CN115347604A

CN115347604A - 一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法

Info

Publication number: CN115347604A
Application number: CN202210882598.6A
Authority: CN
Inventors: 谢路耀; 温会明; 张有兵; 陈怡�; 孟詹锞
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2022-11-15

Abstract

一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制策略方法，包括：系统直流母线电压的稳定依靠N个由虚拟直流电机策略控制的变换器共同完成；将虚拟直流电机控制拆分成虚拟端压指令计算和变换器端压跟踪控制两部分；虚拟端压指令u_dcrefi分为三个部分，包括额定电压U_N、一次控制指令u_vdcmi、二次控制指令u_s；一次控制的电压指令u_vdcmi根据各虚拟直流电机的惯性系数J_i和阻尼系数D_i在本地计算,能够实现并联系统总输出功率的高、低频分量分离和自适应分配；二次控制的电压指令u_s通过中央控制器计算后下发到各虚拟直流电机，能够补偿一次控制等效阻抗压降引入的母线电压偏差；变换器端压跟踪控制采用电压外环控制和电流内环控制，其中电压环和电流环的响应时间常数分别为τ_U和τ_I，将变换器端压跟踪控制环节等效为时间常数为τ_U的一阶延时环节；按系统性能要求来确定各控制层级的时间常数，再按参数设计步骤依次确定各控制层级参数。

Description

一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法

技术领域

本申请涉及电力系统直流输电领域，更具体地说，涉及一种适用于直流电网系统的多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法。

背景技术

传统直流电网的功率协调分配控制策略多基于下垂控制原理，其输出特性不具备惯性，无法为直流电网提供惯性支持。针对以上问题，虚拟直流电机(VDCM：Virtual DCMachine)控制策略被提出，该方法通过模拟直流电机转子对功率波动的惯性响应，能够提升直流电网的阻尼及惯性，增强直流母线电压的动态稳定性。

由于单台储能变换器的容量有限，需要多虚拟直流电机并联才能满足不断增长的负载需求。由此引出了一个亟待解决的问题，即多虚拟直流电机并联系统的功率协调分配问题。此外，由于各虚拟直流电机配备的功率变流系统(PCS)、电池电量和类型不同，其动态和静态功率负荷能力也有所不同。因此，需要探索能够将多虚拟直流电机并联系统总输出功率解耦为动态分量和静态分量，并在各虚拟直流电机之间进行合理分配的功率协调控制方法。

综上所述，如何实现多虚拟直流电机并联系统的功率协调分配，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要克服现有技术上述缺点，提供一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法，用于提高多虚拟直流电机并联系统的动态和静态功率分配性能，提高系统的稳定性和可扩展性。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法，包括：

S1.系统直流母线电压的稳定依靠N个由虚拟直流电机策略控制的变换器共同完成；将虚拟直流电机控制拆分成虚拟端压指令计算和变换器端压跟踪控制两部分；

S2.虚拟端压指令u_dcrefi分为三个部分，包括直流母线额定电压U_N、一次控制指令u_vdcmi、二次控制指令u_s，即：

u_dcrefi＝U_N+u_vdcmi+u_s,i∈[1,N] (1)

S3.一次控制的电压指令u_vdcmi根据各虚拟直流电机的惯性系数J_i和阻尼系数D_i在各虚拟直流电机本地计算,能够实现多机并联系统总输出功率的高、低频分量解耦和按需分配；

S4.二次控制的电压指令u_s通过中央控制器计算后下发到各虚拟直流电机，能够补偿虚拟直流电机控制等效阻抗压降引入的母线电压偏差；

S5.将变器端压跟踪控制部分进一步拆分成电压外环PI控制和电流内环PI控制，分别将电压环和电流环的响应时间常数设计为τ_U和τ_I，将变换器端压跟踪控制环节等效为时间常数为τ_U的一阶延时环节；

S6.按系统性能要求来确定各控制层级的时间常数，再按参数设计步骤依次确定各控制层级参数。

优选地，步骤S3所述的一次控制的电压指令u_vdcmi的拉式变换为：

其中，C_T为转矩系数；Φ为磁通；R_ai是虚拟直流电机i的电枢回路等效电阻；虚拟直流电机i的惯性常数J_i为:

