苏 适，栾思平，罗恩博，杨 洋

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650000)

随着能源危机和环境问题日益加剧，直流微电网技术作为一种解决手段，在分布式能源接入领域得到了巨大发展。直流微电网优点在于可大量接纳光伏、风力发电等新能源发电，并通过采用相关的协调控制和能量管理等方式实现系统本地运行，同时也可以由变流装置接入大电网实现并网运行[1-3]。由于微电网中新能源发电的渗透率较高，间歇性和波动性较大，因此需要大量的储能单元来维持系统的瞬时功率不平衡[4]。

典型的直流微电网结构如图1所示，其中储能单元通过双向DC/DC变换器连接到直流总线上。针对含光伏源的直流微电网系统，文献[5]提出了一种微电网孤岛与并网模式的平滑切换控制方法，实现了微电网在多种运行模式下的不同控制策略的切换；文献[6]提出了一种混合储能控制及系统分层协调控制策略，维持直流微电网功率平衡；文献[7]以直流母线电压为控制目标，详细分析了直流微电网各变流器对母线电压的影响。针对直流微电网，文献[8]提出了一种自适应分级协调控制，用以解决多储能单元接入的荷电状态均衡问题。用于储能单元的双向DC/DC变换器可以分为2种：隔离型DC/DC变换器，常见的有双主动全桥(dual active bridge,DAB)[9]、双主动半桥(dual half bridge,DHB)[10]等；非隔离型DC/DC变换器，有双向Buck-Boost变换器[11]、级联Buck-Boost变换器[12-13]等。

图1 直流微电网结构Figure 1 Structure diagram of DC microgrid

DAB等隔离型变换器在隔离和电压增益等方面上具有优势，但增加的高频变压器会使得变换器的成本变高，目前实际应用比较少。在储能单元的实际使用上，非隔离DC/DC变换器的应用越来越广泛。文献[14]采用双向Buck-Boost变换器作为直流微电网中的储能单元变换器；文献[11,15]进一步根据直流母线电压设计了不同工作模式，并实现了储能单元在不同运行模式下的自由切换。

双向Buck-Boost变换器工作时存在一定的局限性，即任何一种电流流向只能对应一种工作模式(Buck或Boost模式)，导致电压增益比较低。但级联Buck-Boost变换器相当于2个双向Buck-Boost变换器级联实现双向升降压变换，在没有这个限制的情况下，可以大大地提高电压增益范围。文献[16]具体分析了级联Buck-Boost变换器的多种工作模态，并给出了软开关优化策略；文献[17-18]分析了级联Buck-Boost变换器在不同工作模式下的小信号模型，并根据得到的小信号模型设计了相应的控制器。

本文使用级联Buck-Boost变换器作为直流微电网系统储能单元接口变换器，根据直流微电网的实际要求，设计在不同工作模式下变换器的控制策略。首先给出了基于级联Buck-Boost变换器的直流微电网储能单元结构；然后结合其工作原理，分析级联Buck-Boost变换器的不同工作模式，再根据针对直流微电网的工况确定储能单元的控制策略；最后搭建仿真及硬件平台对所提的设计方案和控制策略进行验证。

1 储能单元设计

1.1 储能单元整体方案

基于级联Buck-Boost变换器的储能单元结构如图2所示，储能单元通过级联Buck-Boost变换器与直流母线连接。同时，为了提高储能端口的容量，将多个模块输出侧并联在直流母线上，一方面增强了储能单元平抑功率波动的能力，另一方面也有利于提高系统的冗余程度和实现储能单元模块化，从而提高系统的稳定性，降低系统维护难度。

图2 储能单元结构Figure 2 Energy storage unit structure

1.2 子模块工作模态分析

由图2可知，级联Buck-Boost变换器由4个开关管S1、S2、S3和S4和一个电感L组成，其中vi为子模块的输入电压。电压变换器工作时，同一桥臂的2个开关管互补导通，分别记占空比为d1、d2、d3和d4。

实质上级联Buck-Boost变换器看成2个双向Buck-Boost变换器级联形成，主要有Boost、Buck模式。当S1一直导通，S3、S4根据调制信号交替导通，此时Buck-Boost变换器工作于Boost模式，此时vivo。具体模态分析如图3所示。

图3 子模块工作模态Figure 3 Sub-module working modalities

不同模态下，电感电压表达式为

(1)

