中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 在獨(dú)立運(yùn)行直流微電網(wǎng)中，由于接入大量電力電子變換裝置，系統(tǒng)慣性較低，阻尼較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，同時(shí)，新能源和負(fù)載的功率波動(dòng)將引起母線電壓波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為增強(qiáng)系統(tǒng)慣性，本文研究基于參數(shù)自適應(yīng)改進(jìn)虛擬直流電機(jī)(virtual DC motor, VDCM)控制策略，提升母線電壓暫態(tài)穩(wěn)定性。介紹虛擬直流電機(jī)控制原理，建立儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的小信號(hào)模型，深入分析虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)和電壓調(diào)節(jié)器比例、積分參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，以及母線電壓波動(dòng)過(guò)程中各波動(dòng)階段對(duì)參數(shù)大小的需求。在此基礎(chǔ)上，建立虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、比例系數(shù)和積分系數(shù)與母線電壓偏差的函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)電壓偏差動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)VDCM和電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)，縮短電壓的擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間的同時(shí)減小電壓波動(dòng)。通過(guò)搭建的RTDS和RCP硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證所提控制策略的正確性與可行性。
關(guān)鍵詞 直流微電網(wǎng)；儲(chǔ)能控制；參數(shù)自適應(yīng)；虛擬直流電機(jī)；硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)
近年來(lái)，由于能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，以及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，新能源的開(kāi)發(fā)與利用變得越來(lái)越重要。以光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電為主的微電網(wǎng)系統(tǒng)得到快速發(fā)展，其中，直流微電網(wǎng)因無(wú)需考慮無(wú)功、頻率、相位等問(wèn)題，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。光伏、風(fēng)電等可再生能源以及電力電子變換器接入直流微電網(wǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)缺乏慣性支撐。直流微電網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)光微電源發(fā)電具有波動(dòng)性與不確定性，以及負(fù)載功率擾動(dòng)會(huì)對(duì)直流母線電壓造成較大影響，不利于直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)起著平衡微電網(wǎng)內(nèi)部功率、維持母線電壓穩(wěn)定的作用，通常需要對(duì)儲(chǔ)能接口變換器進(jìn)行控制以提升整個(gè)直流微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性。
針對(duì)直流微電網(wǎng)低慣性的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[9]提出儲(chǔ)能接口變換器采用虛擬直流電機(jī)控制，在電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)之間引入虛擬直流電機(jī)控制，控制儲(chǔ)能DC/DC變換器具有直流電機(jī)的特性，從而穩(wěn)定直流母線電壓。文獻(xiàn)[10]以Buck變換器為研究對(duì)象，建立虛擬直流電機(jī)的小信號(hào)模型，分析轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上研究了參數(shù)自適應(yīng)VDCM控制策略，但沒(méi)有考慮調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)電壓暫態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)[11]根據(jù)母線電壓波動(dòng)變化下對(duì)慣性和阻尼需求，提出了慣量、阻尼參數(shù)自適應(yīng)控制策略，并采用阻抗比判據(jù)分析了虛擬直流電機(jī)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[12]根據(jù)功率波動(dòng)、母線電壓變化率及電壓大小情況，采用反正切函數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)VDCM的虛擬慣性及阻尼系數(shù)。文獻(xiàn)[13]提出一種新型虛擬直流電機(jī)控制策略，在虛擬直流電機(jī)控制策略的基礎(chǔ)上引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，用于估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)功率擾動(dòng)，從而減小母線電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[14]研究了一種基于虛擬直流電機(jī)的多變換器并聯(lián)協(xié)調(diào)控制方法，采用功率下垂與VDCM相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)功率分配。