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第7卷 第3期 2024年05月；页码：348-355
基于改进下垂控制的多模块谐振变换器均衡控制策略研究
Research on Balanced Control Strategy of Multi-module Resonant Converter Based on Improved Droop Control
- 1．南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省 南京市 211106
- 2．国电南瑞科技股份有限公司，江苏省 南京市 211106
- 3．国网江苏电力有限公司电力科学研究院，江苏省 南京市 210000
- GUO Liang1,2, CHEN Zhiqiang1,2*, QU Huixing1,2, LYU Zhenhua3, LI Qun3 (1. NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211106, Jiangsu Province, China
- 2. NARI Technology Company Limited, Nanjing 211106, Jiangsu Province, China
- 3. State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd., Research Institute, Nanjing 210000, Jiangsu Province, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
当前，光伏、海上风电等新能源场站的直流汇流应用得到越来越多的关注，在新能源发电低压输入中高压汇流输出的场合，为了提升直流输电电压并进一步减小器件应力，多采用输入并联输出串联（IPOS）结构。虽然这种模块化串并联结构有着许多优势，但由于模块间器件参数误差，导致各模块存在电压电流不均衡的问题，影响整个功率变换系统的稳定运行。为此提出了面向直流汇流应用的IPOS多模块谐振变换器的改进下垂控制均衡方法，各模块间无需加入通信就实现各模块的输出电压和功率的完全均衡，改进了传统下垂控制电压与参考值不符的问题，并进一步提升了系统的动态响应性能。基于该控制方式，搭建了三路模块化IPOS谐振变换器原理样机，通过实验验证了所提改进下垂控制方法对IPOS系统的均衡效果。
Due to the rapid development of power electronics technology, medium-voltage DC transmission has attracted more and more attention in DC confluence occasions of photovoltaic, offshore wind power and other new energy stations due to its suitability for long-distance transmission. In the case of low-voltage input and medium-voltage confluence output of new energy power generation, in order to increase the DC transmission voltage and further reduce device stress,the input-parallel output-series (IPOS) structure is often used.Although this modular series-parallel structure has many advantages, due to the device parameter error between modules,there is a problem of unbalanced voltage and current in each module, which affects the stable operation of the entire power conversion system. For this reason, this paper proposes an IPOS multi-module improved droop control equalization method for medium-voltage DC confluence applications. It can realize the complete balance of output voltage and power of each module without adding communication between modules, which improves the