摘要 - 大规模光伏系统是很多地方电网中分布式可再生能源的重要组成部分。管理这些微电网，特别是它们怎么和主电网互动，可不是件容易的事。这需要精准控制那些可再生资源。本文总结了微电网里用的DC-DC转换器都有哪些类型，还提出了一个新的分类方法。介绍了直流微电网中DC-DC转换器的控制技术，并且讨论了这些控制方法的利弊。
随着分布式发电可再生能源在电力系统中的占比越来越大，怎么管理这些电力也成了一个大问题。本文介绍了不同的电力管理方法。最后，还用MATLAB/Simulink软件模拟了一个直流微电网系统，这个系统包括太阳能、风力涡轮机和电池，然后分析了这个系统的性能。简单来说，本文就是关于怎么更好地控制和管理那些用可再生能源的微电网，还用软件模拟了一个这样的系统来看看效果如何。1.简介
微电网可减少传输损耗，应对能源危机，其包含光伏、微型涡轮机等技术，需电力电子转换器连接电网。基于可再生能源的直流微电网由直流母线、光伏板、风力发电机、电力电子转换器、混合储能系统和直流负载等组成，具有多电压等级和高效率优势，且直流系统在能源来源、控制管理和负载适配方面有吸引力。然而，直流微电网面临恒定功率负载和脉冲功率负载等挑战，需要先进控制方法来改善能源传输、确保供电和实现经济运行。 ![]()
图1.不同的微电网分类。
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图2.一般直流微电网。
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图3.典型的交流微电网。
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图4.混合微电网。
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图5.过去十年中发表的直流微电网论文数量的年百分比。
本文结构与内容安排：本文将通过全面研究直流微电网中DC - DC转换器的拓扑和控制方法，提出新的分类。后续内容包括：在第2节讨论直流微电网的描述；第3节阐述微电网中可用的转换器结构类型；第4节综述直流微电网中DC - DC转换器的控制方法；第5节介绍直流微电网的功率管理方法；第6节展示微电网应用中DC - DC转换器领域的硬件开发；第7节呈现典型直流微电网的仿真与分析；第8节给出结论。2.直流微电网相关特性
直流微电网的优势与应用场景：随着电力电子技术的发展，直流微电网因其较高的可靠性和效率而受到关注。在住宅应用、电动汽车充电站、数据中心等领域，直流微电网更受青睐。同时，直流电气负载需求的增加，使得基于直流电源的发电研究颇具吸引力。直流微电网的运行模式：直流微电网具备并网和独立两种运行模式。并网时，微电网与直流母线相连，补充功率；独立运行时，无需与主电网同步。在这两种模式下，各类可再生能源以及包括电池和超级电容器在内的储能系统均与微电网相连。储能系统在直流微电网中的作用：电池具有高能量密度，其控制器用于产生或吸收稳态功率；超级电容器具有高功率密度，其控制器用于产生或吸收瞬态功率，两者在微电网中协同工作，以维持功率平衡和稳定运行。直流微电网的连接与控制相关研究：配电网和储能系统通过电力电子转换器利用直流链路相互连接。关于直流微电网的保护问题及解决方法已有相关研究。此外，文中还对直流微电网的局部控制进行了简要综述，并展示了带有储能单元的直流微电网的总体架构。3.直流微电网中DC - DC转换器拓扑结构
DC - DC转换器的分类与常见拓扑：DC - DC转换器可分为非隔离式和隔离式。在直流微电网中，boost、buck - boost和buck转换器应用广泛，其拓扑结构各有特点（如图6所示），用于满足不同的电压转换需求。双向隔离式DC - DC转换器常用于直流系统，其中双有源桥（DAB）DC - DC转换器因支持双向功率流和具有高功率密度而成为合适选择（其原理图见图7），并且串联谐振转换器（SRC）拓扑也受到众多研究者关注。![]()
图6.DC-DC转换器拓扑，(A)升压，(B)升压，(C)降压-升压。
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图7.DAB转换器的示意图。
