直流微電網中多端口隔離型DC-DC變換器的改進虛擬電容控制策略

張 輝 梁譽馨 孫 凱 陳 歡 杜明橋

直流微電網中多端口隔離型DC-DC變換器的改進虛擬電容控制策略

張 輝1,2梁譽馨1孫 凱2陳 歡2杜明橋1

（1. 西安理工大學電氣工程學院 西安 710048 2. 電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學） 北京 100084）

針對直流微電網慣性低、母線電壓質量較差的問題，考慮當前分布式微源對高升/降壓比、電氣隔離以及高效率變換器的急切需求，提出一種多端口隔離型DC-DC變換器（MPIC）的改進虛擬電容（IVC）控制策略。首先，采用MPIC取代傳統的Buck-Boost電路，實現儲能系統內部微源相互電氣隔離；其次，通過類比交流微電網中虛擬同步電機的調頻控制，得到適用于MPIC的IVC控制；然后，建立其IVC控制下儲能接口變換器（ESC）的小信號模型，深入分析負載擾動下直流母線電壓的動態特性，針對擾動過程中產生的電壓過沖現象，采用前饋補償予以消除，并給出電壓跟蹤系數、虛擬電容和阻尼系數等參量的整定方法；最后，仿真和實驗結果驗證了所提控制策略的有效性和正確性。

直流微電網 慣性 改進虛擬電容控制 多端口變換器

0 引言

多端口隔離型DC-DC變換器（Multi-Port Isolated DC-DC Converter, MPIC）具有電氣隔離、高升/降壓比、功率雙向流動和簡單的軟開關控制[1-2]等優點，由CLLC諧振變換器和交錯Buck-Boost變換器級聯而成，可廣泛應用于分布式發電系統[3]、電動汽車以及其他新興能源轉換系統[4]。隨著直流微源和直流負載的使用日益增多，直流微電網開始興 起[5-6]。然而，直流微電網本身慣性較低，其母線電壓容易受到間歇性可再生能源和局部負載變化引起的功率波動影響[7-9]。尤其在離網模式下，僅靠儲能系統調節直流母線上的電壓與功率平衡，對儲能設備的容量、輸出特性及成本都提出較高要求，不利于微電網的推廣及維護[10-11]。同時，考慮當前直流微電網中分布式微源對高升/降壓比、電氣隔離以及高效率變換器的急切需求，有必要提出一種應用于隔離型DC-DC變換器的虛擬慣性控制策略，MPIC符合本文要求。

目前，對直流微電網虛擬慣性控制的研究主要集中在AC-DC領域。以雙向并網轉換器為例，文獻[12]將交流微電網中的虛擬同步電機控制通過類比推理引入直流微電網的母線電壓控制中，提出相應的虛擬電容（Virtual Capacitor, VC）控制策略以增強直流微電網慣性和穩定性，但其虛擬電容為固定值，在不同負載擾動下難以應對電壓變化的快慢。故文獻[13]建立虛擬電容和母線電壓變化率之間的聯系，提出一種靈活虛擬慣性（Flexible Virtual Inertia, FVI）控制策略，實現虛擬電容跟隨電壓自適應變化，但文中各關鍵參數的約束條件之間相互獨立，未確立穩定運行邊界。文獻[14]在文獻[13]基礎上，通過構建滿足VSC多約束穩定運行的指標集，在多約束范圍內盡可能地發揮虛擬電容靈活可調的優勢，為直流微電網提供慣性支撐。需指出，文獻[13-14]所采用FVI控制雖減緩了母線電壓受擾時偏離額定值的速度，但帶來了電壓恢復時間過長的新問題，勢必會對微電網的安全穩定性能帶來不利影響。

然而，上述文獻的研究主要集中在并網領域，當微電網以離網模式運行時，并網轉換器將無法提供慣性支持[15]。在這種情況下，很難保證直流微電網的安全穩定。因此，為增強離網工況下直流母線電壓的擾動抑制能力，文獻[16-17]將儲能變換器的下垂控制系數修正為母線電壓變化率的函數，為系統提供慣性支持，但其引入微分控制項，易帶來高頻干擾問題。文獻[18-20]將DC-DC變換器物理結構和直流電機做等效，研究了直流微電網光儲協調控制下虛擬直流電機對母線電壓動、穩態特性的改善效果，但該方法控制復雜、對硬件要求較高。文獻[21]提出一種適用于直流微電網的類虛擬同步電機控制并將其應用于儲能變換器，改善了直流母線電壓的瞬態性能，但缺乏實驗驗證。

