基于虚拟直流电机的隔离型三端口直流变换器控制策略研究

兰婉悦,孙道友，葛 星,汪轶凡，朱文苗,王 宁，刘世林

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

随着可再生新型能源的渗透率不断提高，直流微网因具有供电可靠性高、成本低、无频率和功角稳定性等优点[1-2]，逐渐取代交流电网成为消纳大量新型能源的有效途径。然而，传统的直流微网是低惯性、低阻尼的系统，微网中发电侧的新型能源的功率变化以及用户侧的负载投切均会导致直流电压的波动，甚至会影响直流微网的稳定运行[3]。因此，提升直流微网的支撑抗干扰能力，抑制直流母线电压波动具有重要意义。

为提升直流微网的惯性及阻尼，解决直流微网直流电压波动的问题，部分学者提出了虚拟直流电机控制的概念[4-8]。文献[4]通过与虚拟交流同步发电机策略相类比，针对直流变换器提出了可以改善惯性和阻尼的虚拟直流发电机技术，详细推导了直流发电机控制策略的数学模型，并搭建了相应的控制模型。文献[5]将虚拟直流电机控制与光伏发电结合起来，从而提高光伏系统的稳定性和抗扰性。此外，针对光储领域，文献[6]在含光储的微电网中引入虚拟直流电机控制，并且通过小信号模型分析控制参数对稳定性的影响。文献[7]针对含储能的应用场景，根据储能的剩余容量，灵活调节虚拟直流电机中的惯性系数及阻尼系数，在保证系统具有一定惯性的基础上，充分考虑了储能的调节能力。进一步在交流混合应用场景中，文献[8]提出应用于交直流混合电网中的能量路由器，能量路由器中交流端口采用虚拟交流同步电机控制，直流端口采用虚拟直流电机控制，使得交流端口及直流端口均具有电机特性，增强了系统的惯性和阻尼。

然而以上文献的研究对象均是针对两端口变换器，在直流电网日益复杂的功率流下，三端或多端口因其结构紧凑、成本低、功率密度高，在解决复杂功率流方面更有优势[9]。因此，本文以隔离型三端口直流变换器为研究对象。针对变换器的调制策略，文献[10]采用传统的单移相调制策略，建立了隔离型三端口直流变换器的数学模型，并且采用对角矩阵的解耦算法。为提升系统效率，文献[11]将三移相调制策略应用于隔离型三端口直流变换器，在整个功率传输范围内，所有开关管均可实现软开关，提升了变换器效率，缺点是控制较为复杂。针对变换器控制策略，除了传统的PI控制策略外[10]，文献[12]建立了三端口直流变换器的离散迭代模型，以输出电压与额定电压差作为目标函数的组成部分，采用模型预测控制，在每个开关周期内对目标函数寻优，该控制策略具有良好的动态特性，但是控制较为复杂，同时对控制器的算力有较高的要求。

由于本文重点研究如何提升直流微网的供电质量，因此对于隔离型三端口直流变换器所采用的调制策略是单移相调制策略，控制方式是传统的PI控制方法。在此基础上，通过引入虚拟直流电机控制策略，提升直流微网的惯性及阻尼特性，抑制直流母线电压波动，提高电能质量。

1 隔离型三端口直流变换器

1.1 隔离型三端口直流变换器拓扑

隔离型三端口直流变换器的拓扑如图1所示。3个端口均采用全桥电路结构，3个全桥电路通过中频或高频变压器连接。同时，由于变压器具有电气隔离的作用，隔离型三端口全桥变换器可以运行在功率等级或电压等级较大的场景，通过调节匝数比得到相应的电压等级。变换器的端口A、B、C分别连接直流母线、超级电容和蓄电池。能量可以在3个端口间实现双向流动。LA、LB及LC表示变压器漏感及端口线路等效电感之和，在运行过程中可以与MOSFET结电容形成谐振，易于实现软开关，因此，变换器效率较高，调制策略采用传统的单移相调制策略[10]，在此不再赘述。

图1 隔离型三端口直流变换器拓扑

1.2 直流变换器的功率特性

隔离型三端口直流变换器的等效电路如图2所示。一个三绕组的变压器可以等效为两个理想的双绕组变压器，变比分别为1∶n1以及1∶n2，通过变比可以将二次侧与三次侧的电感归算到一次侧，将电感通过星角变换公式进行等效变换得到LAB、LBC及LCA[10]。

图2 变换器Δ型等效电路

在等效电路中，三端口变换器的任意两个端口都可以看成是一个两端口的直流变换器，根据两端口直流变换器的公式[10]，得到端口B的功率表达式：

(1)

同理可以得到端口A的功率表达式：

(2)

再根据端口电压与电流的关系，可以得到两个端口的电流表达式：

(3)

(4)

