CN104201665A - 一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，包括以下步骤：负荷侧电压调节；虚拟直流发电机控制；电枢电流跟踪控制。本发明提供的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，可应用于DC/DC变换器的控制，在负荷发生变化母线电压发生扰动电压跌落时，主动降低负荷从母线吸收的功率，有效支撑母线电压恢复和维持电压稳定；稳定负荷侧电压至其额定值；电压恢复过程是一个缓和的震荡过程。

Description

一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法。

背景技术

近年来，既可为区域内负荷提供冷热电联供，也可与电网并联运行的小型电网即微网日益受到关注。其中由微电源、电力电子接口、储能及负荷组成的以直流方式传输的微电网就是直流微电网。直流微电网不需要考虑交流特有的频率及无功功率等问题，且给负载供电时由于不存在三相不平衡所导致的一系列问题及谐波等影响，其供电质量更高。正因为没有交流配电网所特有的问题，直流母线电压及直流母线上有功功率的平衡与否就成为了判断系统是否稳定运行的重要标准。一旦母线电压发生扰动时，如何稳定负荷侧电压不受影响，支持母线电压恢复，减小电压跌落带来的冲击是直流微网稳定运行的关键。

负荷用直流变换器连接负荷与直流母线，是直流微网中的电能馈送环节，其控制方式尤为重要。直流电压稳定能够反应系统功率是否平衡，直流母线稳定的鲁棒程度是反应直流微网系统稳定性的重要指标，当挂载在母线电压上的设备投入或切除时，直流母线电压会产生小范围的波动和突变，目前采用的前馈加反馈控制策略只能消除直流母线电压波动对输出负载的影响。但无法在母线扰动时控制母线功率取用，支持母线电压恢复。因此亟需研究柔性的、鲁棒的DC/DC变换器控制方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，可应用于DC/DC变换器的控制，在负荷发生变化母线电压发生扰动电压跌落时，主动降低负荷从母线吸收的功率，有效支撑母线电压恢复和维持电压稳定；稳定负荷侧电压至其额定值；电压恢复过程是一个缓和的震荡过程。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：负荷侧电压调节；

步骤2：虚拟直流发电机控制；

步骤3：电枢电流跟踪控制。

所述步骤1的负荷侧电压调节中，虚拟直流发电机的机械功率P_m可表示为：

$P_m=P_{\mathrm{ref}}+U_{2\mathrm{ref}}[k_p(U_2-U_{2\mathrm{ref}})+\frac{k_p}{T_i}\∫(U_2-U_{2\mathrm{ref}})d(U_2-U_{2\mathrm{ref}})]$

其中，k_p为比例系数，T_i为积分时间常数。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：确定虚拟直流发电机的机械方程和电枢方程；

步骤2-2：通过虚拟直流发电机控制得到直流变换器直流侧电枢电流参考值。

所述步骤2-1中，虚拟直流发电机为电气设备，由机械部分和电气部分组成。

虚拟直流发电机的机械部分对应的机械方程表示为：

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)$

其中，J为转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际角速度；ω₀为额定角速度，T_e为电磁转矩，T_m为机械转矩，表示为：

T_m＝P_m/ω₀＝EI/ω

其中，E为电枢电动势，I为电枢电流。

虚拟直流发电机的电气部分对应的电枢方程表示为：

其中，E为电枢电动势，I为电枢电流，C_T为转矩系数，为磁通，ω为实际角速度，U为机端电压，R_a为电枢的等效电阻。

所述步骤2-2中，机械功率P_m与额定角速度ω₀相除可得到机械转矩T_m，通过机械方程可以得到实际角速度ω，有：

$\mathrm{\ω}=\frac{T_m-T_e-J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}}{D}+{\mathrm{\ω}}_0$

