1、第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220665 基于虚拟直流机的直流微电网电压稳定控制策略 刘自发，刘 炎(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)摘要：针对大量恒功率负荷接入直流微电网致使直流微电网失稳的问题，提出了一种基于虚拟直流机(VDCM)的直流微电网电压稳定控制策略。控制策略以储能双向 DC/DC 变流器为研究对象，基于直流电机原理，以电感电流为反馈量在传统下垂控制的基础上引入 VD
2、CM 环节，增强系统阻尼，降低恒功率负荷对系统稳定性的影响。通过建立所提控制策略下的直流微电网小信号模型，利用阻抗匹配原则分析相关参数变化时系统的稳定性，并将其与传统的 VDCM 控制策略进行对比。最后，搭建仿真模型和硬件实验平台，验证所提控制策略的有效性。结果表明：所提控制策略使变流器具备了直流电机的惯量和阻尼特性，在提升系统稳定性的同时，也在一定程度上改善了系统动态响应性能，且其控制效果优于传统的 VDCM 控制策略。关键词：直流微电网；虚拟直流机；恒功率负荷；小信号模型；稳定性分析 Voltage stability control strategy of a DC microgrid
3、based on a virtual DC machine LIU Zifa,LIU Yan(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:To solve the problem of DC microgrid instability caused by constant power load,a voltage stability control strategy based on a virtual DC
4、 machine(VDCM)is proposed.Taking the bidirectional DC/DC converter of energy storage as the research object,and based on the principle of a DC machine,the control strategy introduces a VDCM link on the basis of traditional droop control with the inductance current as the feedback quantity to increas
5、e the system damping and reduce the influence of constant power load on system stability.By establishing the small signal model of the DC microgrid with the proposed control strategy,the stability of the system when relevant parameters change is analyzed with the principle of impedance matching.Then
6、 the proposed control strategy is compared with the traditional VDCM control strategy.Finally,the simulation model and hardware experimental platform are built to verify the effectiveness of the proposed control strategy.The results show that the strategy makes the converter have the inertia and dam
7、ping characteristics of a DC machine.This not only improves the stability of the system,but also improves the dynamic response performance to a certain extent.Its control effect is better than that the traditional VDCM control strategy.This work is supported by the National Natural Science Foundatio
8、n of China(No.51977074).Key words:DC microgrid;virtual DC machine;constant power load;small signal model;stability analysis 0 引言 随着化石能源短缺以及“双碳”目标的提出，国家大力倡导新能源的发展，大量的分布式光伏、风电接入电网。为了降低对大电网的影响，分布式电源一般经微电网并入电网，微电网的相关研究也因此引起广泛关注1-5。随着电动汽车、通信设备等直流负荷比例逐年增加，交流微电网在运行控制方面面临着越来越多的挑战。直流微电网以其具有换 基金项目：国家自然科学基金项目资
