1. 研究目的与意义
当今时代，风能、光伏等分布式能源在电能生产过程中占据着越来越大的比重。这些分布式能源建在用户侧,具有可独立运行也可并网运行的灵活性。但其也存在随机性和波动性,无疑会给直流微电网系统带来诸多不稳定的因素。在直流微电网的系统之中,DC/DC变换器作为分布式能源的能量流入直流母线的媒介,在大规模应用的同时会降低整个系统的阻尼,也会大幅降低整个系统的稳定性,所以如何通过运用有效的控制策略提高DC/DC变换器的稳定性至关重要。根据将虚拟同步机控制技术引入交直流电网系统以改善其稳定性的经验,我们在直流微电网中引入虚拟直流电机（VDM）控制技术。VDM控制技术借助直流电机的机械外部特性,调节直流系统中阻尼和惯性的平衡,从而抑制DC母线电压的波动。相比于交流微电网，直流微网不需要考虑无功功率和谐波等问题，可以获得更高的电能质量和转换效率，得到越来越多的关注。本文将详细阐述VDM控制的机理，设计参数自适应控制策略，搭建系统的仿真模型，验证其优越性和有效性。
2. 课题关键问题和重难点
关键词：直流微网，虚拟直流电机，DC/DC变换器，VDCM控制技术
本次实践是对VDCM技术控制的DC/DC变换器展开系统的研究，具体的难点与重点有以下几个
（1） 首先要从小信号模型出发，了解并探求VDCM控制技术的致稳机理,建立模型的前提就是能够深刻理解相关的专业知识，并且能够熟练地将其运用到设计中来。
3. 国内外研究现状（文献综述）
| 三、文献综述 随着新能源并网的发展， 以及负荷占比的增加，直流微网得到越来越多的关注。未解决新能源发电与负荷的随机波动引起的直流母线以及负荷侧直流电压的波动，提出一种虚拟直流电机控制技术，将直流电机的机械方程应用到控制算法中，模拟直流电机的惯量特性与阻尼特性，使得在新能源发电波动以及负荷突变时直流母线电压与负荷侧电压仍然能保持稳定。[1] 新能源通过电力电子装置接入电力系统，引进了以电力电子变换器主导的柔性弱电网。虽然电力电子变换器的引入使得供电系统能量流动可控，系统响应速度与效率得到提升，可以在多时间尺度下对供电系统能量流动进行管理，但是其缺乏同步电机等旋转器件所具备的大惯性、高阻尼特性，进而造成大规模新能源接入电网后，电力系统整体的惯性降低，失稳风险上升。虚拟惯性控制策略的提出，确保了在电力电子装置大规模接入电网时，电网仍能具备足够惯性抑制网内频率及电压波动。[2] 目前，虚拟惯性的研究主要应用于交流电网中逆变器控制，对直流微电网的相关研究较少，主要包括附加惯性控制、虚拟电容控制和虚拟直流电机。文献[5]提出了一种附加惯性控制策略在原有的下垂控制中附加来了惯性控制环节，模拟电容工作原理来调度额外功率，并引入高通滤波器代替微分环节，从而引入惯性特性；若将高通滤波器替换成一阶惯性环节，可避免高通滤波器带来的高频干扰。 对于变换器文献[9]做了详细的介绍，并网变流器有并网和离网两种工作模式。在并网模式下，通过控制变流器实 现交流电网与直流微网之间的能量流动。并网模块作为微网的功率平衡节点，当 微网功率不足时，并网变流器工作在整流状态，为直流微网补充缺额功率；当微 网功率富余时，并网变流器工作在逆变状态，从微网中吸收多余的功率。当交流 大电网或并网变流器发生故障时，此时系统处于离网模式下，直流微网内部通过 光伏电池和储能模块的调节实现孤岛模式下的系统功率平衡。了解变换器的工作原理后，即可通过小信号模型，模拟出新型VDCM控制模型，从而达到实验目的。
在BUCK变换器的VDM控制设计与稳定性分析中，根据实际电机参数设定相关变量，并假设所设计的调压器参数不变，分别改变虚拟阻尼参数D与惯性J，观察环路增益的改变方法利用控制变量法分别改变惯性参量和阻尼参量的取值探究两个参数对BUCK变换器的控制系统稳定性的影响机理[11]
参考文献： [1]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. [2]支娜,丁可,黄庆辉,李武华,张辉.基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制策略[J].电工技术学报,2021. [3] 支娜,丁有国,赵佳宝.直流微电网改进虚拟直流电机控制策略[J].电力电子技术,2020. [4] 王勉,唐芬,赵宇明,吴学智,牛靖凯,许泽富.虚拟直流电机的参数自适应控制策略[J].电力系统自动化,2020. [5] 支娜,明旭,张林杰,张辉,张伟亮.模拟直流电机调速特性的双向DC/DC变换器虚拟直流电机控制策略[J].