Control Parameter Design of Virtual DC Machine for DC/DC Converter Based on Equivalent Reduced-order Model

SUN Lizheng; WANG Feng; XU Ziyi; ZHUO Fang

doi:10.7500/AEPS20231013001

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Control Parameter Design of Virtual DC Machine for DC/DC Converter Based on Equivalent Reduced-order Model

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Control Parameter Design of Virtual DC Machine for DC/DC Converter Based on Equivalent Reduced-order Model
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 24, Pages: 124-135(2024)
- 作者机构：
  
  1.西安交通大学未来技术学院，陕西省西安市 710049
  2.西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52077173)
- DOI：10.7500/AEPS20231013001
  CLC：
- Received：13 October 2023，
  
  Revised：2024-04-07，
  
  Published Online：18 June 2024，
  
  Published：25 December 2024
- 稿件说明：
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孙立政,王丰,许子怡等.基于等效降阶模型的直流变换器虚拟直流电机控制参数设计[J].电力系统自动化,2024,48(24):124-135.

SUN Lizheng,WANG Feng,XU Ziyi,et al.Control Parameter Design of Virtual DC Machine for DC/DC Converter Based on Equivalent Reduced-order Model[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(24):124-135.
孙立政,王丰,许子怡等.基于等效降阶模型的直流变换器虚拟直流电机控制参数设计[J].电力系统自动化,2024,48(24):124-135. DOI： 10.7500/AEPS20231013001.

SUN Lizheng,WANG Feng,XU Ziyi,et al.Control Parameter Design of Virtual DC Machine for DC/DC Converter Based on Equivalent Reduced-order Model[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(24):124-135. DOI： 10.7500/AEPS20231013001.

摘要

虚拟直流电机(VDCM)控制被广泛应用于直流变换器中以增强直流系统惯性、抑制直流母线电压突变，但其也存在着模型复杂、参数整定困难等问题。针对这些问题，以直流配电系统中连接储能装置的双向直流变换器为研究对象，提出一种基于等效降阶模型的VDCM控制参数系统性设计方法。首先，依据直流电机的机械与电磁方程，建立VDCM控制的全阶小信号模型，定性分析了惯性系数、阻尼系数等控制参数变化对VDCM动态特性的影响。然后，通过对VDCM控制流程的合理简化，得到等效降阶的小信号模型，在此基础上推导VDCM控制参数对直流电压动态性能指标的解析表达式，构建控制参数的可行域，指导参数设计。最后，通过RT-LAB硬件在环实验平台验证了所提出的参数可行域构建及参数设计方法的可行性。

Abstract

The virtual DC machine (VDCM) control is widely used in DC/DC converters to enhance the inertia of the DC system and suppress the sudden change of DC bus voltage. However

it also has some problems such as complicated models and difficult parameter setting. Aiming at these problems

this paper proposes a systematic design method of VDCM control parameters based on the equivalent reduced-order model for the bidirectional DC/DC converter connected to the energy storage device in the DC distribution system. First

according to the mechanical and electromagnetic equations of the DC machine

a full-order small-signal model of VDCM control is established

and the influence of the variation of control parameters such as inertia coefficient and damping coefficient on the dynamic characteristics of VDCM is qualitatively analyzed. Through the rational simplification of the VDCM control process

the equivalent reduced-order small-signal model is obtained. On this basis

the analytical expression of VDCM control parameters on the dynamic performance indicators of the DC voltage is derived

and the feasible region of control parameters is constructed to guide the parameter design. Finally

the feasibility of the proposed parameter feasible region construction and parameter design methods is verified on the RT-LAB hardware-in-the-loop experimental platform.

关键词

Keywords

references

王强钢，周亦尧，廖建权，等 . 直流配电网电能质量研究综述［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 7 ）： 193 - 207 .

WANG Qianggang ， ZHOU Yiyao ， LIAO Jianquan ， et al . Review on power quality in DC distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 7 ）： 193 - 207 .

贺之渊，杨杰，吴亚楠，等 . 能源转型下的未来交流和直流联合运行模式及发展趋势探讨［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 1 ）： 99 - 114 .

HE Zhiyuan ， YANG Jie ， WU Yanan ， et al . Investigation on the future AC and DC combined operation form and development trend under energy transition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 99 - 114 .

唐欣，蔡明君，唐惟楚，等 . 辐射型直流配电网母线电压跌落峰值的定量计算方法［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 12 ）： 3108 - 3116 .

TANG Xin ， CAI Mingjun ， TANG Weichu ， et al . Quantitative calculation method of bus voltage sag peak value in radial DC distribution network ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 12 ）： 3108 - 3116 .

张可心，朱琳，赵学深，等 . 多换流器直流系统的虚拟惯性评估与控制参数协调设计［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 10 ）： 87 - 95 .

ZHANG Kexin ， ZHU Lin ， ZHAO Xueshen ， et al . Virtual inertia evaluation and coordinated design of control parameters for multi-converter DC system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 10 ）： 87 - 95 .

赵书强，王慧，田娜，等 . 基于模型预测控制的直流微电网虚拟惯性优化方法［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 12 ）： 3264 - 3276 .

ZHAO Shuqiang ， WANG Hui ， TIAN Na ， et al . Model predictive control based DC microgrid virtual inertia optimal method ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 12 ）： 3264 - 3276 .

