曾國(guó)輝, 廖鴻飛, 趙晉斌, 朱相臣

直流微網(wǎng)雙向DC/DC變換器虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略

曾國(guó)輝1, 廖鴻飛1, 趙晉斌2, 朱相臣1

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600；2.上海電力大學(xué)，上海 200082)

在高新能源滲透率下的直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，電力電子器件比例不斷提高，導(dǎo)致系統(tǒng)存在低慣性問(wèn)題，降低系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。為此提出了一種改進(jìn)的虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略。該方法通過(guò)類比交流系統(tǒng)逆變器的虛擬直流發(fā)電機(jī)控制，分析直流微網(wǎng)系統(tǒng)在虛擬慣量和阻尼系數(shù)控制下負(fù)荷擾動(dòng)量與輸出電壓擾動(dòng)量的關(guān)系特性，將自適應(yīng)控制策略引入虛擬慣量和阻尼系數(shù)。通過(guò)建立小信號(hào)模型，利用系統(tǒng)輸出阻抗結(jié)合阻抗比判據(jù)給出虛擬慣量和阻尼系數(shù)的變化范圍和邊界，分析虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)選取下系統(tǒng)慣性變化及母線電壓響應(yīng)效果，該方法提高了直流微網(wǎng)系統(tǒng)慣性，同時(shí)改善了直流母線的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后通過(guò)Matlab/Simulink仿真和RT-LAB半實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

直流微網(wǎng)；虛擬慣量；阻尼系數(shù)；自適應(yīng)控制策略

0 引言

化石能源短缺以及環(huán)境惡化等問(wèn)題，促進(jìn)了以可再生能源為主的分布式發(fā)電新型電力技術(shù)的飛速發(fā)展[1-2]。由分布式電源和負(fù)荷構(gòu)建的直流微網(wǎng)不僅能滿足局部用戶用電質(zhì)量和安全需求，還能減少分布式電源滲透對(duì)電力系統(tǒng)的影響[3]。

由于大量電力電子變換器的接入，直流微網(wǎng)呈低慣性狀態(tài)，新能源的間歇性和負(fù)荷的波動(dòng)性都會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓產(chǎn)生較大波動(dòng)，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量[4]。

直流微網(wǎng)中儲(chǔ)能單元對(duì)于穩(wěn)定直流微網(wǎng)母線電壓有重要作用，通過(guò)改進(jìn)其變換器的控制策略可以提升穩(wěn)定性。為此，國(guó)內(nèi)外專家提出一些改進(jìn)方法來(lái)增強(qiáng)直流微網(wǎng)慣性，包括變下垂系數(shù)[5-8]、附加虛擬慣性控制[9-13]、虛擬直流電機(jī)控制[14-15]和類比虛擬發(fā)電機(jī)控制[16-18]。文獻(xiàn)[8]提出了一種自適應(yīng)虛擬阻抗控制策略，通過(guò)調(diào)整負(fù)載輸入阻抗來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用虛擬電容以改善系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的仿真。但是變下垂系數(shù)和附加虛擬慣性控制在擾動(dòng)初期仍會(huì)產(chǎn)生一定程度的電壓波動(dòng)，文獻(xiàn)[16]為了解決恒功率負(fù)載引起的穩(wěn)定性問(wèn)題，在虛擬電容的基礎(chǔ)上引入主動(dòng)阻尼回路，增加了阻尼，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；并且添加前饋控制來(lái)抑制電壓初期波動(dòng)，修正動(dòng)態(tài)特性。但是其慣性控制參數(shù)和阻尼控制參數(shù)均為恒定值，難以平衡系統(tǒng)的抗干擾和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[18]通過(guò)與虛擬發(fā)電機(jī)的特性類比來(lái)進(jìn)行慣性控制，但是其慣性控制參數(shù)和阻尼控制參數(shù)與文獻(xiàn)[16]一樣均為恒定值，難以達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定性控制效果。

