数字物理混合仿真功率接口设计及其控制策略研究

作为数字物理混合仿真中连接数字侧与物理侧仿真的互联装置,功率接口对混合仿真系统的稳定性与精确性起决定性作用,因此对于功率接口的设计及其控制策略的研究是数字物理混合仿真的关键。功率接口所接负载功率突变所引起的直流电压波动以及功率放大过程的幅值误差是影响功率接口稳定性与精确性的两个主要因素。基于数字物理混合仿真系统,对其功率接口进行设计,提出一种基于三个单相H桥结构四象限背靠背变流器的功率接口装置。在此基础上,针对功率接口稳定性与精确性问题,对其所采用的控制策略进行研究。为保证功率接口良好的动态性能和直压稳定,提出了一种基于前馈控制的整流端直流电压控制策略;针对指令信号放大精确度与稳定性问题,提出一种基于重复控制的逆变端复合控制策略;最终通过数字物理混合仿真试验证明了文中设计的功率接口及其控制策略的有效性与正确性。     

混合微电网交直流母线接口变换器虚拟同步电机控制策略

针对混合微电网交直流母线接口变换器采用下垂控制存在惯性小、阻尼低等问题,提出一种适用于接口变换器的虚拟同步电机控制策略。该控制策略不仅可使交直流母线接口变换器具有下垂控制的稳态特性,而且可使其呈现类似于同步电机的动态频率响应特性,有效提高交直流混合微电网对交流频率及直流电压的抗扰动特性。该文分析混合微电网瞬时功率平衡特性,基于此,提出利用交、直流微电网电源和负荷吞吐特性为交流频率和直流电压提供惯性,并设计相应的控制策略。建立所提控制策略的小信号模型,详细分析转动惯量、阻尼系数、直流下垂系数等关键参数对系统稳定性的影响及有功功率变化时交流频率和直流电压的动态响应,据此给出系统关键控制参数设计方法。最后,分别利用Matlab/Simulink软件和dSPACE实验平台验证所提控制策略的有效性。     

光伏波动下低压直流系统功率振荡抑制研究

针对低压直流系统中光伏波动造成的功率振荡问题，基于RLC阻抗网络模型小扰动稳定分析方法，提出一种采用电压前馈的控制策略。通过在电流环中引入直流电压比例分量，对电流环电流进行补偿，减小因输入侧变化导致的电流波动，实现了在光照波动较强条件下对系统功率振荡的抑制。理论分析结果表明：所提方法可有效减小谐振峰值和低频阻抗幅值，降低光伏波动较强时的系统功率振荡，使系统在光照强度变化较大情况下能够保持稳定运行。最后，通过仿真验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

功率硬件在环仿真稳定性分析及功率接口研究

功率接口装置作为连接数字仿真与被测实物的重要环节,对于功率硬件在环(PHIL)仿真技术的稳定性与精度起到决定性作用。基于PHIL接口等效建模理论,建立PHIL的电路模型,分析其稳定性;基于重复控制理论,设计功率接口控制策略,保证仿真稳定性与精度;加入电压外环P控制,提高动态性能。搭建PHIL仿真试验平台,以380 V、50 k W功率接口装置实现了复杂系统的混合实时仿真,且稳态特性好、动态响应快、鲁棒性强。     

交直流混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略

针对交直流混合微电网系统间功率动态平衡以及分布式电源利用率不高的问题,提出一种适用于混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略,所提策略无需通信且可灵活分配功率。首先,对交流子微电网与直流子微电网所连分布式电源采用的下垂控制方式进行详细的分析。然后,针对互联变换器需维持交流微电网侧频率与直流母线电压的稳定以及功率双向传输的特点,对混合微电网交直流接口的虚拟惯性进行分析,推导出交流频率与直流电压之间的线性耦合关系,以实现交直流两侧功率的相互支撑。最后,在DIgSILENT软件上建立典型的交直流混合微电网模型,验证了所提互联变换器功率控制方法的有效性。仿真结果表明,在离网情况下采用所提控制策略时,互联变换器可较好地维持交直流两侧功率平衡并提升电能质量,充分利用了分布式电源的功率调节能力。     

