多余的输出功率未能及时馈送到电网，若要降低母线电压，只要增大输出电流即可。
图4中，将A/D采样得到的太阳能电池阵列的输出电压U pv 和电流I pv 与前一次电压和电流的采样值进行比较，根据MPPT 控制算法调节DC/AC 逆变器输出电流的幅值指令I ref ，再将I ref 与电
网电压同步的单位正弦信号sin θ相乘得到逆变器输出指令I ref sin θ，然后将I ref sin θ与并网逆变器实际输出电流I out 的误差值经过内环电流控制器作用后，输出信号与固定频率的三角波比较后得到PWM 控制信号，再经过驱动电路放大后去控
（1）
直流侧母线最大电流。
由孤岛切换到并网运行时的冲击电流大小主要由微网与公共配电网之间电压偏差和相角偏差综合决定。因此采用预同步控制，可以减小并网合闸时的冲击，实现稳定和平滑切换，通过调节逆变器输出电压和相角跟踪外部电压和相角，可将电压和频率调到与网侧接口单元基本一致。控制框图如图3所示。
图3预同步控制框图
制DC/AC逆变器的开关管。
三相电压；U i 为逆变器输出电压额定值；f i 为额定
′
′
图3中，U g abc 为网侧三相电压；U i abc 为逆变器
图4
Fig.4
网侧接口变换器控制框图
Fig.3Pre ⁃synchronizing control block diagram
频率；U i 和f i 分别为经过预同步控制调整后的电压和频率；ΔU 0，Δf 0分别为电压幅值误差和频率误差。
电压幅值误差为
k
（2）DU 0=(k p1+)(|U g |-|U i |)
k p1，k i1为比例积分系数；式中：|U g |，|U i |分别为电
Control diagram of network side interface
converter
当系统由并网切换到孤岛运行状态时，层间切换的稳定性和平滑性由逆变器侧电压电流双环控制器进行调节。电压外环控制器主要用于维持电压稳定，通过采样滤波电感电流和滤波电容电压来控制逆变器输入电压，同时产生电流内环参考信号，内环控制器主要进行精细的调节，调节电流使输出电压跟踪参考电压值。使得逆变器动态响应加快，输出电流的谐波含量减小，实现稳定和平滑切换。3.4
第3层控制
若直流母线电压继续上升，直到U dc3=1.04U dc =260V ，则系统进入第3层控制，微网与电网分离，进入孤岛运行模式。此时P pv >P Load 。多余的能量聚集在直流母线上，导致直流母线电压升高，所以此时Boost 变换器工作在恒压模式，蓄电池经过一段过渡时间后充电，将多余的能量储存起来，同时抑制不断上升的母线电压。极端情况下，若蓄电池充完电后还有剩余能量，则可对
网和逆变器输出电压幅值。
频率误差为
Df 0=(k p2+
k （3）)(θg -θi )
θg ，θi 分别为电网和逆变器输出电压相位；式中：s
为经拉普拉斯变换后复变量。3.3
第2层控制
当母线电压持续上升到U dc2=U dc =250V 时，系统将切换到并网运行，网侧接口处于逆变状态，进入第2层控制。前级Boost 变换器工作在MPPT 模式，与母线电压保持在同一电位U dc2=250V 状态，蓄电池处于放电状态。采用干扰观察法（perturbation and observation ，P&O）原理的MPPT 算法连续追踪最大功率点电压，导致直流50
李圣清，等：
光伏直流微网母线电压稳定控制电气传动2015年第45卷第3期
系统进行加载操作，因负载变化而引起直流母线电压变化时，仍然采用下垂法来保持母线电压稳定，但需要增加一个虚拟的输出阻抗环，实现负载功率的分配。直流母线参考电压为其中
*
U dc3=260-k 3I dc3
Simulink 搭建了仿真系统。光伏阵列在标准测试条件下最大功率为600W ，温度T =25℃，光照强度为1000W/m2，输出电压为180V ，占空比D *为0.4。在上述3种工作状态下，直流母线电压、电流，光伏接口变换器电流及蓄电池接口变换器电流如图7~图10所示。
（4）
k 3=DU ´
*
I dc3为第3控制U dc3式中：为直流母线参考电压；
k 3为虚拟输出阻抗；DU =层下直流侧母线电流；
U dc -min 为该电压等级下最小输出电4%U dc =10V ；
P pv 为光伏阵列输出功率。压；
U pv
（5）
U B 图5为蓄电池储能接口变换器控制框图，
U BH ，U BL 分别表示蓄电池剩余表示蓄电池电压；
图7Fig.7
