智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學)、國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院、華南理工大學廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室的研究人員李霞林、張雪松、郭力等，在2018年第4期《電工技術(shù)學報》上撰文，針對應用電壓平衡器來解決雙極性直流微電網(wǎng)正、負極對中線電壓的平衡控制問題，提出一種基于下垂控制和干擾觀測器相結(jié)合的多電壓平衡器并聯(lián)運行與協(xié)調(diào)控制方法。

應用干擾觀測器，能在不需要增加額外電流傳感器的情況下，利用本地測量信息即可實現(xiàn)對電壓平衡器輸出電流的快速跟蹤;采用基于干擾觀測器輸出結(jié)果的外環(huán)直流電壓下垂控制和內(nèi)環(huán)輸出電流前饋控制，不僅能實現(xiàn)在無互聯(lián)通信情況下的多電壓平衡器并聯(lián)運行和即插即用，還能有效提高直流電壓平衡控制系統(tǒng)的動態(tài)響應，抑制雙極性直流微電網(wǎng)內(nèi)負荷突變、間隙性分布式電源出力波動等暫態(tài)對直流母線正、負極對中線電壓的沖擊。

最后，在包含直流模擬電源、兩臺電壓平衡器以及相應阻性負荷、恒功率負載等構(gòu)成的雙極性直流微電網(wǎng)實驗平臺中驗證了所提方法的有效性。

相比交流微電網(wǎng)供電，直流微電網(wǎng)可以使用更少的功率變換裝置，且不存在無功環(huán)流、同步等問題，并可通過雙向DC-AC變流器與交流電網(wǎng)(或交流微電網(wǎng))相互支撐[1-6]，正受到國內(nèi)外工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。

根據(jù)配用電形式和供電母線數(shù)量，直流微電網(wǎng)通常有單極性和雙極性兩種供電形勢。相比單極性結(jié)構(gòu)，雙極性三線制(正、負極母線以及中線)直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)含兩個電壓等級，可有效提高直流供電系統(tǒng)利用率和適應不同電壓等級分布式電源、儲能系統(tǒng)及負荷接入[7,8]。直流微電網(wǎng)雙極性三線制供電結(jié)構(gòu)主要三種，如圖1所示。

圖1 直流微電網(wǎng)雙極性三線制供電結(jié)構(gòu)

圖1a采用兩個變流器輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)的級聯(lián)形式(DC-AC和DC-DC分別對應交流電網(wǎng)和直流型儲能單元接入直流微電網(wǎng)接口)[8]。其優(yōu)勢是直流系統(tǒng)內(nèi)部形成兩個獨立供電回路，可提高輸電系統(tǒng)可靠性，目前廣泛應用于高壓直流輸電系統(tǒng)中;缺點是需要兩套變流裝置，成本較高。

圖1b采用具有中點電位平衡功能的三電平中點鉗位式DC-AC變流器[9,10]或三電平Buck-Boost雙向變換器[11]構(gòu)成直流微電網(wǎng)三線制結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是系統(tǒng)集成化程度較高，但相比常規(guī)變流器，同時也會增加功率管數(shù)量和控制系統(tǒng)復雜程度(需要集成直流母線電壓控制和中點電壓平衡功能);此外若DC-AC或DC-DC出現(xiàn)故障，直流微電網(wǎng)將同時失去直流母線電壓控制和中點電壓平衡功能，在一定程度上會降低控制系統(tǒng)可靠性。

圖1c為常規(guī)DC-AC或DC-DC變流器+電壓平衡器結(jié)構(gòu)[12-16]，直流正負極母線電壓控制(由DC-AC或DC-DC控制)和中點電壓平衡控制(由電壓平衡器來控制)兩者完全解耦，相比與圖1b所示結(jié)構(gòu)，從裝置和控制功能上均使得雙極性直流微電網(wǎng)的設計更加靈活，運行可靠性更高，可擴展性更強。

關(guān)于電壓平衡器在雙極性直流微電網(wǎng)中的應用，文獻[12]提出在直流微電網(wǎng)中應用常規(guī)Buck/ Boost型電壓平衡器，實現(xiàn)雙極性直流母線配電。文獻[13]提出了雙Buck/Boost型電壓平衡器，主要用于解決常規(guī)Buck/Boost型電壓平衡器上、下橋臂開關(guān)管直通的問題。在更高電壓等級和更大容量直流微電網(wǎng)、電動汽車快速充電中等應用場合，為了降低功率器件電壓應力，三電平或多電平技術(shù)[14,15]獲得了廣泛應用。

文獻[16]研究了面向雙極性直流微電網(wǎng)的電壓平衡器拓撲，指出電壓平衡器本質(zhì)為輸入、輸出極性相反的雙向直流變換器，并在此基礎上提出了多種新型電壓平衡器等拓撲結(jié)構(gòu)。由于簡單易行，電壓/電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)在常規(guī)Buck/ Boost型電壓平衡器的控制中獲得了廣泛應用[12]。本文也重點研究雙極性直流微電網(wǎng)中常規(guī)Buck/ Boost型電壓平衡器的控制。

雙極性直流微電網(wǎng)正常運行時，若其正負極功率偏差較大，為實現(xiàn)正負極電壓對稱，電壓平衡器容量也要相應增大。當系統(tǒng)中含多個電壓平衡器并聯(lián)運行時，即使其中某個電壓平衡器出現(xiàn)故障，在非極端工況下其余正常運行電壓平衡器仍可實現(xiàn)雙極性直流微電網(wǎng)中正、負極母線電壓平衡功能，相比單個電壓平衡器配置可有效提高雙極性直流微電網(wǎng)的供電可靠性。此外，若考慮直流線路等因素，多個分布式電壓平衡器可靈活配置在關(guān)鍵負荷節(jié)點處，保證重要負荷的供電電能質(zhì)量。

目前鮮有文獻涉及多電壓平衡器在雙極性直流微電網(wǎng)中的應用與協(xié)調(diào)控制。針對該問題，本文首先分析基于集中控制的多電壓平衡器協(xié)調(diào)控制側(cè)策略，指出集中控制無法實現(xiàn)多電壓平衡器即插即用，且會降低控制系統(tǒng)可靠性;進而提出一種基于下垂控制和干擾觀測器相結(jié)合的多電壓平衡器并聯(lián)運行與協(xié)調(diào)控制方法，并對此進行了詳細的理論分析和實驗驗證。

圖2 含多電壓平衡器的雙極性直流微電網(wǎng)

圖3 雙極性直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)

結(jié)論

本文探討了雙極性直流微電網(wǎng)多電壓平衡器協(xié)調(diào)控制策略，提出一種基于下垂控制和干擾觀測器相結(jié)合的多電壓平衡器協(xié)調(diào)控制方法。理論分析和實驗驗證表明，該方法不僅能有效提高電壓平衡控制系統(tǒng)的動態(tài)響應和抗擾能力，還可使多電壓平衡器具備即插即用的能力。

但本文研究還存在如下不足：①由于下垂特性的存在，正、負極電壓將存在一定偏差，且如果還考慮到直流電壓測量誤差、直流線路等因素，多電壓平衡器電流分配效果將受到影響;②電壓平衡器的引入在電氣回路上增加了LC環(huán)節(jié)，容易引起直流系統(tǒng)諧振;③電壓平衡器的控制系統(tǒng)可能會和正、負極間直流電壓控制系統(tǒng)相互影響。

以上均是多電壓平衡器在雙極性直流微電網(wǎng)中實際應用時需要重點關(guān)注的問題，可作為后續(xù)研究的重點。