An Adaptive Control Strategy for Energy Storage Interface Converter Based on Analogous Virtual Synchronous Generator

In the DC microgrid,the lack of inertia and damping in power electronic converters results in poor stability of DC bus voltage and low inertia of the DC microgrid during fluctuations in load and photovoltaic power.To address this issue,the application of a virtual synchronous generator(VSG)in grid-connected inverters control is referenced and proposes a control strategy called the analogous virtual synchronous generator(AVSG)control strategy for the interface DC/DC converter of the battery in the microgrid.Besides,a flexible parameter adaptive control method is introduced to further enhance the inertial behavior of the AVSG control.Firstly,a theoretical analysis is conducted on the various components of the DC microgrid,the structure of analogous virtual synchronous generator,and the control structure’s main parameters related to the DC microgrid’s inertial behavior.Secondly,the voltage change rate tracking coefficient is introduced to adjust the change of the virtual capacitance and damping coefficient flexibility,which further strengthens the inertia trend of the DC microgrid.Additionally,a small-signal modeling approach is used to analyze the approximate range of the AVSG’s main parameters ensuring system stability.Finally,conduct a simulation analysis by building the model of the DC microgrid system with photovoltaic(PV)and battery energy storage(BES)in MATLAB/Simulink.Simulation results from different scenarios have verified that the AVSG control introduces fixed inertia and damping into the droop control of the battery,resulting in a certain level of inertia enhancement.Furthermore,the additional adaptive control strategy built upon the AVSG control provides better and flexible inertial support for the DC microgrid,further enhances the stability of the DC bus voltage,and has a more positive impact on the battery performance.

基于自适应模型预测控制的无刷直流电动机换相转矩脉动抑制策略

无刷直流电动机在工作时的换相转矩脉动严重影响了其在高精度伺服系统中的应用,为了降低这种影响,文中提出了一种自适应模型预测控制算法。在对系统进行传统方波PWM-ON控制的基础上,结合重叠换相法,以换相过程中关断相、导通相的功率受控开关管为控制对象,对其占空比进行控制。以换相期间转矩脉动最小为目标构造价值函数,建立换相期间电动机的三相离散电流方程,对关断相和导通相占空比进行预测,并引入自适应调整因子对占空比进行自适应分配。最后,通过实验验证了该算法在全速范围内的有效性。

基于虚拟阻抗自适应的孤岛型微电网并联逆变器下垂控制策略

当前微电网并联逆变器下垂控制机制一般设定为独立式,控制的范围较难扩展,导致控制补偿差增加。为此,提出对基于虚拟阻抗自适应的孤岛型微电网并联逆变器下垂控制策略的设计与实践。先进行下垂控制特性提取,采用交互的方式,扩大控制的范围,设计交互控制机制。在此基础上,构建虚拟阻抗自适应微电网并联逆变器下垂控制模型,采用补偿核验的方式确保下垂控制效果。针对选定的5个测试逆变器,经过2个周期的测定得出的控制补偿差被较好地控制在1.05以下,说明此次在虚拟阻抗自适应原理的辅助下,所设计的微电网并联逆变器下垂控制方法更为高效,具有实际的应用价值。

惯量阻尼自适应虚拟直流发电机控制策略

直流微网无需考虑频率、相位等因素,拓扑结构简单且易于控制,但基于大量电力电子变换器接口的直流微网惯性较低,严重时会影响微网的安全稳定运行。针对此问题,文中通过分析扰动时电压波动各阶段系统对惯性的需求,以及惯量阻尼参数对系统惯性的影响,提出了一种附加动态调节系数的惯量阻尼自适应控制策略,可以根据电压变化率与电压偏差灵活调节系统惯性,减小功率波动对母线电压的影响。建立了系统小信号模型,利用阻抗比判据分析了惯量阻尼参数的小信号稳定性。最后利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立了直流微网仿真模型进行分析,验证了控制策略的有效性。

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。

直流微网双向DC/DC变换器虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略

在高新能源渗透率下的直流微网系统中,电力电子器件比例不断提高,导致系统存在低惯性问题,降低系统运行稳定性。为此提出了一种改进的虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略。该方法通过类比交流系统逆变器的虚拟直流发电机控制,分析直流微网系统在虚拟惯量和阻尼系数控制下负荷扰动量与输出电压扰动量的关系特性,将自适应控制策略引入虚拟惯量和阻尼系数。通过建立小信号模型,利用系统输出阻抗结合阻抗比判据给出虚拟惯量和阻尼系数的变化范围和边界,分析虚拟惯量和阻尼系数自适应选取下系统惯性变化及母线电压响应效果,该方法提高了直流微网系统惯性,同时改善了直流母线的动态响应。最后通过Matlab/Simulink仿真和RT-LAB半实物实验,验证了所提控制策略的有效性。