traditional droop control the problem that the voltage does not match the reference value, and further improve the dynamic response performance of the system. Based on this control method, a three-way modular IPOS system prototype is built, and the equilibrium effect of the proposed droop control method on the IPOS system is verified through experiments.
0 引言
在光伏、海上风电等新能源汇流方式中，传统的交流汇集技术存在一些不可避免的问题。如海上风电在进行长距离海底电缆传输时，存在较大的对地寄生电容，会产生较大的无功电流，必须在交流风机汇集电能的端点或陆地端安装无功补偿装置。如果无功补偿装置设计参数不合理，会产生谐振问题，这将导致风电场输出电压畸变。此外，建设变电站所需的空间很大，建设成本高昂。为了应对这些问题，直流汇流方式应进一步简化系统结构，降低运行成本。
模块化DC-DC变换器由于具有占地面积小、耐高压能力强、优秀的冗余特性等优点，十分适合于风电场直流汇流场合[1-3]。输入并联输出串联模块化DC-DC变换器方案，可以有效降低功率器件的应力，简化设计难度[4-5]。风机输出的交流电被整流成低压直流电，然后通过海上换流站进行升压汇流，转变为中高压直流进行远距离输送[6]，其实现结构如图1所示。
图1 风电场电能直流汇集直流传输
Fig. 1 DC-DC of electric energy in wind farm
虽然模块化串并联系统有着诸多优点，但同样存在一些问题。各模块间元器件参数无法实现完全一致，使得各模块间存在各种不均衡度，在系统的动态过程时这种不平衡度更为严重，尤其是电压的不均衡将会导致整个系统崩溃[7-9]。为了解决各模块间不均衡的问题，已有研究提出了多种均衡方案，主要分为两大类：第一类是硬件方式均压 [10-13]；第二类是控制实现均压。由于第一类的使用电路及场景有限，而且会造成能量损失，所以大多采用第二类控制方式，该方法普适性强、控制简单 [14-16]。
下垂控制作为一种分布式的控制策略，在多模块的直流变换器并联运行中得到了广泛的运用。然而在实际应用中，下垂控制直流汇流也面临着一些问题。首先，由于海上风电场的规模庞大，各子阵列的电气特性和环境条件存在差异，导致均流效果不佳；其次，由于海上的特殊环境造成设备的维护和检修难度较大，对控制系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求。针对这些问题，当前的研究主要集中在以下两个方面：一是优化下垂控制策略，提高系统的均流效果[17]；二是提高控制系统的可靠性和稳定性，降低故障率[18]。然而上述研究中的方法运用到了一些复杂的数学模型对控制系统进行优化，使得在工程实现的可行性无法保证，因此需要研究一种可靠的、易于实现的下垂控制策略。
为了实现模块化系统的低压输入中压输出的情况，本文对IPOS系统的均衡控制进行了分析。通过采集系统的输入电压以及各模块的输出电压对各模块进行控制，使用了下垂控制从而对系统实现了输出均压，并提出自适应电压基准的补偿策略补偿了下垂控制的电压降落。该控制方式不仅可以实现良好的无互联均衡控制，而且实现了软开关及良好的动态响应和控制逻辑的统一。
1 输入并联输出串联系统（IPOS）
1.1 基于海上风电背景的升压系统
图2为IPOS的DC-DC变换器的模型。该系统的均衡控制主要是保证输入电压与输出电流的均衡。对于IPOS 系统，每个模块的输入电流相等，输出电压相等。因此对于n个模块来说有：
图2 输入并联输出串联（IPOS）变换器
Fig. 2 Input-parallel output-series (IPOS) converter
当每个模块输出均流时：
每个模块输出功率也相同：
每个模块的输入功率为
由式（5）可得：
当系统输入均流时，输出是否均压与每个模块的效率有关；同理，当系统输入均压时，输出电流均分情况也与每个模块的效率有关。为简化分析，可以假设各模块效率相同，则可推导出各模块均流则均压，均压则均流。该系统的输出电压是由后级控制的。
1.2 谐振型IPOS系统的输出不均衡分析
本文选取LLC型谐振变换器作为换流器进行控制，LLC谐振变换器具有带载能力强、效率高、可实现全负载范围内软开关的优良特点，非常适合海上风电汇流器的中大型DC-DC变换场合的使用。基于LLC的IPOS系统如图3所示。
图3 基于LLC的IPOS系统
Fig. 3 LLC based IPOS system
由1.1的分析可知，在IPOS系统中，单个模块的输出电压的大小反映了模块在整个系统中输出功率的能力。由于谐振参数的原因，在不施加额外的均压措施的前提下，变换器输出功率会出现分配不均衡的情况。由IPOS系统中各模块的输入电压的一致性可知各变换器的端口输入电压相等，各模块的输出电压的和等于IPOS系统的输出电压。以两模块为例的IPOS型谐振变换器系统的小信号等效电路如图4所示。
