基于JD自适应的虚拟直流发电机控制方法及系统与流程
本发明涉及一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制方法及系统，属于直流微网dc/dc变换器控制技术领域。
背景技术：
为了解决直流微网惯性低的问题，提出了虚拟直流发电机控制方法。目前对于虚拟直流发电机控制方法的研究多应用恒定的惯量阻尼参数，未能体现出虚拟参数灵活可调的优点。虽然在实际直流发电机中通常采用恒定的惯量阻尼参数，但在研究新的控制方法时可以根据系统运行情况对虚拟参数进行调整，从而获得比恒定参数更好的动态性能。
目前已有的j/d(惯量与阻尼参数)自适应虚拟直流发电机控制方法通过引入母线电压变化率对惯量参数进行实时调整，并通过设定阈值改变阻尼参数的大小。
但是现有j/d自适应虚拟直流发电机控制方法并未考虑母线电压偏差增大对提高系统惯性的需求，且未能很好的利用阻尼提高母线电压的恢复速度。
技术实现要素：
针对以上方法存在的不足，本发明提出了一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制方法及系统，其能够抑制母线电压波动，提高母线电压恢复速度。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
一方面，本发明实施例提供的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制方法，包括以下步骤：
s1，设定储能系统母线电压参考值uref，并检测母线电压数值与双向dc/dc变换器输出电流idc；
s2，计算功率发生波动时的母线电压变化率和母线电压偏差率；
s3，根据母线电压变化率与母线电压偏差率计算系统运行状态实时的转动惯量j与阻尼系数d；
s4，根据转动惯量j与阻尼系数d计算直流发电机的实际角速度；
s5，根据直流发电机的实际角速度计算电枢电流；
s6，根据电枢电流和双向dc/dc变换器输出电流对双向dc/dc变换器进行pwm控制。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述母线电压变化率为
作为本实施例一种可能的实现方式，所述转动惯量j与阻尼系数d的计算公式分别为：
式中，j0为稳态时转动惯量的取值；a为惯量调节系数；b为电压调节系数；d'为自适应阻尼系数；d0为稳态时阻尼系数的取值；δd为阻尼变化时的变化量；umax与umin分别为改变阻尼系数d取值时母线电压的上下限阈值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述直流发电机的实际角速度ω的计算公式为：
式中，tm与te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩，ω0为直流发电机的额定角速度，js为转动惯量。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电枢电流ia的计算公式为：
式中，u为机端电压，ct与φ分别为转矩系数与每极磁通，ω为直流发电机的实际角速度，ra为电枢电阻。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤6具体为：
电枢电流ia为双向dc/dc变换器参考电流，与双向dc/dc变换器输出电流idc相比较，通过pwm控制输出控制信号，对双向dc/dc变换器进行控制。
另一方面，本发明实施例提供的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制系统，包括：
检测模块，用于设定储能系统母线电压参考值，并检测母线电压数值与双向dc/dc变换器输出电流；
母线电压计算模块，用于计算功率发生波动时的母线电压变化率和母线电压偏差率；
j/d计算模块，用于根据母线电压变化率与母线电压偏差率计算系统运行状态实时的转动惯量j与阻尼系数d；
实际角速度计算模块，用于根据转动惯量j与阻尼系数d计算直流发电机的实际角速度；
电枢电流计算模块，用于根据直流发电机的实际角速度计算电枢电流；
pwm控制模块，用于根据电枢电流和双向dc/dc变换器输出电流对双向dc/dc变换器进行pwm控制。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述母线电压变化率为
作为本实施例一种可能的实现方式，所述转动惯量j与阻尼系数d的计算公式分别为：
