面向 DC 微电网的自适应控制功率分配与母线电压调节

为什么更智能的小型电力网络很重要

随着住宅、办公场所和交通工具越来越依赖太阳能电池板、电池、数据中心和电动汽车，电力越来越多地由称为微电网的小型局部电力网络来管理。这些新系统中，很多采用直流（DC）—与电池和电子设备相同的电流形式。在直流微电网中，在多种电源之间保持电力的平稳且公平分配出乎意料地困难。本研究展示了一种新方法，使多个电子功率转换器在无需复杂通信网络的情况下自动分担负载并保持系统电压稳定。

公平分担工作的挑战

在直流微电网中，多个功率转换器并列工作，共同向为不同设备供电的公共直流母线上送电。理想状态下，每个转换器应承担公平的工作份额，且共享母线的电压应尽可能接近目标值。一个常用的技术称为下垂控制，它通过在电流增加时略微降低每个转换器的输出电压来鼓励负载在单元间分摊。然而，布线电阻和硬件差异意味着传统下垂控制无法在严格要求下同时保持电流分配和母线电压，尤其在负载大或快速变化时更是如此。其结果是转换器之间产生环流、能量浪费，甚至个别单元可能过载。

让转换器自适应的新方法

作者提出了一种自适应下垂控制策略，允许每个转换器根据微电网中实际发生的情况不断调整其行为。该方法不使用固定设置，而是实时调整每个转换器内部的一个人工“虚拟电阻”。主控制回路监测每个单元提供的电流并将其与期望的分配模式进行比较。如果某个转换器负担过重或过轻，其内部的下垂设定会被微调，从而使其输出电压发生细微变化，重新分配电流，直到不匹配最小化。

同时保持电压稳定

仅仅改变电流分配方式可能会扰动整体母线电压，而母线电压应保持接近设定值（本工作中为48伏，这是电信和低压直流系统中常见的电平）。为了解决这一点，研究人员增加了一个二级控制回路。该回路监测实际母线电压并将所有转换器的参考电压整体轻微调整，以消除任何长期漂移。实际上，主回路确保工作量的公平分配，而次级回路确保系统的“压力”——直流电压——保持在应有位置。关键是，每个转换器只需测量自身的电压和电流；不需要单元间的数据连线。

在模型和仿真中检验该想法

团队将他们的方法应用于由三台降压转换器组成的小型直流微电网，降压转换器是一种常见的电力级结构。他们首先使用标准工具从时域和频域分析控制系统的稳定性，然后在 MATLAB/Simulink 仿真和实时数字仿真硬件上对设计进行了详细测试。他们考察了许多实际情形：不同的输入电压、转换器与母线之间不同的线路电阻，以及从轻载到重载的三个负载水平。在每种情况下，都将传统的固定下垂方法与新的自适应策略进行了比较。

对现实系统的结果说明

在所有测试条件下，传统下垂控制导致了明显的问题：电流分配误差最大约占总负载的四分之一，母线电压偏差为数个百分点。采用自适应下垂并增加电压回路后，电流分配误差降至大约1%或更低，母线电压保持在目标值的小数百分点以内。这些改进是在无需转换器之间通信网络的情况下实现的，从而保留了使直流微电网具有吸引力的简单性和鲁棒性。

这对未来能源网络意味着什么

对非专业读者来说，关键信息是作者找到了一种更智能的自调节控制方法，能让小型直流电力网络表现得更像一个协调良好的团队而不是一组相互竞争的设备。通过在保持系统电压稳定的同时自动平衡每个转换器的工作量，他们的自适应下垂控制使直流微电网更高效、可靠且更易扩展。这有助于未来的建筑、社区和电动汽车充电枢纽更安全、经济地使用本地太阳能电池板、电池及其他直流技术。

引用: Mosbah, M.A., Abokhalil, A. & Sayed, K. Toward adaptive control power sharing and bus voltage regulation for DC microgrids. Sci Rep 16, 13395 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47219-w

关键词: 直流微电网, 下垂控制, 功率分配, 电压调节, 分布式能源