重庆大学科研人员提出双极直流微电网不平衡电压控制的新方法 / 开普饭

双极直流微电网正、负极直流负荷的变化会导致直流母线电压偏离额定值，使正、负极电压出现不平衡，由此产生的不平衡电流还会增加网络损耗。为协调不同分布式电源参与直流微电网的不平衡电压控制，控制电压不平衡度在合理范围内或某一限定值，保证系统的稳定运行，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员杨美辉、周念成、王强钢、廖建权、孟潇潇，在2021年第3期《电工技术学报》上撰文，提出了双极直流微电网的不平衡电压的分布式协同控制策略，并通过仿真算例及实验对该控制策略进行验证。

光伏、储能等直流型分布式电源的增加促进了直流微电网的发展。相比于交流微电网，直流微电网具有结构简单、控制容易、供电容量大、电能质量高等优点。根据是否存在中线，可将直流微电网分为单极和双极直流微电网。

相比于单极直流微电网，双极直流微电网提供更多电压等级接口，电压等级可灵活变换，同时其对AC-DC变换器的利用率高。此外，当某一极发生故障时，另一极可继续保持运行，系统具有更高的可靠性和安全性。但正、负极的电源，负荷和线路参数等不平衡会在中线产生不平衡电流，进而增加线路损耗，同时使正、负极母线电压偏离额定值。

当某一节点的负荷严重不平衡时，不平衡度可能超标，甚至触发中线的不平衡电压保护。为灵活调节双极直流微电网的电压不平衡度，同时使母线电压运行在合理范围内，须采取一定的分布式协同控制策略，保证直流负荷的正常运行。

图1 双极直流微电网结构示意图

针对双极直流微电网的不平衡电压抑制，目前主要有三种策略：①采用可抑制不平衡电压的AC-DC变换器；②在AC-DC变换器的出口安装电压平衡器；③采用负荷切换开关调整直流负荷的供电极性。

由文献分析可知，双极直流微电网的不平衡电压的抑制可从源侧和网侧出发，通过增加不平衡补偿控制环节减小不平衡电流引起的线路损耗和电压偏差，但均只考虑单个变换器的不平衡电压抑制，而未考虑不同节点变换器间分布式电源参与不平衡度调节的协调能力。因此应进一步研究双极直流网络中不同节点变换器母线电压及不平衡度的协调控制，当负载和供电功率在大范围变化时，保证系统稳定运行。

基于一致性理论的分布式协同控制策略结合了集中式控制和分散式控制的优点，有利于协调多个变换器的不平衡电压控制。在直流微电网中各单元能够依据自身和相邻单元的信息实时更新自身状态，共同完成协调控制。

经文献分析可知，目前研究均针对单极直流微电网中不同变换器间的协调控制，而未考虑双极直流微电网结构。双极直流微电网因其系统结构中含有中性线，极间电压不平衡成为其特有的电能质量问题，负载功率、网络结构参数等电气量的不平衡及中线阻抗上的压降均会使正、负极电压进一步偏离额定值，从而对直流母线电压偏差补偿及双极直流微电网的功率分配产生影响。因此针对双极直流微电网，还需设计专门的极间不平衡电压控制器，控制正、负极电压的不平衡度在合理范围内，才能保证系统的稳定、可靠运行。

重庆大学的研究人员将一致性理论应用到双极直流微电网的不平衡电压控制中，通过对多个分布式电源变换器的分布式协同控制，实现双极直流微电网的不平衡电压控制。

图2 仿真结构示意图

研究人员在双极直流微电网的一次控制中采用电压下垂控制，同时根据一致性理论，结合电压不平衡度与正负极电压之间的关系，提出双极直流微电网的分布式协同控制策略。通过设计不平衡电压观测器和不平衡度控制器，使母线电压维持在额定值，并实现了极间电压不平衡度趋于一致。

他们通过对系统进行稳定性分析，从理论上验证了所提控制策略的稳定性和可靠性。最后在Matlab/Simulink中建立双极直流微电网仿真模型，并搭建实验平台，仿真及实验结果表明所提控制策略不仅在电网常规运行中有效，在负载变化和通信网络变化时同样具有良好的有效性。

图3 实验平台

研究人员最后得出分析结果：

1）通过设置电压观测器，可在负荷及网络参数变化时，动态调整各负荷节点的电压参考值，通过减小母线电压与额定值之间的偏差，提升双极直流微电网电压质量，并实现网络的正、负极母线平均电压趋于一致。

2）在电压观测器的基础上，增加不平衡度控制器，可使网络中各负荷节点的电压不平衡度趋于一致，从而最大限度地利用分布式电源的电压调节能力，减小功率波动较大时的电压失衡，有利于双极直流微电网的功率平衡。

3）在电压下垂控制的基础上增加一致性控制，可达到双极直流微电网的分布式协同控制。该控制策略可灵活应对负荷及通信网络时变的情况，保证直流负荷及整个双极直流微电网的正常、稳定运行。

重庆大学科研人员提出双极直流微电网不平衡电压控制的新方法

以上研究成果发表在2021年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于分布式协同的双极直流微电网不平衡电压控制策略”，作者为杨美辉、周念成 等。

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以上研究成果发表在2021年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于分布式协同的双极直流微电网不平衡电压控制策略”，作者为杨美辉、周念成等。