2 虚拟直流电机控制策略

虚拟直流电机控制策略的主要目的是通过引入控制模型，使得隔离型三端口变换器这一物理模型具有直流电机的外特性，从而提升系统的惯性及阻尼，能够有效地增加直流微网的抗干扰能力，控制示意图如图3所示。

图3 虚拟直流电机控制策略示意图

直流电机外特性是根据直流电机的工作原理及结构共同得到的[13]，其特征方程可以由直流电机的机械转动方程以及电枢回路的电动势平衡方程来描述。本文通过控制模型来实现两个特征方程，其中直流电机的摆动方程如式(5)所示:

(5)

式中,ξ为阻尼；ω0为角速度额定值；Tm、Te分别为机械转矩和电磁转矩；H为惯性时间常数。

再根据电机学中转矩与功率的关系，式(5)可以表示为

(6)

进一步，直流电机的电磁功率Pe实际上是电枢电动势E和电枢电流I的乘积，表达式如式(7)所示:

Pe=EI,

(7)

直流电机的电枢回路特征方程如式(8)所示:

E=U+IRa，

(8)

式中，E为电枢电动势；Ra为电枢阻抗。

根据直流电机特性，电枢电动势还可以表示为

E=CTφω,

(9)

式中，φ为磁通；CT为转矩系数。

在直流微网系统中，传统方法中稳定直流电压需要直流电容Cdc来维持，而受到成本及动态调节能力的限制，仅凭直流电容不能完全抑制系统内的功率波动，直流电容特性方程为

(10)

结合式(6)及式(10)，可以将直流微网中电压与电机的机械角速度等效，因此，图4中的ω表示母线电压，反馈值为udc；ω0为母线电压，额定值为Uref。

由图3还可以看出，三端口直流变换器在直流微网中起到稳定直流电压的作用，其余端口根据直流母线功率缺额进行消纳或释放。因此，传统的三端口直流变换器的控制过程外环是电压环用于稳定直流母线电压，产生的指令电流可以根据其余端口储能的特性如能量、功率密度等进行分配，常见的有剩余SOC或者带宽。对于直流电机而言，由于摆动方程(6)是功率方程，而三端口直流变换器的作用是维持母线电压，因此最外环仍然是直流电压环，内环是功率环，即直流电压环产生的指令为功率指令。由摆动方程及电枢回路特性方程最终可以得到电流指令，由剩余SOC的大小对电流指令再进行分配，最终可以得到如图4所示的控制框图。

图4 虚拟直流电机控制策略控制框图

3 仿真验证

为了验证本文所提控制策略的有效性，在MATLAB仿真平台上搭建了多端口直流微网仿真模型如图5所示。直流微网主要由光伏、超级电容、蓄电池以及直流负载组成，其中光伏工作在MPPT模式下，直流微网各部分仿真参数如表1所示。

图5 直流微网仿真平台示意图

表1 直流微网各单元仿真参数

参数数值直流母线额定电压400V超级电容额定电压80V蓄电池额定电压100V漏感La35μH漏感Lb17μH漏感Lc8μH

仿真工况：光伏工作在MPPT条件下，光照强度变化同时负荷侧负载切换，其中光照强度变化过程如下：0～1.5 s，光照为840 W/m2；1.5～2.5 s，光照为545 W/m2；2.5～3 s，光照为720 W/m2。0～0.5 s直流负载功率为6.5 kW；0.5～1.5 s，直流负载功率为8.0 kW；1.5～2.5 s,直流负载功率为5.0 kW；2.5～3 s,直流负载功率为8.0 kW。

直流微网在两种控制策略下的仿真波形如图6所示。图6a是直流微网的直流电压波形，当系统中的负载发生切换或光伏出力波动时，直流电压会产生波动。采用虚拟直流电机控制策略，母线电压的波动幅值明显小于传统控制策略，从而增加了系统的稳定性，提升直流系统的供电质量。此外，图6b是直流系统中的光伏出力波形，图6c、图6d是蓄电池及超级电容出力波形。在发生扰动时，与传统控制相比，在虚拟直流电机控制策略下，蓄电池及超级电容出力均体现了惯性滞后的特点，因为将直流电机特性方程应用在直流系统的控制中，具备了直流电机的惯性特性，符合前文的理论分析。

图6 两种策略下直流微网各部分仿真波形

4 结论

本文通过对隔离型三端口直流变换器提出了虚拟直流电机控制策略，使得隔离型三端口直流变换器具有直流电机的惯性及阻尼特性。首先,分析隔离型三端口直流变换器的工作原理，建立了变换器的数学模型。之后，通过分析虚拟直流电机的控制原理，搭建了基于虚拟直流电机的三端口直流变换器的控制框图，并引入了解耦算法进一步提升了系统的动态特性。通过3种工况的对比仿真表明，当直流母线电压因负载切换或系统中可再生能源功率变化时，该控制策略能够有效抑制直流电压的波动，缓解瞬时功率的冲击，提升电压质量，验证了本文所提控制策略的有效性。