交直流混合微电网DC-DC变换器的改进VSG控制策略

薛 易， 张 帅， 吴立涵， 陈 元

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 15002)

随着国家双碳目标的提出，以风电和太阳能发电为主构成的高比例新能源发电成了未来电网的发展趋势。新能源发电的高比例电力电子化特征对于电网，尤其是微电网的安全稳定运行和控制带来了巨大的挑战。

微电网根据母线种类不同，可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。在交直流混合微电网中，由于高比例电力电子设备的隔离，使交直流混合微电网成为了一个低惯性的网络。当混合微电网发生较大的功率波动时，将会导致交流频率和直流母线电压剧烈突变,严重影响电能质量，甚至会危害系统的安全稳定运行。虚拟同步发电机技术使微网接口变换器具有传统同步电机的机械转动惯量和电磁调节特性，可有效提高微网接口变换器的惯性，受到了国内外众多学者的青睐。李峰等[1]提出了一种适用于交直流混合微电网ILC的VSG控制策略，使混合微电网在的交流频率和母线电压在离网运行时获得了良好的惯量支撑和阻尼特性。朱晓荣等[2]通过分析交流微电网中的VSG控制策略，提出了一种适用于直流微电网储能的VSG控制技术，有效提高了直流母线电压的抗扰动性。薛易等[3]提出了交直流混合微电网的全虚拟同步电机控制策略，即ILC采用虚拟同步电机控制策略，对于交流子网的AC-DC双向变换器采用传统的虚拟同步电机控制，通过类比交流子网的VSG控制策略，得到了适用于直流子网DC-DC双向变换器的类虚拟同步电机控制策略，有效提高了混合微电网在孤岛运行时交流频率和母线电压的抗扰动能力，但是直流子网DC-DC双向变换器的类VSG控制策略比较简单，且交流子网的AC-DC双向变换器采用传统的虚拟同步电机控制会导致混合微电网的功率传输不均衡，易造成功率传输的抖动。

基于上述研究，笔者提出一种改进的交直流混合电网VSG协调控制策略，在混合微电网接口变换器(ILC)虚拟同步电机(VSG)控制和交流微电网下垂控制的基础上，通过对比分析交流微电网的VSG控制策略，改进适用于混合微网直流层储能DC-DC双向变换器的VSG控制策略，不仅可以使交流频率和母线电压获得良好的惯量支撑，而且能够在功率突变时，使交流子网和直流子网能够均衡地承担起整个混合微电网的负荷，降低功率传输的抖动。文中主要对直流层的双向DC-DC变换器进行研究。

典型的交直流混合微电网结构如图1所示。在交直流混合微电网中，交流子网和直流子网通过ILC连接，并网点设置在交流子网侧，交流母线可通过并网开关的开断选择并网或者离网模式。在离网运行下，交流子网内部采用下垂控制策略。直流子网中变流器采用下垂控制，直流母线电压由微源输出功率决定[4]。储能装置通过DC-DC双向变换器与直流母线连接，实现功率的双向流动。

图1 交直流混合微电网结构Fig. 1 AC-DC hybrid microgrid structure

电压源逆变器的结构如图2所示。逆变器左侧为直流微网母线，右侧为交流微网，直流微网和交流微网通过电压源逆变器相连接，实现能量的传输和交换。

图2 电压源逆变器结构Fig. 2 Structure of voltage source inverter

2.1 VSG功频调节器

在交流微网中，假设极对数为1，则机械角速度和电角速度相等[5]，VSG功频调节器的控制方程为

式中：J——转动惯量；

ωN——额定角频率；

ω0——空载角频率；

ω——实际角频率；

Pm——机械功率；

Pe——电磁功率；

D——阻尼系数；

δ——功角。

为了便于分析，令Pm=Pref，可以得到VSG功频调节器的控制原理如图3所示。

图3 功频调节器Fig. 3 Power frequency regulator

2.2 VSG孤岛模式下功频调节特性

根据VSG功频调节器的控制，可以得到VSG实际角频率ω和输出功率的关系为

(1)

取ω0=ωN，式(1)变为

(2)

将式(2)进行化简，可以得到VSG控制频率变化量和功率变化量之间的关系为

(3)

将式(3)化为尾1标准形式为

可得：

经上述分析可知，VSG的有功与频率控制是在下垂有功与频率控制中增加了一阶惯性环节，其中，m为下垂系数，τ为惯性时间常数。因此，VSG在不考虑惯性和阻尼的情况下和下垂控制等价。由于惯性和阻尼的存在，使微电网在发生功率突变时，频率和电压变化较为缓慢，更有利于电力系统的稳定性。

通过上述分析可知，在交流微电网中，虚拟同步电机技术可以改善AC-DC接口变换器的外特性，使其具有惯性和阻尼特性。同样，可以在直流子网中引入惯性和阻尼特性，使直流子网中的储能接口变换器(双向Buck-Boost)也具有VSG的外特性，抑制直流母线电压的突变和震荡。

3.1 储能接口变换器结构

直流子网中，储能装置通过双向DC-DC变换器挂靠在直流母线上，其结构如图4所示。其中，L为滤波电感，C为稳压电容，Ub为储能装置的电压，Ib为储能装置的输入电流，Udc为直流母线电压，Idc为变流器(母线侧)的输出电流。

