电力系统保护与控制 第 49 卷 第 18 期 2021 年 9 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.18 Sep. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201512 基于参数自适应的直流微源虚拟发电机控制策略 张勤进，张瀚文，刘彦呈，陈 龙，胡王宝 (大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连 116026) 摘要：针对分布式电源波动及负载功率突变引起直流微电网母线电压大幅波动的问题，传统虚拟直流电机控制通 过模拟直流电机外特性，可抑制母线电压波动，但动态响应较差。对此，提出一种参数自适应的虚拟直流发电机 控制策略。以 Buck/Boost 变换器作为研究对象，结合下垂控制将虚拟直流发电机应用于多变换器并联系统中。建 立其小信号模型，分析关键控制参数变化对系统稳定性的影响，并给出惯性系数和阻尼系数自适应调节方程。最 后，搭建仿真模型及 StarSim HIL 实验平台。结果表明所提控制策略在有效抑制直流母线电压波动的同时，使系 统具有较快的动态响应速度。 关键词：直流微电网；母线电压；虚拟直流发电机；自适应；小信号模型 Control strategy for a DC micro source virtual generator based on adaptive parameters ZHANG Qinjin, ZHANG Hanwen, LIU Yancheng, CHEN Long, HU Wangbao (College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China) Abstract: There can be large fluctuations in a DC microgrid bus voltage caused by distributed power fluctuations and sudden changes in load power. Traditional virtual DC motor control can suppress bus voltage fluctuations by simulating the external characteristics of DC motors, but the dynamic response is poor. Because of this, a parameter adaptive virtual DC generator control strategy is proposed. Taking the Buck/Boost converter as the research object, combined with droop control, a virtual DC generator is applied to the multi-converter parallel system; its small signal model is established, and the influence of the key control parameter changes on system stability is analyzed, and the adaptive adjustment equations of inertia coefficient and damping coefficient are derived. Finally, a simulation model and StarSim HIL experimental platform are built. The results show that the proposed control strategy effectively suppresses the DC bus voltage fluctuations and enables the system to have a faster dynamic response. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51709028 and No. 51979021), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 3132019317), and High-level Talents Innovation Support Project of Dalian City (No. 2019RQ008). Key words: DC microgrid; bus voltage; virtual DC generator; self-adaptive; small signal model 0 引言 随着化石能源的短缺以及环境问题的日益严 峻，以新能源发电为主的分布式发电技术得到了广 泛关注。相比交流微电网，直流微电网更适合大规 模的新能源接入，且可以减少成本、降低损耗、提 高可控性和可靠性、无频率相位等问题，其发展前 景也日益广阔[1-6]。