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直流母线电压恢复的二次控制策略直流微网中采用虚拟压降补偿并联双向Buck-boost研究（Simulink仿真实现）

news 2026/6/23 4:35:27

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💥第一部分——内容介绍

基于虚拟压降补偿的直流微网并联双向Buck-Boost母线电压二次恢复控制策略研究

摘要

直流微网凭借结构简单、能量转换效率高、适配新能源发电与储能设备的优势，成为分布式电力系统的重要发展方向。并联双向Buck-Boost变换器作为直流微网的核心功率接口，可实现能量双向流动、宽范围电压调节与系统容量灵活扩容，被广泛应用于光储一体化、独立直流供电等场景。传统一次下垂控制依靠固有压降特性实现多变换器功率自主分配，无需复杂通信架构，但存在明显短板，线路阻抗差异会导致功率分配不均，且固有下垂压降会造成直流母线电压稳态偏移，负载波动、新能源功率扰动下电压偏差进一步扩大，无法满足直流微网高精度电压稳定运行要求。针对上述问题，本文提出一种基于虚拟压降补偿的分布式二次控制策略，依托并联双向Buck-Boost变换器集群架构，通过引入可控虚拟压降抵消实际线路阻抗与固有下垂压降的负面影响，同时设计母线电压二次恢复闭环调控机制，兼顾多变换器功率均分精度与母线电压无差稳态运行。本文系统阐述策略设计思路、控制架构逻辑与运行机理，分析不同工况下的控制特性，相较于传统控制方案，所提策略可有效消除线路阻抗失配带来的功率失衡问题，快速抑制母线电压稳态偏差与动态波动，提升直流微网在负荷扰动、功率双向流动场景下的电压稳定性与运行可靠性。

关键词

直流微网；双向Buck-Boost；并联运行；虚拟压降补偿；二次控制；电压恢复

1 引言

随着分布式光伏、储能电池、直流负载的规模化普及，直流微网规避了交流电网频率、相位、无功调控等复杂问题，在户用供电、数据中心、轨道交通供电等场景具备显著应用优势。双向Buck-Boost变换器具备升降压能力与能量双向流动特性，能够适配新能源输出电压波动、储能充放电切换的运行需求，多台变换器并联组网可实现系统功率扩容、冗余备份与故障容错，是直流微网功率调控的核心单元。

目前并联直流变换器主流控制方式为下垂一次控制，该控制方式无需高速通信，依靠变换器输出电压随输出功率自适应跌落的特性，实现多模块功率自主分配，具备分布式控制、可靠性高、拓展性强的特点。但在实际工程场景中，各变换器与直流母线之间的连接线缆长度、材质存在差异，导致实际线路阻抗不一致，会严重破坏下垂控制的功率均分效果，出现部分变换器过载、部分变换器轻载的工况，降低系统设备利用率与运行安全性。同时，一次下垂控制的固有压降特性必然导致母线电压存在稳态偏差，负载突变、新能源功率波动等扰动发生时，电压偏移量会进一步增大，超出直流微网电压允许波动范围，影响精密直流负载、储能设备的安全稳定运行。

为解决一次下垂控制的电压偏差与功率失衡问题，行业内普遍采用二次控制策略对一次控制进行修正优化。传统集中式二次控制依赖中心控制器与全域高速通信，采集所有变换器运行数据并统一下发补偿指令，电压恢复精度高，但存在通信成本高、单点故障风险大、系统拓展性差的问题，难以适配分布式直流微网的组网特性。分布式二次控制依托相邻单元局部信息交互，摒弃中心控制器，具备容错性强、拓展灵活的优势，成为当前研究热点。现有分布式二次控制多单纯聚焦电压偏差修正，忽略线路阻抗差异导致的功率失衡问题，电压恢复过程中易出现功率环流、模块出力不均等问题，无法实现电压稳定与功率均分的双重最优效果。

