负荷用直流变换器的虚拟直流发电机控制策略研究

黄 頔，樊绍胜，吕志鹏，曾 正

(1．长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410114;2．中国电力科学研究院，北京100192;3．重庆大学 电气工程学院，重庆400044)

0 引言

近年来，既可为区域内负荷提供冷热电联供，也可与电网并联运行的小型电网即微网［1，2］日益受到关注。其中由微电源、电力电子接口、储能及负荷组成的以直流方式传输的微电网就是直流微电网［3，4］。直流微电网不需要考虑交流特有的频率及无功功率等问题，且给负载供电时由于不存在三相不平衡所导致的一系列问题及谐波等影响，其供电质量更高［5］。正因为没有交流配电网所特有的问题，直流母线电压及直流母线上有功功率的平衡与否就成为了判断系统是否稳定运行的重要标准。一旦母线电压发生扰动时，如何稳定负荷侧电压不受影响，支持母线电压恢复，减小电压跌落带来的冲击是直流微网稳定运行的关键。

DC/DC 变换器是连接母线、负荷及微电源的重要电力电子设备。正常情况下，DC/DC 变换器能将母线电压或微源电压转化为负荷或直流母线能接受的电压等级，但为维持直流微网的稳定运行，基于电压下垂控制和MPPT 控制的直流微电网光伏接口单元控制以及抑制母线电压波动能力的功率前馈控制策略被提出来［6，7］，虽然以上方法可以在一定程度上维持母线电压稳定，但对于小范围的直流母线电压波动和突变的应对策略却没有提及。文献［8］提出了用前馈加反馈的控制策略来消除直流母线电压波动对输出负载的影响。但其控制策略只能消除母线变化对负荷的影响，无法在母线扰动时控制母线功率取用，支持母线电压恢复，并且其负荷电压恢复过程并不是一个柔性、震荡的过程。目前有关连接于直流母线上的直流变流器控制策略仍缺乏柔性，缺乏自动分担母线功率的能力，因此亟需研究柔性的、鲁棒的DC/DC 变换器控制方案。

本文提出一种模拟直流发电机特性的DC/DC变换器控制策略［9，10］，并通过虚拟直流发电机控制策略模拟了直流发电机电枢电流、转速及电磁转矩等电机状态量，能使DC/DC 变换器输出特性与直流发电机保持一致。采用虚拟直流发电机控制的直流变换器能很好地维持负荷端电压为额定值，在母线电压受扰电压下降时少向母线取用功率，支持母线电压恢复，且在母线侧、负荷侧电压变化过程中是一个缓和震荡过程，不会产生强烈冲击，有效提升了直流电网的稳定性。

1 Boost 型负荷用直流变换器

在直流微电网系统中，直流母线电压值一定且与负荷电压不一定统一，因此需要通过负荷直流变换器接入直流母线，由于本文侧重于介绍DC/DC 变换器的控制方法，因此，仅以Boost 型DC/DC 变换器为例进行仿真及实验。Boost 直流变换器拓扑结构及其控制方式如图1 所示。

图1 Boost 型DC/DC 变换器及其控制

负荷用Boost 型DC/DC 变换器连接直流母线与高压负荷，通过采集负荷侧电压及母线侧电压电流经过电压电流控制器及虚拟直流发电机控制器产生PWM 波控制母线电压波动，维持负荷侧电压稳定，响应母线电压的扰动。

2 虚拟直流发电机控制策略

2.1 直流发电机等效方程

电励磁式直流发电机主要通过其他电流流过励磁线圈产生磁通来提供发电机所需的励磁。对于电励磁式直流发电机，当发电机所带负载或转速变化时，可以通过调节发电机的励磁电流的大小来维持发电机的输出电压恒定［11-12］。并且其机械转矩会为电压波动提供一个相对惯性，为其变化提供一个缓冲。正因为直流发电机这种方便调节电压及具有惯性的特点，本文才模拟其机械特性与电磁特性来控制DC/DC 直流变换器使其输出电压稳定。

