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

曾国辉, 廖鸿飞, 赵晋斌, 朱相臣

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

曾国辉1, 廖鸿飞1, 赵晋斌2, 朱相臣1

(1.上海工程技术大学，上海 201600；2.上海电力大学，上海 200082)

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。

直流微网；虚拟惯量；阻尼系数；自适应控制策略

0 引言

化石能源短缺以及环境恶化等问题，促进了以可再生能源为主的分布式发电新型电力技术的飞速发展[1-2]。由分布式电源和负荷构建的直流微网不仅能满足局部用户用电质量和安全需求，还能减少分布式电源渗透对电力系统的影响[3]。

由于大量电力电子变换器的接入，直流微网呈低惯性状态，新能源的间歇性和负荷的波动性都会导致直流母线电压产生较大波动，严重影响电能质量[4]。

直流微网中储能单元对于稳定直流微网母线电压有重要作用，通过改进其变换器的控制策略可以提升稳定性。为此，国内外专家提出一些改进方法来增强直流微网惯性，包括变下垂系数[5-8]、附加虚拟惯性控制[9-13]、虚拟直流电机控制[14-15]和类比虚拟发电机控制[16-18]。文献[8]提出了一种自适应虚拟阻抗控制策略，通过调整负载输入阻抗来提高系统稳定性。文献[9]运用虚拟电容以改善系统瞬态响应的仿真。但是变下垂系数和附加虚拟惯性控制在扰动初期仍会产生一定程度的电压波动，文献[16]为了解决恒功率负载引起的稳定性问题，在虚拟电容的基础上引入主动阻尼回路，增加了阻尼，提高了系统的稳定性；并且添加前馈控制来抑制电压初期波动，修正动态特性。但是其惯性控制参数和阻尼控制参数均为恒定值，难以平衡系统的抗干扰和动态响应能力。文献[18]通过与虚拟发电机的特性类比来进行惯性控制，但是其惯性控制参数和阻尼控制参数与文献[16]一样均为恒定值，难以达到预期稳定性控制效果。

针对直流微网的惯性优化控制，国内外学者转向研究自适应参数设计，并证明了设计自适应参数能有效改善系统响应。文献[17,19]设置了灵活的惯性参数控制，但是未考虑通过增加系统的阻尼系数改善动态响应能力。文献[20]不仅考虑了虚拟惯量的自适应还考虑了虚拟阻尼系数的自适应性，但是在考虑虚拟阻尼系数的自适应性时，未考虑电压波动量大小对阻尼系数的影响，因此在考虑虚拟惯量和虚拟阻尼系数自适应时，还可以加入电压波动量大小的影响。文献[21]则同时考虑了电压波动率以及电压波动量的大小，但是其应用对象为DC/AC逆变器，用于抑制角频率的动态响应。

本文以储能单元接入直流微网的双向DC/DC变换器为研究对象，类比于含虚拟同步发电机(Analogous Virtual Synchronous Generators, AVSG)的DC/AC逆变器，引入AVSG控制，并通过输出特性分析，提出虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略，进一步改善系统动态稳定性。然后建立该控制策略的小信号模型，通过阻抗比判据[22-23]验证其所提策略模型的稳定性支撑效果。最后针对本文提出的直流微网双向DC/DC变换器虚拟惯量和阻尼系数的自适应控制策略，利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB半实物实验，验证其有效性和理论分析的正确性。

1 直流微网结构及AVSG控制

1.1 直流微网结构及控制策略

图1 直流微网拓扑结构

图2 双向DC-DC变换器等效电路图

1.2 AVSG控制原理

在DC/AC逆变器中AVSG的有功-频率控制通过模拟同步发电机的控制来提高交流微网系统的惯性，具体表达式为

由式(1)可知，DC/AC逆变器AVSG控制通过惯量模拟释放能量来防止频率突变，以此来提高系统的惯性。其释放的能量储存在虚拟发电机转子中，转子能量的表达式为

类比至本文所应用的直流微网的直流双向DC/DC变换器，可以通过模拟注入电流的方式抑制电压突变以实现惯性支撑。类比于式(2)，在直流DC/DC变换器中可以通过并联虚拟电容来存储所需能量[8]。

