負(fù)荷用直流變換器的虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略研究

黃 頔，樊紹勝，呂志鵬，曾 正

(1．長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410114;2．中國電力科學(xué)研究院，北京100192;3．重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶400044)

0 引言

近年來，既可為區(qū)域內(nèi)負(fù)荷提供冷熱電聯(lián)供，也可與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的小型電網(wǎng)即微網(wǎng)［1，2］日益受到關(guān)注。其中由微電源、電力電子接口、儲能及負(fù)荷組成的以直流方式傳輸?shù)奈㈦娋W(wǎng)就是直流微電網(wǎng)［3，4］。直流微電網(wǎng)不需要考慮交流特有的頻率及無功功率等問題，且給負(fù)載供電時由于不存在三相不平衡所導(dǎo)致的一系列問題及諧波等影響，其供電質(zhì)量更高［5］。正因為沒有交流配電網(wǎng)所特有的問題，直流母線電壓及直流母線上有功功率的平衡與否就成為了判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。一旦母線電壓發(fā)生擾動時，如何穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓不受影響，支持母線電壓恢復(fù)，減小電壓跌落帶來的沖擊是直流微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

DC/DC 變換器是連接母線、負(fù)荷及微電源的重要電力電子設(shè)備。正常情況下，DC/DC 變換器能將母線電壓或微源電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)荷或直流母線能接受的電壓等級，但為維持直流微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，基于電壓下垂控制和MPPT 控制的直流微電網(wǎng)光伏接口單元控制以及抑制母線電壓波動能力的功率前饋控制策略被提出來［6，7］，雖然以上方法可以在一定程度上維持母線電壓穩(wěn)定，但對于小范圍的直流母線電壓波動和突變的應(yīng)對策略卻沒有提及。文獻(xiàn)［8］提出了用前饋加反饋的控制策略來消除直流母線電壓波動對輸出負(fù)載的影響。但其控制策略只能消除母線變化對負(fù)荷的影響，無法在母線擾動時控制母線功率取用，支持母線電壓恢復(fù)，并且其負(fù)荷電壓恢復(fù)過程并不是一個柔性、震蕩的過程。目前有關(guān)連接于直流母線上的直流變流器控制策略仍缺乏柔性，缺乏自動分擔(dān)母線功率的能力，因此亟需研究柔性的、魯棒的DC/DC 變換器控制方案。

本文提出一種模擬直流發(fā)電機(jī)特性的DC/DC變換器控制策略［9，10］，并通過虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略模擬了直流發(fā)電機(jī)電樞電流、轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩等電機(jī)狀態(tài)量，能使DC/DC 變換器輸出特性與直流發(fā)電機(jī)保持一致。采用虛擬直流發(fā)電機(jī)控制的直流變換器能很好地維持負(fù)荷端電壓為額定值，在母線電壓受擾電壓下降時少向母線取用功率，支持母線電壓恢復(fù)，且在母線側(cè)、負(fù)荷側(cè)電壓變化過程中是一個緩和震蕩過程，不會產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，有效提升了直流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1 Boost 型負(fù)荷用直流變換器

在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，直流母線電壓值一定且與負(fù)荷電壓不一定統(tǒng)一，因此需要通過負(fù)荷直流變換器接入直流母線，由于本文側(cè)重于介紹DC/DC 變換器的控制方法，因此，僅以Boost 型DC/DC 變換器為例進(jìn)行仿真及實驗。Boost 直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式如圖1 所示。

圖1 Boost 型DC/DC 變換器及其控制

負(fù)荷用Boost 型DC/DC 變換器連接直流母線與高壓負(fù)荷，通過采集負(fù)荷側(cè)電壓及母線側(cè)電壓電流經(jīng)過電壓電流控制器及虛擬直流發(fā)電機(jī)控制器產(chǎn)生PWM 波控制母線電壓波動，維持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定，響應(yīng)母線電壓的擾動。

2 虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略

2.1 直流發(fā)電機(jī)等效方程

電勵磁式直流發(fā)電機(jī)主要通過其他電流流過勵磁線圈產(chǎn)生磁通來提供發(fā)電機(jī)所需的勵磁。對于電勵磁式直流發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化時，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流的大小來維持發(fā)電機(jī)的輸出電壓恒定［11-12］。并且其機(jī)械轉(zhuǎn)矩會為電壓波動提供一個相對慣性，為其變化提供一個緩沖。正因為直流發(fā)電機(jī)這種方便調(diào)節(jié)電壓及具有慣性的特點，本文才模擬其機(jī)械特性與電磁特性來控制DC/DC 直流變換器使其輸出電壓穩(wěn)定。

如圖2 所示，直流發(fā)電機(jī)與DC/DC 變換器二端口網(wǎng)絡(luò)之間存在對偶關(guān)系［13］。

圖2 虛擬直流發(fā)電機(jī)的原理

直流發(fā)電機(jī)是個電氣設(shè)備，因此它由電氣和機(jī)械兩部分組成:

