用于储能侧双向DC/DC变换器的虚拟直流机控制策略

用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制策略
技术领域
1.本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制策略。


背景技术：

2.随着可再生能源发电技术的飞速发展，直流微电网目前被认为是整合分布式可再生能源发电的最有效方式，同时电力系统对电能质量和整体效率的要求不断提高，直流微电网已经得到了越来越多的重视，直流微电网无需考虑频率、相位和无功等因素，控制简单，已成为当前研究热点之一。
3.直流微电网系统由光伏、风电等分布式电源、储能装置、交直流负荷组成，各自均通过电力电子变换器接入直流母线。由于分布式电源随着自身环境的变化其输出功率具有间歇性、波动性，负荷也是在不断波动的，特别是负荷波动更具明显的随机性。同时，与传统大电网相比，直流微电网没有旋转电机等惯性设备，所采用的下垂控制策中下垂特性也并不提供惯性支持，无法对功率偏差造成的电压波动进行有效的惯性响应，电源与负荷之间暂时的功率差额容易造成直流母线电压明显的波动。因此需要对直流微电网采取有效措施以保证其母线电压的稳定。
4.传统虚拟惯性的研究主要应用于交流微电网中逆变器控制方面，控制策略都较为复杂，对硬件要求较高。因此提出模拟直流电机高阻尼、大惯性特点的虚拟直流电机控制策略，通过模拟直流电机转子对功率波动的惯性响应过程，提升直流微网光储变换器的阻尼及惯性，能够有效抑制直流母线电压波动，增强直流母线电压动态稳定性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制策略，可有效提升直流微电网的的惯性和阻尼特性，维持直流微电网稳定性运行。
6.本发明所采用的技术方案是，用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制策略，具体按照以下步骤进行：
7.步骤1、设计储能侧双向dc/dc变换器虚拟电流前馈控制；
8.步骤2、在虚拟电流前馈控制基础上引入稳压控制，建立双向dc/dc变换器虚拟机控制模型。
9.本发明的特点还在于，
10.步骤1中，具体为：
11.步骤1.1、储能侧双向dc/dc变换器电流分配方程，如式(1)所示：
12.i
dc-i
out
＝i
cap
ꢀꢀ
(1)；
13.式(1)中，i
dc
为dc/dc变换器输出的前侧电流，i
out
为dc/dc变换器流出电流，i
cap
为流过直流电容c
dc
的电流；
14.i
cap
的表达式如式(2)所示：
[0015][0016]
式(2)中，c
dc
和g
dc
分别为直流侧电容及其导纳，u
dc
和un分别为直流母线电压及其额定值；
[0017]
步骤1.2、此建立储能侧双向dc/dc变换器电流分配方程，为储能侧双向dc/dc变换器设计电流前馈控制，结合式(1)和式(2)得到式(3)：
[0018][0019]
步骤1.3、建立直流电机转动方程，如式(4)所示：
[0020][0021]
式(4)中，tm和te分别为机械转矩和电磁转矩，j为转动惯量，ω和ω0为实际角速度和额定角速度，为微分算子，d为阻尼系数；
[0022]
步骤1.4、在双向dc/dc变换器的控制策略中引入虚拟电容与虚拟阻尼，令流过c
dc
的虚拟电流为式(5)：
[0023][0024]
式(5)中，c
vir
为虚拟电容，d
vir
为虚拟阻尼，u
*dc
为直流母线电压参考值；结合式(3)与式(5)得到式(6)：
[0025][0026]
式(6)即为储能侧双向dc/dc变换器虚拟电流前馈控制。
[0027]
步骤2中，具体为：
[0028]
步骤2.1、传统u-i下垂控制表达式，如式(7)所示：
[0029]iout_ref
＝(u
n-u
dc
)
·
kdꢀꢀ
(7)；
[0030]
步骤2.2、将传统u-i下垂控制表达式修正为式(8)：
[0031][0032]
式(8)中，i
*out
为修正后的变换器输出电流参考值，k
p
和ki分别为比例系数和积分系数；
[0033]
步骤2.3、将式(8)带入式(6)得到式(9)：
