CN103259284A - 基于锁相环的电压矢量稳定器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁相环的电压矢量稳定器及其控制方法；通过控制电压矢量稳定器的内电势矢量跟随并网点电压矢量的变化速度，来控制电压矢量稳定器与并网点之间的功率交换，旨在降低弱电网下新能源发电厂或敏感负荷的并网点的电压矢量的变化率，帮助并网点电压矢量稳定，进而帮助电力系统的稳定运行。当电压发生相位或者频率扰动时，本发明提供有功功率的支撑降低电压相位或频率的变化速度；当电压发生幅值扰动时，本发明提供无功功率的支撑降低电压幅值变化速度。本发明可提高新能源发电并网运行的稳定性，提高敏感负荷的供电质量。

Description

基于锁相环的电压矢量稳定器及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源并网稳定控制领域，更具体地，涉及一种基于锁相环的电压矢量稳定器及其控制方法。

背景技术

当电网强度较弱时，电网电压矢量(包括幅值和相位)容易受到扰动而快速变化。近些年来，新能源发电厂(主要包括风力发电厂和光伏发电厂)的快速发展，其装机容量节节攀升，改变了传统电力系统中电源只由单一同步发电机构成的格局，新能源发电的稳定性直接关系到电网的安全与稳定。由于中国资源特点以及与负荷呈现逆向分布，中国的新能源发电厂主要采取大规模集中开发，远距离输送的发展模式，这导致发电侧电网强度进一步减弱。现阶段，新能源发电通过电压源型电力电子变流器接入电网。在现有控制方式下，新能源发电并网设备对并网点电压的幅值和相位快速变化十分敏感，并网点电压矢量的快速变化会引起新能源发电厂运行的不稳定，进而会影响到电网的安全与稳定。

在新能源并网稳定控制领域，没有适合的方法针对并网点电压矢量快速变化进行控制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于抑制电网特别是弱电网的电压矢量变化率，旨在解决新能源发电厂并网点(或者敏感负荷)的电压矢量的相位和幅值容易波动，导致其输出(入)功率不稳定，进而造成电力系统不稳定的问题。

本发明提供了一种基于锁相环的电压矢量稳定器，包括变流单元，所述变流单元的交流侧通过滤波器与电网相连，所述变流单元的直流侧连接电容和能量供给单元；所述电压矢量稳定器还包括：直流采样单元，其输入端连接至所述电容，用于采集直流电压信号V_dc；交流采样单元，其第一输入端和第二输入端连接至所述并网点电网处，所述交流采样单元的第三输入端连接至所述变流单元交流侧，用于采集并输出并网点的交流电压信号v_gabc和交流电流信号i_gabc以及内电势的电压信号v_cabc；控制器，其第一输入端连接至所述直流采样单元的输出端，所述控制器的第二输入端连接至所述交流采样单元的输出端，所述控制器的输出端连接至所述变流单元的开关控制端，用于根据所述直流电压信号V_dc、交流电压信号v_gabc、交流电流信号i_gabc和内电势的电压信号v_cabc输出控制信号S_abc，控制变流单元输出的内电势矢量。

更进一步地，所述控制器包括：锁相环单元，用于根据所述交流电压信号v_gabc输出内电势矢量的相位参考值θ；幅值产生单元，用于根据所述交流电压信号v_gabc输出内电势矢量的幅值参考值V_c；内电势矢量控制单元，用于根据所述相位、幅值、内电势的电压信号v_cabc、直流电压信号V_dc和交流电流信号i_gabc获得所述控制信号S_abc。

更进一步地，所述的锁相环单元包括：依次连接的第一PI控制器和第一积分器；第一PI控制器用于将所述交流电压信号v_gabc经PARK变换得到的q轴分量v_gq进行PI控制得到并网点电压矢量的旋转角速度ω；第一积分器用于将并网点电压矢量的旋转角速度ω进行积分处理，得到并网点电压矢量的相位信号θ。

更进一步地，所述的幅值产生单元包括：依次连接的第一减法器、第二PI控制器和第二积分器；第一减法器用于将v_gd与内电势矢量的幅值信号V_c作差，得到内电势矢量幅值与并网点电压d轴分量的误差信号Δv_d；第二PI控制器用于将误差信号Δv_d进行PI控制，得到内电势矢量幅值误差信号ΔV_c；第二积分器用于将内电势矢量幅值误差信号ΔV_c进行积分处理，得到并网点电压矢量的幅值信号V_c。

