基于虛擬直流電機的隔離型三端口直流變換器控制策略研究

蘭婉悅,孫道友，葛 星,汪軼凡，朱文苗,王 寧，劉世林

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

隨著可再生新型能源的滲透率不斷提高，直流微網因具有供電可靠性高、成本低、無頻率和功角穩定性等優點[1-2]，逐漸取代交流電網成為消納大量新型能源的有效途徑。然而，傳統的直流微網是低慣性、低阻尼的系統，微網中發電側的新型能源的功率變化以及用戶側的負載投切均會導致直流電壓的波動，甚至會影響直流微網的穩定運行[3]。因此，提升直流微網的支撐抗干擾能力，抑制直流母線電壓波動具有重要意義。

為提升直流微網的慣性及阻尼，解決直流微網直流電壓波動的問題，部分學者提出了虛擬直流電機控制的概念[4-8]。文獻[4]通過與虛擬交流同步發電機策略相類比，針對直流變換器提出了可以改善慣性和阻尼的虛擬直流發電機技術，詳細推導了直流發電機控制策略的數學模型，并搭建了相應的控制模型。文獻[5]將虛擬直流電機控制與光伏發電結合起來，從而提高光伏系統的穩定性和抗擾性。此外，針對光儲領域，文獻[6]在含光儲的微電網中引入虛擬直流電機控制，并且通過小信號模型分析控制參數對穩定性的影響。文獻[7]針對含儲能的應用場景，根據儲能的剩余容量，靈活調節虛擬直流電機中的慣性系數及阻尼系數，在保證系統具有一定慣性的基礎上，充分考慮了儲能的調節能力。進一步在交流混合應用場景中，文獻[8]提出應用于交直流混合電網中的能量路由器，能量路由器中交流端口采用虛擬交流同步電機控制，直流端口采用虛擬直流電機控制，使得交流端口及直流端口均具有電機特性，增強了系統的慣性和阻尼。

然而以上文獻的研究對象均是針對兩端口變換器，在直流電網日益復雜的功率流下，三端或多端口因其結構緊湊、成本低、功率密度高，在解決復雜功率流方面更有優勢[9]。因此，本文以隔離型三端口直流變換器為研究對象。針對變換器的調制策略，文獻[10]采用傳統的單移相調制策略，建立了隔離型三端口直流變換器的數學模型，并且采用對角矩陣的解耦算法。為提升系統效率，文獻[11]將三移相調制策略應用于隔離型三端口直流變換器，在整個功率傳輸范圍內，所有開關管均可實現軟開關，提升了變換器效率，缺點是控制較為復雜。針對變換器控制策略，除了傳統的PI控制策略外[10]，文獻[12]建立了三端口直流變換器的離散迭代模型，以輸出電壓與額定電壓差作為目標函數的組成部分，采用模型預測控制，在每個開關周期內對目標函數尋優，該控制策略具有良好的動態特性，但是控制較為復雜，同時對控制器的算力有較高的要求。

由于本文重點研究如何提升直流微網的供電質量，因此對于隔離型三端口直流變換器所采用的調制策略是單移相調制策略，控制方式是傳統的PI控制方法。在此基礎上，通過引入虛擬直流電機控制策略，提升直流微網的慣性及阻尼特性，抑制直流母線電壓波動，提高電能質量。

1 隔離型三端口直流變換器

1.1 隔離型三端口直流變換器拓撲

隔離型三端口直流變換器的拓撲如圖1所示。3個端口均采用全橋電路結構，3個全橋電路通過中頻或高頻變壓器連接。同時，由于變壓器具有電氣隔離的作用，隔離型三端口全橋變換器可以運行在功率等級或電壓等級較大的場景，通過調節匝數比得到相應的電壓等級。變換器的端口A、B、C分別連接直流母線、超級電容和蓄電池。能量可以在3個端口間實現雙向流動。LA、LB及LC表示變壓器漏感及端口線路等效電感之和，在運行過程中可以與MOSFET結電容形成諧振，易于實現軟開關，因此，變換器效率較高，調制策略采用傳統的單移相調制策略[10]，在此不再贅述。

圖1 隔離型三端口直流變換器拓撲

1.2 直流變換器的功率特性

隔離型三端口直流變換器的等效電路如圖2所示。一個三繞組的變壓器可以等效為兩個理想的雙繞組變壓器，變比分別為1∶n1以及1∶n2，通過變比可以將二次側與三次側的電感歸算到一次側，將電感通過星角變換公式進行等效變換得到LAB、LBC及LCA[10]。

圖2 變換器Δ型等效電路

在等效電路中，三端口變換器的任意兩個端口都可以看成是一個兩端口的直流變換器，根據兩端口直流變換器的公式[10]，得到端口B的功率表達式：

(1)

同理可以得到端口A的功率表達式：

(2)

再根據端口電壓與電流的關系，可以得到兩個端口的電流表達式：

(3)

(4)

