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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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?；诖?，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓給定值；ΔUdc為直流母線(xiàn)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(xiàn)電壓的影響
在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于直流母線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓波形仿真結(jié)果可以得出，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J越大，母線(xiàn)電壓波動(dòng)越大，但響應(yīng)時(shí)間越短。
圖6 J對(duì)母線(xiàn)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?？梢缘贸觯枘嵯禂?shù)D越大，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，母線(xiàn)電壓波動(dòng)幅值基本沒(méi)有變化，D取不同值時(shí)，母線(xiàn)電壓恢復(fù)時(shí)間變化范圍較小。
圖7 D對(duì)母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓波動(dòng)越小，恢復(fù)時(shí)間越短。Ki取不同值時(shí)，母線(xiàn)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(xiàn)電壓波動(dòng)影響
2.2 母線(xiàn)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(xiàn)電壓變化進(jìn)行分析，其波形如圖10所示。
圖10 母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓波動(dòng)階段，在t2與t5時(shí)刻分別達(dá)到母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓波動(dòng)的能力。由于阻尼系數(shù)D對(duì)母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上的缺額功率或剩余功率，保證直流母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓跌落或上升幅值，加快了母線(xiàn)電壓恢復(fù)速度，減小了母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓跌落幅值為4 V，0.24 s后恢復(fù)穩(wěn)定；母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓波動(dòng)，縮短擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間，提高母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。