其中，P_Di为虚拟直流电机i的动态功率容量，J_eq为多虚拟直流电机并联系统的等效惯性常数；

虚拟直流电机i的阻尼系数D_i为：

其中，P_Si为虚拟直流电机i的静态功率容量，D_eq为多虚拟直流电机并联系统的等效阻尼系数。

优选地，步骤S3所述的一次控制，在忽略很小的电枢电阻R_ai的情况下，一次控制的电压指令作用下第i台变换器输出电流i_oi的拉氏变换，以及所有VDCM总输出电流

的拉氏变换有以下关系：

其中，I_st(s)为低通滤波器与I_ot(s)的乘积，代表总输出电流低频分量的拉氏变换；I_dt(s)为高通滤波器与I_ot(s)的乘积，代表总输出电流高频分量的拉氏变换；I_di(s)和I_si(s)为第i台PCS分担的高、低频电流分量的拉氏变换；

一次控制的惯性时间常数τ_g为：

优选地，步骤S4所述的二次控制电压指令u_s的拉氏变换为：

其中，U_N(s)为额定电压U_N的拉氏变换，u_dci为各虚拟直流电机的端压反馈值，u_dcavg为各虚拟直流电机的端压平均值，k_{I_S}为二次控制的积分系数；

在二次控制下，直流母线电压二次恢复的时间常数τ_s为：

优选地，步骤S5所述的变换器端压跟踪控制的电压外环和电流内环控制方程为：

其中，u_dcrefi和u_dc为直流电压的参考值和采样值，i_Lref和i_L为电感电流的参考值和采样值，i_o为输出电流，D为开关管的占空比，k_{P_U}、k_{I_U}分别为电压外环的比例系数和积分系数，k_{P_I}、k_{I_I}分别为电流内环的比例系数和积分系数；

电压环控制时间常数τ_U和电流环控制时间常数τ_I为：

其中，r_L为直流侧滤波电感的内阻，r_C为输出侧直流滤波电容的等效并联电阻；通过设置τ_U>10τ_I，变换器端压跟踪控制环节可等效为时间常数为τ_U的一阶延时环节。

优选地，步骤S6所述的参数设计包括以下步骤：

S61:根据系统性能目标，确定直流母线额定电压U_N；参考真实电机参数，确定参数C_TΦ的取值；

S62:根据系统响应性能要求确定各层级的时间常数τ_s、τ_g、τ_U和τ_I；

S63:根据直流母线电压最大允许偏差量ΔU_max和应用中总输出电流的最大可能变化量ΔI_max来确定系统等效阻尼系数D_eq，根据式(6)确定系统等效惯性常数J_eq:

S64:根据式(3、4)确定各虚拟直流电机的惯性常数J_i和阻尼系数D_i；

S65:根据式(9、11)确定二次控制和电压环、电流环控制的比例系数和积分系数。

系统直流母线电压的稳定依靠N个由虚拟直流电机策略控制的变换器共同完成。可将虚拟直流电机控制拆分成虚拟端压指令计算和变换器端压跟踪控制两部分；虚拟端压指令u_dcrefi分为三个部分，包括额定电压u_dcnom、一次控制指令u_vdcmi、二次控制指令u_s；一次控制的电压指令u_vdcmi根据各虚拟直流电机的惯性系数J_i和阻尼系数D_i在本地计算,能够实现并联系统总输出功率的高、低频分量分离和自适应分配；二次控制的电压指令U_s通过中央控制器计算后下发到各虚拟直流电机，能够补偿一次控制等效阻抗压降引入的母线电压偏差；将变器端压跟踪控制部分进一步拆分成电压外环PI控制和电流内环PI控制，分别将电压环和电流环的响应时间常数设计为τ_U和τ_I；按系统性能要求来确定各控制层级的时间常数，再按参数设计步骤依次确定各控制层级参数。

本发明采用多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法，具有为系统提供额外惯性和阻尼支撑的优势，同时能够实现并联系统总输出功率的高、低频分量分离和自适应分配。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的虚拟端压指令计算的控制框图；

图3为本申请实施例提供的DC-DC变换器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的变换器端压跟踪控制的控制框图；

图5为本申请实施例提供的多层协调控制图；

图6为本申请实施例提供的直流母线电压恢复特性示意图；

图7为本申请实施例提供的两台虚拟直流电机并联系统在放电时的功率分配示意图；

图8为本申请实施例提供的通信延时对直流母线电压恢复特性的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1至图4，其中，图1为本申请实施例提供的一种多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法的流程图；图2为本申请实施例提供的虚拟端压指令计算的控制框图；图3为本申请实施例提供的DC-DC变换器的结构示意图；图4为本申请实施例提供的变换器端压跟踪控制的控制框图，本申请实施例提供的多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制方法，可以包括：