[0034][0035]
展开得到式(10)，即为双向dc/dc变换器虚拟机控制模型；
[0036]
[0037]
本发明的有益效果是，相比传统u-i下垂控制，所提出的虚拟机控制策略通过类比直流电机的转矩方程，能够模拟直流电机转动特性和阻尼特性。首先引入电流前馈模型，能够在直流侧功率波动瞬间降低直流母线电压突变值，增强直流微电网惯性特性；在传统u-i下垂控制中引入积分环节，解决了传统u-i下垂控制在直流侧负载功率波动时不能够消除直流母线电压稳态误差的问题，增强直流微电网的阻尼效果。
附图说明
[0038]
图1是本发明用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制系统的控制框图；
[0039]
图2是本发明用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制系统的控制对象；
[0040]
图3是传统u-i下垂控制曲线图；
[0041]
图4是本发明用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制系统的直流微电网仿真系统架构图；
[0042]
图5是本发明所提控制模型与电压电流双闭环控制、传统u-i下垂控制下虚拟直流电机控制策略在负载波动时直流母线电压u
dc
仿真波形对比图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0044]
本发明用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流电机控制系统，如图1所示，控制对象为图2所示双向dc/dc变换器拓扑，其中，vb为蓄电池端电压，lb为变换器中的电感，rb为电阻，ib为蓄电池输出电流，i
dc
为变换器前端输出电流，i
out
为变换器输出电流，c
dc
为直流侧电容，i
cap
为流经c
dc
电流，u
dc
为直流母线电压。拓扑电路具体结构为：左侧与蓄电池相连接，中间经过同一桥臂的两个开关管进行电流方向切换(即s1开通s2关断时，能量由蓄电池流向直流侧；s2开通s1关断时，能量由直流侧流向蓄电池)，右侧变换器输出经过稳压电容c
dc
连接到直流母线；
[0045]
双向dc/dc变换器基本工作原理为，当直流母线电压u
dc
高于额定电压un时，说明系统功率过剩，此时开关管s1关闭，s2开通，蓄电池吸收直流侧过剩功率；当直流母线电压低于un时，说明系统功率不足，此时开关管s2关闭，s1开通，蓄电池为直流侧提供功率；
[0046]
图1的控制系统具体实现过程为：通过采样变换器得到变换器前端输出电流i
dc
和直流母线电压u
dc
，根据式(5)得到i
*out
，之后又依据式(6)，使其与采样得到的i
dc
电流差经过一个惯性阻尼环节输出u
*dc
，与采样得到的u
dc
作差之后经过一个piu控制器和限幅环节得到蓄电池输出电流参考值i
*b
，与采样得到的蓄电池实际输出电流ib作差后再经过一个pii控制器和限幅环节，所得输出传输给pwm脉冲信号发生器，产生脉冲信号来控制s1和s2的开通关断；
[0047]
脉宽调制(pwm)基本原理：其控制方式就是对双向dc/dc变换电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变变换电路输出电压的大小。
[0048]
本发明用于储能侧双向dc/dc变换器的虚拟直流机控制策略，具体按照以下步骤
进行：
[0049]
步骤1、设计储能侧双向dc/dc变换器虚拟电流前馈控制，具体为：
[0050]
步骤1.1、储能侧双向dc/dc变换器电流分配方程，如式(1)所示：
[0051]idc-i
out
＝i
cap
ꢀꢀ
(1)；
[0052]
式(1)中，i
dc
为dc/dc变换器输出的前侧电流，i
out
为dc/dc变换器流出电流，i
cap
为流过直流电容c
dc
的电流，直流电容通常不允许流经直流电流。因此当直流侧电压稳定时，i
cap
为0；当直流侧电压波动时，变换器需要提供或吸收功率，此刻i
cap
不再为0，表达式如式(2)所示：
