一种双向DC-DC变换器的虚拟电容控制方法

技术领域

本发明涉及双向DC-DC变换器控制领域，具体涉及一种双向DC-DC变换器的虚拟电容控制方法。

背景技术

随着光伏、储能、风电等分布式发电技术的发展以及直流负荷所占终端用电比例的与日俱增，促进了直流微电网的发展。但是在直流微电网中，所有的分布式电源、储能元件以及直流负荷均是通过电力电子装置相连接，而电力电子装置不同于传统电机，为非旋转静止器件，因此不具备传统电机的转动惯性和阻尼特性，从而呈现低惯量特性。由于分布式电源随着自身环境的变化其输出功率具有间歇性和波动性，负荷也是在不断波动的，特别是负荷波动更具明显的随机性。由于直流微电网没有旋转电机等惯性设备，在采用的下垂控制中其下垂特性也并不提供惯性支持，无法对功率偏差造成的电压波动进行有效的惯性响应，电源与负荷之间暂时的功率差额容易造成直流母线电压明显的波动，特别是当直流负载功率发生波动时，瞬时电压冲击和波动对直流输出电压造成较大影响，不利于系统的稳定运行。

为了解决上述问题，国内外研究学者已经提出一些改进方法，如：文献1(Y.Wang,C.Wang,L.Xu,J.Meng and Y.Hei,"Adjustable Inertial Response From the ConverterWith Adaptive Droop Control in DC Grids,"in IEEE Transactions on Smart Grid,vol.10,no.3,pp.3198-3209,May2019,doi:10.1109/TSG.2018.2820160.)提出变下垂系数控制方法，所提方法在直流下垂控制的基础上，将直流母线电压变化率与下垂系数联系起来，使下垂曲线变化响应电压变化；文献2(支娜,张辉,肖曦.提高直流微电网动态特性的改进下垂控制策略研究[J].电工技术学报,2016,31(03):31-39.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2016.03.005.)通过在电压下垂控制环并联高通滤波器，增加了阻尼特性，提高了母线电压的动态性能。但是变下垂系数控制和并联高通滤波器控制在扰动发生瞬间都会产生一定程度的电压突变，因此控制方法还需要进一步的改善。文献3(盛万兴,刘海涛,曾正,吕志鹏,谭骞,段青,冉立.一种基于虚拟电机控制的能量路由器[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3541-3550.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.008.)提出一种虚拟直流电机控制方法，能够在直流系统中模拟出传统电机所具有的惯性和阻尼特性；文献4(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,2019,39(10):3029-3038.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.180782.)通过扩张状态观测器估计负载扰动，并作为补偿项引入至虚拟直流电机控制中。上述这两种方法的推导原理与控制方法较为复杂，难以实际应用。文献5(N.Zhi,X.Ming,Y.Ding,L.Du and H.Zhang,"Power-Loop-FreeVirtual DC Machine Control With Differential Compensation,"in IEEETransactions on Industry Applications,vol.58,no.1,pp.413-422,Jan.-Feb.2022,doi:10.1109/TIA.2021.3119512.)在虚拟直流电机控制中添加微分补偿，虽然能够改善直流母线电压的动态性能，但是理想微分补偿环节的实现较为困难，而且微分环节会导致抗噪声能力下降，放大高频噪声。

综上，上述现有技术中虽然能够提高直流微电网输出电压的动态性能，但各自仍存在相应的不足之处，本发明基于虚拟电容控制方法来提高双向DC-DC变换器的动态性能，方法简单且易实现。

发明内容

本发明对传统I-U下垂控制方法进行改进，在双向DC-DC变换器后通过虚拟电容控制模拟出惯量特性，还在电压外环处串联超前环节来增加阻尼，提升了负荷变化时输出电压变化的动态性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种双向DC-DC变换器的虚拟电容控制方法，包括I-U下垂控制、虚拟电容控制、电压控制和电流控制；

构建双向DC-DC变换器拓扑结构；

分别采集变换器电源侧电感电流i

通过I-U下垂控制计算得出输入电流i

电压控制包括超前环节和比例-积分控制，将u

电流控制采用比例-积分控制，将i

进一步，所述电流i

i

上式中，u

所述u

上式中，C

所述i

上式中，T

所述电流控制部分表达式如下：

上式中，D

进一步，所述双向DC-DC变换器虚拟电容控制的小信号模型如下：

上式中，Δu

进一步，所述双向DC-DC变换器虚拟电容控制的小信号模型，通过对双向DC-DC变换器的平均值模型进行线性化处理后获得，双向DC-DC变换器的平均值模型表示如下：

对上式(7)和(8)分别线性化后可得到式(5)和(6)。

进一步，所述电压控制中超前环节的时间常数确定，是根据电源侧子系统的稳定判据和阻抗比判据而确定，设双向DC-DC变换器虚拟电容控制的小信号模型的小信号闭环传递函数为G，若G不存在右半平面的极点，则说明电源侧子系统稳定；阻抗比T