式中m1、m2均为开关状态。m1=1时，表示S1导通，S2关断；m2=1时，表示S3导通，S4关断。

Boost模式由模态1和2组成，m1一直等于1，对m2周期平均化后可得输入输出稳态关系，即

vo=vi/d3

(2)

类似的Buck模式下输入输出稳态关系，即

vo=vid1

(3)

通过上述分析，双向Buck-Boost变换器正常工作时只相当于级联Buck-Boost变换器一种模式，但级联Buck/Boost变换器可以通过确定主控管S1和S3的状态调整变换器切换升降压状态，从而提高电压增益范围。

就控制复杂性而言，无论在Buck还是Boost模式，S1、S2、S3和S4的开关状态都不再完全互补或相等，即左右2个桥臂在Buck或Boost模式下需要独立的调制，如图4所示。因此为了在Buck和Boost模式下级联Buck-Boost变换器都能正常工作，需要分别设计在Buck和Boost模式下的调制策略，这会加剧控制系统的复杂程度。本文提出了通过载波平移的方法实现既适用于Buck也适用于Boost模式的调制方式。

(a) 载波平移调制方式

(b) 载波平移调制波形

由图4可知，2个载波Vcar1、Vcar2上下平移，使DC/DC变换器只能处于Boost、Buck这2种模式。当控制信号在Boost模式区间时，Vctrl恒大于Vcar1，此时S1一直导通，S3和S4则根据控制信号调制交替导通；同理，当控制信号在Buck模式区间时，Vctrl恒小于Vcar2，此时S3一直导通，S1和S2则交替导通。由上述分析可知，当占空比为正或负时，一侧桥臂的占空比自然为1或0，自动实现了Buck或Boost模式的切换。

2 储能单元控制策略

2.1 整体控制策略

直流微电网一般利用AC/DC 变换器来实现直流母线电压稳压，储能和新能源发电单元只需根据调度指令进行相应的功率或电流输出即可[19]。而对于储能模块来说，频繁充放电会导致储能单元寿命受影响，因此当新能源发电单元能够满足系统需求时，储能单元只需根据荷电状态(state of charge,SOC)值进行充放电的选择，即在SOC值过高时采用恒流工作模式放电，过低时采用恒流工作模式充电。然而，一旦AC/DC变换器发生限流运行、故障退出或者风电/光伏等间歇性电源出力波动过大等问题，将会导致直流微电网功率不平衡的后果，从而致使母线电压持续降低或升高，系统将可能崩溃中止运行。因此，在系统控制中，必须考虑直流微电网中储能单元的有效控制，根据实际工况的输出或者吸收功率情况做出相对应的动作，使直流母线电压保持在允许的稳定运行范围之内。

根据上述分析，将储能单元的工作状态分成以下3类。

1)空闲模式。储能单元既不充电也不放电。

2)电压模式。储能单元在AC/DC单元失控，无法实现直流母线电压稳定时，进行母线电压控制。

3)电流模式。储能单元在AC/DC单元正常运行时，根据实际工况的功率情况做出的恒流充放电对应动作。

不同工作状态的关系如图5所示。

图5 储能单元工作模式关系Figure 5 Energy storage unit working mode relationship

在实现工况应用时，在达到系统稳态目标后，直流母线电压会在一定上下限内变化，而不是完全跟随给定参考电压指令[11]。如果储能单元工作模式只是根据直流母线电压瞬时值与指令值的差值来确定，会导致系统在电压工作模式和其他几种工作模式之间发生来回切换现象。这样一方面会导致系统控制的不稳定，另一方面也会导致系统的频繁充放电现象。因此本文通过设定电压工作区间来判断系统工作模式是否需要切换。具体控制策略如图6所示。

图6 整体控制策略Figure 6 Overall control strategy

图6中，Ubus为直流母线电压检测值，Uset为设定值，Ulimit为偏差区间，只有当|Ubus-Uset|超过Ulimit时，才认为AC/DC变换器出现问题，需要储能单元控制母线电压。如果母线电压在系统允许的范围，此时会根据检测到SOC值判断是否需要恒流充放电，然后根据检测的SOC状态，来判断是否需要充电和放电。当SOC<0.2时，采用恒流控制进行充电；当SOC>0.8时，采用恒流控制进行放电；当0.2≤SOC≤0.8时，储能单元处于空闲状态。

