CN103280824A

CN103280824A - 一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法

Info

Publication number: CN103280824A
Application number: CN2013101701729A
Authority: CN
Inventors: 王毅; 孟建辉; 付超; 石新春; 王慧
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103280824B

Abstract

一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，其技术方案是，所述方法在VSG的整流侧设置具有多个直流母线电压PI控制器的整流侧DSP控制器，在VSG的逆变侧设置逆变侧DSP控制器，所述逆变侧DSP控制器在接收到PLC发出的电压跌落信号并控制逆变器产生所需交流电压的同时，通过两个通用的输入输出口将电压跌落信号发送给整流侧DSP控制器，整流侧DSP控制器根据该信号切换对应的PI控制器对整流器进行控制，使直流母线电压保持稳定。本发明很好地解决了传统母线电压控制方法在逆变侧电压跌落时无法使直流母线电压保持稳定的问题，提高了电压跌落发生器的暂态稳定性，从而确保了电压跌落发生器的安全稳定运行。

Description

一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制电压跌落发生器直流母线电压的方法，可使电压跌落发生器的直流母线电压在试验过程中保持稳定，属输送电技术领域。

背景技术

光伏发电系统和风力发电系统的大规模并网应用，对光伏发电系统和风力发电系统的低电压穿越能力(LVRT, Low Voltage Ride-Through) 提出了更高的要求，只有当故障电网的电压跌落到一定程度后才允许光伏发电系统及风力发电系统脱网。为了测试光伏发电系统及风力发电系统的低电压穿越能力，需要采用电压跌落发生器(VSG, Voltage Sag Generator)来模拟电网电压的跌落。

电压跌落发生器主要有多种类型，其中电力电子变换形式的VSG因功能强大，能够模拟电网电压的各种故障而被广泛采用。通常，电力电子变换形式的VSG前端是一个全控整流器，控制直流母线侧的电压稳定；后端是一个逆变器，控制产生所需的交流电压。全控整流器和逆变器稳定运行时，直流母线电压会稳定在提前设定好的数值。但是当控制逆变侧产生短时间的交流电压跌落时，直流母线电压会因逆变侧功率的急剧变化而突增，然后在相对较长的时间内恢复到原来的稳定值，这样会造成逆变输出侧的交流电压波形发生畸变，不能很好地模拟电网电压的跌落。如果逆变侧电压跌落幅度较大， VSG甚至会因直流母线过电压保护而停止运行。因此，通过改进直流母线电压的控制策略，保证其在逆变侧电压跌落期间保持稳定，将对VSG的安全稳定运行及电网电压跌落过程的精确模拟产生重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，确保电压跌落发生器稳定运行。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，所述方法在VSG的整流侧设置具有多个直流母线电压PI控制器的整流侧DSP控制器，在VSG的逆变侧设置逆变侧DSP控制器，所述逆变侧DSP控制器在接收到PLC发出的电压跌落信号并控制逆变器产生所需交流电压的同时，通过两个通用的输入输出口将电压跌落信号发送给整流侧DSP控制器，整流侧DSP控制器根据该信号切换对应的PI控制器对整流器进行控制，使直流母线电压保持稳定。

上述电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，所述直流母线电压PI控制器为：

，

式中，PI₁表示VSG逆变侧正常运行（逆变侧电压在额定值的90%～110%）时控制直流母线电压的PI控制器，PI₂、PI₃和PI₄分别表示逆变侧发生电压跌落的幅值为额定值的60%～90%、30%～60%及0～30%三种不同情况时采用的控制直流母线电压的PI控制器；s _g1、s _g2表示逆变侧DSP控制器向整流侧DSP控制器发送电压跌落信号的两个输入输出口的状态，“1”表示高电平，“0”表示低电平， “s _g1=0，s _g2=0”表示逆变侧正常运行，“s _g1=0，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的60%～90%之间；“s _g1=1，s _g2=0”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的30%～60%之间；“s _g1=1，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的0～30%之间；U _N表示交流侧输出的额定电压值，U表示交流侧设定的跌落到的交流电压值。

上述电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，所述各PI控制器的参数为：PI₁控制器的比例系数k _p为30、积分系数k _i为60；PI₂控制器的比例系数k _p为50、积分系数k _i为40；PI₃控制器的比例系数k _p为120、积分系数k _i为30；PI₄控制器的比例系数k _p为200、积分系数k _i为10。

本发明根据电压跌落发生器逆变侧电压的跌落幅值来切换四种不同的直流母线电压PI控制器，很好地解决了传统母线电压控制方法在逆变侧电压跌落过程中无法使直流母线电压保持稳定的问题，提高了电压跌落发生器的暂态稳定性，从而确保了电压跌落发生器的安全稳定运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的控制原理框图；

