赵小平

(神木职业技术学院，陕西 神木 719300)

在直流微网中，太阳能光伏Boost变换器并不具备发电机惯性与阻尼，而且负载功率发生骤变时还会影响直流母线电压的稳定性。若母线电压出现扰动，那么保障负荷侧电压稳定、母线电压恢复、降低电压跌落冲击便成为了直流微网稳定运行的关键。作为母线、负荷、微电源衔接的关键电力电子设备，DC/DC变换器可转变母线电压或者微电源电压为负荷或者直流母线可接受电压等级。为保障直流微网运行稳定性，有学者提出了以电压下垂控制与MPPT控制为载体的光伏接口单元控制与抑制母线电压波动的功率前馈控制相关策略，可确保母线电压稳定性，却无法控制小范围直流母线电压的波动与突变。当前基于直流母线的变流器控制策略依旧缺少一定的柔韧性与自动分担功率效用，所以进一步研究具备鲁棒性的DC/DC变换器控制模型具有十分重要的现实意义[1]。据此，本文提出了虚拟直流发电机控制策略，即基于模拟直流发电机特性的DC/DC变换器控制策略。

1 直流发电机工作原理

基于直流发电机原理[2]可以得知：

Ee=Fgφυ

(1)

式中，Ee为感应电动势；Fg为电动势常数；φ为磁通；υ为转速。

若发电机输出电压以R0表示，内阻以f表示，输出电流以Io表示，负载阻抗以UL表示，那么直流发电机运行电路如图1所示。

图1 直流发电机运行电路

由图可知，直流发电机输出电流具体表示为：

(2)

基于式(2)可知，输出电流直接受发电机的感应电动势、内阻、负载阻抗影响。就发电机供电系统而言，内阻属于既定值，负载阻抗则以供电系统工况不同而阻值相对不同，因此为了有效控制输出电流，需适度调整感应电动势。而感应电动势与电动势、磁通、转速息息相关，电动势属于常数，因此通常以调节磁通或转速的方式进行感应电动势调整。

磁通与励磁电流之间关系[3]具体表示为：

φ=HaIa

(3)

式中，Ia为励磁电流；Ha为比例常数。

将式(3)代入式(1)则得出：

Ee=FgHaIaυ

(4)

将式(4)代入式(2)则得出：

(5)

由上述公式得知，直流发电机的输出电流与发电机参数(电动势、内阻等)密切关联，且直接受励磁电流、发电机转速、输出电压影响。基于转速与输出电压既定时，可以适度改变励磁电流的方式，进行输出电流调整。

2 直流发电机惯性特性分析

直流发电机负荷为电阻，那么输入输出回路[4]如图2所示，其中Wn为机械转矩；Ee为感应电动势；Fa为总电阻；Io为输出电流；Ro为输出电压；UL为负载阻抗。

图2 输入输出回路

直流微网内，

(6)

式中，We为电磁转矩；J为转动惯量；P为阻尼系数；υ为角速度；υ0为角速度初始值。

基于式(6)，在直流发电机机械功率骤然改变时，受转动惯量与阻尼系数影响，发电机角速度逐步变化，此时感应电动势与输出功率则呈现为平稳变化状态。

在直流发电机输入功率突发性升高时，输入机械功率与输出电磁功率的变化如图3所示，Qc为输入机械功率；Qd为输出电磁功率。

图3 输入机械功率与输出电磁功率变化

由图3可知，直流发电机输入功率阶跃迅速升高时，输出功率并未随之呈现相同变化趋势，而是通过惯性缓缓升高，其为直流发电机的一大主要优势。

3 直流发电机控制策略

本文选用了当前应用比较广泛且先进的虚拟直流发电机控制策略，即以既定控制策略，对变换器输入输出加以控制，促使其具备直流发电机特性。此控制策略数学模型则是基于发电机机械与电磁方程得以构建的。虚拟直流发电机控制策略模型主要包含3大模块。

3.1 直流发电机模块分析

直流发电机模块结构[5]如图4所示。

图4 直流发电机模块结构示意

3.2 直流电压调节模块分析

此模块不可利用母线电压，主要是由于直流微网以分层加以控制，母线电压变化比较明显。所以以Boost变换器中间电压为载体，其模块结构[6]如图5所示。

图5 直流电压调节模块结构

3.3 电流跟踪控制模块分析

电流跟踪模块结构因微电源不同类型而存在差异，即如果太阳能光伏系统输出电流与参考值在PI调节之后为O，则电压源类型模块占空比则为O，电流源类型模块占空比为1-O。通过仿真分析得出电流跟踪模块结构[7]如图6所示。

图6 直流跟踪控制模块结构示意

太阳能光伏电池属于受端电压直接影响的电流源，所以本文设计的虚拟发电机电流跟踪模块选择电流源类型模型结构。

4 仿真分析

以Pscad/Emtdc仿真对控制策略进行实验分析[8]。在初始运行时，直流母线电压稳定运行在额定状态，即400 V，1 s之后母线受扰动发生了短时间电压骤降。基于扰动的母线电压与电枢端电压如图7所示。

图7 基于扰动影响的母线电压与电枢端电压

由图7可以看出，受扰动影响，直流发电机母线电压较低的状态下，直流变换器的虚拟电枢电动势随着母线变化相对变化，以此缩减面向母线的功率取用，从而助于母线电压快速恢复。

于相同工况下，基于PI控制与虚拟直流发电机控制加强Boost电路控制。初始运行时，母线电压于400 V平稳运行1 s时，系统持续添加负荷，以造成直流母线电压实时变化。仿真参数设置具体为：串联电感1.1 mH，输出滤波电容3.4 mF，负荷100 Ω，2组50 Ω并联运行，时间控制在2 s，步长250 μs，初始时为一组负荷供电，1 s时为2组负荷并联供电。

基于PI控制的Boost变换器的母线电压与负荷电流具体如图8所示。

图8 基于PI控制的微网母线电压与负荷侧电压

由图8可知，在负荷功率实时变化时，在扰动影响作用下，母线电压于PI控制则会生成回复趋势，最终于397 V稳定，且只出现小范围电压波动，而负荷侧电压于450 V稳定，PI控制法尽管可保持负荷侧电压均衡，但是电压变化依旧非常突兀且明显。

基于虚拟直流发电机控制的Boost变换器的母线电压与负荷电流如图9所示。

图9 微网母线电压与负荷侧电压

由图9可知，在母线电压突然下降时，Boost变换器于虚拟直流发电机控制，会适度降低对于母线电压功率的获取，所以也可保持母线电压处于397 V稳定状态。而与PI控制相比，其还添加了惯性环节，在电压恢复时会基于适度缓解震荡，避免对母线其他设备造成巨大冲击，而负荷侧电压也会通过震荡恢复为原始状态。所以，相对于PI控制，虚拟直流发电机控制策略超调性与可行性更为突出，值得大力推广应用。

5 结论

综上所述，在直流微网中母线电压扰动时，需以直流变换器保障负荷侧电压不受干扰，并恢复母线电压，降低电压跌落造成的冲击。据此，本文提出了虚拟直流发电机控制策略，其属于具备鲁棒性与柔韧性的直流变换器控制方案，可缓解负荷变化造成的母线电压波动，还可逐步恢复电压于额定值。同时，通过仿真分析表明，虚拟直流发电机控制策略超调性与可行性非常突出，值得大力推广应用。