上述文獻中的儲能變換器皆為Buck-Boost非隔離型電路，具有成本低、質量輕、結構簡單等優點，主要應用于低壓大電流場合[22-23]。然而，非隔離型電路的升降壓范圍較窄，不適合高電壓增益場合；且沒有電氣隔離，分布式電源系統的安全性難以得到保障。故采用MPIC取代傳統的Buck-Boost電路，可保護操作人員和后級設備免受電氣傷害[24-25]，并降低儲能裝置的電壓等級。綜上所述，研究應用于隔離型DC-DC變換器的VC控制具有重要意義。因此，針對上述問題，本文在文獻[12-21]的基礎上，提出一種適用于MPIC的改進虛擬電容（Improved Virtual Capacitor, IVC）控制策略，增強了母線電壓的抗擾能力，提高了直流微電網的響應特性。

1 直流微電網系統結構

構建圖1所示含MPIC的光儲直流微電網結構，其組成部分為：①光伏單元和儲能裝置通過兩級式隔離雙向DC-DC變換器接入400V直流母線，與直流負載組成三端口直流變換器；②將CLLC諧振電路作為兩級式變換器的前級，交錯Buck-Boost電路作為后級。出于成本考慮，將光伏接口變換器的后級用交錯Boost電路替代。圖中，dc為直流母線電壓，dc為直流輸出電流；T為變壓器匝比；m、r為諧振腔勵磁電感和諧振電感，1、2為諧振電容；in、M和o分別為MPIC的輸入電容、中間級電容和輸出電容。

圖1 含MPIC的光儲直流微電網結構

CLLC諧振電路一般采用調頻控制調節輸出電壓增益，但該控制方式并不適合本文的三端口結構：①諧振腔參數設計較為困難，電壓增益受帶載功率影響較大，在重載時難以實現高電壓增益，調頻范圍過寬[26]；②各子端口輸入電壓不同時其諧振腔所需工作頻率也不相同，這會造成各子端口和母端口的全橋之間發生相位差而無法調節輸出電壓，并產生功率耦合。為簡化CLLC變換器的參數設計和控制方式，控制其開關頻率恒定于諧振頻率，此時，在不同負載條件下CLLC變換器的電壓增益基本恒定，可將其等效為一個直流變壓器；然后，選擇交錯Buck-Boost電路輔助調整直流母線電壓，組成一個兩級式隔離雙向DC-DC變換器。其具體控制方式如下：

（1）對于前級CLLC諧振電路，高壓側全橋和兩個低壓側全橋采用相同的控制信號，即對開關管S1、S4、S5i、S8i（=1,2）施加占空比為50%、開關頻率為諧振頻率的控制信號（同相位），并對其他開關管施加互補控制信號。需指出，理想狀況下每個諧振腔的工作狀態與三端口直流變換器無差異。

（2）對于后級交錯Buck-Boost電路，假設光伏接口變換器一直工作于最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）狀態；控制儲能接口變換器（Energy Storage interface Converter, ESC）工作于IVC模式，對下橋臂開關管S22、S42施加相位差為180°且占空比相同的驅動信號，并控制上、下橋臂開關管驅動信號互補。

2 直流微電網虛擬電容控制策略

2.1 直流微電網虛擬電容控制基本原理

交流微電網中虛擬同步發電機的有功-頻率下垂控制[27]可表示為

式中，為轉動慣量；p為頻率阻尼系數；m、e分別為機械轉矩和電磁轉矩；m、e分別為機械功率和電磁功率；、0分別為實際和額定轉子角 速度。

由式（1）可知，當電網頻率受到外界擾動時，由于的存在，VSG可快速釋放或吸收有功功率抑制頻率突變，表現出較大的慣性[12]；而p描述的是系統頻率的穩態偏移量，作為頻率-有功控制的下垂系數，旨在提供阻尼電網頻率振蕩的能力[28]。

當交流微電網運行于穩態時，整理式（1）可得

式中，n0為空載角速度；為下垂系數。

由式（1）、式（2）可知，VSG的功頻控制是一種改進下垂控制，在表征系統一次調頻特性的基礎上，增加了轉子慣量特性及阻尼特性[29]。

直流微電網中，可再生能源出力變化以及負荷投切等擾動都會造成直流母線電壓頻繁波動，電能質量惡化。因此，不妨參照虛擬同步電機的調頻控制，在ESC的下垂控制中模擬真實電容的充放電特性和阻尼特性，增強直流母線電壓的擾動抑制能力，得到ESC的虛擬電容方程為

