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基于功率分配与电压恢复的多Buck-boost直流微网分布式二次控制研究（Simulink仿真实现）

news 2026/6/7 3:05:07

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💥第一部分——内容介绍

基于功率分配与电压恢复的多Buck-boost直流微网分布式二次控制研究

摘要

多Buck-boost变换器并联构成的直流微网具备升降压适配性强、扩容灵活、新能源适配度高的优势，是分布式直流供电系统的核心架构。针对传统下垂一次控制在多变换器并联工况下存在的功率分配精度不足、母线电压稳态偏移、线路阻抗适配性差等问题，本文提出一种兼顾功率精准分配与母线电压无差恢复的分布式二次控制策略。首先搭建多Buck-boost直流微网并联系统架构，分析一次下垂控制的固有缺陷与多机并联耦合干扰机理；依托分布式一致性协同控制思想，设计分层二次控制体系，摒弃集中式控制的通信冗余与单点故障风险，通过相邻变换器局部信息交互实现全局功率均衡与电压偏差修正。通过工况适配性分析与对比研究验证，所提策略可有效消除线路阻抗差异导致的功率分配不均问题，精准恢复直流母线额定电压，同时具备良好的负荷扰动适应性与即插即用特性，显著提升多Buck-boost直流微网的运行稳定性与供电可靠性，可为分布式直流微网高效协同运行提供技术支撑。

关键词：直流微网；多Buck-boost并联；分布式二次控制；功率分配；电压恢复；一致性算法

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着光伏、风电、储能等分布式新能源的规模化接入，直流微网因无需频率相位同步、电能变换损耗低、适配新能源直流输出特性等优势，成为新型电力系统的重要发展方向。Buck-boost变换器兼具升降压能力，可适配新能源输出电压波动、储能充放电电压区间宽的工况，多台Buck-boost变换器并联组网的直流微网结构，能够灵活实现容量扩容、负荷分流与冗余备份，广泛应用于工业园区直流供电、分布式储能系统、新能源独立供电等场景。

在多Buck-boost变换器并联运行场景中，功率均衡分配与母线电压稳定控制是保障系统安全高效运行的核心要素。实际工程中，变换器参数差异、线路阻抗不均、负荷动态波动等因素，会导致传统一次下垂控制难以实现精准功率分配，部分变换器出现过功率运行、环流超标等问题，同时下垂控制的固有压降特性会造成母线电压持续偏移额定值，降低供电电能质量。此外，传统集中式二次控制依赖全局通信，存在通信压力大、容错性差、扩展性弱的缺陷，难以适配分布式微网分散化、模块化的运行特征。

因此，研究适配多Buck-boost并联架构的分布式二次控制策略，同步实现高精度功率分配与无差电压恢复，解决多机耦合干扰、参数失配与通信冗余问题，对提升直流微网的稳定性、经济性与扩展性具有重要工程价值与理论意义。

1.2 国内外研究现状

目前国内外针对直流微网并联变换器控制的研究主要集中在下垂控制优化与二次协同控制两个方向。在一次控制层面，现有研究通过改进下垂系数、引入虚拟阻抗等方式优化功率分配效果，可在一定程度上抑制并联变换器环流，提升功率分配均衡性，但无法解决电压稳态偏差问题，且对动态负荷扰动的适配能力较弱。部分文献针对储能状态差异、变换器容量差异设计自适应下垂策略，改善了特殊工况下的功率分配性能，但依然受限于一次控制的有差调节特性。

在二次控制层面，集中式二次控制可实现母线电压精准恢复与全局功率调度，但高度依赖中央控制器与全覆盖通信网络，存在单点故障风险，系统鲁棒性与可扩展性不足。为克服集中式控制缺陷，分布式二次控制成为研究热点，现有研究基于一致性算法实现相邻变换器信息交互，在无中心架构下完成电压与功率的协同调节。但多数研究聚焦于单一降压或升压变换器并联场景，针对Buck-boost升降压复合特性的多机并联控制研究较少，未充分考虑Buck-boost变换器宽电压调节范围带来的动态耦合问题，存在功率分配与电压恢复的控制冲突，难以兼顾稳态精度与动态响应速度。

综上，现有控制策略难以完全适配多Buck-boost直流微网并联的复杂运行特性，存在控制目标耦合、工况适配性差、鲁棒性不足等问题，亟需设计一种针对性的分布式二次控制策略，同步实现高精度功率分配与无差电压恢复。

1.3 主要研究内容与创新点

本文以多Buck-boost变换器并联直流微网为研究对象，聚焦功率精准分配与母线电压无差恢复双重目标，开展分布式二次控制策略研究，主要研究内容如下：1）构建多Buck-boost直流微网并联系统模型，分析一次下垂控制的固有缺陷与多机并联运行扰动机理；2）设计分层分布式二次控制架构，区分功率分配控制层与电压恢复控制层，解决双控制目标耦合冲突问题；3）基于分布式一致性协同思想，搭建局部信息交互机制，实现无中心全局协同控制；4）通过多工况对比分析，验证所提策略的稳态性能、动态响应与即插即用能力。

