WO2021110171A1 - 一种基于p-u下垂特性的虚拟直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法，包括具有惯性的给定电压生成环节、电压跟随环节以及电流跟随环节；直流供电系统网内或网间发生功率波动时，具有惯性的给定电压生成环节将虚拟直流电机的机械运动方程与传统P-U下垂控制进行对应等效；以直流电机电磁感应原理推得电机感应电势作为直流变换器的给定电压值，经电压跟随环节获得电感电流参考量作为电流跟随环节的输入参量，最终电流跟随环节的输出参量经PWM脉冲发生器产生PWM脉冲对直流变化器进行控制。控制方法在保持了下垂控制所具有的变换器输出功率均分特性的基础上，模拟直流电机大惯性、高阻尼的输出特性，提升直流供电系统惯性，增强直流供电系统的稳定性。

Description

一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法 技术领域

本发明属于新能源发电、直流微电网、直流微电网群领域，尤其是涉及一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法。

背景技术

随着越来越多的新能源通过电力电子装置接入电力系统，现代电力系统逐步从同步机主导的大惯性、高阻尼强电网转向为以电力电子变换器主导的柔性弱电网。光伏、风电等可再生能源的并网接口变换器相较于传统蒸汽轮机，“刚性”有余而惯性不足。虽然电力电子变换器的引入使得供电系统能量流动可控，系统响应速度与效率得到提升，可以在多时间尺度下对供电系统能量流动进行管理，但其缺乏同步电机等旋转器件所具备的大惯性、高阻尼特性，进而造成大规模新能源接入电网后，电力系统整体的惯性降低，失稳风险上升。

为确保在电力电子装置大规模接入电网时，电网仍能具备足够惯性抑制网内频率及电压波动，通过对变换器控制环路进行适当调节，使得变换器输出特性表现出旋转器件大惯性、高阻尼的特点。在以光伏、风电等可再生能源组成的微电网交流并网接口上，通过模拟交流同步发电机运行特性使之具备同步发电机类似的旋转惯性、阻尼特性及下垂特性，称为虚拟同步发电机控制策略，引入虚拟同步发电机控制策略避免了交流电压源变换器并网带来的交流电网惯性减小，系统稳定性降低的问题。在交流系统中采用虚拟同步发电机控制策略有效提升供电系统的惯性，使得微电网交流并网接口能够以传统同步电机运行方式运行，降低再生能源大规模组网渗透对电力系统稳定性的影响。

直流微电网内部及直流微电网群子网之间通过直流变换器进行组网，其大规模的并网同样存在有会降低直流供电系统整体的惯性，增加供电系统失稳的风险。因此与交流微电网类似，在直流微电网中同样需要一种惯性控制方法，提升直流供电系统的惯性，增强直流供电系统的稳定性。然而，由于直流系统中直流母线电压作为唯一表征系统供电可靠性的指标，与交流系统中相比其不具备频率响应这一特性，因此在交流系统中采用的基于输出电压频率、无功功率等物理量的虚拟同步发电机控制策略，无法直接在直 流系统中得到运用。为了能够在直流系统中实现与交流系统相同的惯性控制，需要一种适用于直流供电系统的虚拟直流电机的控制策略。

发明内容

为了提升直流供电系统的惯性，增强供电系统的稳定性，本发明公开了一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机的控制方法，能够模拟直流电机大惯性、高阻尼输出特性，增强直流供电系统的稳定性。

本发明公开了一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机的控制方法，应用于直流供电系统中的直流变换器。本发明提供的控制方法包括具有惯性的给定电压生成环节、电压跟随环节以及电流跟随环节，如下所示：

步骤一，具有惯性的给定电压生成环节

P-U下垂控制中，将储能装置的最大吸收功率P _{bat_min}作为下式所示的机械转动方程的输入机械功率P _m，将储能装置的输出功率P _o作为下式所示的机械转动方程的电磁功率P _e。输入机械功率P _m与电磁功率P _e做差，功率偏差值作为机械转动方程的输入参量，通过模拟下式所示机械转动方程，得到转子转速信号ω：

式中J为转动惯量，ω _N为虚拟直流电机的额定转动角速度。转动惯量J表征虚拟直流电机的惯量大小，转动惯量J越大，在直流微电网网内或网间功率波动时，虚拟直流电机的转速变化越小，电机输出转速越平稳，反之亦然。