表1 含AVSG的DC/AC逆变器与双向DC/DC变换器的对应参数

根据表1的参数对应关系，可类比出储能单元通过双向DC/DC并入直流微网的虚拟惯性控制，其表达式为

式中：为给定输出电流；为虚拟阻尼系数；为直流母线电压参考值；为直流母线电压额定值。连接储能单元的双向DC/DC变换器采用式(4)控制方式能增强直流微网的惯性支撑，其并联的虚拟大电容增强了直流微网系统的惯性，当母线电压发生突变时，该大电容能迅速模拟输出电流，增强系统惯性，故也称为虚拟惯量。为虚拟阻尼系数，描述母线电压发生单位变化时，该控制输出的有功变化量，使得该控制具备阻尼振荡能力。阻尼系数越大，直流母线电压恢复越快。其惯性控制框图如图3所示。

2 虚拟惯量和阻尼系数自适应控制

首先取固定的虚拟惯量以及阻尼系数，当系统受到扰动时，直流母线电压变化如图4所示。

图4 负荷波动时直流母线电压变化曲线图

表2 不同情况下和的选取原则

由表2中虚拟惯量和阻尼系数与电压变化率以及电压偏差之间的关系，设计的灵活惯量如式(7)所示。

自适应虚拟阻尼系数如式(8)所示。

图5 电压变化率获取图

图6 虚拟惯量和阻尼系数自适应控制框图

3 参数设计与分析

3.1 小信号建模

为了研究虚拟惯量和阻尼系数自适应控制应用于直流微网储能单元的双向DC/DC时，其控制参数变化所产生的影响，对该控制应用于双向DC/DC换流器进行小信号建模。根据图2可知，双向DC/DC变换器小信号模型为

根据图6进行小信号分析可得

由此得到自适应虚拟惯量和阻尼系数控制的直流微网双向DC/DC变换器的小信号框图，如图7所示。

3.2 参数设计

为了排除其余参数对系统稳定性的影响，对本文直流微网双向DC/DC变换器虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略中的双闭环PI参数进行设计。根据电流内环和电压外环的设计原则，为了保证较好的稳定裕度和动态性能[15]，根据文献[15]的方法，令电流内环比例、积分参数分别为0.01、10，在确定内环PI参数的基础上，确定外环比例、积分参数分别为1、10。

4 直流微网稳定性分析

采用阻抗比分析法[22-23]验证系统稳定性。在图1的直流微网拓扑结构图中，光伏采用了最大功率点跟踪控制策略，可以视为恒功率电源。该恒功率电源和负载可等效为负电阻，其电阻表示为

式中：为恒功率负载；为输入负荷端功率；为光伏输出功率。恒功率负载侧的等效电路图如图8所示。

根据等效电路图可以得到负载端输入阻抗，如式(17)所示。

5 仿真分析与实验验证

为了验证本文所提自适应控制策略的有效性以及理论的正确性，在Matlab/Simulink中搭建图1所示的直流微网模型，光伏采用最大功率点跟踪控制，蓄电池并网的双向DC/DC变换器根据需要采取不同的控制策略，其对应参数如表3所示。

表3 系统参数

图10 虚拟电容对直流微网的影响

图11 节虚拟阻尼系数对直流微网的影响

如图12所示，当参考电压变化时，AVSG、虚拟惯量和阻尼系数自适应控制均明显增加了系统惯性支撑。相比于AVSG控制，在自适应控制下母线电压初始波动剧烈，但是时间非常短。在电压变化中期自适应控制下，母线电压斜率小于本文确定的最优固定值虚拟惯量控制。在电压即将恢复时，AVSG控制下的母线电压有轻微振荡，而自适应控制可以抑制振荡，保证系统稳定性。采用AVSG固定参数控制和本文所提控制的调节时间分别为0.61 s、0.47 s。

