基于虚拟直流机的直流微电网电压稳定控制策略

针对大量恒功率负荷接入直流微电网致使直流微电网失稳的问题,提出了一种基于虚拟直流机(VDCM)的直流微电网电压稳定控制策略。控制策略以储能双向DC/DC变流器为研究对象,基于直流电机原理,以电感电流为反馈量在传统下垂控制的基础上引入VDCM环节,增强系统阻尼,降低恒功率负荷对系统稳定性的影响。通过建立所提控制策略下的直流微电网小信号模型,利用阻抗匹配原则分析相关参数变化时系统的稳定性,并将其与传统的VDCM控制策略进行对比。最后,搭建仿真模型和硬件实验平台,验证所提控制策略的有效性。结果表明:所提控制策略使变流器具备了直流电机的惯量和阻尼特性,在提升系统稳定性的同时,也在一定程度上改善了系统动态响应性能,且其控制效果优于传统的VDCM控制策略。

基于输入均压与虚拟直流电机相结合的直流电能路由器控制策略

针对中压直流配电网接入下的直流电能路由器在新能源出力等工况下,使用传统控制策略对直流母线的控制效果一般、电压易越限等问题,基于模块化的输入串联输出并联(input-series output-parallel,ISOP)型拓扑结构,提出一种基于输入均压与虚拟直流电机相结合的直流电能路由器控制策略。首先,研究输入均压控制过程中模块间的功率均衡控制特性并与输出均流控制进行比较;接着,将虚拟直流电机控制应用到控制算法中,使变流器模拟出直流电机的惯性特性;然后,对虚拟直流电机建立小信号数学模型,分析其工作机理以及参数对系统的影响;最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型进行验证。结果表明:所提控制策略能够在实现直流电能路由器各模块间功率均衡的同时,具有类似直流电机的惯量特性与阻尼特性,可显著提高直流配电网直流母线电压稳定性。

虚拟直流电机荷电状态均衡控制

新型电力系统的惯性低,虚拟直流电机控制可以加强系统惯性和阻尼。多储能变换器应该考虑荷电状态(State of charge,SOC)均衡问题,提高系统稳定性。针对虚拟直流电机控制的多储能SOC均衡问题,利用直流电机机端电压和电枢电流的下垂特性,提出引入SOC离差及变均衡系数的变电枢电阻控制;针对下垂引起的电压偏移问题,采用虚拟直流电机转速补偿,用母线电容瞬时功率替代传统虚拟直流电机控制中电压PI控制,给定系统功率需求,减少比例积分环节个数。以两台蓄电池为例,在Simulink中进行仿真,并与参考文献的变电枢电阻函数对比可知,所提控制策略可抑制直流母线电压跌落,调节SOC均衡过程,提高其均衡速度和精度。

三参数自适应虚拟直流电机控制研究

在直流变换器中引入虚拟直流电机控制可为直流系统提供额外的惯性和阻尼支撑。但传统虚拟直流电机控制中控制参数的恒定使其缺少灵活性。两参数自适应虚拟直流电机控制虽然在传统虚拟直流电机控制的基础上,通过实现惯性、阻尼两参数的灵活变化,提高了直流母线电压的稳定性,但提升效果有限。除惯性、阻尼以外的控制参数,对直流母线电压的稳定性也有着很大影响。针对该问题,本文以双有源全桥直流变换器为拓扑,分析了惯性、阻尼以及电枢电阻等参数对直流母线电压稳定性的影响机理,在此基础上提出三参数自适应虚拟直流电机控制。最后通过仿真与试验,验证了三参数自适应虚拟直流电机控制在抑制直流母线电压波动、提高系统动态响应速度等方面的优越性。

基于虚拟直流电机的分布式储能系统能量动态分配策略

为了增强直流微电网中分布式储能系统的惯性,并在线路阻抗不匹配的情况下实现各储能单元(energy storage unit,ESU)的荷电状态(state of charge,SOC)均衡,提出一种基于虚拟直流电机(virtual DC machine,VDCM)的分布式储能系统能量动态分配策略。首先,将VDCM技术应用到储能侧控制中,利用VDCM的输出特性增强系统的抗扰能力。然后,利用电枢回路方程输出特性,并根据储能系统能量分配需求,动态设计虚拟电枢电阻,使其可随SOC在规定界限内自适应变化,实时调整各变换器的输出功率,并引入压降调节因子动态微调各变换器输出虚拟压降至相等,从而补偿线路阻抗的不匹配度,实现各ESU的SOC均衡。此外,采用一致性算法在相邻ESU间获得所需平均值信息,增强系统的可扩展性。最后,搭建光伏多储能直流微电网系统模型,仿真和实验结果验证了所提控制策略的合理性和有效性。