如图2 所示，直流发电机与DC/DC 变换器二端口网络之间存在对偶关系［13］。

图2 虚拟直流发电机的原理

直流发电机是个电气设备，因此它由电气和机械两部分组成:

机械方程:

式中:J 为转动惯量;D 为阻尼系数;Tm，Te为机械和电磁转矩;ω 为实际角速度;ω0为额定角速度。

由式(1)，(2)可知，直流发电机的虚拟电磁转矩相对于直流母线电压提供的虚拟机械转矩而言是制动性质的。当功率平衡时，母线电压上没有功率交换能够维持电压稳定，而DC/DC 直流变换器与母线电压产生功率交换时将导致感应电势以及电枢端电压的变化，即负荷端电压的变化。且其机械转矩能提供一个惯量能使得直流变换器与母线柔性结合，为母线电压的波动提供一个缓冲。

电枢方程:

式中:E 为电枢电动势;I 为电枢电流;CT为转矩系数;U 为机端电压;Ra为电枢的等效电阻;Φ为磁通。

由式(3)可知，在励磁电流一定时，感应电动势与角速度成正比，本文根据直流发电机的机械方程来调节实际角速度，由此来调节感应电势E，保持感应电动势稳定，从而保证输出端电压不变，即维持负荷端电压保持平衡。

通过式(1)～(4)可以得到图4 所示的DC/DC 变换器采用虚拟直流发电机控制策略。图3 中:Iref为通过虚拟直流发电机控制策略计算出的DC/DC 变换器的直流侧电流参考值;I1为实际DC/DC 变换器的负荷侧电流;U2ref为负荷侧电压参考值，U2为负荷侧电压实际值;D 为阻尼系数;ω 为实际角速度;ω0为额定角速度。

2.2 虚拟直流发电机控制策略

如图3 所示，控制系统分为3 个部分。在电压调节控制部分中，负荷侧检测到的负荷电压U2与负荷电压参考值相比较后进行PI 控制与负荷侧电压参考值相乘，可以得到机械功率与计算所得的DC/DC 变换器输出有功功率差值，与计算功率Pref相加后可得机械功率Pm;虚拟直流发电机控制部分中，根据直流发电机的机械方程、电枢方程来构建模型，机械方程使其拥有与直流发电机一样的转动惯量，正是由于存在这种惯量，母线电压在受到负荷变化影响时会产生一定的缓和震荡且电压跌落远小于一般PI 控制下的Boost 变换器。

图3 虚拟直流发电机控制策略

机械功率Pm与额定角速度相除可得到机械转矩，通过模拟直流发电机机械特性可以得到实际角速度ω;通过式(3)，(4)所描述的电枢特性可计算得到电流参考值Iref，参考电枢电流经过电流跟踪控制产生控制DC/DC 变换器的PWM 信号。虚拟直流发电机控制策略可在母线电压发生扰动时下计算出与当前情况下适宜稳定负荷侧电压的运行点，通过调整输出转矩来调节角速度进而控制电枢电压的输出，在虚拟直流电机所特有的惯性下经过一个震荡缓冲过程维持负荷侧电压在其额定值。

经过图3 所示的虚拟直流发电机控制策略示意图，可以使得二端口的输出端的外特性与直流发电机相一致。

3 虚拟直流发电机小信号模型

基于对虚拟直流发电机控制策略原理的阐释，可以得到图4 所示有关于母线电压变化时功率波动的小信号数学模型。

基于图4 所示的小信号模型，可以得到图5所示化简后的虚拟直流发电机的小信号模型。

图4 虚拟直流发电机的小信号模型

图5 虚拟直流发电机小信号模型化简

由图4 和图5，可以得到直流母线电压偏差ΔUdc对于负荷交换功率偏差ΔP之间的传递函数为

可见，采用虚拟直流发电机控制的直流变换器接口，在直流母线电压波动过程中的功率响应与其阻尼参数D 成反比。由此可知，虚拟同步发电机控制策略可自行调节母线上的功率取用，响应母线电压扰动。