基于改进模型预测的并网变换器自适应虚拟惯性控制策略研究

针对低惯性直流微电网中母线电压易受网内功率波动影响的问题,提出了一种基于改进模型预测的直流微电网并网变换器自适应虚拟惯性控制策略。首先,电压外环引入自适应类虚拟同步发电机控制,通过将控制方程中的虚拟惯性参数与电压变化率结合起来,实现虚拟惯性参数的灵活可调。其次,在电流内环引入模型预测控制,并采用改进延时补偿算法,实现对给定电流值快速跟踪的同时改善控制系统的动态特性。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统模型进行仿真。结果表明,与传统的虚拟惯性控制策略相比较,所提控制策略下的直流母线电压波动幅值更小且动态性能更佳,可以有效提高直流母线电压的稳定性和直流微电网的惯性。

DC-DC变换器并联系统无源控制及大信号稳定性研究

由于恒功率负载的负阻特性,导致DC-DC变换器难以在期望工作点上稳定工作,从而影响变换器并联系统稳定性。针对此问题,基于欧拉–拉格朗日模型,采用互联和阻尼注入的方法,设计改进的无源控制器,实现了变换器并联系统在大信号扰动下的稳定工作,但在大信号扰动下存在稳态误差。针对该问题,采用虚拟直流电机补偿控制,为变换器提供额外的惯性和阻尼,增强并联系统在大信号扰动时的鲁棒性,提升改进无源控制器的适应性。最后仿真和实验结果表明所提控制策略在实现变换器并联系统在大信号扰动下稳定工作的同时,能有效抑制输出电压的波动和稳态误差。相较于应在并联系统中的互联和阻尼分配的无源控制(interconnection and damping assignment passivity-based control,IDA-PBC),所提控制策略具有电压超调小,调节速度快及更好的动态特性。

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VSG的接口变换器参数模糊自适应控制策略

虚拟同步发电机(VSG)控制在下垂控制的基础上,引入了同步发电机的转动惯量和阻尼系数,改善了系统的动态频率响应特性,提高了交直流混合微电网的抗扰动能力,但同时忽略了一定的动态调节性能。针对这一问题,提出一种基于VSG的接口变换器参数模糊自适应控制策略。该控制策略能够降低系统在振荡过程中的超调量,进一步提升系统在面对扰动时的动态调节性能,且更具灵活性。首先,基于交直流混合微电网的瞬时功率平衡关系,给出接口变换器VSG控制策略;其次,建立整个闭环控制系统的小信号模型,分析关键参数对系统稳定性的影响;然后,基于模糊控制设计虚拟惯量和虚拟电容的自适应控制策略;最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性与优越性。

基于高比例新能源系统惯量的频率稳定性控制研究

风电和光伏发电作为清洁能源,正成为未来能源供应的重要组成部分。然而,由于新能源出力特性的波动性和间歇性,高比例新能源并网会影响电力系统的稳定性。针对该问题,虚拟惯量控制策略作为一种有效的解决方案被提出。虚拟惯量控制可以提高新能源电力系统的稳定性,通过模拟同步发电机的惯性特性,使高比例新能源系统能够提供类似于传统同步发电机的频率响应。通过建立风电机组、光伏系统和混合储能设备的模型,给出虚拟惯量和时间常数。以风-光-储互联系统为对象,建立等效电路分析模型,分析功角摇摆特性和能量状态方程,阐述虚拟惯量改善系统稳定性的机理,进而提出基于LQR的自适应虚拟惯量控制策略,并通过实际工业园区的电力系统参数,对控制策略进行仿真,验证了自适应虚拟惯量控制策略的有效性。

考虑参数自适应的直流微电网DC/DC变换器虚拟惯性控制策略研究

相对于交流微网,直流微网电能变换环节少,接入分布式电源及直流负荷更为高效可靠,但传统的下垂控制无法解决直流微网系统小惯性及母线电压受功率波动影响大的问题。对此,类比同步发电机转子特性和一次调频特性,提出了一种直流微电网DC/DC变换器改进虚拟惯性控制策略,以提高直流微电网的惯性,解决直流母线电压波动问题。首先根据系统发生功率波动时的响应特性,分析获取扰动发生时所需系统控制参数的变化情况,据此提出了虚拟惯性系数及阻尼系数自适应的控制策略;同时,建立小信号模型对DC/DC变换器在所提直流微电网虚拟惯性、阻尼系数自适应控制策略下的响应特性进行了分析,并讨论了关键控制参数对系统响应特性及系统稳定性的影响。最后在PSCAD/EMTDC中建立了直流微电网模型进行仿真分析,对比结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

基于虚拟直流电机的自储能背靠背VSC-MTDC控制策略

自储能背靠背电压源型换流器的多端柔性直流(VSC-MTDC)系统功率突变时,易引起较大的直流母线电压波动。为增强自储能背靠背VSC-MTDC系统协调控制能力,提出了一种基于虚拟直流电机的自储能背靠背VSC-MTDC改进电压裕度协调控制策略。储能DC/DC在一次调节过程中采用虚拟直流电机控制,给出了储能单元二次调节过程的时间参数整定方法,并建立储能与各端口在几种典型运行工况下的协调工作机制,提升系统功率的动态调节能力和直流母线电压动态稳定性。最后对系统各种运行工况进行了仿真分析,验证了所提协调控制策略的有效性。