S1.系统直流母线电压的稳定依靠N个由虚拟直流电机策略控制的变换器共同完成。可将虚拟直流电机控制拆分成虚拟端压指令计算和变换器端压跟踪控制两部分。

S2.变换器虚拟端压指令计算采用虚拟直流电机控制，即一次控制，其时间常数为τ_g；虚拟端压指令计算的控制框图如图2所示；虚拟端压指令u_dcrefi分为三个部分，包括额定电压U_N、一次控制指令u_vdcmi、二次控制指令u_s。

u_dcrefi＝U_N+u_vdcmi+u_s,i∈[1,N] (1)

根据时间尺度的不同，协调控制主要包括变换器控制、一次控制和二次控制，具体如图5。各变换器的虚拟端压指令u_dcrefi分为三个部分，包括额定电压U_N、一次控制指令u_vdcmi、二次控制指令u_s。Δt_d二次控制与一次控制通信的传输间隔时间。二次控制依赖于中央控制器与各直流调节终端之间的窄带宽通信信道。由于电池容量变化缓慢，通信间隔前后两个传输信号的差异也很小。因此，窄带通信可以满足性能要求。Δt_d决定了二次控制直流母线电压平均误差的更新速度，其值将直接影响直流母线电压偏差的恢复性能。

S3.一次控制的电压指令u_vdcmi根据各虚拟直流电机的惯性系数J_i和阻尼系数D_i在本地计算,能够实现并联系统总输出功率的高、低频分量分离和自适应分配；

其中，直流调节端i的惯性常数J_i为:

直流调节端i的阻尼系数和D_i为：

一次控制的电压指令作用下第i台变换器输出电流i_oi的拉氏变换，以及所有VDCM总输出电流

的拉氏变换有以下关系：

在一次控制下，直流母线电压的惯性时间常数τ_g为：

由式(5)可知，总输出电流的高、低频分量i_dt、i_st可通过设计各VDCM控制器参数J_i、D_i实现按需分配。其中，高频分量按J_i正比分配，低频分量按D_i正比分配。

S4.二次控制的电压指令u_s通过中央控制器计算后下发到各虚拟直流电机，能够补偿一次控制等效阻抗压降引入的母线电压偏差。

中央控制器计算并下发给各变换器的二次控制电压指令u_s的拉氏变换为：

在二次控制下，直流母线电压二次恢复的时间常数τ_s为：

具体参见图6至图8，图6为本申请实施例提供的直流母线电压恢复特性示意图，图7为本申请实施例提供的两台虚拟直流电机并联系统在放电时的功率分配示意图，图8为本申请实施例提供的通信延时对直流母线电压恢复特性的影响示意图。

S5.变换器端压跟踪控制中，DC-DC变换器采用电压外环控制和电流内环控制，其中电压环和电流环的响应时间常数分别为τ_U和τ_I；本申请所提及的DC-DC变换器指的是双向buck-boost变换器，具体如图3，通过分析变换器的数学模型，可以得到电压外环、电流内环的控制方程，进而得到控制框图及电压环和电流环的响应时间常数，控制框图如图4；将直流调节端等效为统一的具有延时时间常数τ_U、参考电压为u_dcrefi的可控电压源模型。

采用的电压外环和电流内环控制方程为：

电压环控制时间常数τ_U和电流环控制时间常数τ_I为：

设置τ_U>10τ_I，可将直流调节端等效为统一的具有延时时间常数τ_U的可控电压源模型。

S6：按系统性能要求来确定各控制层级的时间常数，再按参数设计步骤依次确定各控制层级参数。

S61:根据系统性能目标，将直流母线额定电压U_N设定为200V；参考真实电机参数，确定参数C_TΦ的取值为5.1Nm*A^-1。

S62:根据系统响应性能要求确定各层级的时间常数τ_I＝0.3ms,τ_U＝3ms,τ_d＝60ms,τ_s＝0.6s；

S63:直流母线电压最大允许偏差量ΔU_max＝15V和应用中总输出电流的最大可能变化量ΔI_max＝6A来确定系统等效阻尼系数D_eq，根据式(12)确定系统等效惯性常数J_eq＝0.63kg·m²：

S64:根据各虚拟直流电机参数及式(5)确定各虚拟直流电机的阻尼系数D_i，D1＝6.94，D2＝6.47；根据式(6)确定各虚拟直流电机的惯性常数J_i，J₁＝0.21kg·m²，J₁＝0.42kg·m²；

S65:根据式(3、11)确定二次控制和电压环、电流环控制的比例系数和积分系数，k_{P_U}＝0.13，k_{I_U}＝0.033，k_{P_I}＝10，k_{I_I}＝3.3，k_{I_S}＝0.33，k_{P_S}＝0。

根据上述过程设计参数的运行结果如图6和图7所示，列举各通信延时下对直流母线电压的影响结果如图8所示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。