虚拟阻抗技术通过引入可控虚拟压降，可等效抵消实际线路阻抗的差异化影响，均匀多变换器输出外特性，为功率精准分配提供基础。本文将虚拟压降补偿技术与二次电压恢复控制相结合，面向并联双向Buck-Boost直流微网架构，设计分层二次控制策略。一次层采用基础下垂控制实现功率初步分配与系统分布式运行，二次层引入自适应虚拟压降补偿消除线路阻抗差异影响，同步叠加母线电压无差恢复调控环节，在不依赖集中通信的前提下，实现多变换器精准功率均分、母线电压稳态无差恢复与动态扰动快速抑制，有效提升直流微网整体运行性能。

2 并联双向Buck-Boost直流微网架构与传统控制缺陷分析

2.1 系统整体架构

本文研究的直流微网系统由多台双向Buck-Boost变换器并联构成，各变换器输入端分别接入光伏阵列、储能电池等分布式电源，输出端并联至公共直流母线，母线侧接入各类阻性、动态直流负载。双向Buck-Boost变换器可根据系统运行状态工作在降压或升压模式，实现新能源发电功率消纳、储能充电蓄能、储能放电补能的能量双向调控，适配微网日内功率波动、负荷峰谷变化的运行需求。多模块并联架构可通过增加变换器数量实现系统容量扩容，单台模块故障时可退出运行，其余模块维持系统正常工作，具备良好的冗余容错能力。

系统控制架构采用分层控制模式，底层为变换器本地电压电流内环控制，保障单台变换器动态响应速度与输出稳定性；上层为系统级功率与电压调控，传统方案仅配置一次下垂外环控制，无法兼顾功率均分与电压精度，需引入二次优化控制实现性能升级。

2.2 传统一次下垂控制运行特性

一次下垂控制的核心逻辑是模拟同步发电机调差特性，让变换器输出电压随输出电流的增大线性降低，通过统一的下垂特性曲线实现多并联变换器的功率自主分配。在理想无线路阻抗、参数完全一致的工况下，各并联双向Buck-Boost变换器可实现均等出力，母线电压维持在额定值附近小幅波动。该控制方式完全去中心化，无需模块间通信，仅依靠本地运行信号即可完成调控，结构简单、可靠性高，适用于简易直流微网场景。

2.3 传统控制策略核心缺陷

结合实际工程工况，传统一次下垂控制存在两大核心缺陷，严重制约直流微网运行性能。其一，线路阻抗差异化导致功率分配失衡。实际组网中，各变换器安装位置、接线长度不同，实际线路阻抗存在固有差异，使得各模块实际下垂外特性偏移，相同母线电压下输出电流不一致，出现功率分配不均现象，长期运行会导致部分变换器过载发热、寿命衰减，部分变换器长期轻载运行，设备利用率大幅降低，严重时会引发模块间功率环流，增加系统损耗。

其二，固有下垂压降导致母线电压稳态偏移。一次下垂控制依靠电压跌落实现功率调节，属于有差控制模式，稳态工况下母线电压必然低于额定电压。当系统负载突增、新能源输出功率骤降时，母线电压会大幅跌落；负载突降、发电功率过剩时，电压会异常抬升，持续的电压偏差会影响直流用电设备的工作精度，甚至触发过压、欠压保护，导致系统停运。此外，双向Buck-Boost变换器工作模式切换时的动态特性变化，会进一步加剧电压波动，传统一次控制无法实现电压的精准恢复。

除此之外，传统单一二次电压恢复控制仅针对电压偏差进行补偿，未考虑线路阻抗带来的功率失衡问题，电压修正过程中会进一步加剧功率分配误差，无法实现系统稳态最优运行。因此，亟需一种兼顾功率均分与电压无差恢复的一体化二次控制策略。

