一种双向DC-DC变换器的虚拟电容控制方法技术

本发明专利技术涉及一种双向DC

【技术实现步骤摘要】
一种双向DC
‑
DC变换器的虚拟电容控制方法


[0001]本专利技术涉及双向DC
‑
DC变换器控制领域，具体涉及一种双向DC
‑
DC变换器的虚拟电容控制方法。

技术介绍

[0002]随着光伏、储能、风电等分布式发电技术的发展以及直流负荷所占终端用电比例的与日俱增，促进了直流微电网的发展。但是在直流微电网中，所有的分布式电源、储能元件以及直流负荷均是通过电力电子装置相连接，而电力电子装置不同于传统电机，为非旋转静止器件，因此不具备传统电机的转动惯性和阻尼特性，从而呈现低惯量特性。由于分布式电源随着自身环境的变化其输出功率具有间歇性和波动性，负荷也是在不断波动的，特别是负荷波动更具明显的随机性。由于直流微电网没有旋转电机等惯性设备，在采用的下垂控制中其下垂特性也并不提供惯性支持，无法对功率偏差造成的电压波动进行有效的惯性响应，电源与负荷之间暂时的功率差额容易造成直流母线电压明显的波动，特别是当直流负载功率发生波动时，瞬时电压冲击和波动对直流输出电压造成较大影响，不利于系统的稳定运行。
[0003]为了解决上述问题，国内外研究学者已经提出一些改进方法，如：文献1(Y.Wang,C.Wang,L.Xu,J.Meng and Y.Hei,"Adjustable Inertial Response From the Converter With Adaptive Droop Control in DC Grids,"in IEEE Transactions on Smart Grid,vol.10,no.3,pp.3198
‑
3209,May2019,doi:10.1109/TSG.2018.2820160.)提出变下垂系数控制方法，所提方法在直流下垂控制的基础上，将直流母线电压变化率与下垂系数联系起来，使下垂曲线变化响应电压变化；文献2(支娜,张辉,肖曦.提高直流微电网动态特性的改进下垂控制策略研究[J].电工技术学报,2016,31(03):31
‑
39.DOI:10.19595/j.cnki.1000
‑
6753.tces.2016.03.005.)通过在电压下垂控制环并联高通滤波器，增加了阻尼特性，提高了母线电压的动态性能。但是变下垂系数控制和并联高通滤波器控制在扰动发生瞬间都会产生一定程度的电压突变，因此控制方法还需要进一步的改善。文献3(盛万兴,刘海涛,曾正,吕志鹏,谭骞,段青,冉立.一种基于虚拟电机控制的能量路由器[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3541
‑
3550.DOI:10.13334/j.0258
‑
8013.pcsee.2015.14.008.)提出一种虚拟直流电机控制方法，能够在直流系统中模拟出传统电机所具有的惯性和阻尼特性；文献4(崔健,吕志鹏,盛万兴,吴鸣,王建华,张伟,樊绍胜.一种新型虚拟直流电机控制技术[J].中国电机工程学报,2019,39(10):3029
‑
3038.DOI:10.13334/j.0258
‑
8013.pcsee.180782.)通过扩张状态观测器估计负载扰动，并作为补偿项引入至虚拟直流电机控制中。上述这两种方法的推导原理与控制方法较为复杂，难以实际应用。文献5(N.Zhi,X.Ming,Y.Ding,L.Du and H.Zhang,"Power
‑
Loop
‑
Free Virtual DC Machine Control With Differential Compensation,"in IEEE Transactions on Industry Applications,vol.58,no.1,pp.413
‑
422,Jan.
‑
Feb.2022,doi:10.1109/TIA.2021.3119512.)在虚拟直流电机控制中添加微分补偿，虽然能够改善直
流母线电压的动态性能，但是理想微分补偿环节的实现较为困难，而且微分环节会导致抗噪声能力下降，放大高频噪声。
[0004]综上，上述现有技术中虽然能够提高直流微电网输出电压的动态性能，但各自仍存在相应的不足之处，本专利技术基于虚拟电容控制方法来提高双向DC
‑
DC变换器的动态性能，方法简单且易实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术对传统I
‑
U下垂控制方法进行改进，在双向DC