當直流微電網運行于穩態時，整理式（3）可得

式中，ref為直流側空載輸出電壓；為下垂系數。

圖2所示為ESC系統控制框圖，主要由VC控制、輸出電流前饋控制和電壓電流雙環控制三部分組成。其中，VC控制由式（3）推導而來，其輸出為直流母線電壓給定；0()為輸出電流前饋函數，用來消除負載突變產生的母線電壓過沖現象，下文將做詳細介紹；電壓電流雙環控制由直流母線電壓外環和ESC輸入電流內環組成，產生調制波經PWM控制生成占空比，調節MPIC的輸出。

圖2 ESC系統控制框圖

2.2 改進虛擬電容控制原理

對于含MPIC的孤立直流微電網，負載擾動時，令vir較大以減小母線電壓變化率；擾動結束后，控制母線電壓迅速恢復。VC控制是一種恒定虛擬電容控制，不能同時滿足上述要求，具有一定局限性。因此，本文提出一種改進虛擬電容控制策略，其控制原理如圖3所示。

圖3 改進虛擬電容控制原理

Fig.3 Improved virtual capacitor control principle

圖4 IVC控制下開關動作原理

綜上可知，IVC控制對應的虛擬電容最終表達式為

在不同工況下，含MPIC的孤立直流微電網控制策略如下：

（1）為便于分析，假設光伏單元一直工作在MPPT狀態，本文不做詳細介紹。

（2）當負載擾動帶來的電壓偏移超過，且向偏離額定值的方向變化時，IVC控制增大vir以減小電壓變化率，避免了VC控制出現的電壓變化過快問題。

（3）當負載擾動結束時，IVC控制減小vir至初值，使直流母線電壓在短時間內快速恢復至穩態，與文獻[11-12]所提控制策略相比，解決了直流側電壓在擾動結束后恢復時間較長的新問題，優化了母線電壓的暫態波形。

3 ESC-IVC控制建模與參數整定

3.1 ESC-IVC小信號建模

圖5 ESC等效電路

列寫ESC等效電路的狀態空間方程為

式中，為Boost模式下開關管S2的占空比。

將式（7）中的狀態變量寫成穩態量和小擾動量之和，并進行線性化處理，可由Laplace變換得到其小信號方程為

式中，Dbat、Dbat、Ddc、Ddc_b、D分別為式（7）中各狀態變量的小擾動量；、dc、bat分別為相應變量的穩態值。由式（8）可推導出各小擾動量構成的傳遞函數分別為

式中，0=eqeq2+eqeq+(1-2)。需指出，本文采用的MPIC中光伏單元和儲能裝置共用一個高壓全橋，故直流輸出電流dc由dc_b和dc_p兩部分組成。其中，dc_p表示光伏單元傳輸到高壓直流側的輸出電流，即dc=dc_b+dc_p，忽略MPIC的能量損耗，由輸入輸出功率平衡可得

結合式（15），將式（3）小信號線性化，經過Laplace變換得到IVC控制的小信號方程為

綜上所述，式（9）～式（16）共同描述了IVC控制的ESC小信號模型如圖6所示。圖中，v()=pv+iv/，i()=pi+ii/，分別為電壓外環與電流內環的PI控制器。由圖6可得，ESC在不采用輸出電流前饋時，Ddc()和-Ddc_b()之間的閉環傳遞函數為

式中，pwm為DC-DC變換器PWM控制器標幺化的電壓增益，在小信號分析中一般默認為1。

圖6 IVC控制的ESC小信號模型

3.2 ESC-IVC動態特性分析

為探究直流微電網負載突增時，直流母線電壓變化量（Ddc）隨直流輸出電流的響應情況，建立不同vir下ncf()的單位階躍響應如圖7所示。不難發現，隨著vir的增加，Ddc變化更加平緩，這表明微電網的慣性不斷增強。然而，在階躍響應的初始階段，Ddc會產生一個較大電壓尖峰，嚴重破壞直流母線電壓的暫態波形，故亟需探尋造成該現象的原因。