2.2 电压模式和电流模式控制器设计

在电压工作模式下，n个储能单元子模块输出侧直接并联，等效于输出稳定的多个电压源并联。子模块参数或者线路参数差异会导致子模块电流偏差较大，增大器件应力的同时还可能会导致系统的不稳定。本文采用下垂控制方式，将下垂控制加在级联Buck-Boost变换器的电压电流双环控制之外，作为控制外环，得到级联Buck-Boost变换器输出直流电压参考值，具体控制如图7所示。

图7 电压模式控制器Figure 7 Voltage mode controller

下垂控制得到指令为

Vset(i)=V0-kDroop·io(i)

(4)

式中V0为直流母线电压设定的期望值；kDroop为下垂系数。

实质上，下垂控制相当于增大变换器输出阻抗，使得该阻抗值远超过线缆阻抗以及其他参数，从而保证各储能单元输出电流的均衡[6]。相较于主从控制，下垂控制不需要额外的通讯线，更适合于分布式系统。根据Buck和Boost模式小信号电路数学模型及各级传递函数可以得到系统传递函数及系统特征方程。依据劳斯判据等相关原则可得到系统下垂系数取值范围。同时，由于下垂控制是通过增加变换器输出阻抗来实现不同模块均流，所以导致电压偏差和电流分配精度相互矛盾，如图8所示，#1和#2分别为2个变换器的输出电流，ΔI1、ΔI2为2个变换器分流偏差。直流电网的电压运行在一个范围内，在不超出正常电压范围时，可适当增加下垂系数提高均流效果。

图8 不同下垂系数下均流效果，kDroop1>kDroop2Figure 8 Current sharing effect under different droop coefficients，kDroop1>kDroop2

在电流工作模式下，n个储能单元子模块输出侧直接并联，等效于输出稳定的多个电流源并联，电流工作模式的具体控制如图9所示。电流参考值Iset与变换器当前电流io比较后，经由PI调节器得出值，送至PWM模块生成开关管的驱动信号。

图9 电流模式控制器Figure 9 Current mode controller

3 仿真验证

为验证本文提出控制策略在实际系统中的可行性，将通过PSIM进行仿真验证，仿真中主电路及控制参数如表1所示，仿真结果如图10、11所示。仿真中采用2个有参数差异的子模块并联组成储能单元，验证其在不同模式下控制策略的有效性。

表1 主电路及控制参数Table 1 Main circuit and control parameter

场景1 当AC/DC变换器正常工作(|Ubus-Uset|未超过Ulimit)、0.3 s时，储能单元进行恒流充放电。

由图10可知，电流模式下储能单元设置的接入对母线电压的影响可忽略。同时，尽管子模块参数不同，在切换的瞬间不同模块的电流值有所偏差，随后通过PI调节器的调节，0.1 s后不同子模块的电流近似相等，充分说明了控制策略的有效性。

图10 空闲切换至电流模式运行情况Figure 10 Current mode operation

场景2 当AC/DC变换器不能正常工作时(|Ubus-Uset|超过Ulimit)，储能单元进入电压模式。

由于2个不同子模块间存在参数偏差，即模拟实际工况中线缆阻抗差异较大的情况，而子模块并联在同一直流母线上，势必会造成输出电流不平衡的问题。由图11可知，加入的下垂控制使不同子模块的电流偏差较小，基本实现了均流的功能(不同子模块参数偏差设置为10%)。由图11(b)可知，母线电压与电流模式相比有比较大的下降。在动态性能上，切换的瞬间无论是电压还是电流波形都有一定超调，通过控制器的调节，0.1 s后达到稳态，充分说明了控制策略的有效性。

图11 空闲切换至电压模式运行情况Figure 11 Voltage mode operation

由图10、11的仿真结果可知，无论是在电流模式还是电压模式下，系统都能正常工作，说明整体控制策略在不同模式下都能起作用，对系统有良好的支撑作用。

4 结语

本文对比分析了常见用于直流微电网储能单元的直流变换器，提出了一种基于级联Buck-Boost变换器的设计方案。通过对级联Buck-Boost变换器的工作模态分析，得出级联Buck-Boost变换器电压增益范围的优势，并给出相应的调制策略。同时根据储能单元在微电网运行时所可能发生的工况确定控制策略，并对其中的电压模式和电流模式进行了详细分析。最后，搭建了相关仿真验证了所提储能单元方案的可行性。