‑
DC变换器后通过虚拟电容控制模拟出惯量特性，还在电压外环处串联超前环节来增加阻尼，提升了负荷变化时输出电压变化的动态性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种双向DC
‑
DC变换器的虚拟电容控制方法，包括I
‑
U下垂控制、虚拟电容控制、电压控制和电流控制；
[0008]构建双向DC
‑
DC变换器拓扑结构；
[0009]分别采集变换器电源侧电感电流i
b
、负荷侧电流i
dc
、负荷侧直流母线电压u
dc
；
[0010]通过I
‑
U下垂控制计算得出输入电流i
in
，将电流i
in
输入虚拟电容控制部分，并计算得出负荷侧母线电压指令值u
dc*
；
[0011]电压控制包括超前环节和比例
‑
积分控制，将u
dc*
输入电压控制部分计算得出负荷侧电流指令值i
dc*
；
[0012]电流控制采用比例
‑
积分控制，将i
dc*
输入电流控制部分，电流控制部分的输出传输给PWM脉冲信号发生器，所产生的脉冲信号控制双向DC
‑
DC变换器中开关管的通断。
[0013]进一步，所述电流i
in
的表达式如下：
[0014]i
in
＝(u
ref
‑
u
dc
)K
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]上式中，u
ref
为直流母线电压参考值，K
d
为电压
‑
电流下垂系数；
[0016]所述u
dc*
的表达式如下：
[0017][0018]上式中，C
v
为负荷侧并联的虚拟电容值，s为拉普拉斯算子；
[0019]所述i
dc*
的表达式如下：
[0020][0021]上式中，T1与T2为超前环节的时间常数，并且满足T1≥T2，k
vp
为电压环PI控制器比例系数，k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向DC
‑
DC变换器的虚拟电容控制方法，其特征在于：包括I
‑
U下垂控制、虚拟电容控制、电压控制和电流控制；构建双向DC
‑
DC变换器拓扑结构；分别采集变换器电源侧电感电流i
b
、负荷侧电流i
dc
、负荷侧直流母线电压u
dc
；通过I
‑
U下垂控制计算得出输入电流i
in
，将电流i
in
输入虚拟电容控制部分，并计算得出负荷侧母线电压指令值u
dc*
；电压控制包括超前环节和比例
‑
积分控制，将u
dc*
输入电压控制部分计算得出负荷侧电流指令值i
dc*
；电流控制采用比例
‑
积分控制，将i
dc*
输入电流控制部分，电流控制部分的输出传输给PWM脉冲信号发生器，所产生的脉冲信号控制双向DC
‑
DC变换器中开关管的通断。2.根据权利要求1所述的一种双向DC
‑
DC变换器的虚拟电容控制方法，其特征在于：所述电流i
in
的表达式如下：i
in
＝(u
ref
‑
u
dc
)K
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)上式中，u
ref
为直流母线电压参考值，K
d
为电压
‑
电流下垂系数；所述u
dc*
的表达式如下：上式中，C
v
为负荷侧并联的虚拟电容值，s为拉普拉斯算子；所述i
dc*
的表达式如下：上式中，T1与T2为超前环节的时间常数，并且满足T1≥T2，k
vp
为电压环PI控制器比例系数，k
vi
为电压环PI控制器积分系数；所述电流控制部分表达式如下：上式中，D
pwm
为调制信号，U
dc
为负荷侧母线稳态电压值，U
b
为电源稳态电压值，k
ip
为电流环PI控制器比例系数，k
ii
为电流环PI控制器积分系数。3.根据权利要求2所述的一种双向DC
‑
DC变换器的虚拟电容控制方法，其特征在于：所述双向DC
‑
DC变换器虚拟电容控制的小信号模型如下：DC变换器虚拟电容控制的小信号模型如下：上式中，Δu
b
、Δi
b
和Δd分别为电源电压u
b
、电感电流i
b
和占空比d的扰动，对应的稳态值分别为U
b
、I
b
和D；Δu
dc
和Δi
dc
分别为负荷侧直流母线电压u
dc
和负荷侧电流i
dc
的扰动，对应的稳态值分别为U
dc
和I
dc
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，程博远，金成日，贾利民，霍箭，
申请(专利权)人：北京能高自动化技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：