基于电压与功率前馈的电能路由器储能端口优化控制策略

针对采用双向Buck/Boost拓扑作为电能路由器储能端口时存在的储能端口并网启动电流冲击和离网母线电压波动的问题,提出了一种储能端口电压前馈与负载功率前馈相结合的电能路由器储能端口并离网优化控制策略。该方法通过前馈储能侧电压抑制储能端口的并网启动冲击电流,消除离网下储能侧电压波动对母线电压的影响,同时利用基于以太网控制自动化技术(EtherCAT)的电能路由器快速控制通信单元前馈负载功率,抑制离网下负载突变产生的母线电压扰动,节省电流采样成本。理论分析与实验结果验证了所提优化控制策略的有效性。     

一种计及总损耗功率估计与转速前馈补偿的飞轮储能系统放电控制策略

针对飞轮储能系统放电过程中飞轮转速迅速下降、直流侧功率突然变化等因素影响母线电压动态性能和稳定性的问题,该文在传统飞轮PI放电控制策略基础上,提出一种计及总损耗功率估计与转速前馈补偿的飞轮储能系统放电控制策略。采用电容储能比例反馈控制,利用非线性扰动观测器对电机与变流器损耗功率、负载功率等总损耗功率进行统一观测,并引入转速补偿环节对系统进行直接前馈补偿控制;根据闭环控制系统的主导极点图和伯德图,分析系统的稳定性与抗扰动性能,并给出一种控制器参数的选择方法。该控制策略调节参数少、无需负载侧的电流传感器、控制结构简单。仿真和实验结果表明,所提放电控制策略和参数选择方法能够有效抑制飞轮转速迅速下降和直流侧负载突变对母线电压的影响,系统鲁棒性得到提高。     

考虑分布式储能参与的直流配电网电压柔性控制策略

针对多节点直流配电网电压稳定性差且控制困难的问题,提出一种考虑分布式储能参与的直流配电网电压柔性控制策略。首先,分析直流配电网的拓扑结构,指出了现有控制策略在多节点电压调节方面的不足以及分布式储能参与调压的可行性。其次,推导配电网中交直流接口的电压-频率耦合关系以及双向直流接口的级联下垂特性。针对配电网端口交直流断面,将交流电网的频率波动经虚拟惯性作用与直流电压波动建立联系,生成虚拟电压差以控制储能响应频率波动,减小直流配电网的接入对交流电网的影响。针对配电网-微网变流器断面,依据接口类型的不同设计分布式储能单元的控制策略,使其响应配电网节点电压的变化,增强功率波动时直流电压动态稳定性,减小配电网运行模式切换的可能性。该策略仅需本地节点信息,无需通信,可扩展性好。最后,建立典型的两端直流配电网的仿真模型,通过系统仿真证明了所提柔性电压控制策略的有效性。     

用于风电并网的VSC-HVDC网侧换流器改进控制策略

在风电经基于电压源换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSCHVDC)系统并网的系统中,保证直流电压稳定是风电并网系统中稳定能量传输的关键。由于系统两侧换流器输入和输出的有功功率不平衡,VSC-HVDC系统直流输电线会出现过电压或欠电压现象,影响风电并网系统的稳态运行。为了抑制直流电压波动,提高系统的动态响应速度,提出一种负载电流前馈控制策略。在网侧换流器直流电压外环控制环节中,通过引入负载电流前馈控制策略,来抵消直流电压发生波动的部分,使输出直流电压在负载突变时的波动减弱。通过对直流电压外环动态性能的分析,得出电压外环控制器参数整定公式以及前馈控制传递函数。根据直流侧电容设计要求,分析电压外环控制器对直流侧电容参数选取的影响。最后,利用MATLAB/Simulink软件进行了仿真验证,研究结果表明,该控制策略能改善系统的动态响应性能,减小直流电压波动,实现有功功率的稳定输出。     

提高直流微电网稳定性的有源阻尼方法

为解决直流微电网中恒功率负载大量接入引发的系统不稳定问题,提出一种基于并网接口变流器直流电流前馈的有源阻尼控制方法。研究直流微电网的并网接口DC-AC变流器数学模型和适用于DC-AC变流器的有源阻尼方法的控制策略,建立直流微电网的小信号数学模型。基于系统主导极点分布和阻抗匹配原则,分析恒功率负载对系统稳定性的不利影响及有源阻尼方法对系统稳定性的改善作用,并给出有源阻尼参数的设计原则。仿真和实验结果表明,所提有源阻尼方法可以提高在恒功率负载高渗透率下的直流微电网系统稳定性。     