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。

直流微网中平行DC/DC变换器的控制

提出以多墙体光伏为研究对象的光伏直流微网系统。将在逆变器并联控制中广泛使用的下垂控制策略应用到平行DC/DC变换器的控制中,与电压、电流环构成三闭环控制,从而抑制平行DC/DC变换器之间的环流。通过Simulink仿真分析,该方法能够实现直流母线电压的稳定及有效抑制各平行DC/DC变换器之间的环流。最后,在实验室搭建实验平台,验证该控制策略的可行性。

多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制方法

虚拟同步机是一种可以改善分布式能源并网兼容性的技术手段。目前有关虚拟同步机滑模控制的研究大多数仅针对于单机系统。由于单机系统无需考虑多机系统中出现的虚拟惯量等参数之间的耦合影响,这导致现有的滑模变结构控制策略不适用于多虚拟同步机系统,当功率波动时系统频率有可能产生振荡。针对上述问题,提出了多虚拟同步机虚拟惯量的整定判据,并基于整定判据提出多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制策略,可以使系统中各台机组在扰动状态下输出稳定频率。通过自适应滑模变结构控制策略使得多虚拟同步机组在功率波动时输出稳定的频率,从而避免系统频率失稳。最后,通过搭建PSCAD仿真模型验证了理论分析的正确性及有效性,所提控制方法可提高多虚拟同步机系统的稳定性与鲁棒性。

负荷虚拟同步机惯性与阻尼自适应控制策略

虚拟同步机(VSM)技术通过模拟传统同步机转子惯性和系统阻尼,对电网提供惯性支撑。然而,阻尼与惯性的引入使得变换器的动态响应速度变慢,当变换器对输出功率进行主动调节时,无法快速、平稳地到达给定值。针对这一问题,提出一种惯性与阻尼自适应调节的负荷侧VSM优化控制策略。该控制策略通过在功率调节不同阶段,自主调节VSM的惯性J和阻尼D,实现对输出功率的优化控制。为了验证该控制策略的有效性,建立了VSM的MATLAB/Simulink模型,对其进行了仿真实验。仿真结果表明,与传统控制方法相比,基于该控制策略的同步机有功功率调节速度更快,调节过程中的波动和超调更小,具备更好的动态调节性能。

面向新型电力系统的电力电子变流器虚拟同步控制方法评述

双碳目标的实现需要构建以新能源为主体、源网荷储融合的新型电力系统,同步发电机的减少必然导致电力系统惯量和阻尼逐渐降低,进而带来电力系统稳定性问题,虚拟同步控制是提高新能源对电网主动支撑能力的有效手段。整理了国内现有新能源并网标准中对虚拟同步机支撑电网的要求,全面梳理了虚拟同步控制技术的研究动态和已有成果,归纳了电压支撑和功率支撑2类虚拟同步控制实现过程及其优化。并建立了其他电网支撑控制策略与虚拟同步控制技术的等效关系,从参数设计的角度将其统一在虚拟同步控制框架中。最后,对虚拟同步控制技术在新能源主动电网支撑中的应用做出了展望。

孤网储能系统电流均分与直流母线电压稳定的控制策略

针对传统下垂控制在含分布式储能系统的孤立直流微网中难以同时实现电流均分、母线电压稳定及充放电一致性3个方面整体要求的问题,对传统下垂控制进行改进。综合考虑3个维度,提出基于自适应虚拟阻抗与前馈补偿的模糊下垂控制策略。针对3个指标,分别提出基于自适应虚拟阻抗的电流均分控制、基于前馈补偿的电压稳定控制和基于模糊机制的储能荷电状态均衡控制。最后,在Matlab/Simulink平台构建光储荷孤网仿真模型,综合模拟了系统不同工况下的运行情况,结果验证了所提策略的有效性和可靠性。

考虑风电场调控裕度的风火打捆直流外送系统无功电压紧急控制策略

为抑制直流送端电网暂态过电压,充分发挥风电在风火打捆直流外送系统功率调节作用,提出了一种考虑风电场调控裕度的无功电压紧急控制策略。首先,分析换相失败故障下风火打捆系统电气量变化及故障引发直流送端过电压机理;其次,在遭遇换相失败故障后通过降低直流输送功率抑制直流系统连续换相失败,减少故障恢复期间系统无功需求,分析功率速降后系统无功潮流变化;再次,针对盈余无功导致送端暂态高压提出直流送端无功电压紧急控制策略,根据超短期预测风速对风电场无功裕度进行分配,针对不同情形设计具有多种工作模式的风机控制器;仿真结果表明:所提控制方法能够较好地解决风火打捆直流外送系统直流送端暂态过电压问题。