CN114362129A - 用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法，具体为：为提高直流微电网的惯性，在直流微电网储能装置的变换器中引入虚拟直流电机控制，提高直流微电网的稳定性；虚拟直流电机控制的转动惯量J是固定值，无法发挥该控制的灵活性；为在VDCM控制中加入转动惯量J的自适应控制，分析了J的变化对VDCM控制效果的影响，引入合适的隶属度函数和模糊控制规则，使J随着直流母线电压变化而自适应改变，减小直流母线电压的波动；通过对J的自适应模糊控制，在母线电压变化较大时采用较小的J，加快母线电压恢复；在母线电压变化较小时采用较大的J，提高直流微电网的稳定性。

Description

用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法

技术领域

本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法。

背景技术

随着化石能源的短缺以及环境问题的日益严峻，以新能源发电为主的分布式发电技术得到了广泛关注。相比交流微电网，直流微电网更适合大规模的新能源接入，且可以减少成本、降低损耗、提高可控性和可靠性、无频率相位等问题，其发展前景也日益广阔。

但在直流微电网中，各分布式单元均通过缺少惯性和阻尼的电力电子变换器接入公共母线，当微电网内的分布式电源发生波动，以及负载功率发生突变时，均会对直流母线电压造成较大影响，严重影响电能质量，不利于直流微电网的稳定运行。因此，通过控制技术提高直流微电网的惯性，减小母线电压的波动对直流微电网的稳定运行具有重要意义。

目前，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，如虚拟同步机(VSG)，而关于提高直流微电网动态稳定性的相关研究较少，主要集中在附加惯性控制、虚拟电容控制和虚拟直流电机控制三个方面，其中虚拟电容控制虽然能使母线电压平滑，但是其计算很繁琐，且以上方法的控制策略中的参数为恒定值，无法充分发挥直流微电网的灵活性。与传统虚拟同步机不同，虚拟直流电机控制可以通过加入模糊控制改变参数J，灵活调整直流微电网的惯性，根据负载变化的需要调整虚拟惯性大小，充分利用虚拟直流电机的灵活性，进一步提升系统控制效果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供用于直流光储变换器的虚拟惯性自适应模糊控制方法，应用于光储变换器的虚拟直流电机控制，利用了模糊控制可使参数连续变化的特点，使得虚拟惯性不会发生突变，从而提高了自适应控制的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤1，在储能装置变换器的传统双闭环PI控制中引入虚拟直流电机控制(virtual DC machine,VDCM)；

步骤2，分析负载波动时虚拟转动惯量的响应情况，找出不同电压波动下最佳的转动惯量J；

步骤3，将模糊逻辑控制引入到VDCM中，得到转动惯量自适应调节的虚拟直流电机控制(adaptive virtual DC machine,AVDCM)。

所述的步骤1，具体做法是：

步骤1.1，建立储能接口变换器的模型，并与直流电机的模型进行对比，建立虚拟直流电机模型；

储能接口的双向Buck-Boost变换器等效为一个二端口网络，前端接蓄电池储能装置，后端接直流母线；其等效的二端口网络与直流电机的等效模型相似，可模拟直流电机所具有的特性；

步骤1.2，针对直流微电网母线电压的稳定控制，以储能接口变换器为控制对象，在双闭环恒压控制中加入VDCM环节，以提升直流母线电压的动态稳定性；

其中直流电动机的机械转动方程如式(1)所示：

式中，T_e＝P_e/ω，J为转动惯量，D为阻尼系数，T_m和T_e分别为直流电机的机械转矩和电磁转矩；ω为直流电机的实际旋转角速度；ω₀为额定角速度；P_e为电磁功率；

电动势平衡方程为：

U_o＝E-R_aI_a (2)

E＝C_Tφω (3)

式中，U_o为机端电压，R_a为电枢回路等效电阻，I_a为电枢电流，E为直流电机的电枢感应电动势，C_T为转矩系数，φ为每极磁通。

直流电压U_bus在DC-DC变换器中的作用可以与直流电机的机械角速度ω在直流电机中的作用相类比，将ω与直流母线电压U_bus等效，将ω₀与直流母线电压额定值U_{bus_ref}等效，将虚拟直流电机控制应用于DC-DC变换器的控制中，使其具备直流电机的惯性与阻尼特性。