图4 两模块IPOS型LLC谐振变换器基波等效电路
Fig. 4 Two module IPOS type LLC resonant converter
当只考虑由谐振参数差异引起的各模块输出电流不均流时，并且假设各变换器分担的负载电阻相等有Ro1=Ro2=Ro。其中Vab1(s)和Vab2(s)是由谐振变换器1和变换器2的开关网络产生的方波交流电压的基波分量，假设Vab1(s)=Vab2(s)=Vab(s)，变换器1谐振腔网络产生的电压增益为M1，变换器2产生的电压增益为M2，其表达式为
式中：k1、k2是变换器1和变换器2励磁电感和谐振电感的比值，其表达式为
式中：fn1和fn2是变换器1和变换器2的归一化频率，其表达式为
式中：fs是变换器的开关频率；fr1和fr2是变换器1和变换器2的谐振频率。变换器1和变换器2的品质因数的表达式为
由变换器的直流电压增益的表达式可以看出，当2个变换器的谐振参数存在差异时，其直流电压增益必然会存在差异。本文使两模块的谐振电容不相等，并为了控制单一变量，假设谐振电感、励磁电感、变压器变比等器件参数相等。其中两模块谐振电容的关系为
谐振电容最直接影响的量便是谐振频率与品质因数，两模块间的关系为
将公式（12）—（15）带入公式（8），可以得到在不同的谐振电容参数下的2个变换器的输出直流增益的差异，如图5所示。在串联谐振的结构中，谐振电容对输出增益的影响最大，因此本文不再讨论谐振电感和励磁电感差异对输出增益的影响。
图5 不同电容误差下的LLC谐振变换器直流增益曲线
Fig. 5 DC gain curves of LLC resonant converter under different capacitance errors
由图5可知，在器件参数存在差异的情况下，IPOS系统内直流变换器增益存在严重差异，需要引入均衡控制算法去分担输出电压的不平衡。
2 IPOS系统的下垂控制策略
2.1 传统下垂控制原理
传统下垂控制在调节分布式变换器系统汇入直流微网中，通过引入虚拟阻抗影响各变换器的输出外特性，使得各个变换器的输出外特性趋于一致，实现功率的均衡分配。下垂控制的原理图如图6所示。
图6 下垂控制原理图
Fig. 6 System droop characteristic diagram
以第N个模块为例，端口输出电压经过虚拟阻抗后有
显然随着下垂阻抗Rd的增大，各个模块间输出电流会趋近于平衡，这是对于并联型汇入进行的分析。在IPOS系统中，各个模块的输出电压反映了各个模块的负载分担情况，这种控制方式也可以扩展至IPOS系统去进行各模块输出功率均衡控制。
由图7可以看出，在调节IPOS系统输出电压环路的基础上，每个模块的控制环路都引入了自身模块输出电压的反馈量作为负反馈到控制环路中，每个模块的控制环路是相同的。输出电压相对较小的模块，在每一步控制时刻送入到控制环路中的误差就会增大，最终会在各模块输出电压平衡时趋于稳态。
图7 传统下垂控制控制框图
Fig. 7 System droop characteristic diagram
下垂控制策略只需采样各个模块的输出电压以及系统输出电压。每一个模块都是独立控制的，无中央控制器，不需要总线或者额外的监督控制器，因此提高了系统的模块化程度，实现了真正的无互联模块化，也提高了可靠性和灵活性。
2.2 基于输出母线补偿的改进型下垂控制原理
下垂控制应用在IPOS系统中虽然可以实现各个模块输出电压的均衡，但是由于引入虚拟的阻抗，会导致IPOS系统输出电压的降落，并且随着负载的增大，这种电压降落会增大。如果不加以干预，在并入中压直流配电网络中会形成环流，影响系统的稳定运行，对于各个模块来说，稳态时有
由此公式可得：
可以看出输出电压会在稳态时发生跌落，对IPOS的下垂控制环路进行补偿，可以使输出电压基准值随着负载的变化而变化，从而达到使母线电压达到预设值的效果。这里需要引入自适应系数k，在每次环路计算时对k进行迭代计算，从而补偿环路的输出。补偿后的控制环路框图如图8所示。
图8 输出母线补偿下垂控制控制框图
Fig. 8 System droop characteristic diagram
由图8可以看出，自适应系数下垂控制的自适应系数计算在每次进行环路计算之前，自适应系数的取值与IPOS系统的母线输出电压和系统输出电压的预设值有关，在每一次进行环路计算时k的值都会发生更新，并作用于环路中。当稳态时，输出k的补偿值即为当前负载时的自适应系数的值，实现输出电压跌落的补偿。
由k值的迭代公式可以看出，k的取值与负载和输出电压都有关系。当期望输出电压增大时，分子增大，k值会向增大进行迭代计算；而当期望输出电压减小时，k值会向减小进行迭代计算。而当负载增大时，分母减小，k值会向增大进行迭代计算；当负载减小时，分母增大，k值会向减小进行计算。
3 实验验证
3.1 参数设计
本IPOS系统选用LLC电路进行串并联，该电路结构简单、控制方式多样，可实现全负载范围内的软开关，已广泛应用于低压输入高压输出领域。其详细参数如表1所示。
