海上風(fēng)電直流匯集變換器改進(jìn)型控制策略研究

潘 健 ，闞加榮 ，成 乾 ，夏曉燕 ，王 淼 ，劉 俊

1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.國(guó)網(wǎng)東臺(tái)市供電公司，江蘇 東臺(tái) 224200

在海上風(fēng)電傳輸過(guò)程中，直流匯集方式相較于交流匯集方式具有更經(jīng)濟(jì)、更可靠的優(yōu)勢(shì)，更加適用于遠(yuǎn)距離大規(guī)模的海上風(fēng)力發(fā)電傳輸系統(tǒng)［1］。其中雙有源橋變換器（dual active bridge，DAB）因具有效率高、能量雙向流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且能夠在海上風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)為其提供能量，因此非常適用于海上風(fēng)電的直流匯集。同時(shí)，在將多個(gè)DAB 變換器串并聯(lián)后又可以滿足海上風(fēng)電高壓大容量的傳輸需求。

在常用的DAB 變換器串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)（input-parallel and outputseries，IPOS）因輸入側(cè)并聯(lián)可增大系統(tǒng)的電流水平、輸出側(cè)串聯(lián)可提高系統(tǒng)的輸出電壓等級(jí)，在海上風(fēng)電直流匯集中得到了廣泛的應(yīng)用。

在輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)型的變換器電路中，輸出側(cè)均壓是變換器正常運(yùn)行的關(guān)鍵［2］。楊曉光等［3］針對(duì)LCC 諧振變換器，采用主從控制策略，但在海上風(fēng)電直流匯集系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)主控制器發(fā)生故障時(shí)，從控制器也會(huì)受到影響，可靠性不高；Giri 等［4］采用了三環(huán)控制策略，控制相對(duì)復(fù)雜且成本較高；Giri 等［5］采用共用占空比控制，但因?yàn)槠骷?dǎo)通時(shí)間及變壓器漏感等存在差別，均壓效果會(huì)受到影響。以上文獻(xiàn)所提及的控制策略均是集中式控制策略，其系統(tǒng)的可靠性、冗余性都受到一定的影響。

針對(duì)集中式控制存在的問(wèn)題，考慮采用分散式控制，其中的下垂控制策略因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冗余性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［6］。本文針對(duì)傳統(tǒng)輸入均流下垂控制策略下的IPOS-DAB 變換器存在靜態(tài)偏差的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略，即通過(guò)引入輸入電流的平均值來(lái)減少輸出電壓的跌落，從而在實(shí)現(xiàn)各模塊輸入均流/輸出均壓的同時(shí)減小了系統(tǒng)的靜態(tài)偏差；最后又通過(guò)仿真，驗(yàn)證其正確性。

1 IPOS-DAB拓?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 為IPOS 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2 為兩個(gè)DAB模塊組成的IPOS-DAB 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1 中，Uin為總的輸入電壓，Uo為總的輸出電壓，Uoi為各模塊的輸出電壓，Iin為總的輸入電流，Io為總的輸出電流，Iini為各模塊輸入電流。圖2 中，Si1～Si8為IGBT 功率開(kāi)關(guān)管，Li為各模塊的儲(chǔ)能電感，Cdi和Cfi分別為各模塊輸入側(cè)電容和輸出側(cè)電容，R為負(fù)載電阻，n為變壓器變比，其中i=1，2。

圖1 IPOS變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 IPOS converter topology

圖2 兩個(gè)模塊的IPOS-DAB變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 IPOS-DAB converter topology with two modules

文獻(xiàn)［7-8］指出，對(duì)于IPOS結(jié)構(gòu)而言，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行須保證輸入并聯(lián)側(cè)均流、輸出串聯(lián)側(cè)均壓。因此只要保證各DC/DC 變換器模塊輸入電流相等，就能保證其輸出電壓相等。同理只要保證各DC/DC 變換器模塊輸出均壓，也就能保證其輸入均流。

2 傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略

為了使IPOS-DAB 變換器實(shí)現(xiàn)輸入均流/輸出均壓，以圖2 中的模塊1 為例對(duì)傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略進(jìn)行分析。傳統(tǒng)輸入均流下垂控制策略框圖如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略Fig. 3 Traditional input current sharing droop control strategy

圖3中，Uo1_f為模塊1 的輸出電壓采樣值，V；D1為模塊1的移相占空比。

對(duì)于模塊1 而言，輸出電壓參考值可以表示為：

式中：U*o1為模塊1的輸出電壓參考值，V；Uref1為模塊1 的輸出電壓基準(zhǔn)值，V；k1為模塊1 的下垂系數(shù)；Iin1為模塊1的輸入電流，A。