針對(duì)直流微網(wǎng)的慣性優(yōu)化控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者轉(zhuǎn)向研究自適應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)，并證明了設(shè)計(jì)自適應(yīng)參數(shù)能有效改善系統(tǒng)響應(yīng)。文獻(xiàn)[17,19]設(shè)置了靈活的慣性參數(shù)控制，但是未考慮通過(guò)增加系統(tǒng)的阻尼系數(shù)改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[20]不僅考慮了虛擬慣量的自適應(yīng)還考慮了虛擬阻尼系數(shù)的自適應(yīng)性，但是在考慮虛擬阻尼系數(shù)的自適應(yīng)性時(shí)，未考慮電壓波動(dòng)量大小對(duì)阻尼系數(shù)的影響，因此在考慮虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)自適應(yīng)時(shí)，還可以加入電壓波動(dòng)量大小的影響。文獻(xiàn)[21]則同時(shí)考慮了電壓波動(dòng)率以及電壓波動(dòng)量的大小，但是其應(yīng)用對(duì)象為DC/AC逆變器，用于抑制角頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本文以儲(chǔ)能單元接入直流微網(wǎng)的雙向DC/DC變換器為研究對(duì)象，類比于含虛擬同步發(fā)電機(jī)(Analogous Virtual Synchronous Generators, AVSG)的DC/AC逆變器，引入AVSG控制，并通過(guò)輸出特性分析，提出虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略，進(jìn)一步改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。然后建立該控制策略的小信號(hào)模型，通過(guò)阻抗比判據(jù)[22-23]驗(yàn)證其所提策略模型的穩(wěn)定性支撐效果。最后針對(duì)本文提出的直流微網(wǎng)雙向DC/DC變換器虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制策略，利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB半實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其有效性和理論分析的正確性。

1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及AVSG控制

1.1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制策略

圖1 直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 雙向DC-DC變換器等效電路圖

1.2 AVSG控制原理

在DC/AC逆變器中AVSG的有功-頻率控制通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的控制來(lái)提高交流微網(wǎng)系統(tǒng)的慣性，具體表達(dá)式為

由式(1)可知，DC/AC逆變器AVSG控制通過(guò)慣量模擬釋放能量來(lái)防止頻率突變，以此來(lái)提高系統(tǒng)的慣性。其釋放的能量?jī)?chǔ)存在虛擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)子能量的表達(dá)式為

類比至本文所應(yīng)用的直流微網(wǎng)的直流雙向DC/DC變換器，可以通過(guò)模擬注入電流的方式抑制電壓突變以實(shí)現(xiàn)慣性支撐。類比于式(2)，在直流DC/DC變換器中可以通過(guò)并聯(lián)虛擬電容來(lái)存儲(chǔ)所需能量[8]。

表1 含AVSG的DC/AC逆變器與雙向DC/DC變換器的對(duì)應(yīng)參數(shù)

根據(jù)表1的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可類比出儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向DC/DC并入直流微網(wǎng)的虛擬慣性控制，其表達(dá)式為

式中：為給定輸出電流；為虛擬阻尼系數(shù)；為直流母線電壓參考值；為直流母線電壓額定值。連接儲(chǔ)能單元的雙向DC/DC變換器采用式(4)控制方式能增強(qiáng)直流微網(wǎng)的慣性支撐，其并聯(lián)的虛擬大電容增強(qiáng)了直流微網(wǎng)系統(tǒng)的慣性，當(dāng)母線電壓發(fā)生突變時(shí)，該大電容能迅速模擬輸出電流，增強(qiáng)系統(tǒng)慣性，故也稱為虛擬慣量。為虛擬阻尼系數(shù)，描述母線電壓發(fā)生單位變化時(shí)，該控制輸出的有功變化量，使得該控制具備阻尼振蕩能力。阻尼系數(shù)越大，直流母線電壓恢復(fù)越快。其慣性控制框圖如圖3所示。

2 虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制

首先取固定的虛擬慣量以及阻尼系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，直流母線電壓變化如圖4所示。