直流微网储能DC/DC变换器的自适应虚拟直流电机控制

电力电子化的直流微电网自身缺乏惯性,当功率发生波动时,直流母线电压会产生较大突变,不利于其稳定运行。为了解决这一问题,虚拟直流电机控制被应用于直流变换器中来模拟直流电机的外特性,进而为直流微电网提供惯性支撑。但传统参数固定的虚拟直流电机控制在提供惯性的同时会牺牲系统的动态响应速度。针对这一问题,提出了参数自适应虚拟直流电机控制,并将它应用于储能端推挽式DC/DC变换器中。建立了系统的小信号模型,分析了转动惯量参数变化对系统的影响,并给出了参数的自适应调节原则。最后,搭建了仿真模型对不同控制方法进行了对比分析。仿真结果表明所提控制策略在为系统提供较大惯性支撑的同时,系统仍具有较快的动态响应速度。

直流微电网的储-荷虚拟直流电机优化控制技术

为提升虚拟直流电机(VDCM)控制对直流微电网的电压惯性与阻尼支持能力,并改善负荷侧的电压响应,提出了储-荷VDCM优化控制技术。通过类比直流电机的外特性建立储能侧和负荷侧VDCM动态模型。对VDCM控制进行改进,在储能侧对系统提供惯性支持,在负荷侧对系统施加阻尼控制,从而消除储能侧VDCM中电压惯性和阻尼的冲突,为系统母线提供足够的动态支撑。在此基础上,设计负荷侧惯性灵敏度控制环节,使储-荷VDCM能够为负荷提供灵活可控的电压惯性。根据李雅普诺夫稳定理论,分析所提VDCM优化控制对系统的稳定支持作用,根据分析提出参数优化方案,并利用时域仿真分析,验证所提控制策略的有效性。

基于改进弗雷歇算法的虚拟直流电机等效惯量计算

伴随高密度分布式电源接入,电网惯量水平持续下降,尤其是在新能源独立供电条件下,其惯量远远低于最低惯量需求。通过对端口换流器施加虚拟直流电机控制策略,可以利用控制参数灵活调整系统惯量,减少电网惯量差额,增强电网的稳定性。但该控制方法虚拟出的等效惯量大小暂不明确,虚拟惯量对等效惯量的影响也有待进一步探究。据此,文中首先在虚拟直流电机模型的基础上,利用小信号模型分析虚拟惯量与等效惯量对系统动态特性的影响,指出两者的惯量等效关系。其次,基于虚拟惯量与等效惯量的对应关系,提出一种利用弗雷歇算法度量电压曲线相似度的等效惯量计算方法,明确虚拟直流电机控制的等效惯量大小。然后,引入相关性约束与曲线特征约束,提出一种改进弗雷歇算法,保证等效惯量计算的正确性。最后,采用最优拟合方式实现惯量等效关系的函数化,给出虚拟惯量与等效惯量间的数量关系。仿真结果验证了文中所提等效惯量计算方法的有效性。

基于模型预测的辅助功率虚拟直流电机控制

直流光储微网系统受到负荷扰动时,为解决储能变换器控制惯性调节能力不足与传统比例积分(PI)双环控制被动滞后调节的问题,提出一种基于模型预测控制(MPC)的辅助功率虚拟直流电机(MPC-APVDCM)控制策略。该控制策略根据角速度变化量和变化率计算出辅助功率,叠加至输入功率处以减少输入功率缺额,从而增强系统惯性调节能力。然后,通过建立电压预测模型与目标优化函数实现了控制的主动预测调节。最后搭建仿真与实验平台验证了所提MPC-APVDCM控制策略相比传统控制策略电压幅值变化更小、恢复时间更短。

储能变流器的自适应虚拟直流电机控制

在分布式储能变流器中,输入源的功率波动以及负载的变化会导致直流母线发生较大的波动,对系统稳定性造成影响。虚拟直流电机(VDCM)控制被应用于直流变流器,使其具有直流电机外特性。但传统参数恒定的VDCM控制难以在保证惯性的同时确保其动态响应速度。针对这一问题,首先简化了控制器的结构,并提出了参数自适应虚拟直流电机控制,并将其应用于储能变流器。其次通过小信号模型分析了转动惯量参数变化对系统的影响,并给出了自适应调节原则。最后,仿真和实验结果表明所提控制策略在保证惯性的同时具有较快的响应速度以及较小的超调。