通过电枢方程可得到直流变换器直流侧电枢电流参考值，用I_ref表示，有：

I_ref＝E/R_a

其中，R_a为电枢的等效电阻，E为电枢电动势。

所述步骤3中，直流变换器直流侧电枢电流参考值I_ref通过PI控制器和PWM发生器，产生控制直流变换器的PWM信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，变换器在负荷发生变化时，能够可主动降低负荷从母线吸收的功率，有效支撑母线电压恢复和维持电压稳定；当母线电压发生扰动电压跌落时负荷侧电压能稳定至额定值，且电压恢复过程是一个缓和的震荡过程。虚拟直流发电机控制方法是一种鲁棒的、柔性的直流变换器控制方法，该控制系统可维持直流微电网负荷电压在额定值不变，保证了直流微电网负荷的稳定运行，且负荷电压在受到扰动恢复至稳定值的过程中不会产生电压冲击影响负荷运行。

附图说明

图1是本发明实施例中虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制原理图；

图2是本发明实施例中虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

电励磁式直流发电机主要通过其他电流流过励磁线圈产生磁通来提供发电机所需的励磁。对于电励磁式直流发电机，当发电机所带负载或转速变化时，可以通过调节发电机的励磁电流的大小来维持发电机的输出电压恒定。并且其机械转矩会为电压波动提供一个相对惯性，为其变化提供一个缓冲。正因为直流发电机这种方便调节电压及具有惯性的特点，本发明才模拟其机械特性与电磁特性来控制直流变换器使其输出电压稳定。

考虑到在直流微网中，当挂载在母线电压上的设备投入或切除时，直流母线电压会有小范围的波动和突变，采用本发明提出的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法能很好的维持负荷端电压为额定值，响应直流母线电压的扰动，提升直流母线电压的稳定能力，方案以能保证直流微电网负荷侧稳定运行为目标，通过模拟虚拟直流发电机电枢电流、转速及电磁转矩等电机状态量，能使变换器输出特性与直流发电机保持一致。

如图1，负荷用直流变换器连接直流母线与负荷，通过采集负荷侧及母线侧的电压电流经过电压电流控制器及虚拟直流发电机控制器后产生PWM波控制母线电压波动，维持负荷侧电压稳定，响应母线电压的扰动。

如图2所示的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，可以使得二端口的输出端的外特性与直流发电机相一致。所述方法包括以下步骤：

步骤1：负荷侧电压调节；

步骤2：虚拟直流发电机控制；

步骤3：电枢电流跟踪控制。

所述步骤1的负荷侧电压调节中，虚拟直流发电机的机械功率P_m可表示为：

$P_m=P_{\mathrm{ref}}+U_{2\mathrm{ref}}[k_p(U_2-U_{2\mathrm{ref}})+\frac{k_p}{T_i}\∫(U_2-U_{2\mathrm{ref}})d(U_2-U_{2\mathrm{ref}})]---\left(1\right)$

其中，k_p为比例系数，T_i为积分时间常数。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：确定虚拟直流发电机的机械方程和电枢方程；

步骤2-2：通过虚拟直流发电机控制得到直流变换器直流侧电枢电流参考值。

所述步骤2-1中，虚拟直流发电机为电气设备，由机械部分和电气部分组成。

虚拟直流发电机的机械部分对应的机械方程表示为：

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)---\left(2\right)$

其中，J为转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际角速度；ω₀为额定角速度，T_e为电磁转矩，T_m为机械转矩，表示为：

T_m＝P_m/ω₀＝EI/ω  (3)

其中，E为电枢电动势，I为电枢电流。

由式(2)、(3)可知，虚拟直流发电机的虚拟电磁转矩相直流母线电压提供的虚拟机械转矩而言是制动性质的。当功率平衡时，母线电压上没有功率交换能够维持电压稳定，而直流变换器与母线电压产生功率交换时将导致感应电势以及电枢端电压的变化，即负荷端电压的变化。且其机械转矩能提供一个惯量能使得直流变换器与母线柔性结合，为母线电压的波动提供一个缓冲。

