CN112242788B - 应用于双向dc/dc变换器的虚拟直流电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，具体为：为了研究直流母线电压的动态特性，与直流电机调速过程相比较，设计DC/DC变换器阻感特性下垂系数；为了在直流微电网中引入惯性特性和阻尼特性，建立双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型。本发明方法对传统P‑U下垂控制进行了改进，目的是为了研究直流母线电压动态特性和在***中引入阻尼和惯性特性，维持直流母线电压稳定性。经仿真验证，本发明所用控制策略在负载功率波动或光照强度变化瞬间udc的变化幅值更小，并且也能够快速达到新稳态。
Description
技术领域
本发明属于变换器电流控制技术领域，具体涉及一种应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法。
背景技术
直流微电网是未来智能配用电***的重要组成部分，对推进节能减排和可持续发展具有重要意义，并且其易于和光伏、储能等直流发电类设备及直流负载连接，减少逆变环节，降低***成本和损耗，供电效率较高。此外，相比交流电网，直流微电网不存在频率稳定、无功功率等问题，易于实现各微电源间的协调控制。
直流微电网中，各分布式能源，储能设备以及各种交直流负载均通过电力电子变换器接入直流母线，而电力电子变换器均为非旋转静止元件，自身不具备传统电机的转动惯性和阻尼特性，因此直流微电网通常被认为是低惯性***。随着高比例可再生能源的接入，直流微电网电力电子化程度增高，惯性特性降低。这种低惯性特性使得负载增减或发电设备投入切出时，降低微电网暂态稳定性，直流微电网的母线电压会发生扰动甚至崩溃，因此需要对直流微电网采取有效措施以保证其稳定运行。
目前，虚拟惯性的研究主要应用于交流微电网中逆变器控制方面，而关于提高直流微电网暂态稳定性的相关研究较少，主要集中在附加惯性控制、虚拟电容控制和虚拟直流电机控制三个方面。但以上方法的控制策略都较为复杂，对硬件要求较高，并且其虚拟机模型为稳态模型，即模拟电机的电枢绕组将其等效为电阻，未考虑实际运行过程中的动态影响。因此对于直流母线电压动态特性的影响及其惯性响应问题还需进一步研究。
发明内容
本发明的目的是提供应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，提升了直流微电网的暂态特性，继而控制直流母线电压的稳定性。
本发明所采用的技术方案是，应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1、设计DC/DC变换器阻感下垂系数；
步骤2、在直流微电网中引入惯性特性和阻尼特性，建立双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型。
本发明的特点还在于，
步骤1中，具体为：
步骤1.1、建立直流电动机的动态电压方程，如式(1)所示：
式(1)中，Ua为机端电压，Ea为电枢电压，R为电枢电阻，Ia为电枢电流，L为电枢电感；
将式(1)经拉普拉斯变换，得到式(2)：
Ua＝Ea+(R+sL)Ia (2)；
式(2)中，s为拉普拉斯算子；
步骤1.2、在直流微电网中，传统P-U下垂控制表达式，如式(3)所示：
式(3)中，Udc为直流母线电压，Po为双向DC/DC变换器输出功率，Po＝udc·idc，idc为双向DC/DC变换器输出电流，UN为直流母线电压额定值，
为阻性下垂系数；
步骤1.3、将式(2)与式(3)进行对比，在下垂控制中引入动态特性，即将阻性下垂系数
替换为阻感特性下垂系数，即可得到改进P-U下垂控制的表达式。
改进P-U下垂控制的表达式，如式(4)所示：
式(4)中，
为阻感特性下垂系数，La为虚拟电感。
步骤2中，具体为：
步骤2.1、已知直流电动机的转矩特性，如式(5)所示：
式(5)中，Te为电磁转矩，TL为负载转矩，n为转速，GD2为转动部分飞轮矩，其与转动惯量J的关系为：
B为阻尼系数，CT为转矩常数，Φ为每极主磁通，Ia为电枢电流；
直流电动机的转速n和电枢电压Ea之间的关系如下：
式(6)中，Ce为电势常数；
将式(6)带入式(5)中，可得电枢电流Ia：
在式(7)中，令
为负载电流，
为机械时间常数，
为阻尼常数，则得到式(8)：
将式(8)经拉普拉斯变换，得到式(9)；
Ia-IL＝(sτm+C)Ea (9)；
步骤2.2、已知传统P-U下垂控制中电流内环的控制表达式，如式(10)所示；
式(10)中，ib_ref为蓄电池输出电流参考值，ib为蓄电池输出电流实际值，kp为比例(P)系数，ki为积分(I)系数，Δu为PWM输入信号；
类比式(9)在式(10)中引入惯性环节，得到双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型。
双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型，其表达式如式(11)所示：
式(11)中，B为阻尼系数，J为转动惯量。
本发明的有益效果是，相比传统P-U下垂控制，所提出的虚拟机控制模型模拟了***运行过程中的动态特性，并且在传统P-U下垂控制的电流内环引入惯性环节，减少了PI控制器的使用，节约成本。另一方面，当电力***孤岛运行时，该控制方法能够优化对直流母线电压的控制效果。即当负载突变或光照波动时，传统下垂控制下的直流母线电压瞬间变化值较大，而所提出的虚拟机控制模型能够改善这一现象。