基于改进虚拟直流电机的混合储能控制研究

针对直流微电网中负荷和分布式电源功率波动导致母线电压波动的问题,将扩张状态观测器(extended state observer,ESO)引入对虚拟直流电机(virtual direct current motor,VDM)的控制中,提出一种基于改进虚拟直流电机混合储能分频控制(ESO-VDM)方法。对VDM进行小信号建模,分析其惯性时间常数H和阻尼系数D对控制系统的影响并确定两个参数的值。在功率分频的情况下对锂电池采用电流闭环控制,对超级电容采用ESO-VDM控制,增强其惯性和阻尼特性。在Matlab/Simulink环境中进行仿真研究,仿真结果证明了所提控制算法充分利用了混合储能装置的优势,平滑了电池的输出功率,提高了直流母线电压的稳定性。

附加电流前馈的虚拟直流电机控制技术

针对直流微电网中惯性、阻尼支撑不足导致的电压质量变差的问题,该文提出了一种附加电流前馈的虚拟直流机控制(VDMC)策略。在该策略中,通过模拟直流电机的运行性能,建立适用于双向DC-DC换流器的控制结构,以提高对直流电压的惯性和阻尼支持能力。为消除负荷扰动初期的电压波动,设计电流前馈补偿回路提升VDMC抑制电压突变的能力。根据阻抗比稳定性判据,分析附加回路对直流微电网稳定性的影响。最后,在直流微电网半实物仿真平台上进行了实验验证。结果表明,附加电流前馈的虚拟直流电机控制策略,改善了惯性支持功能和电压阻尼,从而进一步提高了直流微电网的动态稳定性。

基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制策略

直流微电网中传统P-U下垂控制由于只具备下垂特性、缺乏惯性,无法抑制直流母线电压波动,当网内功率突变时,直流母线电压瞬态特性较差,平稳性低。为抑制直流母线电压波动,提升直流母线电压动态稳定性,提出一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机(VDCM)控制策略。通过模拟直流电机机械惯性,将直流电机机电暂态响应过程与下垂控制特性进行等效,设计直流电压源变换器(VSC)P-U下垂控制环路,使直流变换器具备直流电机大惯性、高阻尼输出特性,有效地提升了母线电压动态稳定性,抑制直流母线电压波动。该文建立虚拟直流电机控制策略小信号模型,分析控制策略动作具体机理及系统稳定性,并与传统P-U下垂控制进行对比,通过仿真及实验验证了该策略的有效性。

虚拟直流电机的参数自适应控制策略

为了提升直流微电网的稳定性,虚拟直流电机控制被应用于直流变换器中,使变换器具有直流电机的外特性。但传统参数恒定的虚拟直流电机控制较难在提供惯性与阻尼支撑的同时实现较佳的动态性能。针对该问题,文中以Buck变换器作为研究对象。首先,建立虚拟直流电机控制小信号模型,分析了负载功率突变时转动惯量和阻尼系数对输出电压动态特性的影响。在此基础上,提出了虚拟直流电机参数自适应控制,给出了转动惯量和阻尼系数自适应调节原则和参数整定方法。最后,仿真与实验结果表明,相比传统虚拟直流电机控制策略,所提控制策略使系统在提供惯性和阻尼支撑的同时具有较快的响应以及较小的超调,可较好地抑制直流母线电压的波动。

虚拟直流电机并联协调控制方法

传统虚拟直流电机控制策略使变换器具有直流电机的外特性,提供了额外的惯性与阻尼支撑,但无法在并联系统中实现功率分配。此外,下垂控制策略可实现功率分配却无法为系统提供额外的惯性和阻尼。针对该问题,以Buck变换器为例,提出一种基于虚拟直流电机并联协调控制方法。通过对虚拟直流电机并联系统功率分配原理的分析,给出了并联系统的功率分配影响因素。同时,建立了所提的虚拟直流电机并联协调控制方法的小信号模型,分析了转动惯量、阻尼系数以及调差系数对系统稳态及动态特性的影响,给出了转动惯量、阻尼系数和调差系数的参数整定方法。最后,仿真与实验结果表明,相比传统的虚拟直流电机和下垂控制策略,该方法在暂态和稳态下均可实现虚拟直流电机并联协调控制,并可较好地抑制直流母线电压的波动。