多端口DC - DC转换器的发展与应用：为解决转换器使用带来的高成本和系统损耗问题，多端口DC - DC转换器应运而生。它常用于连接微电网中的多个直流网络，如文中提到的多种拓扑结构（图8），其能灵活连接不同直流负载和电源并控制直流链路；还有隔离两阶段三端口转换器拓扑等。这些多端口转换器适合整合多种能源（包括储能能源），且电压比高于buck - boost转换器，在直流微电网中有多种应用，如调节超级电容器电压、管理电池与超级电容器间的功率、为电池充电、实现混合储能系统集成以及平衡可再生能源间的功率流等。直流微电网中使用的转换器总体上分为隔离式和非隔离式两类（分类情况见图9）。![]()
图8.多端口转换器示意图。
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图9.直流微电网中使用的DC-DC转换器拓扑结构的分类。
4.直流微电网中DC - DC转换器的控制方法
控制方法的重要性与总体分类：直流微电网的控制是研究人员关注的主要问题之一。控制方法总体可分为集中式控制和分布式控制，集中式控制适用于数据收集有限的小型本地微电网（其控制方案见图10），分布式控制则无需中央控制器（见图11）。![]()
图10.集中控制方框图。
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图11.分布式控制方框图。
非线性控制技术类型与特点：非线性控制技术包括模型预测控制（MPC）、滑模控制（SMC）、自适应控制和智能控制等。近年来，许多研究聚焦于MPC在电池储能系统（BESS）双向转换器控制和微电网功率平衡方面的性能。在MPC中，通过成本函数确定转换器的最优开关模式以实现更好性能（其控制方案见图12）；SMC控制中，生成的控制输入直接作用于功率电子转换器开关，响应快速（见图13）；自适应控制适用于DC - DC转换器负载和输入源变化的情况，可提高控制方法的鲁棒性（见图14）。此外，提出基于光伏系统的微电网功率管理新控制方法，采用模糊逻辑控制器（FLC）控制每个逆变器的功率（见图15）。![]()
图12.MPC控制器的方框图。
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图13.SMC控制器的方框图。
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图14.自适应控制的方框图。
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图15.直流微电网中转换器的控制方法。
5.直流微电网功率管理策略
功率管理的重要性与挑战：直流微电网为偏远地区能源供应提供了合适选择，因此其能量管理方法备受关注。微电网功率管理面临诸多挑战，例如光伏系统输出功率随辐射变化而波动，在设计功率管理系统时需考虑这些因素，以确保可靠和高质量的能源供应。在独立于电网的微电网中，还需协调光伏系统与电池储能系统（BESS）及其他单元的运行，实现功率平衡。不同功率管理系统及算法示例：一种用于微电网的电池能量管理系统（BEMS），以光伏和柴油发电机为主要电源，可减少柴油发电机工作时间、降低光伏功率波动、管理多种不同特性电池并延长电池寿命。一种功率管理算法，用于平衡光伏和BESS系统功率，同时考虑BESS系统荷电状态（SoC）限制，电池放电时双向转换器调节直流母线电压，且在某些情况下功率电子转换器需帮助系统工作在最大功率点跟踪（MPPT）模式（其系统操作模式见图17）。提出了微电网的智能动态能量管理系统，混合光伏/电池系统的功率管理方法，用于控制直流微电网功率流的功率管理策略（PMS）。文中还展示了直流微电网功率管理系统的各种操作模式（见图16），包括光伏系统的有限功率模式（LPM）和MPPT模式，其由电池SoC决定（见图17中的流程图说明）。![]()
图16.电力管理策略流程图。
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图17.微电网(A)电池和(B)光伏部分的电源管理算法
6.直流微电网硬件开发与仿真验证