機(jī)械方程:

式中:J 為轉(zhuǎn)動慣量;D 為阻尼系數(shù);Tm，Te為機(jī)械和電磁轉(zhuǎn)矩;ω 為實際角速度;ω0為額定角速度。

由式(1)，(2)可知，直流發(fā)電機(jī)的虛擬電磁轉(zhuǎn)矩相對于直流母線電壓提供的虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩而言是制動性質(zhì)的。當(dāng)功率平衡時，母線電壓上沒有功率交換能夠維持電壓穩(wěn)定，而DC/DC 直流變換器與母線電壓產(chǎn)生功率交換時將導(dǎo)致感應(yīng)電勢以及電樞端電壓的變化，即負(fù)荷端電壓的變化。且其機(jī)械轉(zhuǎn)矩能提供一個慣量能使得直流變換器與母線柔性結(jié)合，為母線電壓的波動提供一個緩沖。

電樞方程:

式中:E 為電樞電動勢;I 為電樞電流;CT為轉(zhuǎn)矩系數(shù);U 為機(jī)端電壓;Ra為電樞的等效電阻;Φ為磁通。

由式(3)可知，在勵磁電流一定時，感應(yīng)電動勢與角速度成正比，本文根據(jù)直流發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程來調(diào)節(jié)實際角速度，由此來調(diào)節(jié)感應(yīng)電勢E，保持感應(yīng)電動勢穩(wěn)定，從而保證輸出端電壓不變，即維持負(fù)荷端電壓保持平衡。

通過式(1)～(4)可以得到圖4 所示的DC/DC 變換器采用虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略。圖3 中:Iref為通過虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略計算出的DC/DC 變換器的直流側(cè)電流參考值;I1為實際DC/DC 變換器的負(fù)荷側(cè)電流;U2ref為負(fù)荷側(cè)電壓參考值，U2為負(fù)荷側(cè)電壓實際值;D 為阻尼系數(shù);ω 為實際角速度;ω0為額定角速度。

2.2 虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略

如圖3 所示，控制系統(tǒng)分為3 個部分。在電壓調(diào)節(jié)控制部分中，負(fù)荷側(cè)檢測到的負(fù)荷電壓U2與負(fù)荷電壓參考值相比較后進(jìn)行PI 控制與負(fù)荷側(cè)電壓參考值相乘，可以得到機(jī)械功率與計算所得的DC/DC 變換器輸出有功功率差值，與計算功率Pref相加后可得機(jī)械功率Pm;虛擬直流發(fā)電機(jī)控制部分中，根據(jù)直流發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程、電樞方程來構(gòu)建模型，機(jī)械方程使其擁有與直流發(fā)電機(jī)一樣的轉(zhuǎn)動慣量，正是由于存在這種慣量，母線電壓在受到負(fù)荷變化影響時會產(chǎn)生一定的緩和震蕩且電壓跌落遠(yuǎn)小于一般PI 控制下的Boost 變換器。

圖3 虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略

機(jī)械功率Pm與額定角速度相除可得到機(jī)械轉(zhuǎn)矩，通過模擬直流發(fā)電機(jī)機(jī)械特性可以得到實際角速度ω;通過式(3)，(4)所描述的電樞特性可計算得到電流參考值Iref，參考電樞電流經(jīng)過電流跟蹤控制產(chǎn)生控制DC/DC 變換器的PWM 信號。虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略可在母線電壓發(fā)生擾動時下計算出與當(dāng)前情況下適宜穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓的運(yùn)行點，通過調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)角速度進(jìn)而控制電樞電壓的輸出，在虛擬直流電機(jī)所特有的慣性下經(jīng)過一個震蕩緩沖過程維持負(fù)荷側(cè)電壓在其額定值。

經(jīng)過圖3 所示的虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略示意圖，可以使得二端口的輸出端的外特性與直流發(fā)電機(jī)相一致。

3 虛擬直流發(fā)電機(jī)小信號模型

基于對虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略原理的闡釋，可以得到圖4 所示有關(guān)于母線電壓變化時功率波動的小信號數(shù)學(xué)模型。

基于圖4 所示的小信號模型，可以得到圖5所示化簡后的虛擬直流發(fā)電機(jī)的小信號模型。

圖4 虛擬直流發(fā)電機(jī)的小信號模型

圖5 虛擬直流發(fā)電機(jī)小信號模型化簡

由圖4 和圖5，可以得到直流母線電壓偏差ΔUdc對于負(fù)荷交換功率偏差ΔP之間的傳遞函數(shù)為

可見，采用虛擬直流發(fā)電機(jī)控制的直流變換器接口，在直流母線電壓波動過程中的功率響應(yīng)與其阻尼參數(shù)D 成反比。由此可知，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略可自行調(diào)節(jié)母線上的功率取用，響應(yīng)母線電壓擾動。