文獻(xiàn)[15]研究一種直流微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的虛擬慣量和阻尼參數(shù)自適應(yīng)控制策略，減小擾動(dòng)下直流母線電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[16]研究加入微分環(huán)節(jié)的改進(jìn)虛擬直流電機(jī)控制，加快系統(tǒng)響應(yīng)。文獻(xiàn)[17]研究采用模型預(yù)測(cè)控制求解各控制單元的虛擬慣性系數(shù)，滾動(dòng)優(yōu)化參數(shù)，提高直流電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[18]提出了在儲(chǔ)能系統(tǒng)控制中引入類虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性控制，分析了各參數(shù)的物理意義及選取方法，增強(qiáng)系統(tǒng)慣性。文獻(xiàn)[19]在混合儲(chǔ)能分頻控制中引入VDCM技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入與輔助調(diào)壓功率和超級(jí)電容荷電狀態(tài)相關(guān)的調(diào)節(jié)因子，自適應(yīng)優(yōu)化其工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[20]提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的輔助功率虛擬直流電機(jī)(MPC-APVDCM)控制策略，建立電壓預(yù)測(cè)模型與目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制的主動(dòng)預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[21]提出了基于模糊控制的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略，設(shè)計(jì)了基于母線電壓變化率、光強(qiáng)變化率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的模糊規(guī)則表。文獻(xiàn)[22]采用比例積分前饋的新型控制策略，通過(guò)比例前饋系數(shù)、積分反饋系數(shù)、積分系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬慣性的多維度控制。文獻(xiàn)[23]提出簡(jiǎn)化的虛擬直流電機(jī)控制方法，使控制系統(tǒng)的參數(shù)更易調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[24]提出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制方法，并給出參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)原則。文獻(xiàn)[25]以電感電流為反饋量在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上引入VDCM環(huán)節(jié)，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，降低功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
上述文獻(xiàn)中對(duì)虛擬直流電機(jī)控制進(jìn)行了不同的改進(jìn)與優(yōu)化，與傳統(tǒng)虛擬直流電機(jī)控制相比，更大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但目前對(duì)虛擬直流電機(jī)的控制方法中，多采用在虛擬直流電機(jī)控制策略中引入模糊控制、模型預(yù)測(cè)控制，以及參數(shù)自適應(yīng)等其他控制策略加強(qiáng)系統(tǒng)慣性。針對(duì)虛擬直流電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制策略，目前研究中，主要對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與阻尼系數(shù)D進(jìn)行自適應(yīng)研究，未提及電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)與積分系數(shù)自適應(yīng)控制策略，根據(jù)控制理論，在獨(dú)立運(yùn)行直流微電網(wǎng)系統(tǒng)受到功率擾動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)，電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)起著重要作用。基于此，本文在研究轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)自適應(yīng)變化的同時(shí)，充分研究了電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)變化時(shí)對(duì)減小母線電壓波動(dòng)的影響，提出了基于參數(shù)自適應(yīng)改進(jìn)VDCM的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，根據(jù)直流母線電壓的變化情況，自適應(yīng)同時(shí)調(diào)節(jié)電壓PI調(diào)節(jié)器參數(shù)和虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高光伏和負(fù)載功率擾動(dòng)下直流電壓的暫態(tài)性能。