9、助(51977074)流环节少、能量利用率高、控制简单、没有无功频率问题等优点成为未来电力发展的一个重要方向6-10。在直流微电网中，大部分负荷都通过恒功率控制方式的电力电子变换器接入电网，其外特性表现为恒功率负荷。由于恒功率负荷具有负阻尼特性，其大量接入会降低系统阻尼，引起系统稳定性问题，因此，如何提升恒功率负荷大量接入下的直流微电网稳定性成为当前研究的热点11-14。目前，对于提升直流微电网稳定性的研究主要是基于无源阻尼法和有源阻尼法。相比于无源阻尼法，有源阻尼法系统不需要配置额外硬件，不会产刘自发，等 基于虚拟直流机的直流微电网电压稳定控制策略 -63-生额外的损耗与费用，只需改变换流器
10、控制方式即可为系统提供附加阻尼，因此成为了当前提升直流微电网稳定性的主要方法。文献15提出了一种基于线性反馈的有源阻尼策略，以源侧升压变换器电感电流为反馈量提升系统阻尼，但反馈中引入了微分环节，系统容易受高频分量的影响。文献16提出了一种基于状态反馈的直流微电网有源阻尼控制技术，以系统振荡电压和振荡电流为反馈量设计变流器占空比，并采用极点配置法优化相关控制参数。文献17分析恒功率负载接入风储直流微电网的稳定性，提出一种以输出电压电流为反馈量的阻尼补偿器，并对比分析了补偿器分别位于电压外环、电流内环以及占空比输出端时的系统阻尼提升效果。文献18提出了一种基于并网接口变流器直流电流前馈的有源阻尼方
11、法，通过将变流器出口电流经高通滤波环节前馈到电压外环，在不改变系统稳定工作点的情况下补偿系统阻尼。文献19分析了恒功率负荷对直流微电网稳定性的影响，提出了基于低通滤波器的有源阻尼方法，通过在下垂环节中串入低通滤波环节，有效降低系统电源输出阻抗，提升了系统稳定裕度。从以上文献可以看出，现有的有源阻尼方法虽然在一定程度上能够提升系统稳定性，但均忽略了电力电子系统低惯量的特点，没有考虑直流微电网系统低惯量特点对系统的影响。虚拟直流机(virtual DC machine,VDCM)技术是近几年兴起的直流微电网控制技术，它通过设计变流器控制算法，使得变流器具备直流电机的运行特性，从而提升系统相关性能。
12、国内外已有学者对此做出相关研究。文献20-22基于单台变流器提出VDCM 控制，通过模拟直流电机特性增强系统惯性，提升系统动态响应性能。文献23-24研究了VDCM 技术应用于多台变流器并联的控制，通过在VDCM 控制中加入功率分配算法，使得变流器在具备直流电机惯性的同时，实现多变流器的协调控制。然而，已有文献均是研究 VDCM 技术对系统动态响应性能即系统惯量的提升，VDCM 技术对系统稳定性的提升却少有研究。针对以上问题，本文提出了一种基于 VDCM 的电压稳定控制策略，研究 VDCM 技术对系统稳定性的提升，同时兼顾系统惯量提升。不同于已有的将VDCM 环节串入 PI 双环中的做法，本文
13、所提控制策略将 VDCM 环节以电感电流前馈的形式引入到PI 双闭环中，从而改善变流器控制性能，提升电压稳定性。首先，基于直流电机原理，给出基于VDCM控制的直流微电网电压稳定控制策略控制框图。其次，对系统进行小信号建模，基于 Middlebrook 阻抗比判据分析相关参数变化对系统稳定性的影响，并将其与传统的 VDCM 控制策略进行对比。最后，通过仿真和实验验证所提控制策略的正确性。1 直流微电网结构 本文研究的孤岛直流微电网结构如图 1 所示，它主要由分布式电源、储能单元、阻性负载和恒功率负载组成。阻性负载直接接于直流母线上，其功率LP随母线电压变化；直流负荷和交流负荷分别经恒压控制的换流
14、器接于直流母线，可视为恒功率负载，其功率分别为cpl1P和cpl2P；分布式电源包括风机和光伏，均采用最大功率点追踪控制方式，以最大限度利用可再生能源，其输出功率分别为wP 和vP；储能单元采用下垂控制方式，以保持直流母线电压稳定，其输出功率为BP。图 1 孤岛直流微电网结构 Fig.1 Structure of islanding DC microgrid 为了便于后续直流微电网建模和稳定性分析，需对直流微电网进行等值转化。在短时间尺度内，分布式电源输出功率可认为不变，等效为功率为负的恒功率负荷。因此，可将其与恒功率负载合并，得到等效恒功率负荷cplcpl1cpl2wvPPPPP=+-。从而
15、将直流微电网转化为由储能电源、双向 DC/DC变流器、阻性负荷和恒功率负荷组成的等效模型16,25，如图 2 所示。图 2 直流微电网等效模型 Fig.2 Equivalent model of DC microgrid-64-电力系统保护与控制 图中，su为储能电源等效电压；LR为阻性负荷电阻值；BL、BR和BC分别为双向 DC/DC 变流器的滤波电感、滤波电感寄生电阻和稳压电容；dcu、dci、LBi分别为直流母线电压、变流器输出电流以及滤波电感电流；Li、cpli分别为流过阻性负荷和等效恒功率负荷的电流。为了便于管理，一般情况下直流微电网的规模不是很大，其线路阻抗忽略不计。2 基于 VD
16、CM 的直流微电网电压稳定控制策略 由于恒功率负荷的负阻尼特性，当直流微电网中恒功率负荷增加时，系统稳定性会降低。本文在储能双向 DC/DC 变流器双闭环下垂控制的基础上引入 VDCM 环节，以增加系统惯性和阻尼，提升系统稳定性。2.1 VDCM 原理 直流电机数学模型可分为电磁部分和机械部分两部分。其中，机械部分为转子运动方程。me0d()dJTTDt=-(1)eePT=(2)式中：J为转动惯量；D为阻尼系数；mT和eT分别为直流电机机械转矩和电磁转矩；eP为电磁功率；和0分别为转子实际角速度和额定角速度。电磁部分主要是电动势平衡方程，可表示为 aaEUR I=+(3)eaPEI=(4)式中：aR、aI分别为电枢等效电阻和电枢电流；E、U分别为电枢感应电动势和机端电压。机械部分与电磁部分耦合方程，可表示为 TEC=(5)式中：TC为直流电机转矩系数；为每极磁通。图 3 为双向 DC/DC 变流器与直流电机等效电路。其中sU、LBI为双向 DC/DC 变流器等效电路输入端电压、电流；L、C为双向 DC/DC 变流器滤波电感和稳压电容；iU、iI为直流电机等效电路输入端电压、电流；mP为