由式（1）可知，當(dāng)變換器空載時(shí)，輸入電流為零，輸出電壓無(wú)下降，輸出電壓參考值U*o1等于輸出電壓基準(zhǔn)值Uref1；當(dāng)輸入電流不為零時(shí)，輸出電壓參考值U*o1隨著輸入電流Iin1的增加而降低，從而導(dǎo)致輸出電壓Uo1降低而產(chǎn)生靜態(tài)偏差。

對(duì)于兩個(gè)DAB 變換器模塊而言，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各模塊的輸出電壓滿足：

式中：Uo1、Uo2分別為模塊1、模塊2的輸出電壓，V；Uref2為模塊2 的輸出電壓基準(zhǔn)值，V；k2為模塊2 的下垂系數(shù)；Iin2為模塊2的輸入電流，A。

IPOS-DAB 變換器的輸入電流、輸出電壓滿足：

式中：Iin為總的輸入電流，A；Uo為總的輸出電壓，V。

將式（3）代入式（2），可以推出各模塊的輸入電流：

將式（3）、式（4）代入式（2），得到兩個(gè)模塊的輸出電壓：

由于兩個(gè)模塊輸出端串聯(lián)，兩個(gè)模塊的輸出電壓基準(zhǔn)值相等，即Uref1=Uref2=Uref。因此兩個(gè)模塊的輸出電壓表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

由式（6）不難看出，各模塊的輸出電壓不僅與各模塊的下垂系數(shù)ki（i=1，2）有關(guān)，還與總的輸入電流有關(guān)。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)輸入電流不為零，各模塊的輸出電壓總會(huì)存在靜態(tài)偏差，從而達(dá)不到設(shè)定的預(yù)期值。

3 改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略

針對(duì)傳統(tǒng)輸入均流下垂控制策略存在的上述問(wèn)題，本文提出一種改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略，如圖4 所示。改進(jìn)的輸入均流下垂制策略由于兩個(gè)模塊的控制完全一致，因此模塊2 的控制部分不再顯示。

圖4 改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略Fig. 4 Improved input current sharing droop control strategy

圖4中，將模塊1 的輸入電流與各模塊輸入電流均值之差以一定的比例反饋至系統(tǒng)的輸出電壓上。改進(jìn)后模塊1 的輸出電壓參考值表達(dá)式為：

式中：Iin_avg為各個(gè)模塊輸入電流的均值，A。

對(duì)比式（1）、式（7），可以看出在穩(wěn)態(tài)情況下，如果各模塊可以實(shí)現(xiàn)輸入均流/輸出均壓，那么各模塊輸入電流與均值電流之差幾乎為零，其反饋值對(duì)于輸出電壓參考值幾乎沒(méi)有影響。如果各模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入均流/輸出均壓，那么由于Iin1-Iin_avg＜Iin1，各模塊輸入電流與均值電流之差將產(chǎn)生一個(gè)較小值，進(jìn)一步反饋至輸出電壓參考值上，會(huì)控制直流變換器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均流/均壓，從而有效減小了系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。

同理，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，圖4中各模塊的輸出電壓可以表示為：

將式（3）代入式（8），得到各模塊的輸入電流，分別為：

將式（3）、式（9）代入式（8），得到各模塊的輸出電壓表達(dá)式：

由于兩個(gè)模塊輸出端串聯(lián)，兩個(gè)模塊的輸出電壓基準(zhǔn)值相等，即Uref1=Uref2=Uref，因此兩個(gè)模塊的輸出電壓表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

對(duì)比式（6）、式（11），可以看出改進(jìn)后的輸出電壓計(jì)算時(shí)引入輸入電流平均值，并用輸入電流平均值與各模塊輸入電流的差值代替各模塊輸入電流，來(lái)減小輸出電壓擾動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，總的輸入電流Iin與2Iin_avg的差值為零，輸出電壓等于輸出電壓的基準(zhǔn)值，輸出電壓不再受輸入電流的影響，因此輸出電壓沒(méi)有跌落，從而減小了輸出電壓的靜態(tài)偏差。

4 仿真驗(yàn)證

為了比較傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略和改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略的有效性，利用MATLAB/Simulink 仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在Simulink 中搭建由2 臺(tái)DAB 變換器構(gòu)成的輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示，總的輸出電壓Uo為5 000 V，兩個(gè)模塊輸出電壓Uoi（i=1，2）的預(yù)期值為2 500 V，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of simulation experiment