1 虛擬直流電機(jī)控制策略
1.1 虛擬直流電機(jī)工作原理
儲(chǔ)能接口變換器采用雙向DC/DC變換器，可等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，低壓側(cè)接鋰電池儲(chǔ)能裝置，高壓側(cè)接公共直流母線。等效的二端口網(wǎng)絡(luò)與直流電機(jī)的等效模型具有一定的確定關(guān)系，可模擬直流電機(jī)所具有的特性。
虛擬直流電機(jī)模型如圖1所示。其中，Ea為直流電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)；Ra為電樞回路等效電阻；U0為電樞電壓；Ia為電樞電流；Ubat為儲(chǔ)能單元輸出端口電壓；Udc為直流母線電壓；I1為DC/DC變換器輸入電流；I2為DC/DC變換器輸出電流。
1.2 儲(chǔ)能單元的虛擬直流電機(jī)控制策略
儲(chǔ)能單元的雙向DC/DC變換器采用虛擬直流電機(jī)控制，可使DC/DC變換器具有直流電機(jī)的慣性與阻尼特性，從而減小擾動(dòng)下母線電壓的波動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的VDCM控制策略框圖如圖2所示，Udc-ref為直流母線電壓給定值。在電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)之間引入虛擬直流電機(jī)控制，電壓外環(huán)的輸出機(jī)械功率Pm作為虛擬直流電機(jī)控制的輸入，虛擬直流電機(jī)控制的輸出Iref作為電流環(huán)的輸入。最后，由電流環(huán)輸出占空比與載波進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC/DC變換器進(jìn)行控制。
圖2 基于VDCM的儲(chǔ)能控制框圖
1.3 系統(tǒng)小信號(hào)等效模型
虛擬直流電機(jī)控制策略的小信號(hào)等效模型如圖3所示。其中，ΔUdc-ref為直流母線電壓給定值；ΔUdc為直流母線電壓實(shí)際值；ΔiL為電感電流小擾動(dòng)量；L為濾波電感；C為濾波電容。
圖3 控制系統(tǒng)小信號(hào)模型
G1(s)、G2(s)、G3(s)可用公式(6)表示：
1.4 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析
根據(jù)上述小信號(hào)模型，繪制伯德(Bode)圖，分析虛擬直流電機(jī)控制策略中J、D、Kp、Ki對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
（1）J和D對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
在Kp=8、Ki=1000、D=5時(shí)，繪制J=0.001、0.01、0.05、0.1時(shí)的伯德圖，如圖4(a)所示。J從0.001到0.1由小到大變化時(shí)，J的主要影響在伯德圖的高頻段，幅值裕度隨J的增大而增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提升。
在Kp=8、Ki=1000、J=0.02時(shí)，繪制D=1、5、10、15時(shí)的伯德圖，如圖4(b)所示。D從1到15由小到大變化時(shí)，D的主要影響在伯德圖的低頻段，相角裕度隨D的增大而增大，增強(qiáng)了對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抑制作用。
圖4 不同J與D下VDCM控制的Bode圖
（2）Kp、Ki對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
在Ki=1000、J=0.02、D=5時(shí)，繪制Kp=5、10、15、20時(shí)的伯德圖，如圖5(a)所示，Kp從5到20由小到大變化時(shí)，Kp的主要影響在高頻段，相角裕度隨Kp的增大而增大。
在Kp=8、J=0.02、D=5時(shí)，繪制Ki=500、1000、1200、1500時(shí)的伯德圖，如圖5(b)所示，Ki從500到1500由小到大變化時(shí)，Ki的主要影響在低頻段，幅值裕度隨Ki的減小而增大。
圖5 不同Kp與Ki下VDCM控制的Bode圖
在獨(dú)立運(yùn)行的直流微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能單元接口變換器的控制環(huán)節(jié)引入VDCM控制，并通過(guò)選擇合理的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與阻尼系數(shù)D以及電壓外環(huán)比例系數(shù)Kp與積分系數(shù)Ki，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2 基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)虛擬直流電機(jī)控制策略
2.1 參數(shù)變化對(duì)母線電壓的影響
在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于直流母線電壓，既希望實(shí)現(xiàn)較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，又希望能夠提供一定的慣性和阻尼支撐以減小直流母線電壓的變化幅度，但傳統(tǒng)VDCM控制在參數(shù)選擇上較為模糊，不能同時(shí)滿足上述要求，具有一定的局限性。針對(duì)該問(wèn)題，本文研究虛擬直流電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制，目前研究只針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與阻尼系數(shù)D進(jìn)行自適應(yīng)控制，但經(jīng)過(guò)大量仿真，J與D自適應(yīng)控制對(duì)母線電壓波動(dòng)改善效果并不明顯，對(duì)此，在基于J與D自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)電壓外環(huán)比例系數(shù)Kp與積分系數(shù)Ki進(jìn)行自適應(yīng)控制。