更进一步地，所述锁相环单元包括：依次连接的第一PIR控制器和第三积分器；第一PIR控制器用于将所述交流电压信号v_gabc经PARK变换得到的q轴分量v_gq进行PIR控制得到并网点电压矢量的角旋转角速度ω；第三积分器用于将并网点电压矢量的角旋转角速度ω进行积分处理，得到并网点电压矢量的相位信号θ。

更进一步地，所述幅值产生单元包括：依次连接的第二减法器、第二PIR控制器和第四积分器；第二减法器用于将v_gd与内电势矢量的幅值信号V_c作差，得到内电势矢量幅值与并网点电压d轴分量的误差信号Δv_d；第二PIR控制器用于将误差信号Δv_d进行PIR控制，得到内电势矢量幅值误差信号ΔV_c；第四积分器用于将内电势矢量幅值误差信号ΔV_c进行积分处理，得到并网点电压矢量的幅值信号V_c。

本发明还提供了一种电压矢量稳定控制方法，包括下述步骤：

S1：采集并网点的交流电压信号v_gabc(电压矢量)和交流电流信号i_gabc以及变流单元交流侧的内电势电压信号v_cabc，直流母线电压信号V_dc；

S2：锁相环单元根据并网点电压信号获得并网点电压矢量的相位；幅值产生单元根据并网点电压信号获得并网点电压矢量的幅值；

S3：将检测得到的并网点电压矢量的幅值作为内电势矢量的幅值参考值V_c；将检测得到的并网点电压矢量的相位作为内电势矢量的相位参考值θ：

S4：根据内电势矢量的幅值参考值V_c、相位参考值θ、交流电流信号i_gabc、内电势电压信号v_cabc和直流母线电压信号V_dc，控制电压矢量稳定器的内电势矢量。

通过设置锁相环单元和幅值产生单元的控制带宽，可以调节内电势相位参考值和幅值参考值的产生速度，进而控制内电势矢量的变化速度；锁相环单元和幅值产生单元的控制带宽越高，内电势相位参考值和幅值参考值的产生速度越快，进而内电势矢量的变化速度越快，对并网点电压矢量的稳定作用越小；反之，控制带宽越高，内电势矢量的变化速度越慢，对并网点电压矢量的稳定作用越大。

更进一步地，稳态时，电压矢量稳定器输出的有功和无功功率为零；

当并网点电压矢量的旋转角速度增大或减小时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量旋转角速度保持不变，使得所述并网点电压矢量的旋转角速度增大或减小的变化率减小，即旋转角速度的加速度减小；

当并网点电压矢量的幅值增大或减小时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量的幅值保持不变，使得所述并网点电压矢量幅值增大或减小的速度减小。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于降低了并网点电压矢量的变化率，能够取得稳定并网点电压矢量，提高新能源发电厂并网运行的稳定性。

附图说明

图1为电压矢量稳定器在电力系统中的安装位置单线示意图；

图2为电压矢量稳定器的物理组成示意图；

图3为电压矢量稳定器的控制器的实施框图；

图4为一种内电势锁相环单元和幅值产生单元的实施框图；

图5为内电势锁相环单元和幅值产生单元的另一种实施框图；

图6为受到相位扰动时，电压矢量稳定器的控制效果示意图；

图7为受到幅值扰动时，电压矢量稳定器的控制效果示意图；

图6(a)和图7(a)为受到扰动前，稳定器的控制效果示意图；

图6(b)和图7(b)为受到扰动时，稳定器的控制效果示意图；

图6(c)和图7(c)为受到扰动后，稳定器的控制效果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的电压矢量稳定器降低了并网点电压矢量的变化率，能够起到稳定并网点电压矢量，增强并网点电压矢量的稳定性，提高新能源发电厂并网运行的稳定性。

图1为电压矢量稳定器在电力系统中的安装位置单线示意图。如图所示，本发明中所述电压矢量稳定器100与新能源发电厂500(或者敏感负荷)共同安装在并网点变电站200内，变电站200通过输电线300与大电网400相连。

图2为电压矢量稳定器的物理组成示意图。电压矢量稳定器主要构成包括：控制器110、滤波器120、能量供给单元130、电容C、变流单元150、交流采样单元170和直流采样单元160；变流单元150的交流侧通过滤波器120与电网相连，变流单元150的直流侧连接电容C和能量供给单元130；交流采样单元170用于采集并网点交流电压信号v_gabc和电压矢量稳定器输出交流电压(即内电势)信号v_cabc和交流电流信号i_gabc；直流采样单元160用于采集直流电压信号v_dc。能量供给单元130为功率型储能元件用于保持电压矢量稳定器的功率平衡。变流单元150交流侧通过滤波器120与电网相连，直流侧连接电容C和能量供给单元130；控制器需要输入并网点交流电压信号v_gabc、内电势信号v_cabc、交流电流信号i_gabc和直流电压信号V_dc，输出的控制信号S_abc，与变流单元150的控制端相连。变流单元(150)包括所有DC-AC变流拓扑方式，包括单相、三相系统；能量供给单元(130)为稳定器提供能量，其形式包括新能源发电方式(风电发电机侧变换器、光伏发电等)以及各种形式的储能。