本文主要创新点如下：1）针对Buck-boost变换器升降压复合特性，设计分层解耦分布式二次控制体系，有效规避功率分配与电压恢复的控制耦合问题；2）采用相邻节点局部信息交互的分布式架构，摒弃全局通信依赖，降低系统通信压力，提升容错性与扩展性；3）优化功率均衡调节逻辑，适配线路阻抗不均、变换器参数失配工况，实现全工况高精度功率分配与母线电压无差恢复。

2 多Buck-boost直流微网并联系统架构与控制问题分析

2.1 系统整体架构

本文研究的多Buck-boost直流微网并联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、交直流负荷及分布式通信网络构成。多台结构参数一致的Buck-boost变换器输入端分别接入新能源与储能单元，输出端并联至公共直流母线，为各类负荷供电。系统采用分层控制架构，底层为变换器一次控制层，负责快速动态响应、初步功率调节与稳压；上层为分布式二次控制层，负责修正一次控制偏差，实现精准功率分配与母线电压恢复。通信层面采用稀疏分布式通信拓扑，各Buck-boost变换器仅与相邻设备进行状态信息交互，无需中央控制器，具备模块化、去中心化的运行特征。

相较于传统单一类型变换器并联系统，该架构中Buck-boost变换器可根据输入电压高低自动工作在升压或降压模式，适配新能源电压波动与储能充放电工况，系统运行灵活性更强，但多机多模式耦合运行也加剧了功率扰动与电压波动的传递效应，对协同控制精度提出了更高要求。

2.2 传统一次下垂控制固有缺陷

多Buck-boost直流微网传统采用电压-功率下垂一次控制，通过预设下垂特性实现多变换器功率自主分配，具备响应速度快、无需通信的优势，适用于底层动态调节。但在实际并联运行中存在显著固有缺陷：一是电压调节有差特性，下垂控制通过电压跌落换取功率分配效果，稳态下母线电压必然偏离额定值，长期运行会降低供电质量，影响敏感负荷设备安全运行；二是功率分配精度受限，受线路阻抗差异、变换器参数偏差、运行模式切换影响，各变换器输出功率无法按照容量比例精准分配，易出现单机过载、轻载不均现象，产生并联环流，增加系统损耗；三是动态工况适配性差，当新能源输出波动、负荷投切时，下垂控制无法快速平衡功率偏差与电压偏移，动态波动幅度大、恢复速度慢。

2.3 多机并联运行核心控制难题

结合多Buck-boost变换器运行特性与并联组网特征，系统核心控制难题主要包含三方面。其一为控制目标耦合冲突，一次下垂控制的功率分配与电压调节相互制约，优先保障功率均衡则电压偏差增大，优先稳压则功率分配精度下降，单一控制层无法兼顾双重目标；其二为分布式运行适配难题，集中式控制可靠性低、扩展性差，而纯分布式控制缺乏全局基准，易出现局部调节最优但全局工况失衡的问题；其三为多模式扰动干扰，Buck-boost变换器升降压模式频繁切换，叠加新能源与负荷动态扰动，导致系统运行工况复杂，传统固定参数控制策略难以适配全工况运行需求。

3 分布式二次控制策略设计

3.1 分层分布式控制架构设计

为解决一次控制缺陷与多目标耦合问题，本文设计双层分布式二次控制架构，与底层一次控制形成协同体系，整体分为一次动态调节层与二次精准修正层，两层控制功能解耦、协同配合。一次控制层保留传统下垂控制的快速动态响应优势，负责负荷瞬时波动、电压突变的快速调节，保障系统动态稳定性；二次控制层作为上层修正环节，摒弃集中式控制模式，采用去中心化分布式协同架构，通过相邻变换器信息交互，获取局部工况状态，生成电压修正指令与功率补偿指令，下发至一次控制层，实现稳态精度优化。

二次控制层进一步划分为功率均衡分配子模块与母线电压恢复子模块，两个子模块独立运行、协同输出，彻底解耦功率调节与电压调节控制目标，从架构上解决双目标冲突问题。同时，分布式通信拓扑仅需相邻设备交互功率、电压状态信息，大幅降低通信数据量，规避全局通信故障风险，适配微网模块化即插即用运行需求。

3.2 分布式功率分配控制策略

针对多Buck-boost并联系统功率分配不均、环流超标问题，本文基于分布式一致性协同思想设计功率二次修正策略。系统运行过程中，各Buck-boost变换器实时采集自身输出功率、运行状态信息，并通过稀疏通信网络与相邻变换器交互数据，无需全局调度即可感知全网功率运行水平。

控制策略以各变换器额定容量为分配基准，结合实时运行工况动态修正输出功率参考值，针对线路阻抗不均、参数失配导致的功率偏差，生成自适应功率补偿量。当检测到单机功率偏离均衡区间时，通过相邻节点状态比对，自主调整输出功率指令，逐步缩小多机功率偏差，最终实现按容量比例精准分配。同时，策略设置功率限幅保护逻辑，避免二次调节过程中出现功率超限问题，保障变换器运行安全，有效抑制并联环流，降低系统运行损耗。该分布式调节方式无需中央指令调度，单台变换器接入或退出时，可快速完成局部工况重构，具备良好的即插即用特性。