分別對(duì)光伏或負(fù)載擾動(dòng)引起母線電壓跌落和上升進(jìn)行了仿真，通過(guò)比較參數(shù)變化的仿真結(jié)果，分析J、D、Kp、Ki變化對(duì)母線電壓波動(dòng)影響。
（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
在D、Kp、Ki取值相同條件下，J=0.001, 0.01、0.05、0.1的仿真波形如圖6所示。從母線電壓波形仿真結(jié)果可以得出，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J越大，母線電壓波動(dòng)越大，但響應(yīng)時(shí)間越短。
圖6 J對(duì)母線電壓波動(dòng)影響
（2）阻尼系數(shù)
在J、Kp、Ki取值相同條件下，D=1、5、10、15時(shí)分別進(jìn)行仿真，波形如圖7所示。可以得出，阻尼系數(shù)D越大，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，母線電壓波動(dòng)幅值基本沒(méi)有變化，D取不同值時(shí)，母線電壓恢復(fù)時(shí)間變化范圍較小。
圖7 D對(duì)母線電壓波動(dòng)影響
（3）比例系數(shù)
在J、D、Ki取值相同條件下，Kp=5、10、15、20時(shí)分別進(jìn)行仿真，波形如圖8所示。由圖8可以得出，電壓外環(huán)比例系數(shù)Kp越大，母線電壓波動(dòng)越小，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。Kp取不同值時(shí)，母線電壓波動(dòng)幅值與恢復(fù)時(shí)間變化較為明顯。
圖8 Kp對(duì)母線電壓波動(dòng)影響
（4）積分系數(shù)
在J、D、Kp取值相同條件下，Ki=500、1000、1200、1500時(shí)分別進(jìn)行仿真，波形如圖9所示。從電壓波形可以得出，電壓外環(huán)積分系數(shù)Ki越大，母線電壓波動(dòng)越小，恢復(fù)時(shí)間越短。Ki取不同值時(shí)，母線電壓波動(dòng)幅值變化范圍較小，恢復(fù)時(shí)間變化較為明顯。
圖9 Ki對(duì)母線電壓波動(dòng)影響
2.2 母線電壓波動(dòng)分析
直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)對(duì)其母線電壓變化進(jìn)行分析，其波形如圖10所示。
圖10 母線電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析
在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載功率突增或光照強(qiáng)度突減會(huì)導(dǎo)致母線電壓跌落，其波形如圖10(a)所示，可以分為3個(gè)階段：穩(wěn)定階段，t1～t2跌落階段，t2～t3恢復(fù)階段。負(fù)載功率突減或光照強(qiáng)度突增會(huì)導(dǎo)致母線電壓上升，其波形如圖10(b)所示，可以分為3個(gè)階段，穩(wěn)定階段，t4～t5上升階段，t5～t6恢復(fù)階段。在直流母線電壓波動(dòng)階段，在t2與t5時(shí)刻分別達(dá)到母線電壓跌落最大值與上升最大值。在t3與t6時(shí)刻恢復(fù)穩(wěn)定。在實(shí)際工程中，希望母線電壓跌落或上升幅值最小，恢復(fù)時(shí)間最短，即在t1～t2段跌落幅值、t4～t5段上升幅值越小越好，在t2～t3段、t5～t6段恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間越短越好。按下述規(guī)律調(diào)節(jié)J、Kp和Ki，能夠減小母線電壓波動(dòng)，使系統(tǒng)更穩(wěn)定運(yùn)行。
（1）在t1～t2、t4～t5階段，雖然Kp和Ki增大可使母線電壓跌落或上升幅值減小，但同時(shí)增大Kp和Ki可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定?？刂频目焖傩灾饕杀壤龥Q定，穩(wěn)態(tài)性能主要由積分決定，因此，根據(jù)電壓的偏差，增大比例系數(shù)Kp，并適當(dāng)?shù)販p小積分系數(shù)Ki，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，使電壓的跌落或上升的幅值減小，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定。
（2）在t2～t3、t5～t6階段，增大J，減小Kp，增大Ki，縮短直流母線電壓恢復(fù)時(shí)間。
2.3 基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制策略
根據(jù)上述分析，對(duì)J、Kp、Ki進(jìn)行自適應(yīng)控制策略研究，使系統(tǒng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)增強(qiáng)抑制母線電壓波動(dòng)的能力。由于阻尼系數(shù)D對(duì)母線電壓波動(dòng)影響較小，不再對(duì)D進(jìn)行自適應(yīng)控制。
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J按式(16)自適應(yīng)調(diào)整：
式中，Kpa、Kia分別為母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)初始電壓外環(huán)比例系數(shù)與積分系數(shù)；E、F分別為母線電壓波動(dòng)時(shí)比例系數(shù)與積分系數(shù)的調(diào)節(jié)系數(shù)。
為避免轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的突變對(duì)母線電壓造成影響，在J的調(diào)節(jié)器輸出端加入低通濾波器，使其變化更加平滑。同時(shí)，為了避免J、Kp、Ki過(guò)大或過(guò)小對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，分別設(shè)計(jì)最大值Kpmax=20、Kimax=2300、Jmax=0.12與最小值Kpmin=3、Kimin=1000、Jmin=0.0006對(duì)各參數(shù)進(jìn)行限制。通常，在設(shè)計(jì)中，選擇合理的A、B、E、F調(diào)節(jié)系數(shù)，使各調(diào)節(jié)參數(shù)在允許范圍內(nèi)變化，避免達(dá)到參數(shù)上下限。