图3为一种多时间尺度电压矢量稳定器的控制器的实施框图。其包括锁相环单元11、幅值产生单元12和内电势矢量控制单元13；锁相环单元(11)，用于获取所述交流电压信号v_gabc的频率和相位信号，并根据该相位信号产生内电势矢量的相位参考值θ；幅值产生单元12用于根据交流电压信号v_gabc输出内电势矢量的幅值参考值V_c；内电势矢量控制单元13用于根据相位参考值θ和幅值参考值V_c、内电势的电压信号v_cabc、直流电压信号V_dc和交流电流信号i_gabc获得控制信号S_abc。

控制器110的工作原理如下：将采集得到的并网点电压信号v_gabc经过锁相环单元11与幅值产生单元12，得到内电势矢量的相位参考值θ和幅值参考值V_c，再将得到的内电势矢量的参考值与采集得到的电压信号v_cabc、电流信号i_gabc以及直流母线电压信号V_dc一起送入内电势矢量控制单元13，利用内电势矢量控制单元13获得开关信号S_abc来控制电力电子变流单元150。

在本发明实施例中，内电势控制单元现存多种设计模式，例如不间断电源控制模式(UPS)，都属于电气工程领域通识的方法，本发明中指限定了内电势矢量控制单元的效果，而不限定内电势控制单元的设计方法。传统的并网逆变器控制中，相位参考值θ和幅值参考值V_c随着并网点电压矢量瞬时变化，对系统不表现出任何惯性，对并网点电压矢量变化率不起作用；而本电压矢量稳定器中，相位参考值θ和幅值参考值V_c的变化滞后于并网点电压矢量的相位和幅值变化，可以为系统提供惯性，有利于降低并网点电压矢量的变化率。

图4为内电势锁相环单元和幅值产生单元的一种实施框图。锁相环单元11包括一个PI控制器111和一个积分器112；幅值产生单元12包括一个减法器121、一个PI控制器122和一个积分器123。将采集得到的并网点电压信号v_gabc经过PARK变换得到v_gd和v_gq，将v_gq经过PI控制器1得到内电势矢量的旋转角速度ω，该旋转角速度ω经过积分器1可以得到内电势矢量的相位参考信号θ；再用v_gd与内电势矢量的幅值参考信号V_c作差，得到内电势矢量幅值与并网点电压d轴分量的误差信号Δv_d；再把该误差信号Δv_d经过PI控制器2，得到内电势矢量的幅值参考误差信号ΔV_c，再将内电势矢量幅值误差信号ΔV_c经过积分器2，得到并网点电压矢量的幅值信号V_c。增大两个PI控制器的控制带宽，控制器获得并网点电压矢量相位和幅值信号的速度越快，内电势矢量变化的越快，则电压矢量稳定器对电网输出的惯性减小；反之，减小两个PI控制器的控制带宽，则电压矢量稳定器对电网输出的惯性增大。

图5为内电势锁相环单元和幅值产生单元的另一种实施框图。锁相环单元11包括一个PIR控制器113和一个积分器114；幅值产生单元12包括一个减法器124、一个PIR控制器125和一个积分器126。将采集得到的并网点电压信号v_gabc经过PARK变换得到v_gd和v_gq，将v_gq经过PIR控制器1得到内电势矢量的旋转角速度ω，该旋转角速度ω经过积分器3可以得到内电势矢量的相位参考信号θ；再用v_gd与内电势矢量的幅值参考信号V_c作差，得到内电势矢量幅值与并网点电压d轴分量的误差信号Δv_d；再把该误差信号Δv_d经过PIR控制器2，得到内电势矢量的幅值参考误差信号ΔV_c，再将内电势矢量幅值误差信号ΔV_c经过积分器4，得到并网点电压矢量的幅值信号V_c。增大两个PIR控制器的控制带宽，控制器获得并网点电压矢量相位和幅值信号的速度越快，内电势矢量变化的越快，则电压矢量稳定器对电网输出的惯性减小；反之，减小两个PIR控制器的控制带宽，则电压矢量稳定器对电网输出的惯性增大。