4 仿真

本文采用PSCAD/EMTDC 仿真来验证所提控制策略。初始运行时直流母线电压稳定运行于额定值400 V，1 s 后直流母线受到扰动出现一定时间的电压跌落。

由图6 可知，当直流母线电压受扰偏低时，双向直流变换器的虚拟电枢电动势会根据直流母线的变化而变化，从而减少向直流母线的功率取用，有效支撑母线电压恢复。

图6 受扰动时的母线电压及电枢端电压

分别采用PI 控制与虚拟直流发电机控制在同样工况下对Boost 电路进行控制。初始母线电压稳定运行与400 V，1 s 时，系统继续投入负荷，引起系统直流母线电压的变化。其中，串联电感为1 mH，输出滤波电容为3．3 mF;负荷为恒阻抗负荷100 Ω，50 Ω 两组并联;仿真时间为2 s，步长为250 μs;起初仅给1 组负荷供电，1 s 时增加1组负荷，两组负荷并联运行。

(1)PI 控制:图7(a)、(b)为对Boost 负荷用变换器采用PI 控制下母线电压和负荷电流的变化曲线，当负荷功率变动时，受扰动之后的母线电压，在PI 控制下会产生一个回复的趋势，母线电压值最终稳定在397 V 仅产生一个小范围的电压跌落;负荷侧电压则能稳定在450 V 的额定值。传统PI 控制方法虽然能维持负荷侧的电压保持平衡，可其电压变化仍然十分突兀。

图7 PI 控制时直流微网母线电压及负荷侧电压

(2)虚拟直流发电机控制:图8(a)、(b)为对Boost 负荷用变换器采用虚拟直流发电机控制下母线电压和负荷电流的变化曲线，由于母线电压跌落时虚拟直流发电机控制下的Boost 变换器会减少对母线电压的功率取用，因此同样可以维持母线电压稳定值在397 V，并且相较于PI 控制增加了惯性环节，电压恢复过程中会通过一定震荡缓和不会对母线上其他设备产生强烈冲击，其负荷侧电压同样会经过一个震荡过程恢复到原始值。虚拟直流发电机控制策略的超调性相较于PI 控制更加优越。

图8 虚拟直流发电机控制时直流微网母线电压及负荷侧电压

5 实验

为验证虚拟直流发电机控制方法在实际系统中的可行性，本文搭建了10 kW 双向DC/DC 变换器的常规样机并接入中国电科院微网实验室进行单相升压控制，其中直流侧电压为400 V，负荷为恒阻抗负荷，Boost 电路分别采用PI 控制及虚拟直流发电机控制方式进行试验，实验结果可证明本文提出控制策略的可行性。图9 为试验样机图。

示波器观测直流母线处的电压测试结果如图10 所示。其中图10(a)为PI 控制下的直流母线侧电压波形，负荷发生变化时，母线电压会产生一个直接的电压跌落，会对母线上其他用电设备产生一定冲击;图10(b)为虚拟直流发电机控制策略下的直流母线侧电压曲线，虚拟直流发电机控制下的Boost 变换器提高了微源的惯性，改善了其暂态性能使得电压以一个缓和的震荡过程恢复。虚拟直流发电机控制策略的采用使得变换器具备响应母线电压扰动的能力，与仿真结果类似。

图9 试验样机图

图10 实验波形

6 结论

直流微网中，当母线电压发生扰动时，需要负荷用直流变换器能稳定负荷侧电压不受影响，且有支持母线电压恢复的能力，减小电压跌落带来的冲击。本文提出了一种基于虚拟同步发电机的控制策略，虚拟直流发电机控制策略是一种鲁棒的、柔性的直流变换器控制方法，可以有效缓和负荷变化导致直流母线电压波动问题，且能使负荷侧电压平缓恢复到额定值;在母线电压下降时，Boost 变换器会主动减少母线上的功率取用，支持母线电压恢复。

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