图13(a)为系统受到光照扰动时母线电压的变化情况。系统工作于下垂控制、AVSG及虚拟惯量阻尼系数自适应控制时超调量分别为3.2 V、2.84 V、2.81 V；其恢复时间分别为0.7 s、0.6 s、0.28 s。在图13(b)负载扰动中，三种控制下的超调量分别为4.25 V、3.92 V、3.9 V；调节时间为0.8 s、0.65 s、0.4 s。虚拟惯量和阻尼系数自适应控制不仅能为系统提供有效的惯性支撑，降低超调量，还能加速电压恢复，缩短调节时间。

图12 不同控制方法对直流母线动态响应的影响

图13 不同控制方法对干扰的抑制作用

图14 虚拟惯量和阻尼系数的波动情况

为了进一步验证理论分析和仿真结果的正确性，本文搭建了基于RT-LAB的半实物实验平台，系统各参数与Matlab/Simulink仿真参数一致，如表3所示。

图15 半实物实验平台

图16 不同控制方式下电压对比半实物实验结果

综上可知，相对于固定虚拟惯量和阻尼系数，虚拟惯量和阻尼系数的自适应控制策略不仅能减少直流母线电压偏差量，降低超调量，还能缩短电压恢复时间，改善直流母线电压的质量。

6 结论

为了解决直流微网低惯性引发的电压质量问题，本文通过与含AVSG的DC/AC逆变器类比，将AVSG应用于直流双向DC/DC换流器中，通过相关输出特性分析，提出一种虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略。通过理论分析与实验验证得出下列结论。

1) 通过构建虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略，有效解决了直流微网的低惯量以及电压偏差问题，提高了电压质量。同时该自适应控制策略为系统提供了自适应的惯性支撑，使直流母线电压拥有更好的动态特性。

2) 通过阻抗比分析得到虚拟惯量和虚拟阻尼系数变化对双向DC/DC提供惯性支撑的能力以及系统稳定性的影响，理论上证明了自适应虚拟惯量和阻尼系数控制对系统的稳定性支撑。

3) 自适应虚拟惯量和阻尼系数控制策略能够改善直流母线电压临近参考电压的振荡特性，解决虚拟惯性和虚拟阻尼系数控制的矛盾，提升系统运行稳定性。

4) 本文仅针对在直流微网中，单个储能单元的双向DC/DC变换器进行虚拟惯量和阻尼系数的自适应控制，未考虑存在多储能变换器的协调控制，这是本文的不足之处，也是下一步的研究方向。

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A self-adaptive control strategy of virtual inertia and a damping coefficient for bidirectional DC-DC converters in a DC microgrid

ZENG Guohui1, LIAO Hongfei1, ZHAO Jinbin2, ZHU Xiangchen1

(1. Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China; 2. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200082, China)

In a DC microgrid system with high penetration of new energy, the proportion of power electronic devices continues to increase. This leads to the problem of low inertia in the system and reduces the stability of the system. Therefore, an improved adaptive control strategy of virtual inertia and a damping coefficient is proposed. This method analyzes the relationship between load disturbance and output voltage disturbance in the DC microgrid system under the control of virtual inertia and damping coefficient by analogy to the virtual DC generator control of the inverter of the AC system, and introduces an adaptive control strategy into virtual inertia and the damping coefficient. By establishing a small signal model, using the system output impedance combined with the impedance ratio criterion, the range and boundary of the virtual inertia and damping coefficient are given, and the effect of system inertia change and bus voltage response under the adaptive selection of virtual inertia and damping coefficient is analyzed. The strategy increases the inertia of the DC microgrid system and improves the dynamic response of the DC bus. Finally, Matlab/Simulink simulation and RT-LAB hardware in a loop experiment verify the effectiveness of the proposed control strategy.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52177184).

DC microgrid; virtual inertia; damping coefficient; adaptive control strategy

10.19783/j.cnki.pspc.210815

国家自然科学基金项目资助(52177184)

2021-07-02；

2021-09-26

曾国辉(1975—)，男，副教授，研究方向为直流微网控制技术；E-mail: zenggh@sues.edu.cn

赵晋斌(1972—)，男，通信作者，教授，博导，研究方向为电力电子电路智能化模块化控制及新能源发电技术。E-mail: zhaojinbin@shiep.edu.cn

(编辑 许 威)