圖5 IPOS-DAB變換器在傳統(tǒng)和改進(jìn)的控制策略下兩模塊的輸出電壓波形Fig. 5 The output voltage waveforms of the two modules of the IPOS-DAB converter under the traditional and improved control strategies

圖6 輸入電壓突變時(shí)輸出電壓波形Fig. 6 Output voltage waveform when input voltage suddenly changes

圖7 輸出負(fù)載突變時(shí)的輸出電壓波形Fig. 7 Output voltage waveform when the output load suddenly changes

圖5 給出了IPOS-DAB 變換器分別在傳統(tǒng)和改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略下兩個(gè)模塊的輸出電壓波形。圖5中，Uo_A、Uo_B分別為傳統(tǒng)與改進(jìn)的下垂控制下兩個(gè)模塊的輸出電壓。由圖5 可知，在下垂系數(shù)為0.1時(shí)，傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略下，兩模塊輸出電壓Uo_A能夠?qū)崿F(xiàn)均壓，但只能達(dá)到2 487 V 左右，未能達(dá)到預(yù)期設(shè)定的2 500 V；改進(jìn)后的輸入均流下垂控制策略下，兩模塊的輸出電壓Uo_B在實(shí)現(xiàn)均壓的同時(shí)穩(wěn)定在2 500 V，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)定值。

圖6 為傳統(tǒng)和改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略下，輸入電壓發(fā)生突變時(shí)兩個(gè)模塊的輸出電壓波形。由圖6可知，在0.10 s時(shí)輸入電壓Uin由700 V突變?yōu)?00 V，改進(jìn)的輸入均流下垂控制下的輸出電壓Uo_B在經(jīng)過(guò)一個(gè)暫降后穩(wěn)定在2 500 V；而傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略下的輸出電壓Uo_A只能達(dá)到2 481 V 左右，未能達(dá)到預(yù)期要求，從而證明了改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略在輸入電壓發(fā)生突變時(shí)的較高穩(wěn)定性。

圖7 為傳統(tǒng)和改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略下，負(fù)載發(fā)生突變時(shí)兩個(gè)模塊的輸出電壓波形。由圖7可知，當(dāng)系統(tǒng)在0.20 s時(shí)負(fù)載由100 Ω突變?yōu)?0 Ω，輸出電流增大，改進(jìn)的輸入均流下垂控制下的輸出電壓Uo_B經(jīng)過(guò)暫降后穩(wěn)定在2 500 V；而傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略下的輸出電壓Uo_A只能達(dá)到2 443 V，未能達(dá)到預(yù)期的2 500 V，證明了改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略在輸出負(fù)載發(fā)生突變時(shí)的較高穩(wěn)定性。

圖8 為改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略下，兩個(gè)模塊的電感L1、L2分別為10 μH、8 μH，而其他參數(shù)保持一致時(shí)輸出側(cè)子模塊的電壓波形。從圖8 可以看出，改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略下輸入側(cè)電感參數(shù)不一致時(shí)，兩個(gè)模塊在0.03 s 左右實(shí)現(xiàn)了均壓，證明了改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略取得了優(yōu)良的均壓效果。

圖8 輸入側(cè)電感參數(shù)不等時(shí)輸出電壓波形Fig. 8 Output voltage waveform when the input side inductance parameters are not equal

通過(guò)以上仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)IPOS-DAB變換器采用改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略后，在系統(tǒng)輸入電壓發(fā)生突變、輸出負(fù)載突變，以及電感參數(shù)不同的情況下均能實(shí)現(xiàn)均壓，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并有效地減小了系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。

5 結(jié)論

針對(duì)IPOS-DAB 變換器在傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略中存在的靜態(tài)偏差問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的輸入均流下垂控制策略。通過(guò)分析傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制的運(yùn)行特性，得出傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略存在靜態(tài)偏差的原因；在傳統(tǒng)的輸入均流下垂環(huán)節(jié)，引入模塊輸入電流均值來(lái)減小輸出電壓跌落，從而在實(shí)現(xiàn)各模塊均壓/均流的同時(shí)，減小了系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高了系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的輸入均流下垂控制策略相較于傳統(tǒng)的輸入均流下垂控制策略，在輸入電壓發(fā)生突變、輸出負(fù)載突變，以及電感參數(shù)不同的情況下，圴能使系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運(yùn)行，并具有優(yōu)良的均壓效果。