一种直流微电网的灵活虚拟惯性控制策略

摘 要：直流微电网的小惯性特点导致的负荷突变、新能源出力波动以及系统故障等扰动都会对系统直流电压的稳定造成严重影响。而交流系统中的虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）控制能够使换流器为系统提供惯性支持,以减小交流系统频率的波动。因此基于VSG控制,根据交、直流系统间各变量的类比和对应关系,文章提出了一种应用于直流微电网的灵活虚拟惯性（flexible virtual inertia,FVI）控制策略,为受到扰动时的直流微网提供灵活可调的惯性支持,以减弱电压波动,改善电能质量。最后通过六端直流微网的实时仿真实验系统验证了所提控制策略的有效性。     

基于下垂曲线截距调整的直流微电网自适应虚拟惯性控制

为了改善直流微电网的电压稳定性和动态性能,降低控制系统的复杂性,提出一种基于下垂曲线截距调整的直流微电网自适应虚拟惯性控制(AVIC)方法.在反正切函数中嵌套幂函数,根据电压和电压变化率的动态变化调整下垂曲线的截距,以控制换流器快速释放或吸收功率,从而为直流微网提供惯性支持.建立含AVIC的四端直流微电网小信号模型,并通过根轨迹分析揭示主要控制参数对系统稳定性的影响规律.最后,通过硬件在环仿真验证了所提方法的有效性.     

直流微电网暂态自适应虚拟惯性控制策略及其参数可行域研究

附加虚拟电容控制能够挖掘直流微电网隐藏的惯性,从而缓解新能源渗透下直流母线电压对功率波动敏感的问题,但其无法满足系统在动态调节过程中灵活的惯性需求。为了向直流微电网提供灵活惯性支撑能力,通过在源侧换流器控制中耦合电压参数与惯性参数改变系统电量积累进程,提出一种能够实时响应微电网运行工况变化并投入可变虚拟电容的暂态自适应虚拟惯性控制策略。借助系统小信号模型和根轨迹分析,揭示惯性参数变化对系统稳定性的影响。在此基础上,采用控制理论配置极点的方法为参数选取提供有效约束,实现控制参数的优化设计。搭建五端直流微电网仿真系统,验证暂态自适应虚拟惯性控制提供的动态虚拟电容灵活的暂态自适应能力。     

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。     

一种直流微网双向并网变换器虚拟惯性控制策略

针对直流微网中母线电压易受微网内部功率波动影响,通过类推交流微网中虚拟同步发电机的虚拟惯量,提出了一种直流微网双向并网变换器(bidirectional gridconnected converter,BGC)虚拟惯性控制策略,增强了直流微网的惯性,平抑了直流母线电压波动。建立BGC虚拟惯性控制小信号模型,推导出直流母线电压与BGC直流侧输出电流之间的小信号传递函数,深入分析直流微网功率突变下的系统动态特性,发现BGC直流侧输出电流相当于扰动量,会对直流母线电压的动态响应过程产生冲击性影响。对此,提出了BGC的直流侧输出电流前馈扰动抑制方法,平滑了直流母线电压的动态响应。分析了BGC系统的稳定性,选取了合适的BGC虚拟惯性控制参数。最后,仿真与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。     

基于虚拟同步发电机的直流微网DC-DC变换器控制策略

针对直流微网惯性低,母线电压易受功率波动影响的问题,文中提出了一种直流微网类虚拟同步发电机控制策略并将其应用到双向DC-DC变换器中,提高了直流微网的惯性,抑制了直流母线的电压波动。首先,通过类比交流微网中的虚拟同步发电机控制,得到了适用于直流微网中的类虚拟同步发电机控制。其次,通过建立小信号模型,对所提控制策略进行了理论分析,并针对电压动态变化过程中初始阶段的大扰动,采用前馈补偿进行了修正。然后,分析了加入虚拟惯性后控制参数对稳定性的影响。最后,通过MATLAB/Simulink仿真分析验证了所提理论分析和控制策略的有效性。     