含新型虚拟电机的直流微网动态稳定性分析与自适应电压惯性控制

为了提升虚拟直流电机的电压惯量与阻尼支持能力,并进一步简化附加控制器结构,显著改善直流微网的动态稳定性,提出了一种新型的虚拟直流电机控制(virtual DC machine control,VDMC)。首先,将双向DC/DC换流器与直流电机进行类比,通过模拟直流电机的功率调节特性,得到适用于双向DC/DC换流器的VDMC模型。其次,通过对所提出VDMC进行改进,得到了更为简化的控制结构,并且具备更加优越的电压动态性能和惯性支撑能力。在此基础上,对改进后的虚拟电机设计自适应电压惯量调节控制技术,使其能够动态响应电压变化,进一步提高系统的动态稳定性。最后,根据阻抗比判据,理论分析所提VDMC对系统的稳定性支持作用,并通过时域仿真算例,验证所提控制策略的有效性。

双有源全桥DC-DC变换器的自适应虚拟直流电机控制方法

针对直流电网中微源功率突变、负荷投切、大电网扰动等造成的直流电压暂降问题,在分析了直流电机并网后动态调压特性的基础上,提出一种适用于直流电网的自适应虚拟直流电机控制方法(adaptive virtual DC machine control strategy,AVDCM),并将其应用于储能端的双有源全桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器接口。该控制使换流器模拟出直流电机的惯性特性,在电压暂降瞬间提供良好的动态功率支持;在控制环节中加入了模糊逻辑控制器,通过检测直流母线电压的变化率与换流器的剩余容量,灵活调节惯性支持的响应速度和大小。基于建立的四端系统小信号模型,进行了灵敏度计算与根轨迹分析,以揭示主要控制参数对系统稳定性及动态性能的影响。硬件在环测试结果表明:所提控制方法在保持换流器良好功率跟踪性能的同时,可使变换器在阶跃与随机性功率波动下提供灵活可调的惯性支持,从而有效减缓系统受到的瞬时功率冲击,减少电压暂降幅度,进而提升电压质量。论文研究可为双有源全桥DC-DC变换器自适应虚拟直流电机的控制提供参考。

直流微电网改进虚拟直流电机控制策略

针对已有虚拟直流电机(VDCM)控制增大直流母线电压稳态误差的问题,提出一种改进VDCM控制策略。通过分析传统VDCM模型中阻尼系数对母线电压稳态误差及储能变换器控制系统阻尼特性的影响规律,提出一种去掉阻尼系数环节的改进VDCM控制策略。该控制策略既能提高直流变换器的阻尼特性,又能消除阻尼系数对直流母线电压稳态误差的影响,提升直流母线电压的稳定性。仿真和实验结果表明了改进VDCM控制策略的正确性和优越性。

基于微分补偿的虚拟直流电机控制策略

为解决储能变换器虚拟直流电机(VDCM)控制的阻尼系数增大直流母线电压稳态误差和对控制系统阻尼特性提升有限的问题,提出一种去掉阻尼系数环节并在其前向通道中加入微分环节的改进VDCM控制策略。建立改进VDCM环节小信号模型,得出微分系数不影响直流母线电压稳态误差;再建立直流母线电压改进VDCM控制的小信号模型,得出微分系数能够大幅提高控制系统的阻尼性能。最后搭建仿真模型并构建实验平台,结果均证明了改进VDCM控制策略的正确性和有效性。

多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制策略

在直流微电网功率变换系统(PCS)的控制方法中,虚拟直流电机(VDCM)控制具有为系统提供额外惯性和阻尼支撑的优势,但多机并联系统的功率协调分配控制问题尚待深入研究。文中提出一种基于VDCM的多层协同控制策略,能够实现多VDCM总输出功率的高、低频分量解耦和按需分配。首先,详细分析了VDCM控制策略下单机系统的运行特性,将其等效为一个含延迟环节的可控电压源,同时引入电压电流双环控制器改善了传统单电流环VDCM控制性能受制于电枢电阻参数的问题。其次,给出了一种三层级VDCM功率协调分配控制策略,实现了多VDCM总输出功率的高、低频分量解耦和按需分配。最后,给出了多层协同控制框架下各控制层参数的优化设计方法和步骤。基于MATLAB/Simulink仿真平台和dSPACE实验平台的双机并联系统的测试结果表明,所提方法具有较好的功率协调分配性能。