4 仿真

本文采用PSCAD/EMTDC 仿真來驗證所提控制策略。初始運(yùn)行時直流母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行于額定值400 V，1 s 后直流母線受到擾動出現(xiàn)一定時間的電壓跌落。

由圖6 可知，當(dāng)直流母線電壓受擾偏低時，雙向直流變換器的虛擬電樞電動勢會根據(jù)直流母線的變化而變化，從而減少向直流母線的功率取用，有效支撐母線電壓恢復(fù)。

圖6 受擾動時的母線電壓及電樞端電壓

分別采用PI 控制與虛擬直流發(fā)電機(jī)控制在同樣工況下對Boost 電路進(jìn)行控制。初始母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行與400 V，1 s 時，系統(tǒng)繼續(xù)投入負(fù)荷，引起系統(tǒng)直流母線電壓的變化。其中，串聯(lián)電感為1 mH，輸出濾波電容為3．3 mF;負(fù)荷為恒阻抗負(fù)荷100 Ω，50 Ω 兩組并聯(lián);仿真時間為2 s，步長為250 μs;起初僅給1 組負(fù)荷供電，1 s 時增加1組負(fù)荷，兩組負(fù)荷并聯(lián)運(yùn)行。

(1)PI 控制:圖7(a)、(b)為對Boost 負(fù)荷用變換器采用PI 控制下母線電壓和負(fù)荷電流的變化曲線，當(dāng)負(fù)荷功率變動時，受擾動之后的母線電壓，在PI 控制下會產(chǎn)生一個回復(fù)的趨勢，母線電壓值最終穩(wěn)定在397 V 僅產(chǎn)生一個小范圍的電壓跌落;負(fù)荷側(cè)電壓則能穩(wěn)定在450 V 的額定值。傳統(tǒng)PI 控制方法雖然能維持負(fù)荷側(cè)的電壓保持平衡，可其電壓變化仍然十分突兀。

圖7 PI 控制時直流微網(wǎng)母線電壓及負(fù)荷側(cè)電壓

(2)虛擬直流發(fā)電機(jī)控制:圖8(a)、(b)為對Boost 負(fù)荷用變換器采用虛擬直流發(fā)電機(jī)控制下母線電壓和負(fù)荷電流的變化曲線，由于母線電壓跌落時虛擬直流發(fā)電機(jī)控制下的Boost 變換器會減少對母線電壓的功率取用，因此同樣可以維持母線電壓穩(wěn)定值在397 V，并且相較于PI 控制增加了慣性環(huán)節(jié)，電壓恢復(fù)過程中會通過一定震蕩緩和不會對母線上其他設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，其負(fù)荷側(cè)電壓同樣會經(jīng)過一個震蕩過程恢復(fù)到原始值。虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略的超調(diào)性相較于PI 控制更加優(yōu)越。

圖8 虛擬直流發(fā)電機(jī)控制時直流微網(wǎng)母線電壓及負(fù)荷側(cè)電壓

5 實驗

為驗證虛擬直流發(fā)電機(jī)控制方法在實際系統(tǒng)中的可行性，本文搭建了10 kW 雙向DC/DC 變換器的常規(guī)樣機(jī)并接入中國電科院微網(wǎng)實驗室進(jìn)行單相升壓控制，其中直流側(cè)電壓為400 V，負(fù)荷為恒阻抗負(fù)荷，Boost 電路分別采用PI 控制及虛擬直流發(fā)電機(jī)控制方式進(jìn)行試驗，實驗結(jié)果可證明本文提出控制策略的可行性。圖9 為試驗樣機(jī)圖。

示波器觀測直流母線處的電壓測試結(jié)果如圖10 所示。其中圖10(a)為PI 控制下的直流母線側(cè)電壓波形，負(fù)荷發(fā)生變化時，母線電壓會產(chǎn)生一個直接的電壓跌落，會對母線上其他用電設(shè)備產(chǎn)生一定沖擊;圖10(b)為虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略下的直流母線側(cè)電壓曲線，虛擬直流發(fā)電機(jī)控制下的Boost 變換器提高了微源的慣性，改善了其暫態(tài)性能使得電壓以一個緩和的震蕩過程恢復(fù)。虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略的采用使得變換器具備響應(yīng)母線電壓擾動的能力，與仿真結(jié)果類似。

圖9 試驗樣機(jī)圖

圖10 實驗波形

6 結(jié)論

直流微網(wǎng)中，當(dāng)母線電壓發(fā)生擾動時，需要負(fù)荷用直流變換器能穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓不受影響，且有支持母線電壓恢復(fù)的能力，減小電壓跌落帶來的沖擊。本文提出了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制策略，虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略是一種魯棒的、柔性的直流變換器控制方法，可以有效緩和負(fù)荷變化導(dǎo)致直流母線電壓波動問題，且能使負(fù)荷側(cè)電壓平緩恢復(fù)到額定值;在母線電壓下降時，Boost 變換器會主動減少母線上的功率取用，支持母線電壓恢復(fù)。

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