图6和图7为电压矢量稳定器的控制效果示意图。稳态运行时，电压矢量稳定器的内电势1与并网点电压矢量2相等，即幅值相等、相位相等；此时电压矢量稳定器不输出任何有功功率和无功功率，如图6(a)和图7(a)所示。如图6所示，当并网点电压矢量2受到扰动相位发生变化，电压矢量稳定器的内电势矢量1在惯性作用下保持原有旋转速度不变，输出(吸收)有功功率，有利于降低并网点电压矢量2的相位变化速度，向电网提供惯性，经过一定时间后内电势矢量1再次与并网点电压矢量2同幅值同相位；如图7所示，当并网点电压矢量2受到扰动相位发生变化，电压矢量稳定器的内电势矢量1在惯性作用下保持原有幅值不变，输出(吸收)有功功率，有利于降低并网点电压矢量2的相位变化速度，输出(吸收)无功功率，向电网提供惯性，有利于降低并网点电压矢量2的幅值变化速度，经过一定时间后内电势矢量1再次与并网点电压矢量2同幅值同相位。

本发明还提供了一种电压矢量稳定控制方法，包括下述步骤：

S1：采集并网点的交流电压信号v_gabc(电压矢量)和交流电流信号i_gabc以及变流单元交流侧的内电势电压信号v_cabc，直流母线电压信号V_dc；

S2：锁相环单元(11)根据并网点电压信号获得并网点电压矢量的相位；幅值产生单元(12)根据并网点电压信号获得并网点电压矢量的幅值；

S3：将检测得到的并网点电压矢量的幅值作为内电势矢量的幅值参考值V_c；将检测得到的并网点电压矢量的相位作为内电势矢量的相位参考值θ；

S4：根据内电势矢量的幅值参考值V_c、相位参考值θ、交流电流信号i_gabc、内电势电压信号v_cabc和直流母线电压信号v_Dc，控制电压矢量稳定器的内电势矢量。

通过设置锁相环单元(11)和幅值产生单元(12)的控制带宽，可以调节内电势相位参考值和幅值参考值的产生速度，进而控制内电势矢量的变化速度；锁相环单元(11)和幅值产生单元(12)的控制带宽越高，内电势相位参考值和幅值参考值的产生速度越快，进而内电势矢量的变化速度越快，对并网点电压矢量的稳定作用越小；反之，控制带宽越高，内电势矢量的变化速度越慢，对并网点电压矢量的稳定作用越大。

在本发明实施例中，稳态时，电压矢量稳定器输出的有功和无功功率为零；当并网点电压矢量的旋转角速度增大时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量旋转角速度保持不变，并网点电压矢量超前于内电势矢量，使得电压矢量稳定器从电网吸收有功功率，抑制所述并网点电压矢量的旋转角速度增大的速度(即旋转角速度的加速度)，使得所述并网点电压矢量的旋转角速度的加速度减小；当并网点电压矢量的旋转角速度减小时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量旋转角速度保持不变，并网点电压矢量滞后于内电势矢量，使得电压矢量稳定器向电网输出有功功率，抑制所述并网点电压矢量的旋转角速度的加速度，使得所述并网点电压矢量的旋转角速度的加速度减小；当并网点电压矢量的幅值增大时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量的幅值保持不变，并网点电压矢量的幅值大于内电势矢量的幅值，电压矢量稳定器吸收感性无功功率，抑制所述并网点电压矢量幅值增大的速度，使得所述并网点电压矢量幅值增大的速度减小；当并网点电压矢量的幅值减小时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量的幅值保持不变，并网点电压矢量的幅值小于内电势矢量的幅值，电压矢量稳定器发出感性无功功率，抑制所述并网点电压矢量幅值减小的速度，使得所述并网点电压矢量幅值减小的速度减小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于锁相环的电压矢量稳定器，包括变流单元(150)，所述变流单元(150)的交流侧通过滤波器(120)与电网相连，所述变流单元(150)的直流侧连接电容和能量供给单元(130)；其特征在于，所述电压矢量稳定器还包括：

直流采样单元(160)，其输入端连接至所述电容，用于采集直流电压信号V_dc；

交流采样单元(170)，其第一输入端和第二输入端连接至所述电网处，所述交流采样单元的第三输入端连接至所述变流单元的交流侧，用于采集并输出并网点的交流电压信号v_gabc和交流电流信号i_gabc以及所述变流单元交流侧的内电势电压信号v_cabc；