圖7 Gncf (s)的單位階躍響應

由圖6可知，-Ddc_b()可通過三條通道影響Ddc()：通道1，1()和雙閉環控制；通道2，6()、1()和雙閉環控制；通道3，7()、1()和雙閉環控制。分別求出各通道的傳遞函數loop1()、loop2()和loop3()，即

根據疊加定理，可將ncf()表示為

由式（18）～式（20）分別得到loop1()、loop2()和loop3()的時域階躍響應如圖8所示。由圖8可知，在階躍響應初始階段，-Ddc_b()經通道2與通道3各產生一個電壓尖峰，破壞了dc()的暫態波形，不利于直流微電網的安全穩定。為此，本文提出ESC直流輸出電流前饋控制消除通道2和通道3的影響，其傳遞函數為

為簡化控制器參數設計，已對f()做了求極限處理，得到前饋傳遞函數的最終形式f0()。由于上文已指出直流側電流dc的組成部分，故可得圖2中0()的傳遞函數為

圖8 各通道傳函的單位階躍響應

式中，f0()為Dbat()與-Ddc_b()之比；0()為Dbat()與Ddc()之比。

當ESC-IVC控制中引入輸出電流前饋時，Ddc()和-Ddc_b()之間的閉環傳遞函數cf()為

可得到不同vir下cf()的單位階躍響應如圖9所示。由圖9可知，當負載突增時，Ddc可平滑且緩慢地過渡至穩態值，并保持暫態波形良好，驗證了所提前饋控制的正確性和有效性。

圖9 Gcf(s)的單位階躍響應

3.3 ESC-IVC穩定性分析及參數選取

圖10為b=0.25，vir從-20～20mF變化時，cf()的閉環根軌跡。圖中，cf()共有5個極點，全部在虛軸左側。其中有4個固定極點（一個極點離虛軸較遠，未畫出），一個變化極點。當vir≥0時，隨著vir增大，該極點向虛軸移動，但不會越過虛軸；當vir＜0時，變化極點出現在虛軸右側，系統失穩。因此，就系統穩定性而言，僅需滿足vir≥0即可[12]。

圖10 Cvir變化時Gcf(s)的閉環根軌跡

圖11為vir=1mF，b從0～10變化時，cf()的閉環根軌跡。同樣，固定極點個數為4（其中一個未畫出）；另一極點隨b變化而移動。圖中，變化極點隨b的增大遠離虛軸，表明b越大，系統越穩定，但b的取值要受到負載擾動電流Ddc和最大允許母線電壓偏差Ddc,max的限制。為此對式（3）進行Laplace變換可得

令→0，可得電壓電流下垂系數1/b，其決定了母線電壓暫態響應的終值。因此，1/b的取值需滿足

式中，Ddc的選取需和實際應用場景相結合，且在參數選取過程中，需先確定b，再根據直流微電網對慣性的需求確定vir，最后確定電壓跟蹤系數u。電壓跟蹤系數u決定電壓誤差Ddc反饋作用的強弱，即虛擬電容跟隨電壓變化的能力。取值過小，虛擬電容響應電壓變化能力不足，難以有效抑制電壓波動；取值過大，則vir取值較大，造成換流器無法提供微電網所需功率。本文中b的取值滿足 0＜b≤0.5；vir的取值滿足0＜vir≤20mF。

因此，可由式（5）、式（6）得到負載擾動時，電壓偏離額定值的誤差為

由式（4）可得到直流母線電壓變換量的時域表達式為

聯立式（26）～式（28），可得IVC控制中電壓跟蹤系數u的表達式為

由式（29）可知，u與母線電壓最大允許偏差Ddc,max、虛擬電容vir和虛擬初始電容v0有關。實際工程中，u取值要權衡儲能容量和微電網響應特性方面的需求，本文中u的取值滿足0＜u≤1.9×10-3。

4 仿真及實驗驗證

4.1 仿真驗證

為驗證上述所提IVC控制的有效性及理論分析的正確性，在Matlab/Simulink中構建圖1所示含MPIC的光儲直流微電網模型，仿真參數見表1。

表1 MPIC的仿真參數

Tab.1 Simulation parameters of MPIC

4.1.1vir、u對母線電壓影響的仿真分析

觀察vir、u對直流母線電壓dc動態特性的影響：系統帶2kW負載獨立運行，僅光伏單元工作；0.5s突增1kW負載，光伏和儲能同時向負載供電，仿真波形如圖12所示。由圖12a可知，vir較小時，dc迅速下降至穩態值；隨著vir增大，dc下降越來越緩慢，但不影響其穩態偏移量的值。由圖12b、圖12c可知，u越大，對應的vir越大，dc過渡至穩態值的時間越長，這與3.3節理論分析相一致。

