Characteristic Analysis and Parameter Design of Damping Enhancement for Virtual Inertia Control of DC Distribution System

ZHAO Wenmeng; CHEN Pengwei; XU Zhao; CHEN Xin; CHEN Jie

doi:10.7500/AEPS20240310001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Characteristic Analysis and Parameter Design of Damping Enhancement for Virtual Inertia Control of DC Distribution System

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Characteristic Analysis and Parameter Design of Damping Enhancement for Virtual Inertia Control of DC Distribution System
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 23, Pages: 136-144(2024)
- 作者机构：
  
  1.南京航空航天大学自动化学院，江苏省南京市 211106
  2.香港理工大学电机与电子工程学系，香港 999077
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Nature Science Foundation of China(U2141227);Hong Kong Scholars Program(XJ2022030);Delta Power Electronics Science and Education Development Program(DREG2022002)
- DOI：10.7500/AEPS20240310001
  CLC：
- Received：10 March 2024，
  
  Revised：2024-08-05，
  
  Published Online：27 September 2024，
  
  Published：10 December 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
赵文梦,陈鹏伟,许昭等.直流配电系统虚拟惯性控制阻尼增强特性分析及参数设计[J].电力系统自动化,2024,48(23):136-144.

ZHAO Wenmeng,CHEN Pengwei,XU Zhao,et al.Characteristic Analysis and Parameter Design of Damping Enhancement for Virtual Inertia Control of DC Distribution System[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(23):136-144.
赵文梦,陈鹏伟,许昭等.直流配电系统虚拟惯性控制阻尼增强特性分析及参数设计[J].电力系统自动化,2024,48(23):136-144. DOI： 10.7500/AEPS20240310001.

ZHAO Wenmeng,CHEN Pengwei,XU Zhao,et al.Characteristic Analysis and Parameter Design of Damping Enhancement for Virtual Inertia Control of DC Distribution System[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(23):136-144. DOI： 10.7500/AEPS20240310001.

摘要

为说明直流配电系统附加虚拟惯性控制对系统阻尼的影响机理并实现合理配置，首先从模拟电容的物理概念出发，基于直流网络二端口等效，解释了负载侧并联电容对系统惯性-阻尼的同步增强作用及与源侧并联电容的差异性。其次，针对面向负载供电的定功率和定交流电压控制电压源变换器（VSC），在推导附加虚拟惯性控制补偿环节的基础上，通过直流侧阻抗的建模和分解，确定了可强化系统阻尼的虚拟电容与电阻分量。然后，考虑接入稳定性、控制器响应速度和高频谐波导致的控制误差，提出了基于附加导纳分频段近似和参数可行域估计的负载VSC虚拟惯性控制参数设计方法。最后，通过双端/三端直流配电系统的仿真分析和RT-Lab硬件在环实验，验证了负载VSC附加虚拟惯性控制的阻尼增强特性及参数设计方法的有效性。

Abstract

In order to illustrate the influence mechanism of additional virtual inertia control on the damping of DC distribution system and realize reasonable configuration

firstly

utilizing the physical concept of analog capacitance

based on the two-port equivalent of DC network

this paper explains the synchronous enhancement effect of load-side parallel capacitors on the system inertia and damping. Besides

the difference between load-side and source-side parallel capacitors is analyzed. Secondly

for the voltage source converter (VSC) with constant power control and constant AC voltage control for the load-oriented power supply

the corresponding compensators to realize the additional virtual inertia is derived

and the virtual capacitance and resistance components that can enhance the system damping are given by modeling and splitting the DC-side impedance. Furthermore

considering the interactive stability

response speed of controller and control error caused by high-frequency harmonics

a virtual inertia control parameter design method based on virtual additional admittance approximation in different frequency bands and parameter feasible region estimation is proposed for load VSC. Finally

it can be verified that the damping enhancement characteristics of the virtual inertial control of the load VSC and the effectiveness of the proposed virtual inertia control parameter design method by the simulation analysis on two- and three- terminal DC distribution systems and the RT-Lab hardware-in-the-loop experiment.

关键词

Keywords

references

彭克，陈佳佳，徐丙垠，等 . 柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 23 ）： 90 - 98 .

PENG Ke ， CHEN Jiajia ， XU Bingyin ， et al . Key issues of stability and control in flexible DC distribution system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 23 ）： 90 - 98 .

CHEN P W ， JIANG W W ， RUAN X B ， et al . Active damping control and parameter design method for ISOP-based load converter in DC distribution system ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2023 ， 11 （ 1 ）： 465 - 477 .

SWAMINATHAN G V ， PERIASAMY S ， LU D D C . Capacitor current control based virtual inertia control of autonomous DC microgrid ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 7 ）： 6908 - 6918 .