附图说明
图1是本发明应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制***的结构示意图；
图2是本发明应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制***的控制框图；
图3是本发明应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制***的P-U下垂控制曲线图；
图4是本发明应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制***的简化直流微电网仿真***架构图；
图5是本发明方法与传统P-U下垂控制在负载波动时直流母线电压udc仿真波形对比图；
图6是本发明方法与传统P-U下垂控制在光伏输出波动时直流母线电压udc仿真波形对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制***，如图1所示，包括双向DC/DC变换器拓扑电路及其控制电路两部分。其中，vb为蓄电池端电压，Lb为变换器中的电感，rb为电阻，ib和idc分别为蓄电池输出电流和变换器输出电流，Cdc为直流侧电容，udc为直流母线电压。拓扑电路具体结构为：左侧与蓄电池相连接，中间经过同一桥臂的两个开关管进行电流方向切换(即S1开通S2关断时，能量由蓄电池流向直流侧；S2开通S1关断时，能量由直流侧流向蓄电池)，右侧变换器输出经过稳压电容Cdc连接到直流母线；
双向DC/DC变换器基本工作原理为，当直流母线电压udc高于额定电压UN时，说明***功率过剩，此时开关管S1关闭，S2开通，蓄电池充电，即直流侧过剩功率输出；当直流母线电压低于UN时，说明***功率不足，此时开关管S2关闭，S1开通，蓄电池放电，即为直流侧提供功率；
控制电路具体控制框图如图2所示，具体为，通过采样变换器输出电流idc和直流母线电压udc计算出变换器的输出功率Po，然后根据式(4)计算得到直流母线参考电压值udc_ref，再经过PIu控制器和限幅环节得到蓄电池输出电流参考值ib_ref，与蓄电池实际输出电流ib比较后经过一个惯性环节
再经过一个限幅环节所得输出传输给PWM脉冲信号发生器，产生脉冲信号来控制S1和S2的开通关断，从而维持直流母线电压稳定；
脉宽调制(PWM)基本原理：其控制方式就是对双向DC/DC变换电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变变换电路输出电压的大小。
本发明一种应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1、为了研究直流母线电压的动态特性，与直流电机调速过程相比较，设计DC/DC变换器阻感下垂系数，具体为：
步骤1.1、建立直流电动机的动态电压方程，如式(1)所示：
式(1)中，Ua为机端电压，Ea为电枢电压，R为电枢电阻，Ia为电枢电流，L为电枢电感，
为微分算子；
将式(1)经拉普拉斯变换，得到式(2)：
Ua＝Ea+(R+sL)Ia (2)；
式(2)中，s为拉普拉斯算子；
步骤1.2、在直流微电网中，传统P-U下垂控制表达式，如式(3)所示：
式(3)中，Udc为直流母线电压，Po为双向DC/DC变换器输出功率，Po＝udc·idc，idc为双向DC/DC变换器输出电流，UN为直流母线电压额定值，
为阻性下垂系数；
传统P-U下垂控制是指在传统电压电流双闭环控制之前加入P-U下垂曲线，目的是为了模拟直流电机的一次调频特性；
步骤1.3、将式(2)与式(3)进行对比，式(2)描述的是直流电动机的动态电压方程，式(3)描述的是具有阻性下垂系数的下垂控制。为了分析直流微电网的动态特性，类比直流电动机的电压动态方程，在下垂控制中引入动态特性，即将阻性下垂系数
替换为阻感特性下垂系数，即可得到改进P-U下垂控制的表达式，如式(4)所示：
式(4)中，
为阻感特性下垂系数，La为虚拟电感；
步骤2、为了在直流微电网中引入惯性特性和阻尼特性，与直流电机调速过程相比较，建立双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型；具体为：
步骤2.1、已知直流电动机的转矩特性，如式(5)所示：
式(5)中，Te为电磁转矩，TL为负载转矩，n为转速，GD2为转动部分飞轮矩，其与转动惯量J的关系为：
(g为重力加速度，g＝9.80m/s2)，B为阻尼系数，CT为转矩常数，Φ为每极主磁通，Ia为电枢电流；
直流电动机的转速n和电枢电压Ea之间的关系如下：
式(6)中，Ce为电势常数；
将式(6)带入式(5)中，可得电枢电流Ia：
在式(7)中，令
为负载电流，
为机械时间常数，
为阻尼常数，则得到式(8)：
将式(8)经拉普拉斯变换，得到式(9)；
Ia-IL＝(sτm+C)Ea (9)；
根据式(1)、式(6)、式(9)即可对直流电动机进行电压外环电流内环的转速控制；
步骤2.2、已知传统P-U下垂控制中电流内环的控制表达式，如式(10)所示；
式(10)中，ib_ref为蓄电池输出电流参考值，ib为蓄电池输出电流实际值，kp为比例(P)系数，ki为积分(I)系数，Δu为PWM输入信号；
