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。     

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。     

带恒功率负荷的直流微电网母线电压稳定控制策略

呈现负阻尼特性的恒功率负荷与分布式电源接入变换器级联容易导致系统出现振荡,给直流微电网稳定运行带来隐患。通过建立带恒功率负荷变换器在平衡点的小信号模型,推导变换器占空比与母线电压的传递函数,并从理论上分析传统PI控制器不能提高系统稳定性的原因,进而提出一种提高直流微电网母线电压稳定性的新型控制策略。通过绘制闭环系统的根轨迹图,分析控制器各参数的变化对系统稳定性的影响。以两源两负荷的直流微电网为例,建立MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果表明孤岛和并网运行下采用所提控制策略均可以保证直流微电网稳定运行。     

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。     

基于参数自适应的直流微源虚拟发电机控制策略

针对分布式电源波动及负载功率突变引起直流微电网母线电压大幅波动的问题,传统虚拟直流电机控制通过模拟直流电机外特性,可抑制母线电压波动,但动态响应较差。对此,提出一种参数自适应的虚拟直流发电机控制策略。以Buck/Boost变换器作为研究对象,结合下垂控制将虚拟直流发电机应用于多变换器并联系统中。建立其小信号模型,分析关键控制参数变化对系统稳定性的影响,并给出惯性系数和阻尼系数自适应调节方程。最后,搭建仿真模型及StarSim HIL实验平台。结果表明所提控制策略在有效抑制直流母线电压波动的同时,使系统具有较快的动态响应速度。     

基于虚拟同步电机控制的固态变压器对多控制类型分布式电源接入的适应性分析

固态变压器(SST)具备交直流环节,可用于实现交、直流微电网间的互联。针对交-直-交非隔离型的SST,提出引入直流下垂控制环节的虚拟同步电机(VSM)控制策略,使SST交直流端口具备惯性和阻尼,提升系统稳定性;建立VSM小信号模型分析直流侧电压与功率分配关系,便于实现交、直流侧互联微电网间的能量平衡,进而提出基于VSM的SST整体控制策略,在SST网侧和源荷侧变换器级联新的控制环路,实现网侧变换器快速响应及源荷侧变换器单/三相负荷、多控制类型(恒功率控制、下垂控制、虚拟同步机控制)三相分布式电源接入的需求;通过仿真分析验证所提基于VSM控制的SST对不同控制类型分布式电源的接入适应性。     

直流微电网多端口变换器虚拟惯性控制策略

目前,直流配电系统内部多变换器并联一般采用传统的下垂控制策略,系统表现出低惯性、弱阻尼的特征,使得系统稳定性较差,为此提出了一种用于直流微电网多端口变换器的类虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)虚拟惯性控制策略。该策略可同时实现下垂、虚拟惯性及阻尼特性功能。首先,对多端口变换器的拓扑结构进行了简介;其次,对所提控制策略进行了理论分析与推导,并给出了控制策略框图;再次,建立了变换器小信号模型,分析了加入类VSG虚拟惯性控制策略后变换器的稳定性;最后,在Matlab/Simulink中建立了系统仿真模型,并进行了仿真对比,验证了所提控制策略的有效性及稳定性分析的正确性。与传统控制策略相比,所提控制策略增加了直流配电系统的惯性,平抑了直流母线电压的波动。     

基于自适应下垂特性的孤立直流微电网功率精确分配与电压无偏差控制策略

基于下垂控制的直流微电网为自主集成分布式电源、储能单元和多类型负荷提供了一种有效的方式。在传统下垂控制作用下,由于直流微电网中各分布式电源出口线路参数不一致,且存在本地负荷,因而降低了负荷功率的分配精度,难以最大程度发挥分布式电源的效率,甚至引发分布式电源过载等问题,同时线路电阻上的电压降会进一步降低直流母线的电压质量。为了实现分散控制模式下孤立直流微电网的功率合理分配,并消除直流母线电压的偏差,提出基于自适应下垂特性的功率精确分配策略和直流母线电压无偏差控制策略,且在功率分配策略中考虑了本地负荷的影响。同时对DC-DC变换器在所提改进下垂控制下的响应特性进行分析,并讨论关键参数对系统稳定性的影响。仿真对比结果证明了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于改进下垂控制的直流微电网大扰动稳定性分析

针对含恒功率负荷的改进下垂控制直流微电网系统大扰动稳定问题，本文基于混合势函数理论，提出一种适用于改进下垂控制的直流微电网系统稳定性判据推导方法。通过推导得到稳定性判据，给出恒功率负荷稳定运行边界和储能变换器下垂系数及幂指数的取值上界。该判据能够良好地反映改进下垂控制的直流微电网系统大扰动稳定性与储能变换器下垂系数及幂指数取值间的关联，为系统控制参数的选取提供了重要参考。仿真验证了所提方法和稳定性判据的正确性。     