式中D为虚拟直流电机的机械阻尼系数，阻尼系数D与P-U下垂控制的下垂系数k _p对应如下式所示等效关系式：

式中k _f为励磁系数。

根据直流电机电磁感应原理，由上式所得的转速ω与励磁系数k _f所乘得到给定电压E ^*，过程如下式感应方程所示：

E ^*＝k _fω

E ^*作为下一步的电压跟随环节的给定电压。

步骤一所述的具有惯性的给定电压生成环节，将虚拟直流电机的机械运动方程与传 统P-U下垂控制进行对应等效，其控制环路模拟直流电机机械转动过程，使得给定电压E ^*对功率波动具备惯性响应能力，此外由于在其控制中引入阻尼绕组，其阻尼系数D与传统P-U下垂控制中下垂系数k _p具有前述对应等效关系，使得本发明提供的控制方法在保持了下垂控制所具有的变换器输出功率均分特性的基础上，模拟直流电机大惯性、高阻尼的输出特性，提升直流供电系统的惯性，增强直流供电系统的稳定性。

步骤二，电压跟随环节

将步骤一所得的具有惯性的给定电压E ^*作为直流变换器的控制输入电压给定值，其与直流变换器的输出电压U _o作差得电压偏差值，电压偏差值经过电压比例积分控制器进行调节实现对给定电压信号(即给定电压E ^*)的跟随，电压跟随环节获得电感电流给定值I _ref作为下一步的电流跟随环节的输入指令。

步骤三，电流跟随环节

由步骤二所得的电感电流给定值I _ref，将其与直流变换器的电感电流采样值i _L做差得到电流偏差值，电流偏差值经电流比例积分控制器进行调节实现对给定电流信号(即电感电流给定值I _ref)的跟随，电流跟随环节的输出参量经PWM脉冲发生器产生PWM脉冲信号，实现对直流变换器的控制。

于本发明的实施例中，虚拟直流电机的额定转动角速度ω _N对应传统下垂控制中的储能装置的最大输出电压U _{1_H}的等效关系式如下所示：

ω _N＝U _{1_H}/k _f，式中k _f为励磁系数。

直流供电系统网内或网间功率突变时，本发明提供的控制方法中的输入参量即储能装置的输出功率P _o随之变化，其与控制策略所设的储能装置最大吸收功率P _{bat_min}做差得到功率偏差值，表征虚拟直流电机控制中电机输出电磁功率与输入机械功率的波动值，波动值经过虚拟直流电机的机械转动环节可对应得到电机输出转速。根据前述步骤一所述的具有惯性的给定电压生成环节，得到步骤二所述的给定电压值E ^*，之后经步骤二与步骤三的指令跟随环节实现对该具有惯性的参考电压的追踪，达到提升直流微电网惯性，增强直流微电网稳定性的目的。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过将传统P-U下垂控制与虚拟直流电机的机械转动环节进行等效，对下垂控制中各参量进行详细对比分析，以虚拟直流电机的机械转动过程作为给定电压参量的生成环节，得到具有惯性的电压参考量，通过对该参考量的跟随，实现对直流变换 器的控制，达到提升直流微电网惯性，增强微电网稳定性的目的。其控制过程在保持了下垂控制中变换器功率均分输出特性的基础上，实现功率波动时母线电压的惯性响应，增强直流供电系统的惯性及稳定性。

2.本发明通过对电压给定参量进行调整，实现直流变换器的输出电压对功率波动的惯性响应，直流变换器拓扑等效为图3所示两端口网络，动作过程重点在于前述步骤一所述的具有惯性的给定电压参量生成过程，其不受到直流变换器的电路拓扑的具体结构限制，针对不同拓扑结构变换器电路仍能够采用相同控制方案，控制策略适用范围广。

3.本发明提出的基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制策略，基于前述两点优势在分布式电源多机并联运行的系统中，具有很强的可扩展性。

附图说明

图1是现有技术中P-U下垂控制策略的控制框图；

图2是本发明实施例中虚拟直流电机控制给定电压生成环节的控制框图；

图3是本发明实施例中虚拟直流电机动作过程等效图；

图4是本发明实施例中虚拟直流电机给定参量跟随环节的控制框图；

图5是本发明实施例中虚拟直流电机控制方法控制框图；

图6是本发明实施例中光储微电网实验架构示意图；

图7是本发明实施例中采用传统下垂控制方法后获得的实验波形图；

图8是本发明实施例中采用虚拟直流电机控制策略后获得的实验波形图；

图9是本发明实施例中转动惯量J变化的对比实验波形图。

具体实施方式

本发明提出一种基于P-U下垂控制的虚拟直流电机控制方法，应用于直流供电系统中的直流变换器。直流供电系统包括储能装置和直流变换器，储能装置通过直流变换器接入电网中。直流变换器包括电压比例积分控制器、电流比例积分控制器以及PWM脉冲发生器。下面对本发明提出的控制方法进行详细，完整的描述。