3.3 分布式电压恢复控制策略

针对一次下垂控制导致的母线电压稳态偏移问题，设计无差电压恢复二次控制策略。各变换器实时采集直流母线电压采样值，结合相邻节点电压状态信息，通过分布式一致性迭代运算，获取全网母线电压平均偏差，以此为依据生成全局统一的电压修正指令。

区别于传统局部电压修正方式，本文策略通过局部信息交互实现全局电压状态协同感知，保证所有并联Buck-boost变换器的电压修正指令统一，避免多机电压调节不一致导致的二次功率扰动。二次电压修正环节持续补偿一次控制的固有压降，在不影响功率分配精度的前提下，逐步将母线电压修正至额定值，实现稳态无差调节。同时，电压恢复控制具备动态防抖逻辑，可有效抑制负荷小幅波动、采样误差导致的频繁调节，提升系统稳态运行的平稳性。

3.4 多目标协同控制逻辑

为实现功率分配与电压恢复的协同最优，本文设计分层协同调节逻辑，明确双层控制的调节优先级与配合机制。动态工况下，一次下垂控制优先响应瞬时扰动，保障系统快速稳定，二次控制暂停大幅调节，仅进行状态监测；稳态工况下，二次功率分配模块与电压恢复模块同步工作，先完成功率均衡修正，再进行电压精准恢复，避免电压调节干扰功率分配精度。同时，设置工况判别机制，当新能源大幅波动、负荷阶跃投切等强扰动出现时，自动降低二次控制调节权重，优先保障系统动态稳定性，扰动平息后恢复高精度稳态调节，兼顾系统动态响应速度与稳态控制精度。

4 系统运行性能分析

4.1 稳态运行性能分析

稳态工况下，传统一次下垂控制存在明显母线电压偏移与功率分配误差，多台Buck-boost变换器输出功率偏差较大，并联环流问题突出。采用本文所提分布式二次控制策略后，通过持续的功率修正与电压补偿，可完全消除一次控制的稳态偏差，母线电压稳定维持在额定值，各变换器输出功率严格按照容量比例均衡分配，功率分配误差趋近于零，并联环流得到有效抑制。同时，分布式控制架构无稳态通信延迟，各节点调节同步性好，系统稳态运行精度与供电质量显著提升。

4.2 动态扰动适应性分析

针对直流微网常见的负荷阶跃投切、新能源输出功率波动等动态工况，所提分层控制体系展现出良好的动态适配能力。扰动发生瞬间，一次下垂控制快速响应，抑制电压与功率突变，保障系统不出现剧烈波动；二次控制层快速感知工况变化，同步更新功率与电压修正指令，平稳完成工况过渡，无超调、无振荡现象。相较于传统控制策略，本文策略动态响应速度更快，扰动恢复时间更短，且不会出现功率与电压调节的耦合振荡，适配多Buck-boost变换器升降压模式切换的动态运行特性。

4.3 容错性与扩展性分析

本文采用去中心化分布式控制架构，无中央控制节点，不存在单点故障风险。当单台Buck-boost变换器退出运行、局部通信中断时，剩余设备可通过相邻信息交互快速重构控制策略，自动完成功率重分配与电压稳态维持，系统容错性与运行可靠性大幅提升。同时，系统具备优异的扩展性，新增Buck-boost变换器时，无需修改全局控制参数，新设备接入后可快速完成信息同步与工况适配，实现即插即用，完全适配直流微网模块化扩容的发展需求。

5 结论与展望

5.1 结论

本文针对多Buck-boost直流微网并联系统的运行特性与控制难题，提出一种基于功率分配与电压恢复的分布式二次控制策略，通过架构设计、策略优化与性能分析，得出以下结论：1）多Buck-boost变换器并联系统的控制核心矛盾为一次下垂控制的电压有差调节与功率分配精度不足，且功率调节与电压调节存在固有耦合冲突，传统单一控制策略无法兼顾双重优化目标；2）所设计的分层分布式二次控制架构实现了一次动态调节与二次精准修正的解耦协同，功率分配与电压恢复子模块独立运行，有效解决了多目标控制耦合问题；3）基于局部信息交互的分布式控制方式，摒弃了全局通信与中央控制器，在实现高精度功率均衡与无差电压恢复的同时，大幅提升了系统的容错性、动态适应性与扩展性；4）所提策略可有效适配负荷波动、设备投切、参数失配等复杂工况，全面提升多Buck-boost直流微网的稳态运行精度与动态稳定性。

5.2 展望

本文研究的分布式二次控制策略有效改善了多Buck-boost直流微网的运行性能，但仍存在进一步优化空间。后续研究可结合新能源随机波动特性，引入自适应调节算法，进一步提升极端工况下的系统稳定性；同时可融入事件触发通信机制，进一步降低系统通信能耗；此外，可拓展多微网协同运行场景，研究跨区域多Buck-boost集群的分布式协同控制策略，为大规模直流微网集群高效运行提供技术支撑。