式中，j0为稳态时转动惯量的取值；a为惯量调节系数；b为电压调节系数；d'为自适应阻尼系数；d0为稳态时阻尼系数的取值；δd为阻尼变化时的变化量；umax与umin分别为改变阻尼系数d取值时母线电压的上下限阈值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述直流发电机的实际角速度ω的计算公式为：
式中，tm与te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩，ω0为直流发电机的额定角速度，js为转动惯量。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电枢电流ia的计算公式为：
式中，u为机端电压，ct与φ分别为转矩系数与每极磁通，ω为直流发电机的实际角速度，ra为电枢电阻。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述pwm控制模块具体用于：
将检测双向dc/dc变换器的输出电流ia作为双向dc/dc变换器参考电流，与双向dc/dc变换器输出电流idc相比较，通过pwm控制输出控制信号，对双向dc/dc变换器进行控制。
本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：
本发明在已有虚拟直流发电机控制方法的基础上，结合虚拟参数灵活可调的优点，提出了一种应用于储能系统双向dc/dc变换器上的惯量阻尼自适应虚拟直流发电机控制方法，能够根据系统运行情况改变惯量阻尼参数，减少了系统功率波动时母线电压波动的速度与幅值，提高了微网运行的稳定性。
本发明考虑电压变化率对惯量的影响，对于惯量参数j的自适应，引入了电压偏差率
附图说明：
图1是一种直流微网受扰动时母线电压波动曲线示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制方法的流程图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
直流发电机是直流系统中最重要的电气设备，包括机械与电气两部分。对虚拟直流发电机的控制方法是通过模拟直流发电机的机械方程与电枢方程，从而达到使储能单元dc/dc直流变换器拥有与直流发电机输出特性相似的外特性的目的。虚拟直流发电机数学模型如式(1)到式(4)所示。
机械方程：
式中，j为转动惯量；d为阻尼系数；tm与te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩；ω与ω0分别为直流发电机的实际角速度与额定角速度；pe为电磁功率。
电枢方程：
e＝u-raia(3)
e＝ctφω(4)
式中，e为感应电动势；u为机端电压；ia为电枢电流；ra为电枢电阻；ct与φ分别为转矩系数与每极磁通。
随着接入直流微网中分布式电源的输出功率波动或是负载消耗功率的变化，储能系统可根据功率缺额改变自身的输出功率，维持系统的功率平衡。虚拟直流发电机控制方法对于双向dc/dc变换器的控制体现在当系统发生功率波动，出现机械功率与电磁功率间的不平衡功率时，由于惯性与阻尼的存在，能够通过控制方法平滑地调节储能系统的有功输出功率，从而为直流微网系统增加惯性，体现为抑制直流母线电压的突变。
根据虚拟直流发电机控制原理，首先分析转动惯量j在机械方程中的作用，将机械方程变化为如式(5)所示。
式(5)表明，转动惯量j与虚拟直流发电机的角速度变化率成反比。在相同的功率波动下，增大j能够减小角速度的变化率，进而减缓直流母线电压的变化。
再分析阻尼系数d在机械方程中的作用，将机械方程变化为如式(6)所示。
式(6)表明，阻尼系数d与角速度偏差成反比。当系统处于电压波动时，增大d可以降低角速度变化率，增大系统惯性；当系统处于稳态时，增大d可以减小角速度偏差值，减小电压偏差。
通常，直流微网在运行时，期望其母线电压拥有较强的鲁棒性，即在母线电压变化时减小其变化的速度和幅值；在母线电压恢复时缩短其电压恢复时间。使母线电压的变化更加平滑。当直流微网功率波动时，母线电压随时间的变化曲线如图3所示，大致可分为①～④四个阶段。
第①阶段为母线电压跌落阶段，此时△u<0，du/dt<0，为减小电压跌落的幅值，应增大系统惯性，以阻碍电压下降。
第②阶段为母线电压恢复阶段，此时△u<0，du/dt>0，为加快母线电压恢复速度，应减小系统惯性，以缩短母线电压恢复时间。
第③阶段为母线电压超调阶段，此时△u>0，du/dt>0，为减小母线电压超调，应增大系统惯性，以阻碍电压上升。
第④阶段为母线电压恢复阶段，此时△u>0，du/dt<0，为加快母线电压恢复速度，应减小系统惯性，以缩短母线电压恢复时间。