圖4 負(fù)荷波動(dòng)時(shí)直流母線電壓變化曲線圖

表2 不同情況下和的選取原則

由表2中虛擬慣量和阻尼系數(shù)與電壓變化率以及電壓偏差之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)的靈活慣量如式(7)所示。

自適應(yīng)虛擬阻尼系數(shù)如式(8)所示。

圖5 電壓變化率獲取圖

圖6 虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制框圖

3 參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

3.1 小信號(hào)建模

為了研究虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制應(yīng)用于直流微網(wǎng)儲(chǔ)能單元的雙向DC/DC時(shí)，其控制參數(shù)變化所產(chǎn)生的影響，對(duì)該控制應(yīng)用于雙向DC/DC換流器進(jìn)行小信號(hào)建模。根據(jù)圖2可知，雙向DC/DC變換器小信號(hào)模型為

根據(jù)圖6進(jìn)行小信號(hào)分析可得

由此得到自適應(yīng)虛擬慣量和阻尼系數(shù)控制的直流微網(wǎng)雙向DC/DC變換器的小信號(hào)框圖，如圖7所示。

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

為了排除其余參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對(duì)本文直流微網(wǎng)雙向DC/DC變換器虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略中的雙閉環(huán)PI參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)原則，為了保證較好的穩(wěn)定裕度和動(dòng)態(tài)性能[15]，根據(jù)文獻(xiàn)[15]的方法，令電流內(nèi)環(huán)比例、積分參數(shù)分別為0.01、10，在確定內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定外環(huán)比例、積分參數(shù)分別為1、10。

4 直流微網(wǎng)穩(wěn)定性分析

采用阻抗比分析法[22-23]驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性。在圖1的直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中，光伏采用了最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，可以視為恒功率電源。該恒功率電源和負(fù)載可等效為負(fù)電阻，其電阻表示為

式中：為恒功率負(fù)載；為輸入負(fù)荷端功率；為光伏輸出功率。恒功率負(fù)載側(cè)的等效電路圖如圖8所示。

根據(jù)等效電路圖可以得到負(fù)載端輸入阻抗，如式(17)所示。

5 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提自適應(yīng)控制策略的有效性以及理論的正確性，在Matlab/Simulink中搭建圖1所示的直流微網(wǎng)模型，光伏采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制，蓄電池并網(wǎng)的雙向DC/DC變換器根據(jù)需要采取不同的控制策略，其對(duì)應(yīng)參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)參數(shù)

圖10 虛擬電容對(duì)直流微網(wǎng)的影響

圖11 節(jié)虛擬阻尼系數(shù)對(duì)直流微網(wǎng)的影響

如圖12所示，當(dāng)參考電壓變化時(shí)，AVSG、虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制均明顯增加了系統(tǒng)慣性支撐。相比于AVSG控制，在自適應(yīng)控制下母線電壓初始波動(dòng)劇烈，但是時(shí)間非常短。在電壓變化中期自適應(yīng)控制下，母線電壓斜率小于本文確定的最優(yōu)固定值虛擬慣量控制。在電壓即將恢復(fù)時(shí)，AVSG控制下的母線電壓有輕微振蕩，而自適應(yīng)控制可以抑制振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用AVSG固定參數(shù)控制和本文所提控制的調(diào)節(jié)時(shí)間分別為0.61 s、0.47 s。

圖13(a)為系統(tǒng)受到光照擾動(dòng)時(shí)母線電壓的變化情況。系統(tǒng)工作于下垂控制、AVSG及虛擬慣量阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制時(shí)超調(diào)量分別為3.2 V、2.84 V、2.81 V；其恢復(fù)時(shí)間分別為0.7 s、0.6 s、0.28 s。在圖13(b)負(fù)載擾動(dòng)中，三種控制下的超調(diào)量分別為4.25 V、3.92 V、3.9 V；調(diào)節(jié)時(shí)間為0.8 s、0.65 s、0.4 s。虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制不僅能為系統(tǒng)提供有效的慣性支撐，降低超調(diào)量，還能加速電壓恢復(fù)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖12 不同控制方法對(duì)直流母線動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