全桥型MMC数字-物理混合仿真阻尼阻抗接口模型

数字-物理混合仿真结合了数字仿真与物理实验的优势,为复杂电力电子设备的理论研究和工程设计过程提供了便利。然而数字-物理接口的存在可能导致数字-物理混合仿真结果精度降低甚至变得不稳定。为解决数字-物理接口引起的失稳问题,文中在传统阻尼阻抗接口模型的基础上,针对应用于柔性直流输电的全桥型模块化多电平换流器(MMC),提出一种接口补偿阻抗设计方法。首先,全面充分地考虑了接口引入的延时、扰动对系统稳定性和精确性的影响,根据MMC的运行特点,设计了结构简单的RLC串联结构补偿阻抗,使之在不同运行工况下均可确保系统稳定、高精度运行。在此基础上,搭建了基于全桥型MMC直流背靠背的数字-物理混合仿真实验平台,利用数字侧模拟电压暂降、短路等故障,而物理侧全桥型MMC实现故障穿越过程。实验结果表明,所提接口补偿阻抗设计方案保证了系统在各种工况下的有效性。     

基于自抗扰的单相PWM整流器直接功率控制

为改善单相两电平PWM整流器的动态性能，本文在传统外环采用PI控制，内环采用功率前馈解耦直接功率控制的双闭环控制方法基础上，提出一种改进控制策略，即引入基于线性自抗扰(LADRC)的电压外环，以减小直流侧电压的超调量,提高系统的响应速度，并增强其抗负载扰动能力。进一步在功率前馈解耦控制的基础上，引入二阶广义积分(SOGI)构建虚拟正交分量，以提高网侧电流对电压的追踪能力，提升系统的动态性能。最后，通过MATLAB/Simulink建立系统仿真模型并进行仿真，对所提出改进控制策略的可行性和有效性进行了验证。     

高渗透率光伏发电的直流微电网故障穿越控制策略研究

为使直流微电网具备一定的故障穿越能力,考虑增强系统对直流母线电压的调节能力,提出了基于电池储能的故障穿越方案。引入基于非线性扰动观测的前馈项,设计了基于储能单元改进下垂控制的直流微电网故障穿越控制策略。这种控制策略可以有效抑制直流母线电压波动,缩短电压调节时间,使直流母线电压保持在安全运行范围内,从而实现直流微电网在直流支路短路故障下的故障穿越。最后在Simulink中搭建有高渗透率光伏发电的直流微电网仿真模型,对所提出的方案和所设计的故障穿越控制策略进行验证。     

电网电压不平衡下交直流混合微电网互联接口变换器分数阶滑模控制策略

针对并网型交直流混合微电网交流侧电压不平衡时会产生交流电流负序分量导致直流母线电压二倍频脉动的问题,提出了一种直流侧母线电压分数阶滑模控制以及交流侧负序电流抑制方法。首先,基于同步旋转坐标系下电网电压不平衡时交直流混合微电网互联接口变换器的数学模型,设计电压外环变结构滑模控制器。然后,根据电压不平衡时互联接口变换器的功率传输特性,提取交流侧三相电压的正序分量,得到交流侧负序电流抑制指令。接着,采用分数阶滑模趋近律设计内环电流解耦控制器,并利用李雅普诺夫函数进行稳定性校验。最后,基于Matlab/Simulink搭建的交直流混合微电网模型,验证了所提控制策略相较传统PI控制不仅抑制了三相电流的不平衡,而且将响应速度提升了近50%。     

电网电压不平衡下储能变流器的控制策略

电网电压不平衡会导致直流侧电压波动和电网侧有功功率波动,严重影响储能电池系统的安全和能量转换效率。针对上述问题,本文提出了一种直流侧电压与电网侧有功功率协调控制策略。通过考虑储能变流器交流侧滤波电感上吸收的有功功率波动来实现对直流侧电压波动的抑制,再利用加权思想对直流侧电压和电网侧有功功率进行协调控制,较好地降低了两者的波动幅值。仿真实验结果验证了所提方法的有效性与优越性。     

电网电压不平衡下储能变流器的控制策略

电网电压不平衡会导致直流侧电压波动和电网侧有功功率波动,严重影响储能电池系统的安全和能量转换效率。针对上述问题,本文提出了一种直流侧电压与电网侧有功功率协调控制策略。通过考虑储能变流器交流侧滤波电感上吸收的有功功率波动来实现对直流侧电压波动的抑制,再利用加权思想对直流侧电压和电网侧有功功率进行协调控制,较好地降低了两者的波动幅值。仿真实验结果验证了所提方法的有效性与优越性。