直流微电网虚拟惯性控制及其稳定性分析

针对直流微电网惯性低,母线电压抗干扰能力差的问题,考虑直流微电网中各旋转设备和储能设备的潜在惯性支持能力,提出直流微电网虚拟惯性控制。首先,给出了直流微电网中各可控电源提供的惯性功率的通用的表达式,该惯性功率直接由直流母线电压变化量及虚拟惯性控制系数确定;其次,在设计各变流器附加惯性控制时,采用一阶惯性环节代替了微分环节,避免了对输入信号产生高频干扰;再次,建立了直流微电网的小信号模型,分析了加入虚拟惯性控制后直流微电网的稳定性,给出了虚拟惯性控制系数的选取范围;最后,在Matlab/Simulink中建立了直流微电网模型并进行了时域仿真,验证了所提控制策略的有效性以及稳定性分析的正确性。     

直流微电网的惯性与阻尼自适应协调控制

随着分布式发电单元的不断接入,直流微电网逐渐呈现出低惯性和弱阻尼特性,直流母线电压会随着功率扰动而发生突变或失稳。采用变下垂控制为系统提供虚拟惯性。通过根轨迹分析可知变下垂控制为系统提供虚拟惯性的同时会削弱系统的阻尼,使直流微电网出现持续振荡的风险。在此基础上,设计一种虚拟惯性与阻尼的自适应协调控制策略。其控制函数以电压为自变量,在大扰动和小扰动情况下,能够为系统提供虚拟惯性和有源阻尼,从而改善直流微电网的低惯性和弱阻尼特性,保证系统的安全稳定运行。通过在Matlab/Simulink仿真平台上搭建直流微电网模型,验证了所提协调控制策略的有效性。     

直流微网DC/DC变换器的虚拟直流电机控制策略研究

直流微网是小惯性系统,负荷频繁投切和新能源出力波动等因素都会影响母线电压的稳定。在直流微网系统中,往往通过储能单元维持系统功率平衡和母线电压稳定。针对储能端口双向DC/DC变换器,提出一种简化的虚拟直流电机控制方法,以增强系统的惯性和阻尼;建立虚拟直流电机控制的小信号模型,分析控制策略的稳定性和动态特性;对于动态响应初期母线电压的冲击性变化,提出输出电流前馈的小信号模型补偿方法,进一步平滑母线电压的动态过程;最后通过仿真分析验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

直流微网储能单元的灵活类虚拟同步发电机控制

直流微网中组网变流器采用虚拟电机控制可改善系统中因功率波动所引起的电能质量问题,但其无法兼顾直流母线电压动态调节的灵活性。针对此问题,以直流微网中蓄电池储能单元的DC-DC变流器为研究对象,基于类虚拟同步发电机控制技术,利用直流电压变化率与惯性参数耦合的机理,提出一种能够实现直流电压灵活动态调节的灵活类虚拟同步发电机控制。通过建立小信号模型,基于DC-DC变流器端口响应与根轨迹的分析,揭示了主要参数变化对系统惯性与稳定性的影响规律,并给出相应的整定方法。其次,通过结合蓄电池的双向特性以及系统稳定裕度指标,给出了惯性参数的稳定取值区域,实现合理范围内惯性控制的灵活调节。然后根据荷电状态(state of charge, SOC)对蓄电池提供惯性功率能力的影响,基于SOC对惯性控制中下垂系数的取值进行实时约束。研究结果表明,灵活类虚拟同步发电机控制能给系统提供灵活可调的惯性支撑,使直流电压具有更好的动态特性和稳定性。最后,通过Matlab/Simulink仿真验证了所提控制策略的有效性。     

基于无源控制的双向并网变换器虚拟惯性控制策略

为了提高直流微网中双向并网变换器的动态性能并改善直流母线电压易受微网内部功率波动的影响,提出一种基于无源控制的虚拟惯性控制策略,即内环为无源控制,可实现对电感电流期望值的良好跟踪,外环为虚拟惯性控制,用于增强直流微网的惯性,提高直流母线电压的稳定性。通过建立小信号模型分析双向并网变换器采用所提控制策略时的性能与稳定性。仿真与实验结果表明,与基于PI控制的传统虚拟惯性控制策略相比,采用所提控制策略时的双向并网变换器受到负载扰动时,电压波动幅值减小5 V左右,具有更加良好的动态性能,同时还可有效提高直流微网的惯性。该策略同样可推广到直流微网中其他类型的变换器控制中。     