表1 模块化LLC变换器的参数设计
Table 1 Parameter design of modular LLC converter
参数数值输入电压Vi/V36输出电压Vo/V450～600谐振电容Cr/nF35谐振电感Lr/Hµ72励磁电感Lm/Hµ216谐振频率 fr1 /kHz100负载电阻 R/Ω300～600输入电容Cin/µF1000输出电容Co/µF470变压器匝比n1∶4下垂系数k0.02模块数3
本文选择LLC电路作为子模块，通过对3个子模块进行输入并联输出串联搭建IPOS实物系统。该系统的实物图如图9所示，由实物图可以看出该模块化系统的每一个子模块完全相同，增加或减少模块只需要简单的串并联组合即可，由此可知该系统设计简单、模块化程度高。
图9 3路IPOS系统实物图
Fig. 9 Physical map of three-way IPOS system
3.2 实验结果
为了观察使用改进下垂控制后的均衡效果，对改进下垂控制前后系统的不均衡度进行了对比。对比结果如图10所示，为了使得系统的均衡效果更为直观，引入了不均衡度β：
图10 改进下垂均衡控制前后系统不均衡度对比
Fig. 10 Comparison of system unbalance before and after improving droop equalization control
由上式可以看出系统不均衡度与各模块间输出电压差值有关。由图10可以观察到，在未使用改进下垂控制进行均衡前（即未采用任何均衡方式），各模块间的不均衡度在0.08～0.12之间，并且该不均衡度会随着系统输入电压的增加而增加。在使用改进下垂控制进行均衡后，各模块间的不均衡度会维持在0.01左右，使各模块间的输出电压趋于相等，并且该不均衡度不随着系统输入电压的增加而增加，由此可见该改进下垂均衡控制的优势明显。
图11为系统闭环控制后模块1的电压电流波形，由该图可以看出该电路实现了软开关，即原边的零电压开通（ZVS）。可以看到LLC电路相较于其他电路具有效率高、控制方式多样的优势。
图11 LLC移相控制的软开关波形
Fig. 11 Soft switching waveform of LLC phase shift control
图12为系统使用改进下垂控制在输入电压突增时的电压电流波形图，当输出电压由450 V上升到600 V时，各模块输出电压实现了均衡控制。此时输入电压为36 V，在输出电压调压基准改变时，各模块输出在保证均压的同时，输出电压在调压前后都没用偏离预设值，可见自适应系数k作用，修正了IPOS系统的电压降落。
图12 改进下垂输出电压突增时波形图
Fig. 12 Waveform of improved droop control output voltage sudden increase
图13为输出电压为450 V时负载由1350 W跳变为1700 W时的电压电流波形。此时各模块的输出电压没有变化且保持均衡，系统输出电流由3 A跳变到3.8 A。同理，图14为负载从1700 W跳变为1350 W电压电流波形，各模块输出电压依旧保持不变，系统输出电流由3.8 A跳变到3 A。由此可见，使用下垂均压控制后，即使出现电压突变与负载跳变的情况，该IPOS系统的输出电压仍能保持良好的均衡，从而实现输入电流的均衡，且系统的输入电压稳定在设定的电压值，实现了动态响应良好的均衡控制效果。
图13 负载突增时的电压电流波形图
Fig. 13 Waveform diagram of voltage and current during load surge
图14 负载突降时的电压电流波形图
Fig. 14 Waveform diagram of voltage and current during load dump
4 结论
为了实现模块化系统的低压输入中压输出的情况，本文对IPOS系统的均衡控制进行了分析。通过采集系统的输入电压以及各模块的输出电压对各模块进行控制，使用了下垂控制从而实现了系统输出均压，并提出自适应电压基准的补偿策略补偿了下垂控制的电压降落。该控制方式不仅可以实现良好的无互联均衡控制，而且实现了软开关及良好的动态响应，实现了控制逻辑的统一。通过实验验证了该均衡控制方法动静态响应的有效性。
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基金项目
国家电网公司科技项目（5100-202258276A-2-0-XG）。
作者简介
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过亮
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陈志强
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曲慧星
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