所述的步骤2，具体做法为：

建立储能双向Buck-Boost变换器小信号等效电路以及加入VDCM后的控制框图，得到加入VDCM后的小信号模型，推导出其开环传递函数为：

式中，G₁(s)为直流母线电压偏差dU_bus/dt对于电枢电动势偏差ΔE的传递函数；G₂(s)为电枢电动势偏差ΔE对于储能变换器输入电流I_bat的传递函数；G_PLi(s)为电压PI控制器的传递函数；G_ud(s)为占空比小扰动对母线电压的传递函数，G_id(s)为占空比小扰动对电感电流的传递函数；

V_m为载波峰值；由G_uo(s)绘制加入VDCM后的开环Bode图，为探讨加入VDCM后的控制策略中转动惯量J对稳定性的影响，绘制不同的J时的双向变换器开环Bode图；发现转动惯量J主要影响高频段，在

内，增大J可以增加系统的稳定性和幅角裕度，但是J超过15后，母线电压波动时恢复时间较长，因此J的大小应该根据控制对象合理选择。

所述的步骤3，具体做法为：

对母线电压变化率dU_bus/dt和转动惯量J建立相应的模糊子集，构建合适的模糊规则，并将模糊规则加入到VDCM中，使得J随母线电压变化自适应改变，结合直流微电网的额定电压为400V的仿真实验，控制母线电压变化率的论域为dU_bus/dt∈(-15V/s,15V/s)，在仿真中取dU_bus/dt的绝对值，即|dU_bus/dt|∈(0V/s-15V/s),相应的模糊子集为：{a,b,c,d,e,f}，分别表示接近0、小、略小、中、略大、大；模糊控制器输出的转动惯量J的论域为

相应的模糊子集为：{F,E,D,C,B,A}，分别表示最小、小、略小、中、略大、最大。

本发明的有益效果是：

相比固定虚拟惯量的VDCM控制，所提出虚拟惯性自适应模糊控制方法能够根据功率波动引起的母线波动自适应调节J，在满足母线电压稳定性控制的同时，还能兼顾母线电压较快的恢复速度。即当负载突变时，固定参数的VDCM控制若设置较大的J，则母线电压恢复速度会降低；相反，若设置较小的J，则容易出现母线电压波动过大的情况，而虚拟惯性自适应控制策略正好能够改善这种问题。

附图说明

图1是本发明应用的光储直流微电网架构示意图。

图2是本发明使用的VDCM模型示意图。

图3是本发明加入VDCM前使用的双闭环控制框图。

图4是本发明加入VDCM后的控制框图。

图5是双闭环控制与VDCM控制下的U_bus波形图的对比。

图6是本发明应用于双向光储变换器的小信号等效电路。

图7是本发明加入VDCM后的小信号模型。

图8是本发明在不同转动惯量下的开环Bode图。

图9是本发明加入模糊控制器后的控制框图。

图10是本发明模糊控制器的具体结构。

图11(a)是直流母线电压变化率dU_bus/dt的隶属度函数图。

图11(b)是转动惯量J的隶属度函数图。

图12是AVDCM的仿真波形图。

图13是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图13，用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤1，在储能装置变换器的传统双闭环PI控制中引入VDCM；

步骤1.1，建立储能接口变换器的模型，并与直流电机的模型进行对比，从而建立虚拟直流电机模型；

本发明为一种应用于光储变换器的虚拟惯性自适应控制方法，图1为光储直流微电网示意图，包括光伏发电装置、蓄电池储能装置、光伏接口变换器、储能接口双向变换器、直流母线、直流负载(可调)等，其中储能装置接口的变换器采用双向半桥变换器，以实现能量的双向交换。

图2为VDCM模型结构，将储能接口的双向Buck-Boost变换器等效为一个二端口网络，前端接蓄电池储能装置，后端接直流母线；其等效的二端口网络与直流电机的等效模型相似，可模拟直流电机所具有的特性；其中U_bat为储能装置输出电压；I_bat为储能装置输出电流；U_bus为储能借口变换器输出电压，也即直流母线电压；I_b为储能接口变换器输出电流；L、C分别为电感和电容；S₁、S₂为开关管；E为电枢感应电动势；R_a为电枢回路的等效电阻；I_a为电枢电流；U_O为直流发电机输出电压；

步骤1.2，针对直流微电网母线电压的稳定控制，以储能接口变换器为控制对象，在双闭环恒压控制中加入VDCM环节，以提升直流母线电压的动态稳定性；比较双闭环恒压控制与VDCM控制下的母线电压波形图，验证VDCM控制的有效性。

其中直流电动机的机械转动方程如式(9)所示：

式中，T_e＝P_e/ω，J为转动惯量，D阻尼系数，T_m和T_e分别为直流电机的机械转矩和电磁转矩；ω为直流电机的实际旋转角速度；ω₀为额定角速度；P_e为电磁功率。