图4 储能接口变换器结构Fig. 4 Structure of energy storage interface converter

3.2 储能装置的VSG控制

在直流子网中，分布式电源具有分散性，一般符合下垂特性[6]，其下垂特为

(4)

Udcr——直流母线电压基准值；

Pdc——直流微源输出功率；

r——下垂系数。

在P-U下垂公式中，同样引入惯性系数和阻尼系数，便可得到储能单元的VSG控制为

(5)

式中：Uo——改进VSG控制策略的直流母线电压实际值；

Udcr——直流母线电压基准值；

P——储能单元功率。

根据式(5) 设计储能单元的VSG控制方案如图5所示。该储能单元的VSG控制策略主要由两部分组成：第一部分是VSG核心的控制环节，按照式(5)进行搭建，由直流母线电压的基准值Udcr得到直流母线电压实际Uo,通过式(5)计算得到Uo，将得到的直流直母线实际电压Uo与实测的直流母线电压Udc作差并送入PI控制器，实现直流母线电压的稳定并消除静态误差。在式(5)中，引入了直流层的虚拟惯性系数J和直流层的阻尼系数D，使储能接口变换器具有了惯性和阻尼特性，能够有效阻止直流母线电压的突变和震荡。第二部分为电流内环控制，将Idc变换到电池端的给定电流Ibr，与实测的电流Ib作差送入到PI控制器，实现电流的控制，文中对储能接口变换器采用互补的控制方式。

图5 储能单元VSG控制Fig. 5 VSG control block of energy storage unit

交直流混合电网VSG的协调控制策略分为交流层和直流层，其中，交流层对功率双向变换器采用VSG控制策略，直流层对DC-DC变换器采用了一种改进的VSG控制策略，通过在交直两侧同时采用VSG控制策略[7-10]，为混合微电网的交直流母线提供惯性和阻尼特性，实现整个混合微电网的VSG协调控制。

利用Matlab/Simiulink仿真平台搭建混合微电网模型如图6所示。其中，直流微电网用DC-DC储能接口变换器来模拟。交流微电网用AC-DC双向变换器来模拟，其中，交流微电网采用传统下垂控制，直流微电网采用改进的VSG控制策略，ILC采用VSG控制策略，仿真时间为6 s。

图6 交直流混合微电网具体结构Fig. 6 Specific structure of AC-DC hybrid microgrid

4.1 逆变模式

在交流子网负荷增加4 kW，t=4 s时，交流子网负荷减少4 kW。图7和8分别为采用下垂控制和VSG控制时，交直流混合微电网的交流频率、直流母线电压和传输的有功功率，如图7和8所示。

由图7可见，采用下垂控制时，由于缺乏惯性和阻尼，响应速度较快，约为0.1 s,变化很快，交流频率和直流母线电压发生突变，交流频率的波动最大约为0.5 Hz，直流母线电压的波动最大约为2 V。

图7 下垂控制仿真波形Fig. 7 Simulation waveform of droop control

图8 VSG控制仿真波形Fig. 8 VSG control simulation waveform

由图8可见，采用VSG控制策略时，由于系统具有惯性和阻尼特性，响应速度较慢，约为0.5 s,变化较慢，交流频率和直流母线电压平缓降低，直流电压的波动最大约为1 V。当交流子网负荷增加时，ILC中流过约2 kW的功率，交流子网和直流子网能够均衡承担系统的负荷增量，且传输过程中，发生功率波动。

4.2 整流模式

在t=1 s时，直流子网负荷增加4 kW；
在t=4 s时，直流子网负荷减少4 kW。采用下垂控制和VSG控制时，交直流混合微电网的交流频率、直流母线电压和传输的有功功率如图9和10所示。

图9 下垂控制仿真波形Fig. 9 Simulation waveform of droop control

图10 VSG控制仿真波形Fig. 10 VSG control simulation waveform

由图9可见，采用下垂控制时，由于缺乏惯性和阻尼，响应速度较快，约为0.1 s,变化很快，交流频率和直流母线电压发生突变，交流频率的波动最大约为0.5 Hz，直流母线电压的波动最大约为3 V。由图10可见，采用VSG控制策略时，由于系统具有惯性和阻尼特性，响应速度较慢，约为0.5 s,变化较慢，交流频率和直流母线电压平缓降低，直流电压的波动最大约为2 V。当直流子网负荷增加时，ILC中流过约2 kW的功率，交流子网和直流子网能够均衡的承担系统的负荷增量，且传输过程中，未发生功率波动。

(1)在混合微电网接口变换器(ILC)虚拟同步电机(VSG)控制和交流微电网下垂控制的基础上，通过分析交流微电网的VSG控制策略，改进了适用于混合微网直流层储能DC-DC双向变换器的VSG控制，得到了改进的交直流混合电网VSG协调控制策略。

(2)在VSG控制下，交直流混合微电网的直流母线电压和交流频率都获得了良好的惯性和阻尼特性。当系统负荷增加时，交流子网和直流子网能够均衡承担起负荷增量，且没有功率波动。

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