一种基于灵活虚拟直流电机控制的恒功率负载变换器控制方法及系统与流程

本发明属于直流微网，涉及一种基于灵活虚拟直流电机控制的恒功率负载变换器控制方法及系统。

背景技术：

1、随着大规模分布式光伏发电单元和大量电力电子设备的接入，直流微电网呈现高比例新能源发电和高度电力电子化的“双高”特点，面临着如下挑战：(1)大量具有负阻抗特性的恒功率负载接入直流微网；(2)电力电子器件缺少惯性与阻尼，抗扰动能力不足；(3)直流微网中存在诸如负载突变、光伏输出突变、储能充放电切换等大信号运行工况。

2、为了解决上述问题，有必要在恒功率负载变换器的控制环节中引入虚拟惯性和阻尼的设计要求，以适应抗大信号扰动的控制要求，进一步地，采用合适的大信号稳定性分析方法研究变换器的稳定性以完善控制参数设计。

3、在直流微网中，恒功率负载变换器是实现恒功率负载cpl和直流母线柔性互联的重要装置，起到稳定恒功率负载cpl端电压的重要功能。因其是典型的电力电子设备，缺少必要的惯性和阻尼来抑制大信号扰动对恒功率负载cpl端电压稳定造成的短时间剧烈扰动，甚至危及直流微网系统的安全稳定运行。虚拟直流电机(vdm)原理是将虚拟惯量和阻尼同时引入到恒功率负载变换器的控制环节，使其具有直流电机的转动惯量和阻尼特性。国内外学者开展了大量虚拟直流电机控制策略的相关研究，但是大多采用固定参数或者分段自适应参数，尚不能满足直流微网对恒功率负载变换器抗大信号扰动的柔性控制要求。

4、由于直流微网是一种具有高度电力电子化特征的强非线性系统，其大信号运行工况和大量恒功率负载cpl的负阻抗特性会严重影响恒功率负载cpl端电压稳定和系统动态性能，有必要提出一种合适的大信号稳定性分析方法，研究恒功率负载变换器控制系统的稳定性，分析变换器控制参数的约束条件。目前，用于直流微网大信号稳定性分析的方法主要有：时域仿真分析法、李雅普诺夫直接法、相平面法和混合势函数(mpf)分析法。其中，时域仿真分析法需要针对不同工况进行大量的重复计算，分析效率较低；李雅普诺夫直接法的运算过程复杂且判据相对保守，泛用性较低；相平面法适用于低阶控制系统，在高阶复杂系统中无法适用；而mpf分析法的分析过程简单，物理意义清晰，不需要进行复杂的频域计算，更适合分析直流微电网的大信号稳定性，具有很好的应用前景。

5、综上所述，由于直流微网存在大量具有负阻抗特性的恒功率负载cpl，大信号运行工况伴随大量功率波动、且恒功率负载变换器缺少惯量和阻尼，因此恒功率负载端电压存在剧烈波动，危及系统安全稳定运行。目前已有的固定参数虚拟直流电机控制策略和大信号稳定性分析方法尚不能满足解决上述难点问题的技术需求。

技术实现思路

1、目的：鉴于以上技术问题中的至少一项，本发明提供一种基于灵活虚拟直流电机控制的恒功率负载变换器控制方法及系统，以解决直流微网存在大量具有负阻抗特性的恒功率负载cpl，大信号运行工况伴随大量功率波动、且恒功率负载变换器缺少惯量和阻尼的技术难题。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本技术实施例提供了一种基于灵活虚拟直流电机控制的恒功率负载变换器控制方法，包括：

4、获取恒功率负载端电压及恒功率负载端电压变化率；

5、基于所述恒功率负载端电压及恒功率负载端电压变化率，确定虚拟惯量和阻尼系数；

6、根据所述虚拟惯量和阻尼系数，利用虚拟直流电机控制策略对恒功率负载变换器进行控制。

7、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，基于所述恒功率负载端电压及恒功率负载端电压变化率，确定虚拟惯量和阻尼系数，包括：

8、

9、

10、其中，j和d分别为虚拟惯量和阻尼系数，u2为恒功率负载端电压，du2/dt为恒功率负载端电压变化率，uref为恒功率负载端电压参考值，λ1为恒功率负载端电压波动阈值，λm为恒功率负载端电压变化率的上下启动阈值，j0为转动惯量初值，d0为阻尼系数初值，a为自适应放大系数，b为自适应减小系数。