4.1.2IVC控制的仿真分析

圖13為負載load變化時，在有、無輸出電流前饋的IVC控制下母線電壓dc和輸出功率o的仿真波形。由圖13a可知，在無輸出電流前饋的IVC控制下，load突增、突減均會使dc產生較大的電壓尖峰，從而破壞母線電壓暫態波形，不利于直流微電網安全穩定運行；在加入輸出電流前饋補償后，dc可平滑且緩慢過渡至穩態，極大地改善了母線電壓電能質量。由圖13b可知，在=0.3s時，load由2.0kW突增至3.0kW?？梢悦黠@看出，在無輸出電流前饋控制下，由于干擾問題的存在導致ESC無法向負載提供有效功率支持，從而影響直流母線電壓暫態性能。同理，在=0.6s時，load由3.0kW突減至2.0kW，相比無輸出電流前饋的IVC控制，加入前饋補償后，ESC可向負載提供額外功率支持，以獲得平滑母線電壓暫態波形。因此，在ESC-IVC控制基礎上引入輸出電流前饋控制可消除干擾源造成的不利影響，從而改善母線電壓暫態性能。

圖13 有、無輸出電流前饋的IVC控制仿真波形

圖14為分別采用VC控制、FVI控制和IVC控制下母線電壓dc和輸出功率o的仿真波形。由圖14a可知，相比傳統的VC控制，FVI控制下的dc跌落速度明顯減緩，但恢復時間顯著增加。若下次擾動發生時，dc未恢復至額定值，就會在此基礎上繼續變化，有可能嚴重偏離額定值。故本文所提IVC控制在具有FVI控制優勢的同時，可使dc快速恢復至穩態值，解決其恢復過慢問題。由圖14b可知，在=0.3s，load突增情況下，采用FVI控制或IVC控制時，ESC能為負載提供額外的輸出功率，這是因為二者能為系統提供遠大于VC控制的虛擬電容；在=0.6s，load突減情況下，VC控制和IVC控制下的ESC輸出功率更小些，這是因為二者所用虛擬電容遠小于FVI控制。因此，IVC控制結合了VC控制和FVI控制的優點，既能抑制負載擾動時電壓變化過快，又能使其快速恢復至額定值，為直流微電網提供靈活可調的慣性支持。

圖14 三種控制策略仿真波形對比

圖15為光伏陣列出力恒定而負載功率隨機波動情況下，直流母線電壓在不同控制策略下的仿真波形。由圖15a可知，FVI控制下的dc相比VC控制，當擾動發生時，電壓變化速度明顯減緩，波動幅值明顯減小，電能質量顯著提升；但結合圖15b可知，FVI控制下的dc因其恢復速度過慢，在尚未恢復階段受到新擾動時，電壓有可能嚴重偏離額定值，不利于直流微電網穩定運行。而本文所提IVC控制較好地解決了該問題，可使dc快速恢復到額定值，保持良好的暫態電壓波形，進一步改善直流微電網的暫態性能以及電能質量。

4.2 實驗驗證

在實驗室搭建了含MPIC的孤立微電網實驗平臺，設定額定功率為400W，阻尼系數0.025，其余參數與Matlab仿真參數一致，見表1。

圖15 負載功率隨機波動時不同控制策略下的仿真波形

圖16所示為實驗平臺實物，采用DSP TMS320F28335實現本文控制算法。其中，采用110V/8A直流源串聯15W電阻模擬光伏單元，其MPPT控制下的輸出功率，即光伏接口變換器的額定功率為200W；儲能單元為48V/12A的鋰電池，其接口變換器額定輸出功率為200W。實驗過程中，光伏變換器始終工作于MPPT狀態，且光伏端和儲能端經Buck-Boost電路后的額定輸出電壓為100V。