电动势平衡方程为：

U_o＝E-R_aI_a (10)

E＝C_Tφω (11)

式中，U_o为机端电压，R_a为电枢回路等效电阻，I_a为电枢电流，E为直流电机的电枢感应电动势，C_T为转矩系数，φ为每极磁通。

图3为双闭环恒压控制，基本可以实现母线电压的稳定控制，但是在负载投切是母线电压波动过大，在图3的基础上，加入VDCM控制，如图4。图4中，母线电压调节部分将母线电压反馈值U_bus与母线电压参考值U_{bus_ref}做差，通过PI控制器调节将所得值作为电流，与母线参考电压U_{bus_ref}相乘得到功率偏差ΔP，再与蓄电池给定输出功率P_{bat_ref}相加的到机械功率P_m；再经直流电机的机械方程与电动势平衡方程计算后，得到端口电流给定值I_ref；将直流母线给定电压U_{bus_ref}与蓄电池输出电压U_bat相除作为参考值跟踪I_bat，最后通过PI控制器与PWM调制得到双向DC/DC变换器中两个开关管的控制信号。

图5为双闭环恒压控制与VDCM控制下的母线电压U_bus波形图的对比，在加入VDCM后，由于有虚拟转动惯量J的存在，母线电压波动明显降低，但同时电压恢复速度也有所降低。

步骤2，建立储能双向Buck-Boost变换器小信号等效电路如图6，得到加入VDCM后的小信号模型，如图7，从而推导出其开环传递函数为：

式中，G₁(s)为直流母线电压偏差ΔU_bus对于电枢电动势偏差的传递函数；G₂(s)为电枢电动势偏差ΔE对于变换器输入电流I_bat的传递函数；G_PLi(s)为电压PI控制器的传递函数；G_ud(s)为占空比小扰动对母线电压的传递函数，G_id(s)为占空比小扰动对电感电流的传递函数，

V_m为载波峰值；

由G_uo(s)绘制加入VDCM后的开环Bode图，为探讨加入VDCM后的控制策略中转动惯量J对稳定性的影响，绘制不同的J时的双向变换器开环Bode图，如图8，发现转动惯量J主要影响高频段，在

内，增大J可以增加系统的稳定性和幅角裕度，但是J超过15后，母线电压波动时恢复时间较长，因此J的大小应该根据控制对象合理选择。可见，加入VDCM后的控制策略具有较好的幅值裕量和相角裕量，可有效提升稳定性。

步骤3，对母线电压变化率dU_bus/dt和转动惯量J建立相应的模糊子集，构建合适的模糊规则，并将模糊规则加入到VDCM中，使得J随母线电压变化自适应改变，加入模糊控制器后的控制框图如图9所示。图10为模糊控制器的具体结构，由于直流母线电压变化率dU_bus/dt是微分环节，对输入信号中的高频环节十分敏感，易受到干扰，因此引入一阶惯性环节，将前后两个时刻的电压值做差来取代微分环节；模糊控制器的输出的合成计算采用prober(概率法)、逆模糊化计算采用mom(平均最大隶属度法)。

结合直流微电网额定电压为400V的仿真实验，控制母线电压变化率的论域为dU_bus/dt∈(-15V/s,15V/s)，在仿真中取dU_bus/dt的绝对值，即|dU_bus/dt|∈(0V/s,15V/s),相应的模糊子集为：{a,b,c,d,e,f}，分别表示接近0、小、略小、中、略大、大；模糊控制器输出的转动惯量J的论域为

相应的模糊子集为：{F,E,D,C,B,A}，分别表示最小、小、略小、中、略大、最大。其相应的隶属度函数如图11(a)～(b)所示。隶属度函数主要为三角形与梯形，其中三角形隶属度函数为：

式中，a、b、c分别表示三角形三个点的横坐标值,在取值时，可以存在a＝b或b＝c。

梯形的隶属度函数为：

式中，A、B、C、D分别表示梯形四个点的横坐标值，在取值时，可以存在A＝B或C＝D。

输入输出量之间的关系由模糊规则决定，当dU_bus/dt比较大时，取较小的J，使电压快速恢复；当dU_bus/dt比较小时，取较大的J，增加系统的稳定性，使电压更平滑。相应的模糊规则如表1所示。