直流母线电压DC bus
voltage
容量为95%和40%时的电压；I BC_max，I BD_max为最大*I B ，充放电电流；I B 分别为电池电流和反馈电流；I r1，I r2分别为经过限幅后的输出电流；G （）为电流1s PI 控制器；D *为占空比。
G v （），G v （）分别为充电和放电状态下传递函数；1s 2s
图8Fig. 8
直流母线电流DC bus current
图5
Fig.5
蓄电池储能接口变换器控制框图
Control diagram of battery energy storage interface converter
图6为光伏接口变换器控制框图，U pv ，I pv 分别为太阳能电池阵列的输出电压和电流，U MPPT 为光
k d1是反馈系数，伏阵列电压参考值，U 1，U 2分别为经过传递函数G v （）和G v （）后的输出电压。1s 2s
Fig.9
图9光伏接口变换器电流
Photovoltaic interface converter
current
图10
图6Fig.6
光伏接口变换器控制框图
Fig.10
蓄电池接口变换器电流
Battery energy storage interface converter
current
4仿真与实验分析
4.1
仿真分析
Control diagram of PV interface converter
仿真开始t =0s 时，系统运行在孤岛模式，光伏阵列未与电网相连，蓄电池放电为负载提供能量。此时，直流母线电压维持在240V ，母线电流输出为8.3A ，蓄电池放电电流为5.2A 。以充电电流方向为正方向，电流反方向说明蓄电池工作
51
为验证上述策略的正确性，利用Matlab/
电气传动2015年第45卷第3期李圣清，等：
光伏直流微网母线电压稳定控制
在充电状态的逆状态。
当t =0.5s 时，系统切换到第2控制层。光伏阵列与电网相连，并网侧接口变换器工作于逆变状态，母线电压跃升到252V ，光伏接口变换器工作在MPPT 状态，且输出电流为24A ，蓄电池继续保持放电状态，以抑制母线电压升高。
当t =1.0s 时，母线电压上升至261V ，系统进入第3控制层，系统与电网再次分离。光伏接口变换器改变工作状态，进入恒压模式，输出电流维持在24A ，母线电流下降至5.9A 。仿真验证了分层协调控制方法的正确性，采用该方法的系统各工作模态切换平滑，相互之间没有重叠工作区域。过渡过程也无太大扰动，输出电压波形平缓稳定。4.2
实验分析
由直流电压源（180V ）与电阻（40Ω）串联模拟光伏阵列，故最大功率为320W ，对应MPPT 电压为100V ，光伏接口变换器采用Boost 电路。网侧接口单元由2个500W 双向DC -AC 变换器组成，采用单相非隔离全桥拓扑。由蓄电池和双向Buck -Boost 电路组成储能接口单元，蓄电池标称电压为50V ，额定容量为10A ·h ，故最大充放电电流分别设定为1.5和9A 。实验状态的切换如图11、图12所示。
段时间后由240V 平滑切换到250V ，过渡时间虽然很短，但是没有出现明显跃变，说明分层协调控制方法取得了较好的控制效果。在图12中，由模态2切换到模态3的时间大大缩短，说明系统的动态响应快，母线电压一直维持在260V ，表明系统稳定性好。
5结论
为了维持光伏直流微网中母线电压的稳定
及接口控制器间的有功功率平衡，提出了光伏直流微网母线电压分层协调控制方法，通过设定合理的电压层级阈值及对直流母线电压变化量的控制，依靠各个接口控制器间的协调配合来维持直流母线电压的稳定，保持系统正常运行。在切换过程中，采用预同步控制和电压电流双环控制的方法，实现层间工作模式的平滑切换。能够在允许的工作范围内使直流母线电压保持稳定状态，保证直流微电网对负载的正常供电，提高电网的可靠性。
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图11Fig.11
模态1切换到模态2
Transition from mode 1to mode 2
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图12Fig.12
模态2切换到模态3
Transition from mode 2to mode 3
收稿日期：2014-04-20修改稿日期：2014-08-06
实验开始后，图11中直流母线电压经过一52