圖16 MPIC實驗平臺

4.2.1vir對電壓dc影響的實驗驗證

初始時刻，系統帶200W負載運行，僅光伏單元工作，IVC控制的實驗波形如圖17所示。某一時刻，突增100W負載，光伏和儲能單元同時向負載供電，觀察此時vir對直流母線電壓dc的影響，實驗結果如圖17a～圖17c所示?？梢姡瑅ir越大，電壓變化越緩慢，這與圖12a的仿真結果相一致。同時，下文所有實驗在此工況上增加了負載突減實驗。

4.2.2 IVC控制的實驗驗證

圖17d與圖17e為負載突變時，有、無輸出電流前饋的IVC控制下直流輸出電流dc和母線電壓dc的實驗波形。由圖17d可知，在無輸出電流前饋，負載功率突變時，dc的電壓波形出現較小的驟升和驟降（這是由于負載擾動電流Ddc僅能達到0.25A，dc不足以產生較大電壓尖峰），暫態波形并不平滑。由圖17e可知，加入輸出電流前饋補償后，dc可平滑且緩慢過度至穩態值，直流微電網慣性得到良好體現。圖17f～圖17h為分別采用VC控制、FVI控制和IVC控制下直流輸出電流dc和母線電壓dc的實驗波形?？梢?，FVI控制相比于VC控制，可依據實際工況靈活調整母線電壓的變化速率，降低其波動速度，但恢復時間較長；IVC控制結合了FVI控制的優點，可使母線電壓快速恢復至額定值，進一步改善其電能質量。

圖17 IVC控制的實驗波形

5 結論

本文以MPIC的控制為研究對象，為提高直流微電網母線電壓的動、穩態特性，提出一種適用于MPIC的IVC控制。該策略根據母線電壓偏移額定值的程度動態調節虛擬電容，提高母線電壓的抗擾性能。利用Matlab/Simulink仿真和400W的小功率樣機對比有、無輸出電流前饋以及不同ESC控制策略下的母線電壓暫態波形，得到結論如下：

1）對MPIC中的儲能接口變換器，即ESC進行小信號建模，建立了Ddc()和-Ddc_b()之間的閉環傳函，發現直流輸出電流dc_b會對直流母線電壓的暫態過程產生不利影響。提出了適用于MPIC的直流輸出電流前饋補償法，在消除不利影響的同時優化了母線電壓的暫態波形。

2）負載擾動工況下，與VC控制和FVI控制相比，本文所研究的IVC控制能改善直流母線電壓的響應特性，并提高其穩定性。結合小信號穩定性分析，給出了ESC-IVC控制下各關鍵參數的整定方法及參數設計值。

3）本文所提ESC-IVC控制可推廣應用于直流微電網中的各類DC-DC變換器。

[1] M Zahid Z U, Dalala Z M, Chen R, et al. Design of bidirectional DC-DC resonant converter for vehicle- grid (V2G) applications[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2015, 1(3): 232-244.

[2] Jung J H, Kim H S, Ryu M H, et al. Design methodology of bidirectional CLLC resonant con- verter for high-frequency isolation of DC distribution systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(4): 1741-1755.

[3] Inoue S, Akagi H. A bidirectional DC-DC converter for an energy storage system with galvanic isola- tion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(6): 2299-2306.

[4] Zhao Biao, Song Qiang, Liu Wenhua. et al. Power characterization of isolated bidirectional dual-active- bridge DC-DC converter with dual-phase-shift control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(9): 4172-4176.

[5] 王盼寶, 王衛, 孟尼娜, 等. 直流微電網離網與并網運行統一控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(17): 4388-4396.

Wang Panbao, Wang Wei, Meng Nina, et al. Unified control strategy for off-grid and grid-connected operation of DC microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(17): 4388-4396.

[6] 肖湘寧, 王鵬, 陳萌. 基于分布式多代理系統的孤島微電網二次電壓控制策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(8): 1894-1902.

Xiao Xiangning, Wang Peng, Chen Meng. Secondary voltage control strategy of island microgrid based on distributed multi-agent system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(8): 1894-1902.

[7] Soni N, Doolla S, Chandorkar M C. Improvement of transient response in microgrids using virtual inertia[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(3): 1830-1838.

[8] 張曦, 張寧, 龍飛, 等. 分布式電源接入配網對其靜態電壓穩定性影響多角度研究[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(6): 120-125.

Zhang Xi, Zhang Ning, Long Fei, et al. Research of the impacts on static voltage stability of distribution networks with distributed generation from different aspects[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(6): 120-125.