3 基于虚拟压降补偿的二次控制策略设计

本文结合虚拟压降补偿技术与分布式二次控制理论，设计分层协同控制策略，底层保留电压电流内环快速调控能力，中层优化一次下垂控制外特性，上层增设虚拟压降补偿与电压二次恢复环节，实现功率均分优化与母线电压无差恢复的双重目标，适配并联双向Buck-Boost直流微网的双向功率流动特性。

3.1 虚拟压降补偿机制设计

为消除实际线路阻抗差异化对功率分配的影响，本文引入自适应虚拟压降补偿策略，在各双向Buck-Boost变换器的本地控制回路中叠加可控虚拟压降。与固定虚拟阻抗方案不同，本文设计的虚拟压降无需精准辨识实际线路阻抗参数，可根据各变换器实时输出功率、运行工况自适应调整。

该机制的核心原理是通过人为引入均匀可控的虚拟压降，抵消各模块实际线路阻抗的差异化压降，让所有并联变换器的等效输出外特性趋于一致，弱化物理接线差异对功率分配的影响。在系统稳态运行、负载小幅波动、储能充放电切换等常规工况下，虚拟压降可实时匹配系统运行状态，均衡各变换器输出电流与输出功率，从根源上解决功率分配不均、模块间环流等问题。同时，虚拟压降仅为控制算法等效压降，无实际硬件损耗，不会增加系统有功损耗，保障系统运行效率。

针对双向Buck-Boost变换器的升降压双工作模式，虚拟压降补偿逻辑具备双向适配特性。在降压放电模式下，针对变换器向外输出功率的工况，优化虚拟压降参数，保障负载功率精准均分；在升压充电模式下，适配储能充电、功率反向流动的工况，调整虚拟补偿特性，避免反向功率分配失衡，实现全工况功率均衡调控。

3.2 母线电压二次恢复控制设计

在虚拟压降补偿实现功率精准均分的基础上，针对一次下垂控制的电压有差缺陷，设计分布式电压二次恢复控制环节，构建无差电压调控体系。该二次控制环节以直流母线额定电压为基准，实时采集本地母线电压采样信号，识别系统电压稳态偏差与动态波动。

控制策略采用分布式架构，无需中心控制器与全域高速通信，各变换器仅通过低带宽局部信息交互，获取系统电压平均运行状态，结合本地运行参数生成电压补偿修正量。将二次电压补偿量叠加至一次下垂控制的电压参考值中，动态修正变换器输出电压基准，抵消一次下垂固有压降与虚拟补偿压降带来的电压偏移，实现母线电压的稳态无差恢复。

同时，针对直流微网典型扰动场景，优化二次控制动态响应逻辑。当发生负载突变、新能源功率波动等动态扰动时，二次控制环节可快速感知电压偏差变化，自适应调整补偿力度，在保障多模块功率均分不变的前提下，快速抑制电压波动，缩短电压调节收敛时间，提升系统动态稳定性。针对双向Buck-Boost变换器模式切换的瞬态过程，二次控制可平滑衔接不同工况的电压补偿参数，避免模式切换引发的电压震荡与功率突变。

3.3 分层控制协同运行逻辑

本文所提整体控制策略分为三层架构，各层级分工明确、协同配合，兼顾系统动态响应速度、稳态控制精度与运行可靠性。底层为电压电流内环控制，依托经典闭环调控逻辑，保障单台双向Buck-Boost变换器输出电压、电流的快速跟踪响应，抑制单模块内部扰动，为上层系统级控制提供稳定的基础运行特性。中层为改进型一次下垂控制，结合虚拟压降补偿后的等效外特性，实现多变换器功率初步精准均分，解决传统控制的功率失衡问题。上层为电压二次恢复控制，基于系统全局电压运行状态，动态叠加电压补偿量，消除系统稳态电压偏差，实现母线电压精准稳压。