圖13 不同控制方法對(duì)干擾的抑制作用

圖14 虛擬慣量和阻尼系數(shù)的波動(dòng)情況

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，本文搭建了基于RT-LAB的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)各參數(shù)與Matlab/Simulink仿真參數(shù)一致，如表3所示。

圖15 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖16 不同控制方式下電壓對(duì)比半實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上可知，相對(duì)于固定虛擬慣量和阻尼系數(shù)，虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制策略不僅能減少直流母線電壓偏差量，降低超調(diào)量，還能縮短電壓恢復(fù)時(shí)間，改善直流母線電壓的質(zhì)量。

6 結(jié)論

為了解決直流微網(wǎng)低慣性引發(fā)的電壓質(zhì)量問(wèn)題，本文通過(guò)與含AVSG的DC/AC逆變器類比，將AVSG應(yīng)用于直流雙向DC/DC換流器中，通過(guò)相關(guān)輸出特性分析，提出一種虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出下列結(jié)論。

1) 通過(guò)構(gòu)建虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略，有效解決了直流微網(wǎng)的低慣量以及電壓偏差問(wèn)題，提高了電壓質(zhì)量。同時(shí)該自適應(yīng)控制策略為系統(tǒng)提供了自適應(yīng)的慣性支撐，使直流母線電壓擁有更好的動(dòng)態(tài)特性。

2) 通過(guò)阻抗比分析得到虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)變化對(duì)雙向DC/DC提供慣性支撐的能力以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，理論上證明了自適應(yīng)虛擬慣量和阻尼系數(shù)控制對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性支撐。

3) 自適應(yīng)虛擬慣量和阻尼系數(shù)控制策略能夠改善直流母線電壓臨近參考電壓的振蕩特性，解決虛擬慣性和虛擬阻尼系數(shù)控制的矛盾，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4) 本文僅針對(duì)在直流微網(wǎng)中，單個(gè)儲(chǔ)能單元的雙向DC/DC變換器進(jìn)行虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制，未考慮存在多儲(chǔ)能變換器的協(xié)調(diào)控制，這是本文的不足之處，也是下一步的研究方向。

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A self-adaptive control strategy of virtual inertia and a damping coefficient for bidirectional DC-DC converters in a DC microgrid

ZENG Guohui1, LIAO Hongfei1, ZHAO Jinbin2, ZHU Xiangchen1

(1. Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China; 2. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200082, China)

In a DC microgrid system with high penetration of new energy, the proportion of power electronic devices continues to increase. This leads to the problem of low inertia in the system and reduces the stability of the system. Therefore, an improved adaptive control strategy of virtual inertia and a damping coefficient is proposed. This method analyzes the relationship between load disturbance and output voltage disturbance in the DC microgrid system under the control of virtual inertia and damping coefficient by analogy to the virtual DC generator control of the inverter of the AC system, and introduces an adaptive control strategy into virtual inertia and the damping coefficient. By establishing a small signal model, using the system output impedance combined with the impedance ratio criterion, the range and boundary of the virtual inertia and damping coefficient are given, and the effect of system inertia change and bus voltage response under the adaptive selection of virtual inertia and damping coefficient is analyzed. The strategy increases the inertia of the DC microgrid system and improves the dynamic response of the DC bus. Finally, Matlab/Simulink simulation and RT-LAB hardware in a loop experiment verify the effectiveness of the proposed control strategy.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52177184).

DC microgrid; virtual inertia; damping coefficient; adaptive control strategy

10.19783/j.cnki.pspc.210815

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(52177184)

2021-07-02；

2021-09-26

曾國(guó)輝(1975—)，男，副教授，研究方向?yàn)橹绷魑⒕W(wǎng)控制技術(shù)；E-mail: zenggh@sues.edu.cn

趙晉斌(1972—)，男，通信作者，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娐分悄芑K化控制及新能源發(fā)電技術(shù)。E-mail: zhaojinbin@shiep.edu.cn

(編輯 許 威)