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。     

直流微电网并网变换器的改进虚拟惯性控制

为解决直流母线电压波动较大现象,应用于直流微电网的双向并网变换器(BGC)虚拟惯性控制增强了系统惯性,提高了直流母线电压的抗扰动能力。但在阶跃响应初始阶段母线电压存在幅值骤降现象,严重影响了系统运行稳定性。在此提出一种BGC改进虚拟惯性控制策略,通过在变换器控制结构中引入机械转动方程使微电网在运行过程中增加惯性,并对其关键参数进行动态特性分析,明确了参数设计对惯性的影响。分析仿真及实验结果可知,所提方法能够有效提高系统惯性能力,且不存在直流母线电压幅值骤降问题。     

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。     

基于ESO和终端滑模控制的虚拟同步发电机研究

微电网是由分布式电源、储能装置和负荷等组成的统一整体,其在孤网模式下运行时,主控微源对电压和频率的控制能力对于微电网的稳定至关重要。受电力电子器件固有特点的影响,微网孤网运行的稳定性较差。为实现主控微源对交流微网的调节作用,提高交流微电网孤网运行稳定性,在DIg SILENT中搭建了光储系统作为主电源的交流微电网。然后依据虚拟同步发电控制技术和非线性鲁棒控制技术对逆变器设计了虚拟同步发电控制器,在功频控制器中引入扩张状态观测器和终端滑模控制来改善控制性能。通过仿真分析,虚拟同步发电控制在负荷波动和光伏出力波动时能有效调节微网的电压和频率。通过与一般的控制器仿真结果进行对比,基于ESO和终端滑模控制的虚拟同步发电控制不仅能实现微网调频调压功能,还能有效提高暂态频率稳定性,增大交流微网惯性。     

基于多滑模变结构的双向并网变换器虚拟惯性控制策略

针对直流微电网惯性低、母线电压抗干扰能力差的问题,以双向并网变换器为控制对象,提出一种基于多滑模变结构的虚拟惯性控制策略。内环采用基于指数趋近律的滑模电流控制,快速跟踪并网电流给定值,提高系统的响应速度。外环建立虚拟惯性控制方程与电压滑模面结构,增强直流微电网的惯性,平抑直流母线电压波动。通过小信号扰动法和Nyquist判据证明了双向并网变换器在所提控制策略下的稳定性。最后,搭建了相应的仿真模型和StarSim HIL硬件在环实验平台。仿真及实验结果表明,与基于PI控制和无源控制的虚拟惯性控制策略相比,文章所提控制策略具有更好的动态、静态特性,提高了直流母线电压的稳定性。     

基于虚拟惯性控制的直流微电网稳定性分析及其改进方法

虚拟惯性控制可以增强直流微电网的惯性,防止直流母线电压突变,但其对系统稳定性的影响还不明确。以基于虚拟惯性控制的直流微电网为研究对象,推导并网换流器和恒功率负载的小信号模型,得到电源侧输出阻抗和负载输入阻抗。根据频率分析法和阻抗匹配准则,分析虚拟惯性系数和恒功率负载对系统稳定性的影响。从阻抗匹配的角度出发,提出串联虚拟阻抗减小电源侧输出阻抗,从而提高系统稳定裕度。     

直流微电网中风电机组的双向扩展惯性控制方法

新能源直流微电网惯性响应能力弱、系统稳定性较差,传统惯性控制策略无法针对不同工况灵活调整惯性强弱,为此该文提出了双向扩展惯性控制方法。首先建立含风电的直流微电网结构模型,分析了系统惯性和风电机组惯性的关系。在此基础上,提出了直流微电网中风电机组的双向扩展惯性控制方法,该方法利用指数函数的极速增长性,快速调节机组的功率跟踪曲线比例系数,大幅扩展风电机组的惯性,同时在直流电压突变初期,通过正向扩展惯性控制,增加系统惯性阻止其变化,在直流电压恢复初期,通过负向扩展惯性控制,减小系统惯性促进其稳定,实现了惯性双向灵活调节,有效提高系统稳定能力。最后,在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了直流微网模型,验证所提控制方法的有效性。     

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。