三层控制架构相互约束、协同优化，内环保障动态性能，中层保障功率均衡，上层保障电压精度。在稳态工况下，二次控制持续修正电压偏差，维持母线电压额定运行，同时虚拟压降补偿保障各模块出力均匀；在动态扰动工况下，内环快速响应抑制瞬时波动，中层快速重构功率分配特性，上层逐步修正稳态偏差，实现“动态快速调节、稳态精准稳压”的控制效果。同时，分布式控制架构无中心节点，单台变换器故障退出时，其余模块可自主维持控制逻辑，系统容错性与拓展性大幅提升。

4 控制策略性能优势与工况适配性分析

4.1 核心性能优势分析

相较于传统一次下垂控制与单一二次电压控制，本文所提基于虚拟压降补偿的二次控制策略具备多重性能优势。首先，实现功率均分与电压稳压的协同优化，突破传统控制“功率均分精准则电压偏差大、电压精度高则功率失衡”的矛盾，通过虚拟压降补偿解决线路阻抗差异化问题，通过二次控制消除电压稳态偏差，同步提升系统功率分配精度与电压控制精度。

其次，适配双向Buck-Boost变换器全工况运行特性，针对升降压切换、功率双向流动、储能充放电交替等复杂工况，控制参数可自适应调整，避免传统控制在工况切换时出现的功率震荡、电压偏移问题，适配光储直流微网的间歇性、波动性运行特征。

最后，控制架构可靠性高、拓展性强。分布式低带宽通信模式降低系统组网成本，无中心控制器规避单点故障风险，新增并联变换器时无需大幅修改控制逻辑，仅需同步配置虚拟压降补偿与二次控制参数即可完成扩容，适配直流微网模块化、规模化发展需求。同时，无参数辨识的自适应虚拟补偿逻辑，无需精准测量线路阻抗，降低工程落地难度。

4.2 典型工况适配性分析

在稳态额定工况下，各并联双向Buck-Boost变换器出力均匀，模块间无功率环流，直流母线电压稳定维持在额定值，无稳态偏差，系统运行效率最优。在负载扰动工况下，负载突增或突降引发系统功率突变时，虚拟压降补偿可快速维持功率均分特性，二次电压控制可快速修正电压跌落或抬升偏差，抑制电压超调，缩短恢复时间，保障动态过程中系统稳定运行。

在新能源功率扰动工况下，光伏等分布式电源输出功率受光照强度影响随机波动，系统发电功率与负载功率动态失衡，所提策略可实时调整各变换器出力，均衡功率波动分担量，同时持续稳压母线电压，规避新能源间歇性发电带来的电压震荡问题。在储能充放电切换工况下，双向Buck-Boost变换器工作模式平滑切换，虚拟压降补偿适配功率流向变化，二次控制无缝衔接电压补偿逻辑，避免模式切换引发的系统扰动。

5 结论

本文针对并联双向Buck-Boost直流微网传统下垂控制存在的功率分配不均、母线电压稳态偏移、动态扰动抗性差等问题，提出一种基于虚拟压降补偿的分布式母线电压二次恢复控制策略。通过引入自适应虚拟压降补偿，有效抵消实际线路阻抗差异化带来的功率失衡影响，实现多并联变换器精准功率均分，消除模块间功率环流，提升系统设备利用率与运行效率。通过设计分布式二次电压恢复控制环节，修正一次下垂控制的固有电压偏差，实现母线电压稳态无差运行，同时大幅提升系统对负载扰动、新能源功率波动、工况切换的动态抑制能力。

所提策略采用分层分布式控制架构，兼顾动态响应速度与稳态控制精度，无需高速集中通信，容错性与拓展性优异，完全适配双向Buck-Boost变换器能量双向流动、宽范围调压的运行特性，可有效解决直流微网实际工程运行中的电压稳定性与功率均衡问题。该控制策略结构简洁、工程可实施性强，可为模块化直流微网的稳定运行与优化控制提供有效的理论参考与技术支撑。未来可进一步优化自适应控制参数，结合储能SOC均衡、系统能效优化目标，实现直流微网多维度协同最优运行。