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

曾國輝, 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)自適應控制策略

曾國輝1, 廖鴻飛1, 趙晉斌2, 朱相臣1

(1.上海工程技術大學，上海 201600；2.上海電力大學，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，導致系統(tǒng)存在低慣性問題，降低系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。為此提出了一種改進的虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制策略。該方法通過類比交流系統(tǒng)逆變器的虛擬直流發(fā)電機控制，分析直流微網(wǎng)系統(tǒng)在虛擬慣量和阻尼系數(shù)控制下負荷擾動量與輸出電壓擾動量的關系特性，將自適應控制策略引入虛擬慣量和阻尼系數(shù)。通過建立小信號模型，利用系統(tǒng)輸出阻抗結合阻抗比判據(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)自適應選取下系統(tǒng)慣性變化及母線電壓響應效果，該方法提高了直流微網(wǎng)系統(tǒng)慣性，同時改善了直流母線的動態(tài)響應。最后通過Matlab/Simulink仿真和RT-LAB半實物實驗，驗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)；自適應控制策略

0 引言

化石能源短缺以及環(huán)境惡化等問題，促進了以可再生能源為主的分布式發(fā)電新型電力技術的飛速發(fā)展[1-2]。由分布式電源和負荷構建的直流微網(wǎng)不僅能滿足局部用戶用電質量和安全需求，還能減少分布式電源滲透對電力系統(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荷的波動性都會導致直流母線電壓產(chǎn)生較大波動，嚴重影響電能質量[4]。

直流微網(wǎng)中儲能單元對于穩(wěn)定直流微網(wǎng)母線電壓有重要作用，通過改進其變換器的控制策略可以提升穩(wěn)定性。為此，國內(nèi)外專家提出一些改進方法來增強直流微網(wǎng)慣性，包括變下垂系數(shù)[5-8]、附加虛擬慣性控制[9-13]、虛擬直流電機控制[14-15]和類比虛擬發(fā)電機控制[16-18]。文獻[8]提出了一種自適應虛擬阻抗控制策略，通過調整負載輸入阻抗來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[9]運用虛擬電容以改善系統(tǒng)瞬態(tài)響應的仿真。但是變下垂系數(shù)和附加虛擬慣性控制在擾動初期仍會產(chǎn)生一定程度的電壓波動，文獻[16]為了解決恒功率負載引起的穩(wěn)定性問題，在虛擬電容的基礎上引入主動阻尼回路，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抑制電壓初期波動，修正動態(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)的抗干擾和動態(tài)響應能力。文獻[18]通過與虛擬發(fā)電機的特性類比來進行慣性控制，但是其慣性控制參數(shù)和阻尼控制參數(shù)與文獻[16]一樣均為恒定值，難以達到預期穩(wěn)定性控制效果。

針對直流微網(wǎng)的慣性優(yōu)化控制，國內(nèi)外學者轉向研究自適應參數(shù)設計，并證明了設計自適應參數(shù)能有效改善系統(tǒng)響應。文獻[17,19]設置了靈活的慣性參數(shù)控制，但是未考慮通過增加系統(tǒng)的阻尼系數(shù)改善動態(tài)響應能力。文獻[20]不僅考慮了虛擬慣量的自適應還考慮了虛擬阻尼系數(shù)的自適應性，但是在考慮虛擬阻尼系數(shù)的自適應性時，未考慮電壓波動量大小對阻尼系數(shù)的影響，因此在考慮虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)自適應時，還可以加入電壓波動量大小的影響。文獻[21]則同時考慮了電壓波動率以及電壓波動量的大小，但是其應用對象為DC/AC逆變器，用于抑制角頻率的動態(tài)響應。

本文以儲能單元接入直流微網(wǎng)的雙向DC/DC變換器為研究對象，類比于含虛擬同步發(fā)電機(Analogous Virtual Synchronous Generators, AVSG)的DC/AC逆變器，引入AVSG控制，并通過輸出特性分析，提出虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制策略，進一步改善系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。然后建立該控制策略的小信號模型，通過阻抗比判據(jù)[22-23]驗證其所提策略模型的穩(wěn)定性支撐效果。最后針對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)的自適應控制策略，利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB半實物實驗，驗證其有效性和理論分析的正確性。

1 直流微網(wǎng)結構及AVSG控制

1.1 直流微網(wǎng)結構及控制策略

圖1 直流微網(wǎng)拓撲結構

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-頻率控制通過模擬同步發(fā)電機的控制來提高交流微網(wǎng)系統(tǒng)的慣性，具體表達式為

由式(1)可知，DC/AC逆變器AVSG控制通過慣量模擬釋放能量來防止頻率突變，以此來提高系統(tǒng)的慣性。其釋放的能量儲存在虛擬發(fā)電機轉子中，轉子能量的表達式為