虚拟直流发电机的电气部分对应的电枢方程表示为：

其中，E为电枢电动势，I为电枢电流，C_T为转矩系数，为磁通，ω为实际角速度，U为机端电压，R_a为电枢的等效电阻。

由式(4)可知，在励磁电流一定时，感应电动势与角速度成正比，本发明根据虚拟直流发电机的机械方程来调节实际角速度，由此来调节感应电势E，保持感应电动势稳定，从而保证输出端电压不变，即维持负荷端电压保持平衡。

所述步骤2-2中，虚拟直流发电机控制部分中，根据直流发电机的机械方程、电枢方程来构建模型，机械方程使其拥有与直流发电机一样的转动惯量，正是由于这存在这种惯量，母线电压在受到负荷变化影响时会产生一定的缓和震荡且电压跌落远小于一般PI控制下的Boost变换器。机械功率P_m与额定角速度ω₀相除可得到机械转矩T_m，通过机械方程可以得到实际角速度ω，有：

$\mathrm{\ω}=\frac{T_m-T_e-J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}}{D}+{\mathrm{\ω}}_0---\left(5\right)$

通过电枢方程可得到直流变换器直流侧电枢电流参考值，用I_ref表示，有：

I_ref＝E/R_a  (6)

其中，R_a为电枢的等效电阻，E为电枢电动势。

所述步骤3中，直流变换器直流侧电枢电流参考值I_ref通过PI(proportion integration)控制器和PWM(pulse width modulation)发生器，产生控制直流变换器的PWM信号。

虚拟直流发电机控制策略可在母线电压发生扰动时下计算出与当前情况下适宜稳定负荷侧电压的运行点，通过调整输出转矩来调节角速度进而控制电枢电压的输出，在虚拟直流电机所特有的惯性下经过一个震荡缓冲过程维持负荷侧电压在其额定值。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：负荷侧电压调节；

步骤2：虚拟直流发电机控制；

步骤3：电枢电流跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：所述步骤1的负荷侧电压调节中，虚拟直流发电机的机械功率P_m可表示为：

$P_m=P_{\mathrm{ref}}+U_{2\mathrm{ref}}[k_p(U_2-U_{2\mathrm{ref}})+\frac{k_p}{T_i}\∫(U_2-U_{2\mathrm{ref}})d(U_2-U_{2\mathrm{ref}})]$

其中，k_p为比例系数，T_i为积分时间常数。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：确定虚拟直流发电机的机械方程和电枢方程；

步骤2-2：通过虚拟直流发电机控制得到直流变换器直流侧电枢电流参考值。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：所述步骤2-1中，虚拟直流发电机为电气设备，由机械部分和电气部分组成。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：虚拟直流发电机的机械部分对应的机械方程表示为：

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)$

其中，J为转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际角速度；ω₀为额定角速度，T_e为电磁转矩，T_m为机械转矩，表示为：

T_m＝P_m/ω₀＝EI/ω

其中，E为电枢电动势，I为电枢电流。

6.根据权利要求4所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：虚拟直流发电机的电气部分对应的电枢方程表示为：

其中，E为电枢电动势，I为电枢电流，C_T为转矩系数，为磁通，ω为实际角速度，U为机端电压，R_a为电枢的等效电阻。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：所述步骤2-2中，机械功率P_m与额定角速度ω₀相除可得到机械转矩T_m，通过机械方程可以得到实际角速度ω，有：

$\mathrm{\ω}=\frac{T_m-T_e-J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}}{D}+{\mathrm{\ω}}_0$

通过电枢方程可得到直流变换器直流侧电枢电流参考值，用I_ref表示，有：

I_ref＝E/R_a

其中，R_a为电枢的等效电阻，E为电枢电动势。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟直流发电机的负荷用直流变换器控制方法，其特征在于：所述步骤3中，直流变换器直流侧电枢电流参考值I_ref通过PI控制器和PWM发生器，产生控制直流变换器的PWM信号。