虛擬直流電機(jī)J、Kp、Ki參數(shù)自適應(yīng)控制策略框圖如圖11所示，J，Kp，Ki分別按式(16)、式(18)和式(19)計(jì)算，根據(jù)母線電壓變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的慣性，減小直流母線電壓的波動(dòng)，改善其性能。
圖11 基于參數(shù)自適應(yīng)改進(jìn)VDCM控制框圖
3 仿真分析
3.1 仿真微網(wǎng)拓?fù)渑c參數(shù)
系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖12所示，由光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)荷組成。儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充或吸收直流母線上的缺額功率或剩余功率，保證直流母線電壓的穩(wěn)定與系統(tǒng)的功率平衡。
圖12 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了驗(yàn)證所提出控制策略的有效性，分別對(duì)傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略、基于J自適應(yīng)VDCM控制策略和基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制策略進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 仿真參數(shù)
3.2 三種控制策略仿真分析
仿真條件：光伏單元初始發(fā)出功率15 kW，負(fù)荷消耗功率7.5 kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率7.5 kW；在t=0.6 s時(shí)，光伏單元發(fā)出功率突減為5.2 kW，負(fù)荷消耗功率突增為10 kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)需放電4.8 kW；在t=1.2 s時(shí)，光伏單元發(fā)出功率突增為15 kW，負(fù)荷消耗功率突減為7.5 kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率7.5 kW。
（1）基于傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略
傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制仿真波形如圖13所示。在0.6 s時(shí)，光伏功率突減和負(fù)載突增引起母線電壓跌落，其跌落幅值為2.1 V，在0.78 s后恢復(fù)穩(wěn)定。在1.2 s時(shí)，光伏功率突增和負(fù)載突減引起母線電壓上升，其上升幅值為1.9 V，在1.39 s后恢復(fù)穩(wěn)定。
圖13 傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制仿真波形
（2）基于J自適應(yīng)VDCM控制策略
基于J自適應(yīng)的VDCM控制仿真波形如圖14所示，其仿真條件與傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制仿真條件一致。在0.6 s時(shí)，母線電壓跌落幅值為1.7 V，在0.66 s后恢復(fù)穩(wěn)定；在1.2 s時(shí)，母線電壓上升幅值為1.4 V，在1.27 s后恢復(fù)穩(wěn)定。J自適應(yīng)的VDCM控制策略相較于傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略，在減小了母線電壓波動(dòng)的同時(shí)，加快了電壓的恢復(fù)速度。
圖14 基于J自適應(yīng)改進(jìn)VDCM控制仿真波形
（3）基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制策略
基于J、Kp、Ki自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制仿真波形如圖15所示。在0.6 s時(shí)，母線電壓跌落幅值為0.8 V，0.63 s后恢復(fù)穩(wěn)定。在1.2 s時(shí)，母線電壓上升，其上升幅值為0.6 V，1.23 s后恢復(fù)穩(wěn)定。相較于基于J自適應(yīng)的VDCM控制策略，在光伏和負(fù)載功率突變擾動(dòng)下，該控制更好地穩(wěn)定母線電壓，縮短其恢復(fù)時(shí)間。
圖15 基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制策略仿真波形
3.3 三種控制策略下直流母線電壓波動(dòng)比較
傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制、基于J自適應(yīng)VDCM控制和基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制在系統(tǒng)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)，母線電壓波動(dòng)比較如圖16所示。與傳統(tǒng)雙閉環(huán)、基于J自適應(yīng)VDCM相比，J、Kp、Ki自適應(yīng)VDCM控制降低了母線電壓跌落或上升幅值，加快了母線電壓恢復(fù)速度，減小了母線電壓波動(dòng)，增強(qiáng)了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖16 母線電壓波動(dòng)仿真波形
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)和快速控制原型(RCP)搭建硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖17所示。