综合上述分析可知，当系统出现扰动时，增大转动惯量j与阻尼系数d可以增大系统惯性，减缓母线电压的变化速度；减小转动惯量j与阻尼系数d可以减小系统惯性，提高母线电压恢复速度。转动惯量j与阻尼系数d在母线电压波动不同阶段的变化需求如表1所示。
表1：不同母线电压波动阶段下j/d变化情况
在直流微网中，母线电压稳定是判断微网稳定运行的唯一标准，减小母线电压的波动程度有利于维持微网的安全稳定运行。因此，在考虑到母线电压变化率对惯性影响的同时，也应考虑到母线电压偏差对系统惯性的需求。随着母线电压偏差增大，应提高系统惯性以阻碍母线电压进一步变化，从而维持电压波动幅度在允许范围内。
据此，在考虑电压变化率对惯量影响的基础上，对于j的自适应，引入电压偏差率
本文结合虚拟参数灵活可调的优点，根据表1所示不同母线电压波动阶段下j/d变化情况，提出了一种基于j/d自适应的控制方法，j、d的计算如式(7)、式(8)所示。
式中，j0为稳态时转动惯量的取值；a为惯量调节系数；b为电压调节系数；d'为自适应阻尼系数；d0为稳态时阻尼系数的取值；δd为阻尼变化时的变化量；umax与umin分别为改变d取值的母线电压上下限阈值。
当母线电压发生波动时，需要考虑以下几个问题：
在如图1所示阶段①与阶段③时，能够增大系统惯性，减小母线电压变化率与变化幅值。
在如图1所示阶段②与阶段④时，能够减小系统惯性，提高母线电压恢复速度。
当母线电压变化率增大时，能够提高系统惯性，抑制母线电压的变化。
当母线电压偏差增大时，在阶段①与阶段③能够进一步提高系统惯性，抑制母线电压的进一步变化；在阶段②与阶段④进一步减小系统惯性，提高母线电压恢复速度。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制方法的流程图。如图2所述，本发明实施例提供的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制方法，包括以下步骤：
s1，设定储能系统母线电压参考值uref，并检测母线电压数值与双向dc/dc变换器输出电流idc；
s2，计算功率发生波动时的母线电压变化率和母线电压偏差率；
s3，根据母线电压变化率与母线电压偏差率计算系统运行状态实时的转动惯量j与阻尼系数d；
s4，根据转动惯量j与阻尼系数d计算直流发电机的实际角速度；
s5，根据直流发电机的实际角速度计算电枢电流；
s6，根据电枢电流和双向dc/dc变换器输出电流对双向dc/dc变换器进行pwm控制。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述母线电压变化率为
作为本实施例一种可能的实现方式，所述转动惯量j与阻尼系数d的计算公式分别为：
式中，j0为稳态时转动惯量的取值；a为惯量调节系数；b为电压调节系数；d'为自适应阻尼系数；d0为稳态时阻尼系数的取值；δd为阻尼变化时的变化量；umax与umin分别为改变阻尼系数d取值时母线电压的上下限阈值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述直流发电机的实际角速度ω的计算公式为：
式中，tm与te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩，ω0为直流发电机的额定角速度，js为转动惯量。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电枢电流ia的计算公式为：
式中，u为机端电压，ct与φ分别为转矩系数与每极磁通，ω为直流发电机的实际角速度，ra为电枢电阻。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤6具体为：
电枢电流ia为双向dc/dc变换器参考电流，与双向dc/dc变换器输出电流idc相比较，通过pwm控制输出控制信号，对双向dc/dc变换器进行控制。
图3是根据一示例性实施例示出的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制系统框图。如图3所示，本发明实施例提供的一种基于jd自适应的虚拟直流发电机控制系统，包括：
检测模块，用于设定储能系统母线电压参考值，并检测母线电压数值与双向dc/dc变换器输出电流；
母线电压计算模块，用于计算功率发生波动时的母线电压变化率和母线电压偏差率；
j/d计算模块，用于根据母线电压变化率与母线电压偏差率计算系统运行状态实时的转动惯量j与阻尼系数d；