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

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

根據(jù)表1的參數(shù)對應關系，可類比出儲能單元通過雙向DC/DC并入直流微網(wǎng)的虛擬慣性控制，其表達式為

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。連接儲能單元的雙向DC/DC變換器采用式(4)控制方式能增強直流微網(wǎng)的慣性支撐，其并聯(lián)的虛擬大電容增強了直流微網(wǎng)系統(tǒng)的慣性，當母線電壓發(fā)生突變時，該大電容能迅速模擬輸出電流，增強系統(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，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)自適應控制

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

圖4 負荷波動時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系，設計的靈活慣量如式(7)所示。

自適應虛擬阻尼系數(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)自適應控制框圖

3 參數(shù)設計與分析

3.1 小信號建模

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

根據(jù)圖6進行小信號分析可得

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

3.2 參數(shù)設計

為了排除其余參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對本文直流微網(wǎng)雙向DC/DC變換器虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制策略中的雙閉環(huán)PI參數(shù)進行設計。根據(jù)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的設計原則，為了保證較好的穩(wěn)定裕度和動態(tài)性能[15]，根據(jù)文獻[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]驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。在圖1的直流微網(wǎng)拓撲結構圖中，光伏采用了最大功率點跟蹤控制策略，可以視為恒功率電源。該恒功率電源和負載可等效為負電阻，其電阻表示為

式中：為恒功率負載；為輸入負荷端功率；為光伏輸出功率。恒功率負載側的等效電路圖如圖8所示。

根據(jù)等效電路圖可以得到負載端輸入阻抗，如式(17)所示。

5 仿真分析與實驗驗證

為了驗證本文所提自適應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，其對應參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)參數(shù)

圖10 虛擬電容對直流微網(wǎng)的影響

圖11 節(jié)虛擬阻尼系數(shù)對直流微網(wǎng)的影響

如圖12所示，當參考電壓變化時，AVSG、虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制均明顯增加了系統(tǒng)慣性支撐。相比于AVSG控制，在自適應控制下母線電壓初始波動劇烈，但是時間非常短。在電壓變化中期自適應控制下，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。在電壓即將恢復時，AVSG控制下的母線電壓有輕微振蕩，而自適應控制可以抑制振蕩，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節(jié)時間分別為0.61 s、0.47 s。

圖13(a)為系統(tǒng)受到光照擾動時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)自適應控制時超調量分別為3.2 V、2.84 V、2.81 V；其恢復時間分別為0.7 s、0.6 s、0.28 s。在圖13(b)負載擾動中，三種控制下的超調量分別為4.25 V、3.92 V、3.9 V；調節(jié)時間為0.8 s、0.65 s、0.4 s。虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制不僅能為系統(tǒng)提供有效的慣性支撐，降低超調量，還能加速電壓恢復，縮短調節(jié)時間。

圖12 不同控制方法對直流母線動態(tài)響應的影響

圖13 不同控制方法對干擾的抑制作用

圖14 虛擬慣量和阻尼系數(shù)的波動情況

為了進一步驗證理論分析和仿真結果的正確性，本文搭建了基于RT-LAB的半實物實驗平臺，系統(tǒng)各參數(shù)與Matlab/Simulink仿真參數(shù)一致，如表3所示。

圖15 半實物實驗平臺

圖16 不同控制方式下電壓對比半實物實驗結果

綜上可知，相對于固定虛擬慣量和阻尼系數(shù)，虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應控制策略不僅能減少直流母線電壓偏差量，降低超調量，還能縮短電壓恢復時間，改善直流母線電壓的質量。

6 結論

為了解決直流微網(wǎng)低慣性引發(fā)的電壓質量問題，本文通過與含AVSG的DC/AC逆變器類比，將AVSG應用于直流雙向DC/DC換流器中，通過相關輸出特性分析，提出一種虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制策略。通過理論分析與實驗驗證得出下列結論。

1) 通過構建虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應控制策略，有效解決了直流微網(wǎng)的低慣量以及電壓偏差問題，提高了電壓質量。同時該自適應控制策略為系統(tǒng)提供了自適應的慣性支撐，使直流母線電壓擁有更好的動態(tài)特性。

2) 通過阻抗比分析得到虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)變化對雙向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虛擬慣量和阻尼系數(shù)控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性支撐。

3) 自適應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)運行穩(wěn)定性。

4) 本文僅針對在直流微網(wǎng)中，單個儲能單元的雙向DC/DC變換器進行虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應控制，未考慮存在多儲能變換器的協(xié)調控制，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

國家自然科學基金項目資助(52177184)

2021-07-02；

2021-09-26

曾國輝(1975—)，男，副教授，研究方向為直流微網(wǎng)控制技術；E-mail: zenggh@sues.edu.cn

趙晉斌(1972—)，男，通信作者，教授，博導，研究方向為電力電子電路智能化模塊化控制及新能源發(fā)電技術。E-mail: zhaojinbin@shiep.edu.cn

(編輯 許 威)