11、进一步地，在一些实施例中，所述恒功率负载端电压波动阈值λ1取值为恒功率负载端电压u2的0.5％。

12、进一步地，在一些实施例中，所述恒功率负载端电压变化率的上下启动阈值λm取值为恒功率负载端电压u2的5％。

13、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，根据所述虚拟惯量和阻尼系数，利用虚拟直流电机控制策略对恒功率负载变换器进行控制，包括：

14、

15、

16、其中，u为恒功率负载变换器输出电压，ea、ra和la分别为电枢感应电动势、等效电阻和等效电感，ia为电枢励磁电流，为电枢励磁电流变化率，ct和分别为直流电机的转矩系数和磁通，tm和te分别为机械转矩和电磁转矩，ω0和ω分别为额定角速度和实际角速度，j和d分别为虚拟惯量和阻尼系数，pm和pe分别为机械功率和电磁功率。

17、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，在利用虚拟直流电机控制策略对恒功率负载变换器进行控制之后，还包括：

18、基于灵活虚拟直流电机控制下的恒功率负载变换器的稳定性模型，确定恒功率负载变换器的电流环pi控制参数比例系数kip；

19、根据所述电流环pi控制参数比例系数kip，对恒功率负载变换器进行pi控制。

20、进一步地，在一些可能的实现方式中，所述灵活虚拟直流电机控制下的恒功率负载变换器的稳定性模型，包括：

21、

22、

23、

24、其中，p*(i,v)为灵活虚拟直流电机控制下的恒功率负载变换器的混合势函数mpf模型，pi和pv分别为基于双闭环pi控制的恒功率负载变换器混合势函数mpf模型p(i,v)对于电流和电压的一阶偏导；aii和bvv分别为p(i,v)对于电流和电压的二阶偏导，μ1和μ2分别为aii和bvv的最小特征值；i表示恒功率负载变换器的电感电流，l为滤波电感，c为变换器输出端滤波电容，kip为电流环pi控制参数比例系数，u2为恒功率负载端电压，p0表示恒功率负载的额定功率值；v表示储能电容电压。

25、进一步地，在一些可能的实现方式中，所述基于双闭环pi控制的恒功率负载变换器混合势函数mpf模型p(i,v)包括：

26、

27、其中，p0表示恒功率负载的额定功率值，d、i分别表示恒功率负载变换器的占空比和电感电流，u2为恒功率负载端电压，v表示储能电容电压，p(i)为非储能元件的电流势函数、p(v)为非储能元件的电压势函数，p(c)储能电容c的能量势函数；kip为电流环pi控制参数比例系数，uref为恒功率负载端电压参考值，iref为电感电流参考值，kvp、kvi为电压环pi控制参数的比例和积分系数，ω0为额定角速度，j和d分别为虚拟惯量和阻尼系数，ct和分别为直流电机的转矩系数和磁通，ra和la分别为电枢等效电阻；m1、m0、m2为中间参数，tm和te分别为机械转矩和电磁转矩。

28、第二方面，本技术实施例提供了一种基于灵活虚拟直流电机控制的恒功率负载变换器控制系统，包括：

29、获取模块，用于：获取恒功率负载端电压及恒功率负载端电压变化率；

30、第一确定模块，用于：基于所述恒功率负载端电压及恒功率负载端电压变化率，确定虚拟惯量和阻尼系数；

31、第一控制模块，用于：根据所述虚拟惯量和阻尼系数，利用虚拟直流电机控制策略对恒功率负载变换器进行控制。

32、第三方面，本技术实施例提供了一种计算机设备，所述设备包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；所述处理器执行所述可执行指令时，实现如第一方面或第一方面任一种可能实现的方式所述的方法。

33、第四方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面或第一方面任一种可能实现的方式所述的方法的步骤。

34、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

35、本技术实施例通过采用了一种基于灵活虚拟直流电机控制的恒功率负载变换器控制方法，通过恒功率负载端电压及恒功率负载端电压变化率，确定虚拟惯量和阻尼系数，以解决直流微网存在大量具有负阻抗特性的恒功率负载cpl，大信号运行工况伴随大量功率波动、且恒功率负载变换器缺少惯量和阻尼的技术难题。在进一步的技术方案中，通过构建灵活虚拟直流电机控制下的恒功率负载变换器的稳定性模型来确定恒功率负载变换器的电流环pi控制参数比例系数范围值，并可完善恒功率负载变换器控制参数设计，提高直流微网系统的稳定性与抗扰动能力。