进一步，所述小信号闭环传递函数G获得方法如下：

分别对式(5)和式(6)进行拉普拉斯变换，可以得到下式：

忽略能量损失，双向DC-DC变换器电源侧和负荷侧的功率平衡关系如下：

u

线性化式(13)并忽略高次扰动项，可得：

/>

电压控制部分的传递函数为：

电流控制部分的传递函数为：

由此推导出小信号闭环传递函数G为：

所述阻抗比T

电源侧的输出阻抗Z

假设负荷侧通过串联电感以及并联电容方式与双向DC-DC变换器相连接，则负荷侧输入阻抗Z

上式中，R

通过环路增益T

进一步，所述电压控制中超前环节的时间常数具体确定方法如下：

步骤1：选择一个时间常数T

步骤2：预设一个时间常数T

步骤3：解出小信号闭环传递函数G极点的分布情况，画出T

步骤4：若满足G不存在右半平面极点，并且T

步骤5：令T

步骤6：输出临界值T

进一步，所述步骤2中，在变换器启动初始阶段，预设T

本发明利用电容器具有防止直流电压突然变化的能力特点，对双向DC-DC变换器的控制模拟出虚拟电容的效果，并在电压控制中加入超前环节，进一步提升系统的阻尼，本发明能够使双向DC-DC变换器具有较强的惯性和阻尼，能够有效平抑负荷变化而引起的输出电压大幅波动，提高变换器的动态性能，且实施便捷。

附图说明

图1为实施例中双向DC-DC变换器的虚拟电容控制原理图；

图2为图1电路的虚拟电容控制框图；

图3为采用本发明虚拟电容控制方法与传统下垂控制方法分别在负载波动时直流母线电压输出仿真波形对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例公开一种双向DC-DC变换器的虚拟电容控制方法，此处提及的双向DC-DC变换器是指如图1所示的双向Buck/Boost变换器，图1中，u

本发明针对图1所示拓扑结构采用图2所示控制方法进行虚拟电容控制，该控制方法可分为I-U下垂控制、虚拟电容控制、电压控制和电流控制四个部分。其中，I-U下垂控制能够实现电压-电流下垂功能，利于双向DC-DC变换器多机互联时的电流分配；虚拟电容控制能使双向DC-DC变换器具有较大的惯性；更重要的是，本发明在电压控制中除了采用比例-积分控制外，还引入了超前环节，超前环节能够提供较大的阻尼，减小直流侧负载突变对输出电压的影响，提升变换器的动态性能，比例-积分控制能够在无静态误差跟从电压指令值；电流控制采用比例-积分控制，能够无静态误差跟从电流指令值。

具体来说，如图2所示，本发明的虚拟控制方法具体如下：

(1)首先通过传感器分别采集变换器电源侧电感电流i

(2)然后通过I-U下垂控制部分计算得出输入电流i

(3)将电流i

(4)将u

(5)将i

传统I-U下垂控制的电流与电压关系式如下式：

i

上式中，u

本发明模拟在双向DC-DC变换器后的负荷侧再并联一个电容器(如图1中虚线框所示)，利用电容器具有防止直流电压突变能力的特点，提高双向DC-DC变换器的惯性。通过虚拟电容器电压与电流的关系，在虚拟电容控制部分，可以得到下式关系式：

上式中，C

现有双向DC-DC变换器在采用I-U下垂控制的电压环表达式如下：

本发明通过虚拟电容控制模拟出惯量特性，为使双向DC-DC变换器还具有阻尼特性，根据自动控制原理可以得知，超前环节可以增加阻尼，改善系统的动态特性，而传统I-U下垂控制的电压外环会提供负阻尼效果，因此本发明在电压控制部分的电压外环处串联超前环节来改善动态性能，因此本发明电压控制部分的表达式如下：

上式中，T

本发明的电流控制部分表达式如下：

上式中，D

上述给出的基于虚拟电容控制的方法中，所建立的小信号模型如下：

上式中，Δu

上述给出的小信号模型，可通过下式(7)和式(8)所表示的双向DC-DC变换器的平均值模型进行线性化处理后获得：

进一步说明，本发明电压控制部分超前环节的时间常数，即公式(3)中T

具体地，小信号闭环传递函数G获得方法如下：

分别对式(5)和式(6)进行拉普拉斯变换，可以得到下式：

/>

忽略能量损失，双向DC-DC变换器电源侧和负荷侧的功率平衡关系如下：

u

线性化式(13)并忽略高次扰动项，可得：

电压控制部分的传递函数为：

电流控制部分的传递函数为：

由此推导出小信号闭环传递函数G为：

电源侧的输出阻抗与小信号闭环传递系数关系为：Z

假设负荷侧通过串联电感以及并联电容方式与双向DC-DC变换器相连接，则负荷侧输入阻抗Z

上式中，R

对于超前环节的时间常数设计，可按以下方法进行：

步骤1：首先选择一个时间常数T

步骤2：然后预设一个时间常数T

步骤3：解出小信号闭环传递函数G极点的分布情况，画出T

步骤4：若满足G不存在右半平面极点，并且T

步骤5：令T

步骤6：输出临界值T

对于上述步骤2中T

为验证采用本发明的控制方法对于提升动态性能的效果，按照本发明给出的虚拟电容控制及按照传统I-U下垂控制分别进行了输出波形比较，如图3所示，当负载出现波动时，采用传统I-U下垂控制方法其输出的直流母线电压出现明显的波动，导致直流母线电压瞬间变化值很大，而采用本发明虚拟电容控制方法则波动很小，由此可见，本发明所给出的控制方法，可以显著减小直流侧负载突变对输出电压的影响。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。