天津大学李霞林等：双极性直流微电网中多电压平衡器协调控制
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智能电网教育部重点实验室（天津大学）、国网浙江省电力公司电力科学研究院、华南理工大学广东省绿色能源技术重点实验室的研究人员李霞林、张雪松、郭力等，在2018年第4期《电工技术学报》上撰文，针对应用电压平衡器来解决双极性直流微电网正、负极对中线电压的平衡控制问题，提出一种基于下垂控制和干扰观测器相结合的多电压平衡器并联运行与协调控制方法。
应用干扰观测器，能在不需要增加额外电流传感器的情况下，利用本地测量信息即可实现对电压平衡器输出电流的快速跟踪；采用基于干扰观测器输出结果的外环直流电压下垂控制和内环输出电流前馈控制，不仅能实现在无互联通信情况下的多电压平衡器并联运行和即插即用，还能有效提高直流电压平衡控制系统的动态响应，抑制双极性直流微电网内负荷突变、间隙性分布式电源出力波动等暂态对直流母线正、负极对中线电压的冲击。
最后，在包含直流模拟电源、两台电压平衡器以及相应阻性负荷、恒功率负载等构成的双极性直流微电网实验平台中验证了所提方法的有效性。
相比交流微电网供电，直流微电网可以使用更少的功率变换装置，且不存在无功环流、同步等问题，并可通过双向DC-AC变流器与交流电网（或交流微电网）相互支撑[1-6]，正受到国内外工业界和学术界的广泛关注。
根据配用电形式和供电母线数量，直流微电网通常有单极性和双极性两种供电形势。相比单极性结构，双极性三线制（正、负极母线以及中线）直流微电网结构含两个电压等级，可有效提高直流供电系统利用率和适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷接入[7,8]。直流微电网双极性三线制供电结构主要三种，如图1所示。
图1 直流微电网双极性三线制供电结构
图1a采用两个变流器输入并联、输出串联的级联形式（DC-AC和DC-DC分别对应交流电网和直流型储能单元接入直流微电网接口）[8]。其优势是直流系统内部形成两个独立供电回路，可提高输电系统可靠性，目前广泛应用于高压直流输电系统中；缺点是需要两套变流装置，成本较高。
图1b采用具有中点电位平衡功能的三电平中点钳位式DC-AC变流器[9,10]或三电平Buck-Boost双向变换器[11]构成直流微电网三线制结构。这类结构优势是系统集成化程度较高，但相比常规变流器，同时也会增加功率管数量和控制系统复杂程度（需要集成直流母线电压控制和中点电压平衡功能）；此外若DC-AC或DC-DC出现故障，直流微电网将同时失去直流母线电压控制和中点电压平衡功能，在一定程度上会降低控制系统可靠性。
图1c为常规DC-AC或DC-DC变流器+电压平衡器结构[12-16]，直流正负极母线电压控制（由DC-AC或DC-DC控制）和中点电压平衡控制（由电压平衡器来控制）两者完全解耦，相比与图1b所示结构，从装置和控制功能上均使得双极性直流微电网的设计更加灵活，运行可靠性更高，可扩展性更强。
关于电压平衡器在双极性直流微电网中的应用，文献[12]提出在直流微电网中应用常规Buck/ Boost型电压平衡器，实现双极性直流母线配电。文献[13]提出了双Buck/Boost型电压平衡器，主要用于解决常规Buck/Boost型电压平衡器上、下桥臂开关管直通的问题。在更高电压等级和更大容量直流微电网、电动汽车快速充电中等应用场合，为了降低功率器件电压应力，三电平或多电平技术[14,15]获得了广泛应用。
文献[16]研究了面向双极性直流微电网的电压平衡器拓扑，指出电压平衡器本质为输入、输出极性相反的双向直流变换器，并在此基础上提出了多种新型电压平衡器等拓扑结构。由于简单易行，电压/电流双闭环控制结构在常规Buck/ Boost型电压平衡器的控制中获得了广泛应用[12]。本文也重点研究双极性直流微电网中常规Buck/ Boost型电压平衡器的控制。
双极性直流微电网正常运行时，若其正负极功率偏差较大，为实现正负极电压对称，电压平衡器容量也要相应增大。当系统中含多个电压平衡器并联运行时，即使其中某个电压平衡器出现故障，在非极端工况下其余正常运行电压平衡器仍可实现双极性直流微电网中正、负极母线电压平衡功能，相比单个电压平衡器配置可有效提高双极性直流微电网的供电可靠性。此外，若考虑直流线路等因素，多个分布式电压平衡器可灵活配置在关键负荷节点处，保证重要负荷的供电电能质量。
目前鲜有文献涉及多电压平衡器在双极性直流微电网中的应用与协调控制。针对该问题，本文首先分析基于集中控制的多电压平衡器协调控制侧策略，指出集中控制无法实现多电压平衡器即插即用，且会降低控制系统可靠性；进而提出一种基于下垂控制和干扰观测器相结合的多电压平衡器并联运行与协调控制方法，并对此进行了详细的理论分析和实验验证。
图2 含多电压平衡器的双极性直流微电网
图8 双极性直流微电网实验系统
结论
本文探讨了双极性直流微电网多电压平衡器协调控制策略，提出一种基于下垂控制和干扰观测器相结合的多电压平衡器协调控制方法。理论分析和实验验证表明，该方法不仅能有效提高电压平衡控制系统的动态响应和抗扰能力，还可使多电压平衡器具备即插即用的能力。
但本文研究还存在如下不足：①由于下垂特性的存在，正、负极电压将存在一定偏差，且如果还考虑到直流电压测量误差、直流线路等因素，多电压平衡器电流分配效果将受到影响；②电压平衡器的引入在电气回路上增加了LC环节，容易引起直流系统谐振；③电压平衡器的控制系统可能会和正、负极间直流电压控制系统相互影响。
以上均是多电压平衡器在双极性直流微电网中实际应用时需要重点关注的问题，可作为后续研究的重点。