2 虛擬直流電機控制策略

虛擬直流電機控制策略的主要目的是通過引入控制模型，使得隔離型三端口變換器這一物理模型具有直流電機的外特性，從而提升系統的慣性及阻尼，能夠有效地增加直流微網的抗干擾能力，控制示意圖如圖3所示。

圖3 虛擬直流電機控制策略示意圖

直流電機外特性是根據直流電機的工作原理及結構共同得到的[13]，其特征方程可以由直流電機的機械轉動方程以及電樞回路的電動勢平衡方程來描述。本文通過控制模型來實現兩個特征方程，其中直流電機的擺動方程如式(5)所示:

(5)

式中,ξ為阻尼；ω0為角速度額定值；Tm、Te分別為機械轉矩和電磁轉矩；H為慣性時間常數。

再根據電機學中轉矩與功率的關系，式(5)可以表示為

(6)

進一步，直流電機的電磁功率Pe實際上是電樞電動勢E和電樞電流I的乘積，表達式如式(7)所示:

Pe=EI,

(7)

直流電機的電樞回路特征方程如式(8)所示:

E=U+IRa，

(8)

式中，E為電樞電動勢；Ra為電樞阻抗。

根據直流電機特性，電樞電動勢還可以表示為

E=CTφω,

(9)

式中，φ為磁通；CT為轉矩系數。

在直流微網系統中，傳統方法中穩定直流電壓需要直流電容Cdc來維持，而受到成本及動態調節能力的限制，僅憑直流電容不能完全抑制系統內的功率波動，直流電容特性方程為

(10)

結合式(6)及式(10)，可以將直流微網中電壓與電機的機械角速度等效，因此，圖4中的ω表示母線電壓，反饋值為udc；ω0為母線電壓，額定值為Uref。

由圖3還可以看出，三端口直流變換器在直流微網中起到穩定直流電壓的作用，其余端口根據直流母線功率缺額進行消納或釋放。因此，傳統的三端口直流變換器的控制過程外環是電壓環用于穩定直流母線電壓，產生的指令電流可以根據其余端口儲能的特性如能量、功率密度等進行分配，常見的有剩余SOC或者帶寬。對于直流電機而言，由于擺動方程(6)是功率方程，而三端口直流變換器的作用是維持母線電壓，因此最外環仍然是直流電壓環，內環是功率環，即直流電壓環產生的指令為功率指令。由擺動方程及電樞回路特性方程最終可以得到電流指令，由剩余SOC的大小對電流指令再進行分配，最終可以得到如圖4所示的控制框圖。

圖4 虛擬直流電機控制策略控制框圖

3 仿真驗證

為了驗證本文所提控制策略的有效性，在MATLAB仿真平臺上搭建了多端口直流微網仿真模型如圖5所示。直流微網主要由光伏、超級電容、蓄電池以及直流負載組成，其中光伏工作在MPPT模式下，直流微網各部分仿真參數如表1所示。

圖5 直流微網仿真平臺示意圖

表1 直流微網各單元仿真參數

參數數值直流母線額定電壓400V超級電容額定電壓80V蓄電池額定電壓100V漏感La35μH漏感Lb17μH漏感Lc8μH

仿真工況：光伏工作在MPPT條件下，光照強度變化同時負荷側負載切換，其中光照強度變化過程如下：0～1.5 s，光照為840 W/m2；1.5～2.5 s，光照為545 W/m2；2.5～3 s，光照為720 W/m2。0～0.5 s直流負載功率為6.5 kW；0.5～1.5 s，直流負載功率為8.0 kW；1.5～2.5 s,直流負載功率為5.0 kW；2.5～3 s,直流負載功率為8.0 kW。

直流微網在兩種控制策略下的仿真波形如圖6所示。圖6a是直流微網的直流電壓波形，當系統中的負載發生切換或光伏出力波動時，直流電壓會產生波動。采用虛擬直流電機控制策略，母線電壓的波動幅值明顯小于傳統控制策略，從而增加了系統的穩定性，提升直流系統的供電質量。此外，圖6b是直流系統中的光伏出力波形，圖6c、圖6d是蓄電池及超級電容出力波形。在發生擾動時，與傳統控制相比，在虛擬直流電機控制策略下，蓄電池及超級電容出力均體現了慣性滯后的特點，因為將直流電機特性方程應用在直流系統的控制中，具備了直流電機的慣性特性，符合前文的理論分析。

圖6 兩種策略下直流微網各部分仿真波形

4 結論

本文通過對隔離型三端口直流變換器提出了虛擬直流電機控制策略，使得隔離型三端口直流變換器具有直流電機的慣性及阻尼特性。首先,分析隔離型三端口直流變換器的工作原理，建立了變換器的數學模型。之后，通過分析虛擬直流電機的控制原理，搭建了基于虛擬直流電機的三端口直流變換器的控制框圖，并引入了解耦算法進一步提升了系統的動態特性。通過3種工況的對比仿真表明，當直流母線電壓因負載切換或系統中可再生能源功率變化時，該控制策略能夠有效抑制直流電壓的波動，緩解瞬時功率的沖擊，提升電壓質量，驗證了本文所提控制策略的有效性。