一种直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦方法技术

本发明专利技术公开了一种直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦设计方法，属于电力电子控制技术领域。针对传统直流微电网虚拟惯性控制中微分控制的增益系数受限于变流器电压环稳定裕度的挑战，通过引入低通滤波时间常数作为新的自由度，构建虚拟电阻与虚拟电容串联结构，解耦了直流虚拟惯量和环路稳定裕度的参数设计，在满足电压环控制稳定裕度的前提下实现较大的虚拟直流惯量，从而抑制直流微电网母线电压波动。动。动。

【技术实现步骤摘要】
一种直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦方法


[0001]本专利技术属于电力电子控制
，具体涉及一种直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦方法。

技术介绍

[0002]直流微电网是一个以电力电子变流器为主体的低惯量系统，其母线电压对源荷功率不平衡相当敏感，频繁的负荷切换和可再生能源的随机功率波动等大扰动容易导致剧烈的直流母线电压变化，从而降低变流器的效率、危害敏感负荷甚至影响直流微电网的稳定性。
[0003]电压源型变流器可采用直流虚拟惯量控制及时响应系统扰动，并通过快速释放或吸收功率来抑制电压波动。传统虚拟惯量方法通过将电压微分或高通滤波器直接应用于电压控制环路，从而模拟直流电容器的特性，可实现良好的动态性能。然而，微分控制的增益系数受限于变流器的电压环的环路稳定裕度，导致即使在电源侧能力充足的情况下可实现的虚拟直流惯量仍然很小。

技术实现思路

[0004]为实现电压源型变流器的大虚拟惯性控制，本专利技术提出了一种直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦方法，通过引入新调节自由度，重构电压环控制结构，解耦了直流虚拟惯量和环路稳定裕度的参数设计，在满足电压环控制稳定裕度的前提下实现较大的虚拟直流惯量，从而抑制直流微电网母线电压波动。
[0005]本专利技术提出的直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦方法，包括如下步骤：
[0006]1)在变流器电压控制中，变流器采样端口输出电压值u
dc
，将电压参考值u
ref
减去采样得到的输出电压值u
dc
，得到电压误差u
err
；
[0007]2)电压误差u
err
经过电压下垂控制环节计算得到下垂控制环节的电流分量i
p
：
[0008]i
p
＝u
err
·
K
pv
[0009]其中，K
pv
是电压下垂控制环节的比例控制系数，实现电压
‑
电流下垂控制；
[0010]3)电压误差u
err
通过虚拟惯性控制环节计算得到虚拟惯性控制环节的电流分量i
vir
，用于内环电流控制追踪，电压控制环节表达式为:
[0011][0012]其中，R
v
是虚拟电阻，提供环路阻尼从而保证电压控制的稳定裕量，C
v
是虚拟电容，s为拉普拉斯算子；实现直流母线电压的虚拟惯性控制，通过该虚拟电阻与虚拟电容串联的结构实现环路稳定裕量和直流虚拟惯性的解耦设计；
[0013]4)i
p
与i
vir
相加，得到电压控制环节输出的参考电流i
ref
：
[0014]i
ref
＝i
p
+i
vir
[0015]5)电压控制环节输出的参考电流i
ref
经过电流内环的比例积分追踪、调制、驱动，
实现变流器输出功率控制。
[0016]基于上述技术方案，本专利技术具备以下有益技术效果：
[0017]在直流微电网中，针对功率变流器的电压环虚拟惯性控制，传统方案采用微分控制器：
[0018]i
vir
＝u
err
·
C
v
s
[0019]该方案仅具备C
v
一个自由度进行虚拟惯量设计，惯量取值影响电压控制环路稳定裕量。而本专利技术引入了低通滤波器时间常数作为新的控制自由度，进而提出了虚拟电阻R
v
与虚拟电容C
v
串联的控制结构，实现变流器电压环稳定裕量设计和系统直流虚拟惯量设计的解耦，取得了有益的技术效果。
附图说明
[0020]图1为Buck变流器电路及控制结构的示意图；
[0021]图2为电压控制器的具体实现框图；
[0022]图3为传统方案与本专利技术方案的稳定性对比图；
[0023]图4为本专利技术方案随着虚拟惯量增大的电压波形图。
具体实施方式
[0024]为更详细地解释本专利技术，下面以Buck变流器为例，结合附图和实施例，对本专利技术做进一步地详细说明。需要说明的是，本专利技术方法适用于任意的输出端口为直流的变流器，包括AC
‑
DC和DC
‑
DC变流器的各类拓扑。
[0025]图1为Buck变流器电路及控制结构的示意图，变流器通过采样直流母线电容C
dc
上的母线电压u
dc
，作为电压控制环节的输入，并将电压控制输出作为电流内环控制的参考值i
ref
，通过电流内环实现电感电流i
L
的无差追踪，从而控制变流器端口输出特性。其中，u
ref
为直流母线电压参考值，G
c
(s)和G
v
(s)分别为电感电流控制器和直流母线电压控制器。
[0026]图2为电压控制器的具体实现框图，包含电压下垂控制环节和虚拟惯性控制环节。其中，K
pv
是比例控制系数，R
v
是虚拟电阻，C
v
是虚拟电容。
[0027]1)在变流器电压控制中，将电压参考值u
ref
减去电压采样值u
dc
，得到电压误差u
err
；
[0028]2)电压误差u
err
经过电压下垂控制环节G
pv
(s)对应计算得到下垂控制环节的电流分量i
p
：
[0029]i
p
＝u
err
·
G
pv
(s)＝u
err
·
K
pv
[0030]3)电压误差u
err
通过虚拟惯性控制环节G
cvir
(s)对应计算得到虚拟惯性控制环节的电流分量i
vir
，用于内环电流控制追踪，电压控制环节表达式为:
[0031][0032]其中，虚拟电阻R
v
提供环路阻尼从而保证电压控制的稳定裕量，虚拟电容C
v
提供抑制直流母线电压所需的虚拟惯量，通过该虚拟电阻与虚拟电容串联的结构实现环路稳定裕量和直流虚拟惯性的解耦设计。
[0033]4)i
p
与i
vir
相加，得到电压控制环节输出的参考电流i
ref
：
[0034]i
pfr
＝e
i
+i
vir
[0035]5)i
ref
经过电流内环的比例积分追踪控制、载波调制、驱动等实现变流器输出功率控制，从而抑制直流系统母线电压波动。
[0036]在图1所示的变流器电路及控制结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流虚拟惯量与电压环稳定裕度解耦方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在变流器电压控制中，变流器采样端口输出电压值u
dc
，将电压参考值u
ref
减去采样得到的输出电压值u
dc
，得到电压误差u
err
；2)电压误差u
err
经过电压下垂控制环节计算得到下垂控制环节的电流分量i
p
：i
p
＝u
err
·
K
pv
其中，K
pv
是电压下垂控制环节的比例控制系数，实现电压
‑
电流下垂控制；3)电压误差u
err
通过虚拟惯性控制环节计算得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：向鑫，雷锦涛，张入菁，李楚杉，李武华，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：