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并联Buck-boost直流微网下垂控制模型仿真研究（Simulink仿真实现）

news 2026/6/13 1:13:56

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💥第一部分——内容介绍

并联Buck-boost直流微网下垂控制模型仿真研究

摘要

为解决分布式新能源接入下直流微网电压稳定性差、多变换器功率分配不均、工况适配性不足等问题，本文以并联Buck-boost变换器直流微网系统为研究对象，开展下垂控制策略建模与仿真研究。首先阐述并联Buck-boost直流微网的系统架构与运行特性，分析传统下垂控制在多机并联运行中存在的电压偏移、功率分配精度低、抗扰动能力弱等固有缺陷。在此基础上，梳理下垂控制的核心控制逻辑与层级架构，明确控制策略对系统稳态与动态性能的影响机制。依托仿真平台搭建多机并联Buck-boost直流微网仿真模型，模拟负载突变、新能源出力波动、多机组并联投切等典型微网运行工况，对比分析传统下垂控制的运行特性与性能短板。仿真结果表明，下垂控制可实现无通信情况下多Buck-boost变换器的自主功率分配，适配直流微网双向升降压运行需求，但传统固定系数下垂控制存在母线电压稳态偏差与动态振荡问题。本文研究可为并联Buck-boost直流微网的控制策略优化、稳定运行与工程应用提供理论参考与仿真依据。

关键词：直流微网；并联Buck-boost变换器；下垂控制；功率分配；仿真建模

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着光伏、储能、风电等分布式新能源的大规模普及，直流微网凭借结构简单、能量转换效率高、无频率相位耦合问题、适配直流新能源与负载的优势，成为新型电力系统的重要发展方向。相较于交流微网，直流微网无需考虑无功功率损耗与同步稳定性问题，电能传输可靠性更高，更适配分布式储能、电动汽车、直流负载的接入场景。

Buck-boost变换器作为直流微网的核心电力电子接口，具备双向升降压能力，可适配新能源出力电压波动、储能充放电、负载电压多变的复杂工况，突破了单一Buck或Boost变换器的电压适配局限。在实际工程应用中，为满足微网大容量供电、冗余容错、灵活扩容的需求，通常采用多台Buck-boost变换器并联运行的架构。多机并联模式可有效提升系统供电容量与可靠性，但也会引发功率分配失衡、母线电压波动、变换器间环流干扰、系统稳定性下降等诸多问题，严重制约直流微网的安全稳定运行。

下垂控制作为直流微网分布式控制的核心策略，无需机组间通信互联，依靠本地电压、功率信息即可实现多变换器自主协同与功率分配，具备架构简单、可靠性高、扩展性强的优势，完美适配并联Buck-boost直流微网的运行控制需求。因此，深入研究并联Buck-boost直流微网的下垂控制特性，分析不同工况下系统的运行规律与性能缺陷，对优化直流微网控制策略、提升系统稳态精度与动态抗扰能力具有重要的工程价值与理论意义。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外学者针对直流微网并联变换器下垂控制开展了大量研究。传统固定系数下垂控制凭借结构简单、易于实现的特点，被广泛应用于中小型直流微网系统，但该策略存在固有缺陷，负载变化与线路阻抗差异会导致母线电压稳态偏移，同时多机组间功率分配精度难以保障，工况波动下易出现系统振荡问题。

为弥补传统下垂控制的不足，现有研究多聚焦于自适应下垂、二次电压恢复、分层分布式控制等优化方向。部分研究通过动态调整下垂系数，适配不同负载与机组运行状态，提升功率分配精度；也有研究引入二次控制回路，实现母线电压无差修复，解决传统控制的电压偏移问题。在变换器拓扑研究中，并联Buck-boost架构的工况适配性优势已得到广泛验证，但针对多机并联工况下下垂控制的动态响应、环流抑制、多工况适配性的系统性仿真研究仍有待完善，尤其在新能源出力波动、负载阶跃变化、机组投切等复杂工况下的控制性能分析，仍需进一步深化。

1.3 主要研究内容

本文以多机并联Buck-boost直流微网为研究对象，开展下垂控制模型仿真研究，核心研究内容如下：一是搭建并联Buck-boost直流微网系统架构，明确系统组成、运行模式与变换器工作特性；二是剖析传统下垂控制的工作原理与控制架构，总结其在并联系统中的运行优势与固有缺陷；三是搭建完整系统仿真模型，模拟稳态运行、负载突变、新能源出力波动、机组投切等典型工况；四是通过仿真结果分析下垂控制对系统电压稳定性、功率分配精度、动态响应特性的影响，总结传统控制策略的性能短板，为后续策略优化提供依据。

2 并联Buck-boost直流微网系统架构与特性

2.1 系统整体架构

本文研究的并联Buck-boost直流微网系统主要由分布式新能源单元、储能单元、多台Buck-boost变换器、直流母线、交直流负载单元构成。多台结构参数一致的双向Buck-boost变换器以并联形式接入直流母线，各变换器分别对接新能源发电单元与储能单元，实现电能的双向流动与电压升降调节。系统采用无主从分布式架构，无中央集中控制器，各变换器依靠本地下垂控制策略独立运行、自主协同，无需机组间通信交互，具备良好的冗余性与扩展性。