[9] Dragicevic T, Guerrero J M, Vasquez J C, et al. Supervisory control of an adaptive-droop regulated DC microgrid with battery management capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(2): 695-706.

[10] 劉宿城, 甘洋洋, 劉曉東, 等. 超級電容接口雙向DC-DC變換器的電壓快恢復控制策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(23): 110-122.

Liu Sucheng, Gan Yangyang, Liu Xiaodong, et al. Voltage fast recovery control strategy of bidirectional DC-DC converter with supercapacitor interface[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(23): 110-122.

[11] 李微, 周雪松, 馬幼捷, 等. 三端口直流微網母線電壓控制器及多目標控制[J]. 電工技術學報, 2019, 34(1): 96-106.

Li Wei, Zhou Xuesong, Ma Youjie, et al. Three-port DC microgrid bus voltage controller and multi-target control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(1): 96-106.

[12] Wu Wenhua, Chen Yandong, Luo An, et al. A virtual inertia control strategy for DC microgrids analogized with virtual synchronous machines[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2017, 64(7): 6005- 6016.

[13] 孟建輝, 鄒培根, 王毅, 等. 基于靈活虛擬慣性控制的直流微網小信號建模及參數分析[J]. 電工技術學報, 2019, 34(12): 2615-2626.

Meng Jianhui, Zou Peigen, Wang Yi, et al. Small signal modeling and parameter analysis of DC microgrid based on flexible virtual inertia control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(12): 2615-2626.

[14] 孟建輝, 宋美琪, 王毅, 等. 虛擬電容控制下并網型直流微網VSC多約束穩定運行邊界[J]. 電力系統自動化, 2019, 43(15): 172-179.

Meng Jianhui, Song Meiqi, Wang Yi, et al. VSC multi-constrained stable operation boundary of grid- connected DC microgrid under virtual capacitor control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 47(15): 172-179.

[15] Guo Yu, Ma Weiwei, Meng Jianhui, et al. A virtual inertia control strategy for dual active bridge DC-DC converter[C]// 2018 IEEE 2nd Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2), Beijing, 2018: 1-5.

[16] 于明, 王毅, 李永剛. 基于預測方法的直流微網混合儲能虛擬慣性控制[J]. 電網技術, 2017, 41(5): 182-188.

Yu Ming, Wang Yi, Li Yonggang. Virtual inertial control of hybrid energy storage in DC microgrid based on prediction method[J]. Power System Tech- nology, 2017, 41(5): 182-188.

[17] 王毅, 黑陽, 付媛, 等. 基于變下垂系數的直流配電網自適應虛擬慣性控制[J]. 電力系統自動化, 2017, 41(8): 116-124.

Wang Yi, Hei Yang, Fu Yuan, et al. Adaptive virtual inertial control of DC distribution network based on variable droop coefficient[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(8): 116-124.

[18] 張輝, 張凱濤, 肖曦, 等. 模擬直流發電機特性的儲能變換器控制策略[J]. 電力系統自動化, 2017, 41(20): 132-138.

Zhang Hui, Zhang Kaitao, Xiao Xi, et al. Control strategy of energy storage converter for simulating DC generator characteristics[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(20): 132-138.

[19] 張輝, 譚樹成, 肖曦, 等. 具有直流電機特性的儲能接口變換器控制策略[J]. 高電壓技術, 2018, 44(1): 119-125.

Zhang Hui, Tan Shucheng, Xiao Xi, et al. Control strategy of energy storage interface converter with DC motor characteristics[J]. High Voltage Techno- logy, 2018, 44(1): 119-125.

[20] Soumya S, Prakash M J, Krishna R B. Virtual DC machine: an inertia emulation and control technique for a bidirectional DC-DC converter in a DC micro- grid[J]. IET Electric Power Applications, 2018, 12(6): 874-884.

[21] 朱曉榮, 孟凡奇, 謝志云. 基于虛擬同步發電機的直流微網DC-DC變換器控制策略[J]. 電力系統自動化, 2019, 43(21): 132-140.

Zhu Xiaorong, Meng Fanqi, Xie Zhiyun. Control strategy of DC micro-grid DC-DC converter based on virtual synchronous generator[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(21): 132-140.

[22] 李鵬程, 張純江, 闞志忠, 等.軟開關高增益Buck- Boost集成CLLC型直流雙向變換器[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(11): 3295-3305.