表1是输入dU_bus/dt与输出J的模糊规则。

表1

图12为AVDCM与VDCM控制下的母线电压波形图以及模糊控制下输出的转动惯量J。AVDCM比VDCM控制的J更加灵活，在满足母线电压稳定性控制的同时，还能使母线电压更快恢复。在dU_bus/dt比较大时，输出一个较小的J，降低转动惯量，使母线电压快速恢复；在dU_bus/dt比较小时，输出比较大的J，增加系统的稳定性。

术语说明：

虚拟直流电机控制adaptive virtual DC machine,英文简写：AVDCM)；

自适应调节的虚拟直流电机控制的英文名称为：adaptive virtual DC machine,英文简写：AVDCM。

Claims (4)

1.用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在储能装置变换器的传统双闭环PI控制中引入虚拟直流电机控制；

步骤2，分析负载波动时虚拟转动惯量的响应情况，找出不同电压波动下最佳的转动惯量J；

步骤3，将模糊逻辑控制引入到虚拟直流电机控制中，得到转动惯量自适应调节的虚拟直流电机控制。

2.根据权利要求1所述的用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤1，具体做法是：

步骤1.1，建立储能接口变换器的模型，并与直流电机的模型进行对比，建立虚拟直流电机模型；

储能接口的双向Buck-Boost变换器等效为一个二端口网络，前端接蓄电池储能装置，后端接直流母线；其等效的二端口网络与直流电机的等效模型相似，可模拟直流电机所具有的特性；

步骤1.2，针对直流微电网母线电压的稳定控制，以储能接口变换器为控制对象，在双闭环恒压控制中加入虚拟直流电机控制环节，以提升直流母线电压的动态稳定性；

其中直流电动机的机械转动方程如式(1)所示：

式中，T_e＝P_e/ω，J为转动惯量，D为阻尼系数，T_m和T_e分别为直流电机的机械转矩和电磁转矩；ω为直流电机的实际旋转角速度；ω₀为额定角速度；P_e为电磁功率；

电动势平衡方程为：

U_o＝E-R_aI_a (2)

E＝C_Tφω (3)

式中，U_o为机端电压，R_a为电枢回路等效电阻，I_a为电枢电流，E为直流电机的电枢感应电动势，C_T为转矩系数，φ为每极磁通；

直流电压U_bus在DC-DC变换器中的作用可以与直流电机的机械角速度ω在直流电机中的作用相类比，将ω与直流母线电压U_bus等效，将ω₀与直流母线电压额定值U_{bus_ref}等效，将虚拟直流电机控制应用于DC-DC变换器的控制中，使其具备直流电机的惯性与阻尼特性。

3.根据权利要求1所述的用于直流光储变换器的虚拟直流电机自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤2，具体做法为：

建立储能双向Buck-Boost变换器小信号等效电路以及加入VDCM后的控制框图，得到加入虚拟直流电机控制后的小信号模型，推导出其开环传递函数为：

式中，G₁(s)为直流母线电压偏差dU_bus/dt对于电枢电动势偏差ΔE的传递函数；G₂(s)为电枢电动势偏差ΔE对于储能变换器输入电流I_bat的传递函数；G_PLi(s)为电压PI控制器的传递函数；G_ud(s)为占空比小扰动对母线电压的传递函数，G_id(s)为占空比小扰动对电感电流的传递函数；

V_m为载波峰值；由G_uo(s)绘制加入虚拟直流电机控制后的开环Bode图，为探讨加入虚拟直流电机控制后的控制策略中转动惯量J对稳定性的影响，绘制不同的J时的双向变换器开环Bode图；发现转动惯量J主要影响高频段，在

内，增大J可以增加系统的稳定性和幅角裕度，但是J超过15后，母线电压波动时恢复时间较长，因此J的大小应该根据控制对象合理选择。

4.根据权利要求1所述的用于直流光储变换器的虚拟惯性自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤3，具体做法为：

对母线电压变化率dU_bus/dt和转动惯量J建立相应的模糊子集，构建合适的模糊规则，并将模糊规则加入到虚拟直流电机控制中，使得J随母线电压变化自适应改变，结合直流微电网的额定电压为400V的仿真实验，控制母线电压变化率的论域为dU_bus/dt∈(-15V/s,15V/s)，在仿真中取dU_bus/dt的绝对值，即|dU_bus/dt|∈(0V/s-15V/s),相应的模糊子集为：{a,b,c,d,e,f}，分别表示接近0、小、略小、中、略大、大；模糊控制器输出的转动惯量J的论域为

相应的模糊子集为：{F,E,D,C,B,A}，分别表示最小、小、略小、中、略大、最大。

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