圖17 基于RTDS與RCP的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
（1）基于傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制
圖18(a)為雙閉環(huán)控制下直流母線電壓下降實(shí)驗(yàn)波形，光伏減負(fù)載功率突減12.3 kW，母線電壓發(fā)生跌落，跌落幅值為9 V，0.64 s后恢復(fù)穩(wěn)定。圖18(b)為直流母線電壓上升實(shí)驗(yàn)波形，光伏減負(fù)載的功率突增12.3 kW引起母線電壓上升，上升幅值為9 V，0.64 s后恢復(fù)穩(wěn)定。
（2）基于J自適應(yīng)的VDCM控制
實(shí)驗(yàn)條件與雙閉環(huán)控制一致，直流母線電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖19所示。電壓跌落幅值為6 V，恢復(fù)時(shí)間為0.48 s；母線電壓上升幅值為6 V，恢復(fù)時(shí)間為0.48 s。
圖18 雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)波形
圖19 基于J自適應(yīng)VDCM控制實(shí)驗(yàn)波形
（3）基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制
基于參數(shù)自適應(yīng)改進(jìn)VDCM控制的直流母線電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖20所示，實(shí)驗(yàn)條件與前兩種控制一致。由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，母線電壓跌落幅值為4 V，0.24 s后恢復(fù)穩(wěn)定；母線電壓上升幅值為4 V，0.24 s后恢復(fù)穩(wěn)定。
圖20 基于參數(shù)自適應(yīng)改進(jìn)VDCM控制策略實(shí)驗(yàn)波形
（4）三種控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較
三種控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)表2。通過(guò)不同控制策略下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)的VDCM控制在系統(tǒng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，能夠更好地減小母線電壓波動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)慣性與穩(wěn)定性。
表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表
5 結(jié)論
在新能源發(fā)電量占比越來(lái)越高與直流微電網(wǎng)技術(shù)日益成熟的背景下，針對(duì)直流微電網(wǎng)中，分布式電源、負(fù)荷功率波動(dòng)對(duì)母線電壓造成影響的問(wèn)題，本文研究了基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制策略。建立了比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與電壓偏差的關(guān)系式，搭建了仿真模型與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制、基于J自適應(yīng)VDCM控制、基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)VDCM控制策略進(jìn)行了仿真和硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)控制系統(tǒng)的小信號(hào)模型分析以及仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：①在儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中，引入虛擬直流電機(jī)控制，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)慣性與阻尼。②在母線電壓波動(dòng)時(shí)，本文研究的改進(jìn)VDCM控制策略在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J自適應(yīng)的基礎(chǔ)上，加入電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp與積分系數(shù)Ki自適應(yīng)，能夠根據(jù)母線電壓變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各控制參數(shù)，因此能夠更好地抑制母線電壓波動(dòng)，縮短擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間，提高母線電壓的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略，本文所研究的改進(jìn)參數(shù)自適應(yīng)控制策略，母線電壓波動(dòng)幅值減小55.6%，恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間縮短62.5%；相比于J自適應(yīng)VDCM控制策略，本文所研究的改進(jìn)參數(shù)自適應(yīng)控制策略，母線電壓波動(dòng)幅值減小33.3%，恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間縮短50%。③通過(guò)三種控制策略的控制效果對(duì)比，改進(jìn)VDCM控制策略能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾性，在實(shí)際應(yīng)用中，能夠增強(qiáng)電能質(zhì)量。