硬件在环仿真的应用：将物理系统与仿真环境连接是一个新课题，在微电网研究中，为验证不同控制方法和拓扑结构的仿真结果，需要硬件进行对比。通过硬件在环（HIL）仿真，使用DC - DC转换器将微电网与燃料电池连接，实现了仿真环境与物理燃料电池系统的双向通信，其HIL仿真由DC - DC转换器和微电网组成（见图18）。![]()
图18.直流/直流转换器和微电网进行了硬件仿真。
DC - DC转换器硬件实现设备示例：文中表1收集了从科学文献中获取的用于实现DC - DC转换器硬件部分的若干设备，这些设备为微电网中DC - DC转换器的硬件开发提供了参考，有助于进一步研究和实践直流微电网技术。![]()
表1.用于实现DC-DC转换器的硬件部分的设备。
7.直流微电网系统仿真研究
仿真系统构成与参数设置：利用MATLAB软件对直流微电网系统进行仿真，该系统包含光伏系统、带永磁同步发电机（PMSG）的风力发电机、电池、用于调节电压的DC - DC双向转换器以及针对风机和太阳能板的最大功率点跟踪（MPPT）系统，其结构见图19。光伏系统由22块串联太阳能板组成，每块光伏板最大功率点电压和电流分别为30.3V和7.10A，直流微电网输出采用电阻性负载，系统及其组件规格在表2中列出。
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图19.所研究的直流微电网的方框图。
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表2.在直流微电网模拟中使用的参数。
仿真结果展示与分析：通过MATLAB/Simulink环境对系统进行模拟，给出了整体直流微电网原理图（见图20），展示了光伏、电池和风力发电机输出曲线（见图21），不同风速（以标幺值表示）下风力发电机输出功率曲线（见图22），电池在额定和放电区域的电压曲线（见图23）以及系统输出负载的电压和电流曲线（见图24）。在模拟中，风力发电机系统以12m/s的恒定速度运行，额定风速下发电功率为8kW，光伏系统额定功率为4.6kW，电池部分使用的双向转换器可实现充放电功能，通过这些仿真结果可对直流微电网系统的运行性能进行分析评估。![]()
图20.采用MATLAB/模拟链路的直流微电网模拟模型。
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图21.仿真结果显示，(A) Vpv、(B) Ipv、(C) Ppv、(D)风力涡轮机转矩Te、Tm、(E)风速(F)直流总线电压、(G)充电电池状态（SOC）。
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图22.仿真结果表明，不同涡轮机转速（pu）下的涡轮机输出功率（pu）。
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图23.仿真结果表明，电池电压在放电模式下可正常工作。
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图24.仿真结果表明，直流微电网输出负荷(A)电压和直流微电网输出负荷(B)电流。
8.总结
本文全面探讨了直流微电网中DC - DC转换器的拓扑结构、控制方法以及多种功率管理系统策略，同时对微电网中DC - DC转换器所使用的硬件进行了研究。微电网特性与需求：微电网的复杂性决定其需要数字自动化和智能管理，以成为传统电网的合适且可靠替代方案。技术进步使自动化能源管理能够应对多个组件和可变条件，优化可靠性和成本。在微电网中有效利用电池等储能系统可确保所需能源的不间断供应，利用可再生能源为地区供电对环境有益且具有全球经济意义。DC - DC转换器相关要点：在独立直流微电网中，DC - DC转换器可实现不同水平的电压升降。非隔离式转换器相比隔离式转换器损耗更少且更适用。对于微电网中转换器的控制存在多种策略，线性控制技术无法确保系统稳定运行，而如模型预测控制（MPC）、滑模控制（SMC）和模糊控制等先进方法则被采用。控制方法比较结论：文中对控制方法进行了全面分析和比较，先进智能的控制方法对阻抗不稳定性具有鲁棒性，在直流微电网的DC - DC转换器中，智能控制器相比其他控制算法具有快速准确的性能表现。