本发明所提供的虚拟直流电机控制方法完整控制框图如图5所示，包含具有惯性的给定电压生成环节、电压跟随环节、电流跟随环节三部分。直流微电网网内或网间功率波动使得具有惯性的给定电压生成环节的输入功率随之出现波动，其波动量送入机械 转动方程中产生转速信号ω，其与励磁系数k _f相乘得到感应电势E ^*作为下一步中电压跟随环节的输入电压参考量，经电压跟随环节产生变换器电流给定参量，最终由电流跟随环节输出PWM脉冲对直流变换器进行控制，实现母线电压对功率波动的惯性响应过程。

本发明提供的控制方法的具体步骤分为如下三步：

步骤一，具有惯性的给定电压生成环节

图1所示的传统P-U下垂控制中，储能装置的最大吸收功率P _{bat_min}与储能装置输出功率P _o分别作为图2所示的虚拟直流电机控制的机械转动方程的输入机械功率P _m与电磁功率P _e，而图2中阻尼系数D则与传统P-U下垂控制的下垂系数k _p对应如下式所示等效关系式：

式中k _f为励磁系数。下垂系数k _p和励磁系数k _f的具体数值的确定根据本发明提供的控制方法实际应用的直流供电系统来进行确定。此为本领域的现有知识，在此不展开详述。

输入机械功率P _m与电磁功率P _e做差，功率偏差值作为机械转动方程的输入参量，通过模拟下式所示机械转动方程，得到转子转速信号ω：

式中J为转动惯量，ω _N为额定转动角速度。

转动惯量J表征虚拟直流电机的惯量大小，转动惯量J越大，在直流微电网网内或网间功率波动时，虚拟直流电机的转速变化越小，电机输出转速越平稳，反之亦然。

根据直流电机电磁感应原理，由上式所得的转速ω与励磁系数k _f所乘得到给定电压E ^*，过程如下式感应方程所示：

E ^*＝k _fω

E ^*作为步骤二中电压跟随环节的给定电压。

于实施例中，由上述电磁感应过程，虚拟直流电机的额定转速ω _N对应图1中传统下垂控制中所设储能装置的最大输出电压U _{1_H}的等效关系式如下所示：

ω _N＝U _{1_H}/k _f

步骤一所述的具有惯性的给定电压生成环节，其与传统P-U下垂控制对应等效作 用效果如图3所示，其控制环路模拟直流电机机械转动过程，使得给定电压E ^*对功率波动具备惯性响应能力，此外由于在其控制中引入阻尼绕组，其阻尼系数D与传统P-U下垂控制中下垂系数k _p具有前述对应等效关系，使得其输出同时具备下垂控制输出特性，实现变换器功率均分控制。

步骤二，电压跟随环节

将步骤一所得的具有惯性的给定电压E ^*与直流变换器的输出电压U _o(即图4中的电压采样值U _o)作差得电压偏差值。电压偏差值经过电压比例积分控制器进行调节实现对给定电压信号(即给定电压E ^*)的跟随，作用过程如图4中电压跟随环节所示，电压跟随环节获得电感电流给定值I _ref作为电流跟随环节的输入指令；

步骤三，电流跟随环节

由步骤二所得的电感电流给定值I _ref，将其与直流变换器的电感电流采样值i _L做差得到电流偏差值，电流偏差值经电流比例积分控制器进行调节实现对电感电流给定信号(即电感电流给定值I _ref)的跟随，作用过程如图4中电流跟随环节所示，电流跟随环节的输出参量经PWM脉冲发生器产生PWM脉冲信号，实现对直流变换器的控制。