实际角速度计算模块，用于根据转动惯量j与阻尼系数d计算直流发电机的实际角速度；
电枢电流计算模块，用于根据直流发电机的实际角速度计算电枢电流；
pwm控制模块，用于根据电枢电流和双向dc/dc变换器输出电流对双向dc/dc变换器进行pwm控制。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述母线电压变化率为
作为本实施例一种可能的实现方式，所述转动惯量j与阻尼系数d的计算公式分别为：
式中，j0为稳态时转动惯量的取值；a为惯量调节系数；b为电压调节系数；d'为自适应阻尼系数；d0为稳态时阻尼系数的取值；δd为阻尼变化时的变化量；umax与umin分别为改变阻尼系数d取值时母线电压的上下限阈值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述直流发电机的实际角速度ω的计算公式为：
式中，tm与te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩，ω0为直流发电机的额定角速度，js为转动惯量。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电枢电流ia的计算公式为：
式中，u为机端电压，ct与φ分别为转矩系数与每极磁通，ω为直流发电机的实际角速度，ra为电枢电阻。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述pwm控制模块具体用于：
将检测双向dc/dc变换器的输出电流ia作为双向dc/dc变换器参考电流，与双向dc/dc变换器输出电流idc相比较，通过pwm控制输出控制信号，对双向dc/dc变换器进行控制。
针对当母线电压发生波动时需要考虑的问题，本发明主要包含以下几个部分：
引入母线电压变化率
引入惯量调节系数a，通过改变a的大小可以改变母线电压变化率对系统惯性调节的影响程度。
引入母线电压偏差率
引入电压调节系数b，通过改变b的大小可以改变母线电压幅值偏差对系统惯性调节的影响程度。
引入阻尼参数变化量δd与母线电压上下限阈值，越限时可根据δd改变阻尼参数d的大小。
引入方向判别部分
本发明基于jd自适应的虚拟直流发电机控制的具体实现过程如下：
1、设定系统母线电压参考值uref。检测系统中母线电压数值与双向dc/dc变换器输出电流idc。针对式(7)，式(8)所示自适应控制方法，输入稳态时转动惯量取值j0与稳态时阻尼系数取值d0，根据需求设定惯量调节系数a、电压调节系数b与暂态时阻尼系数变化量δd。
2、当系统功率发生波动时，通过对母线电压进行微分得到母线电压变化率
3、将实时检测得到的母线电压变化率与母线电压偏差率代入式(7)与式(8)，通过计算得到根据系统运行状态实时更新的转动惯量j与阻尼系数d。至此为j、d自适应控制方法的实现过程。
4、将转动惯量j与阻尼系数d代入式(1)～(4)所示虚拟直流发电机控制策略中。
5、储能单元承担功率即为虚拟直流控制策略的机械功率pm。pm与额定角速度ω0相除即可得到机械转矩tm，tm通过虚拟直流发电机控制方法的机械方程可得到实际角速度ω，此部分内容如式
6、计算得到的实际角速度ω通过虚拟直流发电机控制策略的电枢方程即可得到电枢电流ia，此部分内容如式
7、通过虚拟直流发电机控制方法计算得到的电枢电流ia即为控制方法输出的双向dc/dc变换器参考电流，与双向dc/dc变换器输出电流idc相比较通过pwm控制即可输出控制信号作用于双向dc/dc变换器上，至此完成整个j/d自适应虚拟直流发电机控制过程。
本发明引入了母线电压偏差率作为转动惯量的调节因素，使惯量的调节能够反应母线电压幅值的变化。随着母线电压偏差增大，提高系统惯性以阻碍母线电压进一步变化，从而维持电压波动幅度在允许范围内。本发明引入了电压调节系数，通过改变系数能够改变母线电压幅值偏差对系统惯性调节的影响程度。本发明在自适应阻尼系数中增加了方向判别部分，使其能够根据母线电压波动不同阶段的需求增大或减小。
本申请实施例所提供的应用程序的启动装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本申请实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请提供的实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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