该系统可适配多种运行工况，新能源出力充足时，变换器工作于降压或升压发电模式，向母线输送电能，为负载供电并为储能充电；新能源出力不足时，储能单元通过Buck-boost变换器反向放电，补偿系统功率缺额，保障母线功率平衡。多机并联架构可通过增减运行机组数量适配不同负荷需求，有效提升系统供电可靠性与容量裕度。

2.2 并联Buck-boost变换器运行特性

Buck-boost变换器作为系统核心接口，具备双向升降压运行能力，可根据输入电压与母线电压的匹配关系灵活切换工作模式，解决了传统单一变换器电压适配范围窄的问题。在并联运行模式下，各变换器输出端共接直流母线，输入端分别接入分布式电源与储能设备，实现多源协同供电。

相较于单台变换器运行，多机并联Buck-boost系统的运行特性更为复杂。由于各变换器存在器件参数差异、线路阻抗不均、运行状态不同步等问题，极易导致机组间输出功率失衡，产生内部环流。环流会增加变换器器件损耗，降低系统运行效率，严重时会引发局部过流故障，影响系统稳定运行。而下垂控制的核心作用便是通过合理的控制调节，抑制机组环流、均衡分配负载功率，同时维持母线电压在合理波动范围。

3 直流微网下垂控制策略原理分析

3.1 下垂控制核心逻辑

直流微网下垂控制借鉴交流系统频率下垂控制思想，以直流母线电压为调控核心，通过检测变换器本地输出功率或输出电流，动态调节变换器输出参考电压，实现多机组功率自主分配。其核心控制逻辑为变换器输出电压随输出功率的增大小幅降低，通过电压的适度偏移，为不同机组划定差异化的功率输出区间，避免多机功率竞争与环流滋生。

在无通信分布式控制模式下，每台Buck-boost变换器均独立配置下垂控制环节，仅采集自身输出电气量信息完成闭环控制，无需接收外部指令，也无需与其他机组交互协同。这种控制模式彻底摆脱了对通信链路的依赖，规避了通信延迟、通信故障带来的系统失控风险，适配直流微网分散式、模块化的运行特点。

3.2 下垂控制层级架构

本文研究的并联Buck-boost系统下垂控制采用双环级联架构，分为外环下垂控制环与内环电压电流闭环控制环，两级控制分层协同、各司其职。外环下垂控制为系统主控环节，根据机组实时输出功率，生成电压参考指令，实现多机组功率均衡分配与母线电压宏观调控；内环为快速响应闭环，精准跟踪外环输出的电压参考指令，快速抑制电压、电流瞬时波动，保障变换器输出特性稳定，提升系统动态响应速度。

两级控制架构兼顾了系统稳态功率分配精度与动态抗扰性能，外环负责稳态工况下的全局协同调控，内环负责瞬态工况下的快速响应调节，适配Buck-boost变换器双向升降压、工况频繁切换的运行需求，可有效支撑多机并联系统稳定运行。

3.3 传统下垂控制固有缺陷

通过理论分析可知，传统固定系数下垂控制存在明显的性能短板，难以适配复杂微网工况。首先，该控制策略依靠电压偏移实现功率分配，必然导致直流母线电压存在稳态偏差，负载功率越大，电压偏移量越明显，无法实现母线电压无差稳定。其次，固定下垂系数无法适配动态工况变化，新能源出力波动、负载突变时，功率分配精度大幅下降，机组间易出现功率失衡与环流增大问题。最后，系统阻尼特性较差，工况扰动下母线电压易出现短时振荡、超调现象，动态稳定性不足，难以满足高精度、高稳定性直流微网的运行要求。

4 系统仿真模型搭建与工况设置

4.1 仿真模型整体搭建

为验证并联Buck-boost直流微网下垂控制的运行性能，依托仿真平台搭建完整系统模型。模型包含两台参数一致的双向Buck-boost变换器、直流母线、分布式光伏电源、储能单元、可调直流负载，完全匹配实际微网模块化架构。系统额定母线电压设定为标准直流电压等级，变换器参数、线路阻抗、电源容量均按照工程常规参数配置，保证仿真结果的真实性与参考价值。

控制层面采用传统固定系数下垂双环控制架构，各变换器独立运行，无机组间通信与集中控制，完全还原分布式下垂控制的工作模式。模型可实时采集母线电压、各变换器输出功率、输出电流等核心电气量，为不同工况下的性能分析提供数据支撑。