但在直流微电网中，各分布式单 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51709028，51979021)； 中央高校基本科研业务费专项资金(3132019317)；大连市高 层次人才创新支持计划项目资助(2019RQ008) 元均通过缺少惯性和阻尼的电力电子变换器接入公 共母线，当微电网内的分布式电源发生波动，以及 负载功率发生突变时，均会对直流母线电压造成较 大影响，严重影响电能质量，不利于直流微电网的 稳定运行[7-8]。因此，通过控制技术提高直流微电网 的惯性，减小母线电压的波动对直流微电网[9]的稳 定运行具有重要意义[10-11]。 虚拟直流电机(Virtual DC Machine, VDCM)控 制通过模拟直流电机的外特性，为系统提供额外的 惯性和阻尼支撑，可分为虚拟直流发电机和虚拟直 流电动机两类[12]。文献[12-15]提出虚拟直流电机控 制，并将其应用在储能以及负荷侧，抑制了母线电 张勤进，等 基于参数自适应的直流微源虚拟发电机控制策略 压波动。文献[16]在能量路由器的交直流侧采用虚 拟同步发电机控制[17]，在直流系统中模拟出交流系 统具备的惯性和阻尼。文献[18-19]提出了一种改进 的具有储能接口的 VDCM 控制策略，在传统的 VDCM 控制中，通过在前馈通道中加入差动补偿， 可以提高直流微电网对负载变化和可再生能源干扰 的弹性。然而，上述文献均未分析 VDCM 控制的动 态响应以及参数设计对系统稳定性的影响。文献[20] 分析了 VDCM 控制下惯性系数和阻尼系数对系统 稳定性的影响， 证明加入 VDCM 控制后提升了系统 的稳定性，但未实现对参数的灵活控制，导致动态 特性较差。对此，文献[21-23]考虑参数自适应的虚 拟惯性控制策略，改善了这一问题，但只对单台变 换器进行了控制，且控制策略较为复杂。 在此基础上，本文以 Buck/Boost 变换器为研究 对象，将虚拟直流发电机控制应用到直流微电网多 变换器并联系统中，详细分析了关键控制参数对系 统稳定性的影响， 并提出一种参数自适应控制策略， 改善系统动态特性并降低了已有算法的复杂度。最 后，通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。 1 - 91 - 角速度，ωe0=ω0p，ω0 为额定机械角速度；J 为转动 惯量；D 为阻尼系数；Tm 为机械转矩；Te 为电磁转 矩；ωe 为实际电角速度；p 为直流发电机极对数； 电磁功率 Pe=EIa。 电枢方程为 U  E  I a Ra   E  CT (2) 式中：CT 为转矩系数；Φ 为磁通。采用上述虚拟直 流发电机模型对变换器进行控制时，U2 =U，I2= Ia， 变换器将具备与直流发电机一致的外特性，可增加 系统的惯性和阻尼，提高母线电压的稳定性。 1.2 虚拟直流发电机控制策略 图 2 为引入虚拟直流发电机控制后的并联系统 整体框图，分布式电源经 Buck/Boost 变换器接入直 流母线，负载侧接入恒功率负载(Constant Power Load, CPL)，Rline1、Rline2 为源侧等效线路阻抗，L1、 C1 为负载侧滤波电感和电容。 虚拟直流发电机控制策略 1.1 虚拟直流发电机模型 图 1 为虚拟直流发电机模型，Buck/Boost 变换 器可等效为一个二端口网络，前端接入分布式电源， 后端接入直流母线，其等效的二端口网络可模拟直 流发电机外特性。 图中：E 为电枢电动势；U 为发电机端电压； Ia 为电枢电流；Ra 为电枢电阻；U1 为电源输出电压； U2 为变换器输出电压；I1 为电源输出电流；I2 为变 换器输出电流；L、R 为变换器的滤波电感及其寄生 电阻；C 为电容；S1、S2 为开关管。 Fig. 2 Overall control block diagram of parallel system 为增强直流微电网的惯性与阻尼，抑制扰动引 起的母线电压波动，在传统下垂控制的基础上，引 入虚拟直流发电机控制，作用于电压环与电流环之 间，K 为下垂控制系数，具体控制如图 3 所示。 图 3 中，母线电压参考值 Uref 经过电压调节后 得到机械功率 Pm，再经过虚拟直流发电机环节得到 图 1 虚拟直流发电机模型 Fig. 1 Virtual DC generator model 直流发电机的机械方程为  d e  J dt  Tm  Te  D (e  e0 )/p  P Te  e p e  图 2 并联系统整体控制框图 (1) 式中：ωe=ωp，ω 为实际机械角速度；ωe0 为额定电 电力系统保护与控制 - 92 - 图 3 加入虚拟直流发电机后的控制框图 Fig. 3 Control block diagram after adding virtual DC generator 变换器输出电流参考值 Iref，根据功率平衡原则利用 Uref /U1 将 Iref 转换为输入电流参考值， 最后通过电流 环的 PI 控制器及 PWM 调制得到所需的控制信号。 2 图 5 中主要传递函数推导结果如下： iˆ ( s ) d Gii  1 ˆ ( s ) 0  2 ˆ u ( s )  0,