LI Y ， HE L ， LIU F ， et al . Flexible voltage control strategy considering distributed energy storages for DC distribution network ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 163 - 172 .

TU H ， YU H ， LUKIC S . Impact of virtual inertia on DC grid stability with constant power loads ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 5693 - 5699 .

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 .

HOSSEINIPOUR A ， HOJABRI H . Virtual inertia control of PV systems for dynamic performance and damping enhancement of DC microgrids with constant power loads ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2018 ， 12 （ 4 ）： 430 - 438 .

朱晓荣，蔡杰，王毅，等 . 风储直流微网虚拟惯性控制技术［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 49 - 58 .

ZHU Xiaorong ， CAI Jie ， WANG Yi ， et al . Virtual inertia control of wind-battery-based DC micro-grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 49 - 58 .

孟建辉，邹培根，王毅，等 . 基于灵活虚拟惯性控制的直流微网小信号建模及参数分析［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 12 ）： 2615 - 2626 .

MENG Jianhui ， ZOU Peigen ， WANG Yi ， et al . Small-signal modeling and parameter analysis of the DC microgrid based on flexible virtual inertia control ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 12 ）： 2615 - 2626 .

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 .

王毅，黑阳，付媛，等 . 基于变下垂系数的直流配电网自适应虚拟惯性控制［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 8 ）： 116 - 124 .

WANG Yi ， HEI Yang ， FU Yuan ， et al . Adaptive virtual inertia control of DC distribution network based on variable droop coefficient ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 8 ）： 116 - 124 .

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 .

赵文梦，陈鹏伟，姜文伟，等 . 基于导纳矩阵与圆盘估计的多节点直流配电系统谐振稳定性分析方法［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 16 ）： 6242 - 6254 .

ZHAO Wenmeng ， CHEN Pengwei ， JIANG Wenwei ， et al . A method for resonance stability analysis of multi-bus DC distribution system based on admittance matrix and disc estimation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 16 ）： 6242 - 6254 .

林刚，李勇，王姿雅，等 . 低压直流配电系统谐振机理分析与有源抑制方法［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 10 ）： 3358 - 3364 .

LIN Gang ， LI Yong ， WANG Ziya ， et al . Resonance mechanism analysis and its active damping suppression of LVDC distribution system ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 10 ）： 3358 - 3364 .

朱晓荣，孟凡奇 . 含虚拟惯性控制的直流微电网稳定性分析［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 1 ）： 208 - 216 .

ZHU Xiaorong ， MENG Fanqi . Stability analysis of DC microgrid with virtual inertia control ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 1 ）： 208 - 216 .

ZHANG X ， RUAN X B ， KIM H ， et al . Adaptive active capacitor converter for improving stability of cascaded DC power supply system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 4 ）： 1807 - 1816 .

朱晓荣，谢志云，荆树志 . 直流微电网虚拟惯性控制及其稳定性分析［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 12 ）： 3884 - 3891 .

ZHU Xiaorong ， XIE Zhiyun ， JING Shuzhi . Virtual inertia control and stability analysis of DC micro-grid ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 12 ）： 3884 - 3891 .

曹建博，王林，黄辉，等 . 直流微电网多端口变换器虚拟惯性控制策略［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 7 ）： 2604 - 2615 .

CAO Jianbo ， WANG Lin ， HUANG Hui ， et al . Virtual inertia control strategy of multi-port converter used in DC micro-grid ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 7 ）： 2604 - 2615 .

万勋，李云丰，彭敏放 . 直流输电系统虚拟并联电阻阻尼控制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 12 ）： 3471 - 3480 .

WAN Xun ， LI Yunfeng ， PENG Minfang . Virtual parallel resistor damping control of VSC based HVDC system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 12 ）： 3471 - 3480 .

CHEN P W ， ZHAO W M ， CHEN X ， et al . An impedance-based parameter design method for active damping of load converter station in MTDC distribution system ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2022 ， 10 （ 5 ）： 1423 - 1436 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

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

Parameter Optimization Method for Hydropower Clusters Balancing Ultra-low-frequency Oscillation Suppression and Primary Frequency Regulation

负载变流器直流侧阻抗降阶模型适用性分析

Quantitative Analysis of Transient Synchronization Stability of Virtual Synchronous Generator Considering Damping Effect

Related Author

SUN Lizheng

WANG Feng

XU Ziyi

ZHUO Fang

CHEN Pengwei

XU Zhao

SUN Jian

LIAO Kai

Related Institution

School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University

School of Future Technology, Xi’an Jiaotong University

Department of Electrical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University

School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University

⁰