下面结合具体实例对本发明所提供的虚拟直流电机控制方法的合理性及有效性进行详细说明。

搭建如图6所示光储微电网实验平台。光储微电网主要包括光伏发电单元、储能装置以及负载。光伏发电单元和储能装置分别连接有对应的变换器。光伏发电单元和储能装置的变换器的额定功率均为5kW，储能装置的最大输出电压U _{1_H}为220V。接下来，分别采用传统P-U下垂控制方法和本发明提供的控制方法进行对比实验。其中供电系统为尽可能获取清洁能源，光伏发电单元需要以最大限度输出功率，因此其工作在最大功率点跟踪模式，等效为恒功率源，图7为采用传统P-U下垂控制方法后获得的实验波形，图7中可以看出光伏发电单元以恒定功率输出，输出电流i _pv恒定为2A。当负载功率减小时，储能变换器输出的电流i _o由2.4A下降到1.2A时，母线电压U _bus经△t ₁时间调节，由214V上升至218V，但其动态过程不具备惯性，存在明显电压过充问题。而相对应地，采用本发明基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法后获得的实验波形如图8所示，转动惯量J取0.05kg·m ²时，母线电压的稳态值与采用传统下垂控制方法的稳态值相同，但在动态过程中，很明显能看到加入了惯性响应过程，母线电压经 △t ₂时间调节，平稳达到稳态值，母线电压未产生电压过冲现象。这证明了本发明提供的虚拟直流电机控制方法有效地提升了母线电压的惯性，增强直流供电系统的稳定性。

本实施例提供的控制方法适用于储能装置对应的直流变换器。然而，本发明对此不作任何限定，直流供电系统中负责电压管理的直流变换器都可以适用本发明提供的控制方法。于实际应用中，电压比例积分控制器、电流比例积分控制器以及PWM脉冲发生器可都整合在直流变换器中，属于直流变换器控制的一部分。于实际应用中，直流变换器可以整合在储能装置内，也可以设置于储能装置外。

另外，转动惯量J越大，在直流微电网网内或网间波动时，虚拟直流电机的转速变化越小，电机输出转速越平稳，对应地母线电压的变化会更加平缓。关于J如何取值，可以通过建立模型的方式，然后根据扫点的方法来选取合适的值。该方法为本领域的现有知识，在此不展开详述。于本实施例中，改变转动惯量J取值，在J取0.1kg·m ²时重复试验，其实验波形如图9所示，相对应J取0.05kg·m ²时的实验波形(如图8所示)，母线电压的稳态取值不变，动态过程中的调节时间明显增长，电压变化更加平缓，表明不同转动惯量J的取值对控制中惯性的调节能力。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (2)

1. 一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法，应用于直流供电系统中的直流变换器，其特征在于，所述基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法包括如下步骤：

   步骤一，具有惯性的给定电压的生成环节

   P-U下垂控制中，将储能装置的最大吸收功率P _{bat_min}作为下式所示的机械转动方程的输入机械功率P _m，将储能装置的输出功率P _o作为下式所示的机械转动方程的电磁功率P _e，输入机械功率P _m与电磁功率P _e做差，通过模拟下式所示机械转动方程，得到转子转速信号ω：

   

   式中J为转动惯量，表征虚拟直流电机的惯量大小，ω _N为虚拟直流电机的额定转动角速度，D为虚拟直流电机的机械阻尼系数，阻尼系数D与P-U下垂控制的下垂系数k _p对应如下式所示等效关系式：

   

   式中k _f为励磁系数，

   由所述的机械转动方程得到的转子转速信号ω与励磁系数k _f所乘得到给定电压E ^*，作为下一步的电压跟随环节的给定电压；

   步骤二，电压跟随环节

   将步骤一所得的具有惯性的给定电压E ^*作为直流变换器的控制输入电压给定值，其与直流变换器的输出电压U _o作差得电压偏差值，电压偏差值经过电压比例积分控制器进行调节实现对给定电压信号的跟随，电压跟随环节获得电感电流给定值I _ref作为下一步的电流跟随环节的输入指令；

   步骤三，电流跟随环节

   由步骤二所得的电感电流给定值I _ref与直流变换器的电感电流采样值i _L做差得到电流偏差值，电流偏差值经电流比例积分控制器进行调节实现对给定电流信号的跟随，电流跟随环节的输出参量经PWM脉冲发生器产生PWM脉冲信号，实现对直流变换器的控制。
2. 根据权利要求1所述的基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制方法，其特征在于，虚拟直流电机的额定转动角速度ω _N对应P-U下垂控制中的储能装置的最大输出电压U _{1_H}的等效关系式如下所示：

   ω _N＝U _{1_H}/k _f，式中k _f为励磁系数。

Images