控制器(110)，其第一输入端连接至所述直流采样单元的输出端，所述控制器的第二输入端连接至所述交流采样单元的输出端，所述控制器的输出端连接至所述变流单元(150)的开关控制端，用于根据所述直流电压信号V_dc、交流电压信号v_gabc、交流电流信号i_gabc和内电势的电压信号v_cabc输出控制信号S_abc。

2.如权利要求1所述的电压矢量稳定器，其特征在于，所述控制器(110)包括：

锁相环单元(11)，用于获取所述交流电压信号v_gabc的频率和相位信号，并根据该相位信号产生内电势矢量的相位参考值θ；

幅值产生单元(12)，用于获取所述交流电压信号v_gabc的幅值信号，并根据该幅值信号产生内电势矢量的幅值参考值V_c；

内电势矢量控制单元(13)，用于根据所述相位参考值θ、幅值参考值V_c、内电势的电压信号v_cabc、直流电压信号V_dc和交流电流信号i_gabc获得所述开关控制信号S_abc。

3.如权利要求2所述的电压矢量稳定器，其特征在于，所述锁相环单元(11)包括：依次连接的第一PI控制器(111)和第一积分器(112)；

第一PI控制器(111)用于将所述交流电压信号v_gabc经PARK变换得到的q轴分量v_gq进行PI控制得到并网点电压矢量的旋转角速度ω；

第一积分器(112)用于将并网点电压矢量的旋转角速度ω进行积分处理，得到并网点电压矢量的相位信号θ。

4.如权利要求2或3所述的电压矢量稳定器，其特征在于，所述幅值产生单元(12)包括：依次连接的第一减法器(121)、第二PI控制器(122)和第二积分器(123)；

第一减法器(121)用于将v_gd与内电势矢量的幅值信号V_c作差，得到内电势矢量幅值与并网点电压d轴分量的误差信号Δv_d；

第二PI控制器(122)用于将误差信号Δv_d进行PI控制，得到内电势矢量幅值误差信号ΔV_c；

第二积分器(123)用于将内电势矢量幅值误差信号ΔV_c进行积分处理，得到并网点电压矢量的幅值信号V_c。

5.如权利要求2所述的电压矢量稳定器，其特征在于，所述锁相环单元(11)包括：依次连接的第一PIR控制器(113)和第三积分器(114)；

第一PIR控制器(113)用于将所述交流电压信号v_gabc经PARK变换得到的q轴分量v_gq进行PIR控制得到并网点电压矢量的角旋转角速度ω；

第三积分器(114)用于将并网点电压矢量的角旋转角速度ω进行积分处理，得到并网点电压矢量的相位信号θ。

6.如权利要求2或5所述的电压矢量稳定器，其特征在于，所述幅值产生单元(12)包括：依次连接的第二减法器(124)、第二PIR控制器(125)和第四积分器(126)；

第二减法器(124)用于将v_gd与内电势矢量的幅值信号V_c作差，得到内电势矢量幅值与并网点电压d轴分量的误差信号Δv_d；

第二PIR控制器(125)用于将误差信号Δv_d进行PIR控制，得到内电势矢量幅值误差信号ΔV_c；

第四积分器(126)用于将内电势矢量幅值误差信号ΔV_c进行积分处理，得到并网点电压矢量的幅值信号V_c。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的电压矢量稳定器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：采集并网点的交流电压信号v_gabc和交流电流信号i_gabc以及变流单元交流侧的内电势电压信号v_cabc，直流母线电压信号V_dc；

S2：锁相环单元根据并网点电压信号获得并网点电压矢量的相位；幅值产生单元根据并网点电压信号获得并网点电压矢量的幅值；

S3：将检测得到的并网点电压矢量的幅值作为内电势矢量的幅值参考值V_c；将检测得到的并网点电压矢量的相位作为内电势矢量的相位参考值θ；

S4：根据内电势矢量的幅值参考值V_c、相位参考值θ、交流电流信号i_gabc、内电势电压信号v_cabc和直流母线电压信号V_dc，控制电压矢量稳定器的内电势矢量。

8.如权利要求7所述的电压矢量稳定控制方法，其特征在于，步骤S4具体为：

稳态时，电压矢量稳定器输出的有功和无功功率为零；

当并网点电压矢量的旋转角速度增大或减小时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量旋转角速度保持不变，使得所述并网点电压矢量的旋转角速度增大或减小的变化率减小；

当并网点电压矢量的幅值增大或减小时，通过控制所述电压矢量稳定器的内电势矢量的幅值保持不变，使得所述并网点电压矢量幅值增大或减小的速度减小。

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