[发明专利]平抑充电站直流微网电压波动的虚拟直流电机控制方法

权利要求书

1.一种平抑充电站直流微网电压波动的虚拟直流电机控制方法，其特征在于，包括：

通过分析直流系统的惯量来源，基于直流电容及直流电机转子惯性特征，得到虚拟直流电机控制的基本原理；

建立该控制下直流变换器的小信号模型，推导出直流电压与输出电流之间的小信号传递函数，分析充电站受到扰动时母线电压的动态特性；

对小信号模型进行简化得到该系统的二阶模型，并利用二阶简化模型的零极点分布分析控制参数对动态响应过程的影响，用于指导该系统控制参数的选取；

直流系统的惯量来源具体为：

直流系统中的直流电机提供必要的惯量，缓解直流电压的波动；直流电机模型等效电路方程及转矩方程如式(1)和式(2)；其中，v_f、i_f、R_f分别为直流电机励磁电压、励磁电流和励磁绕组电阻，v_vir、R_a、v_out和i_out分别为电枢绕组内电势、电枢绕组电阻、输出电压和输出电流；T_vm、T_e分别为机械转矩和电磁转矩，D_damp、J分别为阻尼系数和惯量系数，ω为转速，ω_on为转速额定值；C_T、分别为转矩系数和磁通；

当转速稳定时，由式(1)可知，电枢绕组内电势v_vir和输出电压v_out保持稳定；由(2)可知，当直流电机处于稳态运行状态时，电机转速稳定在额定值，电机的阻尼转矩T_d和惯量转矩T_iner均为零，机械转矩和电磁转矩相互平衡；将式(1)带入式(2)可得式(3)，其中P_vm、P_e分别为T_vm、T_e对应的机械功率和电磁功率，v_on为直流电机输出电压额定值；在电机受到扰动时，转子提供转矩T_iner，抑制转子转速的波动和v_out振荡；

电容端口电压与其存储的电能有如式(4)所示的关系；其中，W_c为电容存储的电能，C为电容值，u_dc为端口电压；当dc-MG的电压受到扰动时，电容可通过吸收或者释放能量提供能量支持，抑制直流电压的变化；

对公式(4)求导可得到如式(5)所示的直流电容端口动态特性关系式，其中P_mc为电容输入功率，P_ec为电容输出功率，v_outc为电容端口电压；通过与式(3)比较可知，电机转子的机械能与电容器储存的电能都与电压的微分项有关，因此，系统中的直流电容可类比为电机的储能载体——转子，它具有直流电机的惯量特性，为直流电压提供惯量；

因此，在直流系统中，惯量主要有两个来源：直流电容及直流电机转子；

虚拟直流电机控制的基本原理具体为：

结合式(3)和式(5)可知，当充电站dc-MG受到干扰时，直流电机转子和直流电容都提供能量支持，补偿功率波动中的低频分量和高频分量，避免直流电压的快速波动和电能质量的恶化；电机的转动惯量和电容器的惯性提高dc-MG的惯性；因此，以增强系统惯量和阻尼为目标的虚拟惯量控制被认为是抑制直流电压波动的有效方法；在该控制策略的作用下，LRC被视为一个能量缓冲器，不仅抑制因电动汽车负荷投切引起的电压波动，同时隔离因功率扰动引起的电压振荡在变换器输入、输出端口间的传播；

结合电容和直流电机的特点，根据式(2)和(3)，提出了虚拟直流电机控制，其控制方程如式(6)所示，T_vm为虚拟机械转矩，T_vd为虚拟阻尼转矩，T_iner为虚拟惯量转矩，J为虚拟惯量参数，D_damp为虚拟阻尼参数，V_dcn为LRC输出电压额定值；将Boost电路类比为直流电机电路模型；系统中的直流电容类比为电机的虚拟转子，模拟惯量转矩T_iner，增加系统的惯量；在控制环路中引入虚拟阻尼转矩T_vd，模拟式(2)中的阻尼绕组，提高系统的阻尼特性；

概念模型及控制框图包括：直流电机部分、电压外环控制和电流内环控制；v_ref为电压参考值，电压外环和电流内环通过比例积分控制器分别实现对电压、电流信号的跟踪，G_v(s)＝k_vp+s/k_ip为电压外环比例积分控制器，G_i(s)＝k_ip+s/k_ii为电流内环比例积分控制器；k为转换系数，K_pwm为PWM调制增益；值得注意的是，此时系统中的惯量不仅受系统电容的影响，同时也受参数J的控制；公式(7)为电磁转矩T_e的计算公式；

虚拟直流电机控制的机械部分，实现虚拟转子的转矩、转速平衡；而在电气部分，根据式(1)将转速平衡转变为电压平衡，增强直流电压惯性；此外，D_damp模拟阻尼绕组，在系统存在电压偏差时提供必要的阻尼，阻尼电压振荡；根据式(6)，在稳态过程中电压恒定，虚拟惯性转矩T_iner为0；因此电压稳定性取决于T_vd；当直流电压不等于v_on时，提供与电压偏差相关的阻尼转矩T_vd以补偿由功率干扰引起的电压波动，直到v_out和v_on相同，这表明T_vd可以消除电压偏差；此外，D_damp越大，由相同功率扰动引起的电压偏差越小；另一方面，T_iner是虚拟惯性转矩，它与电压振荡频率有关；当暂态过程存在振荡时产生T_iner抑制振荡；较大的J和振荡频率都会产生更多的惯性转矩；J越大系统响应越慢，控制器有更多时间调节电压偏差；

因此，虚拟阻尼转矩T_vd主要补偿由恒阻抗负载引起的与电压相关的转矩，即功率波动中的低频分量；虚拟惯性转矩T_iner补偿与振荡频率相关的功率，即功率变化中的高频分量；以此平抑直流电压波动。