Li Pengcheng, Zhang Chunjiang, Kan Zhizhong, et al. Soft-switching high gain Buck-Boost integrated CLLC DC bidirectional converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(11): 3295-3305.

[23] 林維明, 郭曉君, 黃超. 改進單周期控制策略的雙向大變比DC-DC開關變換器[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(21): 31-37.

Lin Weiming, Guo Xiaojun, Huang Chao. Two-way large-ratio DC-DC switching converter with improved single-cycle control strategy[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(21): 31-37.

[24] 于德, 付超, 王毅, 等. 隔離型雙向直流變換器的最小回流功率移相控制方法[J]. 電工技術學報, 2017, 32(24): 126-138.

Yu De, Fu Chao, Wang Yi, et al. Minimum return power phase shift control method for isolated bidire- ctional DC converters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(24): 126-138.

[25] Saravanan S, Babu N R. A modified high step-up non-isolated DC-DC converter for PV application[J]. Journal of Applied Research & Technology, 2017, 15(3): S166564231730041X.

[26] Lin Xiang, Sun Kai, Lin Jin, et al. A multi-port bidirectional power conversion system for reversible solid oxide fuel cell applications[C]//2018 Inter- national Power Electronics Conference, Niigata, 2018: 3460-3465.

[27] 陶銀正, 蒲道杰, 毛福斌. 虛擬同步發電機技術及其在光儲微電網中的應用[J]. 電氣技術, 2016, 17(11): 36-40.

Tao Yinzheng, Pu Daojie, Mao Fubin. Virtual syn- chronous generator technology and its application in optical storage microgrid[J]. Electrical Technology, 2016, 17(11): 36-40.

[28] 呂志鵬, 盛萬興, 鐘慶昌, 等. 虛擬同步發電機及其在微電網中的應用[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(16): 2591-2603.

Lü Zhipeng, Sheng Wanxing, Zhong Qingchang, et al. Virtual synchronous generator and its application in microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(16): 2591-2603.

[29] 張輝, 宋瓊, 魏亞龍. 離網運行的多微源微網調頻調壓控制策略[J]. 高電壓技術, 2017, 43(1): 155- 162.

Zhang Hui, Song Qiong, Wei Yalong. Multi-micro- source micro-grid voltage regulation and control strategy for off-grid operation[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(1): 155-162.

Improved Virtual Capacitor Control Strategy of Multi-Port Isolated DC-DC Converter in DC Microgrid

1,21221

（1. School of Electrical Engineering Xi’an University of Technology Xi’an 710048 China 2. State Key Laboratory of Safety Control and Simulation of Power System and Power Generation Equipment Tsinghua University Beijing 100084 China）

At present, distributed micro-source has urgent demand for high up/down ratio, electrical isolation and high efficiency converter. Aiming at the low inertia of DC microgrid and poor bus voltage quality, an improved virtual capacitor (IVC) control strategy for a multi-port isolated DC-DC converter (MPIC) is proposed. Firstly, MPIC is used to replace the traditional Buck-Boost circuit to achieve the electrical isolation of the micro sources inside the energy storage system. Secondly, through analog frequency modulation control of the virtual synchronous generator in the AC microgrid, IVC control suitable for MPIC is obtained. Then a small signal model of the energy storage interface converter (ESC) under its IVC control is established, and the dynamic characteristics of the DC bus voltage under load disturbance are analyzed in depth. The voltage overshoot phenomenon generated during the disturbance process is eliminated by feedforward compensation, and the parameters such as voltage tracking coefficient, virtual capacitance and damping coefficient are given. Finally, simulation and experimental results verify the proposed control strategy.

DC microgrid, inertia, improved virtual capacitor control, multi-port converter

TM721

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191700

國家自然科學基金面上項目（51877117，51877175）、陜西省重點研發計劃資助項目（2017ZDXM-GY-003）、陜西省自然科學基金項目（2017JM5100）、臺達電力電子科教發展計劃重大項目（DREM2019005）和電力系統及發電設備控制與仿真國家重點實驗室（SKLD18M06）資助。

2019-12-06

2020-04-04

張 輝 男，1963年生，教授，博士生導師，主要研究方向為微電網運行控制與新型電力儲能及電動汽車驅動/充電。E-mail: zhangh@xaut.edu.cn

孫 凱 男，1977年生，研究員，博士生導師，主要研究方向為新能源發電與微電網系統中的電力電子技術。E-mail: sun-kai@mail.tsinghua.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）