将式(9)和式(10)进行对比，可看出式(9)中含有惯性环节，而式(10)中只含有一个PI调节器，不具备惯性特性。因此类比式(9)在式(10)中引入惯性环节，得到表达式如式(11)所示：
式(11)中，B为阻尼系数，J为转动惯量；
将式(4)和式(11)与传统电压电流双闭环控制相结合即可得到本发明所提出的虚拟机控制方法。
图3为P-U下垂曲线，其中，UN+Δvmax、UN-Δvmax分别表示直流母线电压的上限和下限，Pmax表示***最大允许输出功率。当负载增加时，直流母线电压低于UN，变换器的输出功率增加，蓄电池放电，即能量由蓄电池流向直流侧；当负载减小时，直流母线电压高于UN，变换器的输出功率减小，蓄电池充电，即能量由直流侧流向蓄电池。下垂控制可以通过改变下垂系数来调节下垂曲线。
图4所示为简化直流微电网仿真***架构图。其中，光伏侧Boost电路采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制；蓄电池侧双向DC/DC变换器采用本发明所提出的虚拟机控制策略。根据以上分析，结合图1、图2和图4在MATLAB中搭建仿真，仿真初始状态光伏输出功率PPV为5000W；负载功率PLoad初始值为4920W。
首先验证本发明在负载功率波动时的可行性。保持光照强度和温度不变。在仿真1.0s时负载功率由4920W变为4150W，在仿真2.0s时又由4150W变为4920W。图5所示即为负载功率波动时的直流母线电压波形图。可看出，与传统P-U下垂控制相比较，本发明所提出的虚拟机控制模型在负载功率变化瞬间udc的变化幅值更小，并且能快速达到新稳态。
其次验证本发明在光照强度变化时的可行性。保持温度和直流侧负载功率不变。在仿真1.0s时光照强度由5000W变为4950W，在仿真2.0s时又由4950W变为5000W。图6所示即为光照强度变化时的直流母线电压波形图。由此可看出，与传统P-U下垂控制相比较，本发明所提出的虚拟机控制模型在光照强度变化瞬间udc的变化幅值更小，并且能够快速达到新稳态。
Claims (4)
1.应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1、设计DC/DC变换器阻感下垂系数；
步骤2、在直流微电网中引入惯性特性和阻尼特性，建立双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型；具体为：
步骤2.1、已知直流电动机的转矩特性，如式(5)所示：
式(5)中，Te为电磁转矩，TL为负载转矩，n为转速，GD2为转动部分飞轮矩，其与转动惯量J的关系为：
B为阻尼系数，CT为转矩常数，Φ为每极主磁通，Ia为电枢电流；
直流电动机的转速n和电枢电压Ea之间的关系如下：
式(6)中，Ce为电势常数；
将式(6)带入式(5)中，可得电枢电流Ia：
在式(7)中，令
为负载电流，
为机械时间常数，
为阻尼常数，则得到式(8)：
将式(8)经拉普拉斯变换，得到式(9)；
Ia-IL＝(sτm+C)Ea (9)；
步骤2.2、已知传统P-U下垂控制中电流内环的控制表达式，如式(10)所示；
式(10)中，ib_ref为蓄电池输出电流参考值，ib为蓄电池输出电流实际值，kp为比例(P)系数，ki为积分(I)系数，Δu为PWM输入信号；
类比式(9)在式(10)中引入惯性环节，得到双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型。
2.根据权利要求1所述的应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，其特征在于，所述步骤1中，具体为：
步骤1.1、建立直流电动机的动态电压方程，如式(1)所示：
式(1)中，Ua为机端电压，Ea为电枢电压，R为电枢电阻，Ia为电枢电流，L为电枢电感；
将式(1)经拉普拉斯变换，得到式(2)：
Ua＝Ea+(R+sL)Ia (2)；
式(2)中，s为拉普拉斯算子；
步骤1.2、在直流微电网中，传统P-U下垂控制表达式，如式(3)所示：
式(3)中，Udc为直流母线电压，Po为双向DC/DC变换器输出功率，Po＝udc·idc，idc为双向DC/DC变换器输出电流，UN为直流母线电压额定值，
为阻性下垂系数；
步骤1.3、将式(2)与式(3)进行对比，在下垂控制中引入动态特性，即将阻性下垂系数
替换为阻感特性下垂系数，即可得到改进P-U下垂控制的表达式。
3.根据权利要求2所述的应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，所述改进P-U下垂控制的表达式，如式(4)所示：
式(4)中，
为阻感特性下垂系数，La为虚拟电感。
4.根据权利要求1所述的应用于双向DC/DC变换器的虚拟直流电机控制方法，其特征在于，所述双向DC/DC变换器的虚拟机控制模型，其表达式如式(11)所示：
式(11)中，B为阻尼系数，J为转动惯量。
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| CN112242788A (zh) | 2021-01-19 |
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