[0053][0054]
式(2)中，c
dc
和g
dc
分别为直流侧电容及其导纳，u
dc
和un分别为直流母线电压及其额定值；
[0055]
步骤1.2、直流母线波动时变换器输出电流随之变化，因此建立储能侧双向dc/dc变换器电流分配方程，为储能侧双向dc/dc变换器设计电流前馈控制，结合式(1)和式(2)得到式(3)：
[0056][0057]
步骤1.3、建立直流电机转动方程，如式(4)所示：
[0058][0059]
式(4)中，tm和te分别为机械转矩和电磁转矩，j为转动惯量，ω和ω0为实际角速度和额定角速度，为微分算子，d为阻尼系数；正是由于转矩方程的存在，直流电机在运行过程中具有惯性特性和阻尼特性，在负载电流突变时能够起到缓冲作用。
[0060]
步骤1.4、对比公式(3)和公式(4)，通常直流微电网中蓄电池侧的电容量c
dc
及其导纳g
dc
为μf级，相比直流电机中转动惯量j和阻尼系数d来说通常很小，不能够为直流微电网提供惯性，需要引入额外电容与阻尼，从而提高直流微电网应对负荷突变时的抗扰能力。
[0061]
因此仿照式(4)，在双向dc/dc变换器的控制策略中引入虚拟电容与虚拟阻尼，令流过c
dc
的虚拟电流为式(5)：
[0062][0063]
式(5)中，c
vir
为虚拟电容，d
vir
为虚拟阻尼，u
*dc
为直流母线电压参考值；结合式(3)与式(5)得到式(6)：
[0064][0065]
式(6)即为储能侧双向dc/dc变换器虚拟电流前馈控制；
[0066]
步骤2、在虚拟电流前馈控制基础上引入稳压控制，建立双向dc/dc变换器虚拟机控制模型，具体为：
[0067]
步骤2.1、传统u-i下垂控制表达式，如式(7)所示：
[0068]iout_ref
＝(u
n-u
dc
)
·
kdꢀꢀ
(7)；
[0069]
式(7)中，i
out_ref
为变换器输出电流参考值，kd为下垂系数，能够得一条向下倾斜的控制曲线，如图3所示；
[0070]
步骤2.2、由图3可看出，采用传统u-i下垂控制，负载变化时，变换器输出电流i
out
会发生改变，直流母线电压偏离额定值un，其中kd相当于比例系数，直流母线电压存在稳态误差。因此为维持直流母线电压稳定，将传统u-i下垂控制表达式修正为式(8)：
[0071][0072]
式(8)中，i
*out
为修正后的变换器输出电流参考值，k
p
和ki分别为比例系数和积分系数。
[0073]
步骤2.5、将式(8)带入式(6)得到式(9)：
[0074][0075]
展开得到式(10)：
[0076][0077]
根据式(10)搭建储能双向dc/dc变换器控制框图，得到直流母线电压参考值u
*dc
，结合传统电压电流双闭环控制，进一步得到所提虚拟直流机控制模型，如图1所示。
[0078]
图3为传统u-i下垂控制曲线，图中un+δv
max
、u
n-δv
max
分别为直流母线电压的上下限，i
max
为变换器最大允许输出电流。当直流侧负载增加时，直流母线电压低于额定值un，变换器输出电流增加，蓄电池放电；负载减小时，直流母线电压高于额定值un，变换器输出电流减小，蓄电池充电。通过改变下垂系数kd来调节下垂曲线。
[0079]
图4所示为直流微电网仿真系统架构图。其中，光伏侧boost电路采用最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)控制；蓄电池侧双向dc/dc变换器采用本发明所提虚拟机控制策略。
[0080]
由以上分析，结合图1、图2和图4在matlab中搭建仿真，仿真初始状态光伏输出功率p
pv
为5000w；负载功率p
load
初始值为4920w。
[0081]
验证本发明控制策略在负载功率波动时的可行性。保持光照强度和温度不变。图5所示即为负载功率波动时的直流母线电压波形图，在仿真1.0s时负载功率由4920w变为4450w，在仿真2.0s时又由4450w变为4780w。可以看出，本发明所提控制模型与电压电流双闭环控制、传统u-i下垂控制下虚拟直流电机控制策略相比较，在负载波动瞬间能够降低直流母线电压u
dc
突变值，以及能够有效减小u
dc
恢复至稳态后的稳态误差值。