采用下垂控制的直流配电系统高频振荡分析及控制

针对直流配电系统的高频振荡现象,以下垂控制的辐射状直流配电系统为研究对象,建立了电压源型换流器、直流线路和恒功率负荷的频域模型,进一步建立了直流配电系统的频域降阶模型.推导了频域下系统参数对高频振荡频率影响的解析式,分析了下垂控制系数、直流线路以及负荷参数变化对系统振荡频率的影响,发现下垂控制器和恒功率负荷的负阻尼特性易引发高频振荡.据此,文中提出了基于线路参数的前馈补偿下垂控制方法和改进虚拟电阻的控制器设计方法,并对补偿前后系统的稳定性进行了比较.通过频域、时域仿真验证了理论分析的正确性以及所提方法的有效性.     

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。     

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。     

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。     

基于双端有源阻尼的直流配电网稳定性提升技术研究

恒功率负载大量接入直流配电网会引起直流侧电压振荡失稳,现有研究仅从单端VSC有源阻尼角度出发提高系统稳定性,然而单端有源阻尼改善效果有限,基于这一问题,提出双端VSC有源阻尼控制策略,不仅能提高系统稳定性,而且可提升系统带载能力。首先以下垂控制下的双端VSC直流配电网为研究对象,建立系统等效阻抗模型,然后分析恒功率负载造成系统失稳的原因,采用奈奎斯特稳定性判据分析恒功率负载对系统稳定性的影响,对比单端VSC有源阻尼控制策略与双端VSC有源阻尼控制策略的系统稳定性,最后通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了所提方法的正确性和有效性。     

光储直流微电网自适应下垂控制策略研究

分析传统下垂控制母线电压偏移较大的原因,提出一种新型自适应下垂控制策略。建立变换器下垂系数与负载功率之间的数学模型,自主调整下垂系数使直流母线电压稳定在额定值。构建直流微电网仿真模型和实验台架,在相同工况下对传统下垂控制策略和所提控制策略进行对比,仿真和实验结果表明此方法可保持母线电压基本恒定,抑制变换器间环流,并可根据光伏单元自身容量按比例分配负载功率。     

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。     

多储能直流微电网的分布式控制

下垂控制在直流微网中的应用越来越广泛。但是下垂特性以及直流母线电阻的存在,使得节点电压偏离额定值且影响系统的负荷分配。为充分发挥直流微电网中储能系统的作用,本文提出了多储能系统直流微电网的分布式控制策略。该控制策略在传统V-I下垂控制策略的基础上加入了平均电压控制环节和功率协调控制环节。两环节通过一致性算法仅仅需要交换相邻两节点的信息,构建一个稀疏的信息交流网络,就能补偿下垂控制造成的电压偏移,且负荷能够按照不同储能系统的荷电状态来分配。针对上述所提的控制策略,本文首先对含两储能系统的直流微电网进行了小干扰稳定性分析。然后在MATLAB/SIMULINK中搭建了含三储能系统的直流微电网模型,通过时域仿真验证了所提控制策略的有效性。     

模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略

直流微电网的变换器均通过电力电子变换器接入直流母线,而电力电子变换器缺少惯性和阻尼作用,负载功率突变会引起变换器端口电压电流的振荡,给直流母线带来较大的冲击,影响微电网的稳定性。文中参考虚拟同步发电机在并网逆变器控制中的应用,提出了一种模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略,使储能变换器具有直流发电机的端口特性,并建立小信号模型,利用阻抗比判据分析了其小信号稳定性。仿真和实验证明所提控制策略可以增强储能单元维持直流微电网内功率平衡的能力,提高直流微电网的供电质量。     

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.     

基于综合附加阻尼的直流配电系统稳定性提升方法

直流配电网的数学建模是分析其稳定性的理论基础,对于分析系统的运行特性具有重大意义。基于典型P-U dc下垂控制的直流配电系统,建立了以动态导纳为基础的下垂控制小扰动稳定性分析模型,分析了直流线路电阻、电感参数变化对系统稳定性的影响。利用奈奎斯特判据对系统输出导纳与输入导纳之比进行分析,以评估系统的整体稳定性。提出了基于复合补偿的综合附加阻尼直流配电系统稳定性提升控制策略,对比分析了补偿前、后系统的稳定性,通过仿真软件搭建直流配电系统模型并进行时域仿真,理论分析和仿真结果均表明所提方法可以增强系统阻尼,抑制系统振荡。