4.2 仿真工况设置

为全面验证下垂控制的稳态与动态性能，贴合直流微网实际运行场景，设置四类典型仿真工况，覆盖常规运行与扰动运行场景。一是稳态额定工况，系统带额定负载运行，新能源出力稳定，验证系统稳态功率分配与电压稳定性能；二是负载阶跃扰动工况，运行过程中投入或切除部分负载，模拟负荷突变场景，测试系统动态响应与抗扰能力；三是新能源出力波动工况，调节光伏单元输出功率，模拟光照强度变化导致的电源出力波动，验证系统功率自适应调节能力；四是机组投切工况，投入备用Buck-boost并联机组，模拟系统扩容、故障机组切换场景，测试多机组协同运行性能。

5 仿真结果与性能分析

5.1 稳态工况性能分析

在稳态额定工况下，并联Buck-boost系统运行状态稳定，下垂控制可实现两台变换器的自主功率分配，两台机组输出功率基本匹配额定配比，无明显功率失衡现象，机组间环流维持在极低水平，验证了下垂控制无通信功率协同的核心优势。系统母线电压保持在额定区间小幅波动，无大幅振荡，稳态运行可靠性良好。

但同时仿真结果体现出传统下垂控制的固有短板，稳态运行下母线电压存在轻微稳态偏移，相较于额定电压存在小幅压降，无法实现无差稳压，这是固定系数下垂控制依靠电压偏移实现功率分配的必然结果。整体而言，稳态工况下系统功率分配精度基本满足运行要求，但电压稳态精度存在明显缺陷。

5.2 负载扰动工况性能分析

负载阶跃突变工况下，系统展现出典型的下垂控制动态响应特性。负载突然增大时，各Buck-boost变换器快速响应，同步提升输出功率，两台机组功率增量基本均衡，未出现单机组过载、功率分配失衡问题，功率协同调节性能良好。但负载扰动瞬间，母线电压出现短时跌落与小幅振荡，经过短暂调节后逐步回归稳定状态，动态调节过程存在一定超调与响应时延。

负载突然减小时，系统功率快速回落，机组间仍可保持良好的功率分配一致性，但母线电压出现短时抬升波动，振荡幅度相较于负载增大工况略有提升。仿真结果表明，传统下垂控制可有效适配负载突变工况，保障系统功率平衡，但动态抗扰能力有限，工况扰动下电压波动与振荡问题较为突出，动态稳定性有待优化。

5.3 新能源出力波动工况性能分析

新能源出力连续波动工况下，并联系统可通过下垂控制实现功率自适应调节，新能源出力下降时，储能侧Buck-boost变换器主动提升放电功率，补偿系统功率缺额；新能源出力回升时，机组逐步降低输出功率，实现源荷功率动态匹配。多机组全程保持协同运行，无功率突变、环流激增等异常现象，体现出Buck-boost拓扑双向适配与下垂控制分布式调节的组合优势。

但在新能源出力快速波动阶段，母线电压波动幅度明显增大，稳态偏移问题进一步加剧，功率分配精度相较于稳态工况有所下降。这表明固定下垂系数无法适配快速变化的源端工况，动态工况下控制性能退化明显，难以兼顾功率分配精度与电压稳定性。

5.4 机组投切工况性能分析

机组投切过程中，系统可实现无通信平滑切换，新增并联机组快速参与功率分配，原有运行机组同步降低输出功率，多机组快速达成新的功率均衡状态，未出现功率冲击与机组冲突，验证了下垂控制良好的系统扩容适配性与冗余运行能力。

机组投切瞬间，系统母线电压出现短时剧烈波动，调节时长相较于普通负载扰动工况更长，系统动态收敛速度较慢。同时，投切完成后的新稳态下，母线电压偏移量进一步增大，功率分配误差小幅提升，凸显出传统固定下垂控制在系统拓扑结构变化时的适配性短板。

6 结论与展望

6.1 研究结论

本文通过搭建并联Buck-boost直流微网仿真模型，系统开展下垂控制运行特性仿真研究，全面分析不同典型工况下系统的稳态与动态性能，得出核心结论如下：第一，下垂控制可实现无通信条件下多并联Buck-boost变换器的自主功率分配与协同运行，有效抑制机组间环流，适配直流微网模块化、分布式运行需求，具备良好的稳态运行可靠性与系统扩展性；第二，传统固定系数下垂控制存在固有性能缺陷，稳态工况下存在母线电压偏移问题，动态工况下易出现电压振荡、超调现象，新能源波动、机组投切等复杂工况下功率分配精度显著下降；第三，并联Buck-boost拓扑具备优异的双向电压适配与功率调节能力，可有效适配新能源与储能接入场景，但需匹配优化的控制策略，才能充分发挥系统运行性能。

6.2 研究展望

针对本文研究发现的传统下垂控制短板，后续可从多方面开展优化研究。一是引入自适应下垂控制策略，根据系统工况动态调整下垂系数，提升复杂工况下的功率分配精度与电压稳定性；二是增加二次电压恢复控制回路，消除母线电压稳态偏移，实现无差稳压；三是结合储能SOC状态优化控制逻辑，实现多源协同均衡运行，进一步提升直流微网的稳定性与经济性。后续可基于本文仿真模型，开展优化控制策略的对比仿真验证，为高性能并联Buck-boost直流微网控制体系构建提供更完善的支撑。