刘英培，周素文，梁海平，等 . 光储直流配电网灵活虚拟惯性控制策略［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 5 ）： 107 - 113 .

LIU Yingpei ， ZHOU Suwen ， LIANG Haiping ， et al . Flexible virtual inertial control strategy of photovoltaic-energy storage DC distribution network ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 107 - 113 .

WANG Y ， WANG C ， XU L ， et al . Adjustable inertial response from the converter with adaptive droop control in DC grids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 3 ）： 3198 - 3209 .

王慧，赵书强，孟建辉，等 . 基于下垂曲线截距调整的直流微电网自适应虚拟惯性控制［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 24 ）： 97 - 105 .

WANG Hui ， ZHAO Shuqiang ， MENG Jianhui ， et al . Adaptive virtual inertia control for DC microgrid based on droop curve intercept adjustment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 24 ）： 97 - 105 .

WU W H ， CHEN Y D ， LUO A ， et al . A virtual inertia control strategy for DC microgrids analogized with virtual synchronous machines ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2017 ， 64 （ 7 ）： 6005 - 6016 .

ZHU X R ， MENG F Q ， XIE Z Y ， et al . An inertia and damping control method of DC-DC converter in DC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 799 - 807 .

SAMANTA S ， MISHRA J P ， ROY B K . Virtual DC machine： an inertia emulation and control technique for a bidirectional DC-DC converter in a DC microgrid ［J］. IET Electric Power Applications ， 2018 ， 12 （ 6 ）： 874 - 884 .

孙东阳，李爽，王俊武，等 . 基于虚拟直流电机控制的船舶高频高峰值脉冲负载冲击平抑控制策略研究［J/OL］. 电工技术学报［ 2024-04-03 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231246 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231246 .

SUN Dongyang ， LI Shuang ， WANG Junwu ， et al . Study on VDG-based ship high-frequency and high-peak power pulsed loads impact damping control strategy ［J/OL］. Transactions of China Electrotechnical Society ［ 2024-04-03 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231246 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231246 .

张辉，谭树成，肖曦，等 . 具有直流电机特性的储能接口变换器控制策略［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 1 ）： 119 - 125 .

ZHANG Hui ， TAN Shucheng ， XIAO Xi ， et al . Control strategy of energy storage converter with DC machine characteristics ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 1 ）： 119 - 125 .

崔健，吕志鹏，盛万兴，等 . 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 .

CUI Jian ， LÜ Zhipeng ， SHENG Wanxing ， et al . A new control technology based on virtual DC motor ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 10 ）： 3029 - 3038 .

程启明，杨小龙，褚思远，等 . 基于虚拟直流发电机的光伏系统控制策略［J］. 高电压技术， 2017 ， 43 （ 7 ）： 2097 - 2104 .

CHENG Qiming ， YANG Xiaolong ， CHU Siyuan ， et al . Research on control strategy of PV system based on virtual DC generator ［J］. High Voltage Engineering ， 2017 ， 43 （ 7 ）： 2097 - 2104 .

盛万兴，刘海涛，曾正，等 . 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 .

SHENG Wanxing ， LIU Haitao ， ZENG Zheng ， et al . An energy hub based on virtual-machine control ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 14 ）： 3541 - 3550 .

王勉，唐芬，赵宇明，等 . 虚拟直流电机并联协调控制方法［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 10 ）： 3875 - 3885 .

WANG Mian ， TANG Fen ， ZHAO Yuming ， et al . Parallel coordinated control method of virtual DC machines ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 10 ）： 3875 - 3885 .

谢路耀，温会明，张有兵，等 . 多虚拟直流电机并联系统的功率协调控制策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 23 ）： 134 - 143 .

XIE Luyao ， WEN Huiming ， ZHANG Youbing ， et al . Coordinated power control strategy for parallel system with multiple virtual DC machines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 23 ）： 134 - 143 .

ZHI N ， MING X ， DING Y G ， et al . Power-loop-free virtual DC machine control with differential compensation ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2022 ， 58 （ 1 ）： 413 - 422 .

张祥宇，李浩，付媛 . 含新型虚拟电机的直流微网动态稳定性分析与自适应电压惯性控制［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 8 ）： 2865 - 2874 .

ZHANG Xiangyu ， LI Hao ， FU Yuan . Dynamic stability analysis and self-adaptive voltage inertia control of DC microgrids with novel virtual machine ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 8 ）： 2865 - 2874 .

王勉，唐芬，赵宇明，等 . 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 ， 44 （ 14 ）： 148 - 155 .

WANG Mian ， TANG Fen ， ZHAO Yuming ， et al . Parameter adaptive control strategy of virtual DC machine ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 148 - 155 .

LIN G ， MA J J ， LI Y ， et al . A virtual inertia and damping control to suppress voltage oscillation in islanded DC microgrid ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 1711 - 1721 .

田红亮 . 一元三次方程根的解法［J］. 湖北工程学院学报， 2019 ， 39 （ 6 ）： 97 - 105 .

TIAN Hongliang . Extracting roots of one variable cubic equation ［J］. Journal of Hubei Engineering University ， 2019 ， 39 （ 6 ）： 97 - 105 .

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