电力自动化设备,2022. [6] N. Zhi, X. Ming,Y. Ding, L. Du and H. Zhang, Power-Loop-Free Virtual DC Machine Control WithDifferential Compensation[J], IEEE Transactions on Industry Applications,vol. 58, no. 1, pp. 413-422, 2022. [7] S. Bagheri and H. M. CheshmehBeigi, 'DC Microgrid VoltageStability through Inertia Enhancement Using a Bidirectional DC-DCConverter,' 7th Iran Wind Energy Conference (IWEC2021), 2021. [8] Z.Liu and Y. Liu, 'Virtual DC Machine Control Strategy for StabilityImprovement in DC Microgrid with Constant Power Loads,' 2022 IEEE 5thInternational Electrical and Energy Conference (CIEEC), 2022. [9] 代志强. 采用虚拟直流电机的直流微网功率协调控制策略研究[D].北京交通大学,2021. [10] 郭禹. 直流配电网的虚拟直流电机控制策略研究[D].华北电力大学,2020. [11] 尹英龙. 基于虚拟直流电机的DC/DC变换器稳定控制技术研究[D].陕西科技大学,2021. |
4. 研究方案
首先对VDCM技术控制的DC/DC变换器展开研究，深刻理解并网变流器的工作模式和工作原理，通过控制变流器实现交流电网与直流微电网之间的能量流动。这些概念以及内在原理都将根据所查阅的文献里的概述、图表及公式进行研究。在研究时要细心对于新的概念要进行连续几次的考究，防止出现问题导致后面调用数据时出现不理解，难以运用该知识点，从而导致设计失败，需要将前面的设计全部推翻从头再来进行研究学习使得无用功变多，工作量也就随之提升，所以一开始研究时便要尽量做到精准，对于有问题的把握一定要搞清楚为止。
弄懂基本原理后，从系统小信号模型出发，研究VDCM控制技术的致稳机理，设计出相关模型，将其输入侧蓄能电路与直流电机电枢电路进行完全等效，模拟出直流电机大惯性、高阻尼输出特性，增强了母线电压对功率波动的惯性影响能力。基于零极点形式表示的控制系统传递函数构造VDCM控制的小信号模型，对VDCM小信号等效模型及动态性能分析，将其与详细模型仿真结果对比，得出相应误差大小，若几乎一致，则VDCM的参数自适应策略初步完成，若不一致即误差很大，则需要在已有的问题上，提出新的参数自适应控制策略。以负载功率突增为例，将直流母线电压动态响应典型波形近似分为多个阶段，直流母线电压从稳态值开始跌落，直至跌落到波动峰值为止，可采取相应措施，降低直流母线电压的波动峰值，同时减小该阶段的响应时间，实现系统较快响应；在电压恢复阶段，为系统提供较大的惯性和阻尼支撑。通过对D和J的调节，可实现电压波动的改善以及提供足够的惯性和阻尼支撑。基于这种方法，用控制系统的带宽和相频裕度分析了VDCM的惯性和阻尼参数对控制系统稳定性的影响，并确定了两个参量与控制系统开环增益和穿越频率的对应性，得到了一般性结论。在设计过程中，要具体问题具体分析，并且计算时同样需要多计算几次防止出现错误，这里直接关系到后面的图像的画作，最后发现图像出现明显误差时应该调转回来观察是否这个数据在计算时就出现了问题，或者是否是前面的数据出现了问题，对数据进行及时的修改，防止最终提交时出现问题从而导致大量的数据出现问题最终做出来的设计严重的偏离了实际，从而出现难以挽回的问题。
最后对VDCM储能微电网直流变流器的设计进行仿真验证，确保直流母线电压波动≤2%以及调节惯性参数J和阻尼参数D从而对直流电压波动进行改善。
5. 工作计划
第1周（2023.2.20-2023.2.24） 研读和查阅大量中英文资料；
第2周（2023.2.27-2023.3.03）研读和查阅大量中英文资料；
第3周（2023.3.06-2023.3.10）虚拟直流电机理论和数字模型；
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