图2为直流母线电压控制方法的原理图；

图3为切换PI控制器的流程图；

图4-a是传统控制算法下逆变侧电压跌落到80%并维持1s的直流母线电压波形图；

图4-b是传统控制算法下逆变侧电压跌落到60%并维持1s的直流母线电压波形图；

图4-c为本控制方法下逆变侧电压跌落到80%并维持1s的直流母线电压波形图；

图4-d为本控制方法下逆变侧电压跌落到50%并维持1s的直流母线电压波形图；

图4-e为本控制方法下逆变侧电压跌落到20%并维持1s的直流母线电压波形图。

图中和文中各符号清单为：PLC、可编程逻辑控制器；GPIO1、第一输入输出口；GPIO2、第二输入输出口； u _g、三相电网电压；U _dc、VSG直流母线电压；U _dc(ref)、直流母线电压参考值；PI₁、VSG逆变侧正常运行时控制直流母线电压的PI控制器；PI₂、VSG逆变侧电压跌落幅值为额定值的60%～90%时控制直流母线电压的PI控制器；PI₃、VSG逆变侧电压跌落幅值为额定值的30%～60%时控制直流母线电压的PI控制器；PI₄、VSG逆变侧电压跌落幅值为额定值的0～30%时控制直流母线电压的PI控制器；G _c(s)、电流内环控制函数；“s _g1=0，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的60%～90%之间；“s _g1=1，s _g2=0”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的30%～60%之间；“s _g1=1，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的0～30%之间。U _N表示交流侧输出的额定电压；U表示交流侧设定的跌落到的交流电压。

具体实施方式

本发明整流侧的直流母线电压控制环可根据检测到的不同幅值的电压跌落信号，切换不同的PI控制器，使VSG在逆变侧发生电网电压跌落时，保持直流母线电压的稳定或极小的波动。

如图1所示，VSG整流器将三相交流电逆变成直流电，采用定直流电压的控制模式。而VSG逆变器将直流电逆变成交流电，采用定交流电压的控制模式来控制逆变侧输出所需的三相交流电压。其中整流器和逆变器分别由整流侧DSP控制器和逆变侧DSP控制器来控制。不同幅值的电网电压跌落指令通过PLC下达给逆变侧DSP控制器，逆变侧DSP控制器接收到电压跌落指令的同时，将不同幅值的跌落信号通过两个DSP之间的GPIO口传递给整流侧DSP控制器，而整流侧DSP控制器接收到逆变侧不同幅值的电压跌落信号以后便会改变整流侧直流母线电压的控制方式。

参看图2，直流母线电压的参考值U _dc(ref)与实际值U _dc进行比较，通过PI控制器以后，再经电流内环控制函数产生相应的PWM信号来控制整流器以输出稳定的直流母线电压。其中，PI控制器的性能尤其重要，由于稳态情况和逆变侧电网电压跌落的暂态情况与PI控制器的参数设置有很大的关系，稳态情况主要考虑到系统的平稳启动及稳态后的正常运行，而暂态情况主要考虑在逆变侧电压跌落的暂态情况下保持直流母线电压稳定或在很小的范围内波动。因此，在不同的情况下，设置四种不同的PI控制器，通过检测逆变侧不同幅值的电压跌落信号来改变PI控制器。参看图3，根据检测到逆变侧不同幅值的电压跌落信号来切换直流母线电压控制环的PI控制器，如果检测到交流电压跌落的幅值在额定值的60%～90%之间，则将直流母线电压控制环的PI控制器器切换到PI₂；如果检测到电压跌落的幅值在额定值的30%～60%之间，则将直流母线电压控制环的PI控制器器切换到PI₃；而如果检测到电压跌落的幅值在额定值的0～30%之间，则将直流母线电压控制环的PI控制器器切换到PI₄；反之，则切换到PI₁。即控制直流母线电压的PI控制器为：

式(1)中“s _g1=0，s _g2=0”表示逆变侧未发生电压跌落；“s _g1=0，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的60%～90%之间；“s _g1=1，s _g2=0”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的30%～60%之间；“s _g1=1，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的0～30%之间。

各PI控制器的参数为：PI₁控制器的比例系数k _p为30、积分系数k _i为60；PI₂控制器的比例系数k _p为50、积分系数k _i为40；PI₃控制器的比例系数k _p为120、积分系数k _i为30；PI₄控制器的比例系数k _p为200、积分系数k _i为10。

如图4-a、4-b所示，实验时逆变侧的额定电压为380V，作用在负载上的功率为16kw。采用传统的控制算法时，当逆变侧电压分别跌落到额定值的80%、60%并维持1s时，直流母线电压最高分别上升到556V、630V左右，并且逆变侧电压恢复正常后需要较长的时间直流母线电压才能恢复到设定的500V。这种情况下如果继续增加逆变侧的跌落幅度，直流母线侧会产生更高的电压，从而会因直流母线电压过高而无法工作。但是如果采用本发明来控制直流母线电压，便可以在逆变侧电压跌落时也保证直流母线电压的稳定。参看图4-c、4-d和4-e，无论逆变侧的交流电压跌落到额定值的80%、50%还是跌落幅度更深的20%时，直流母线电压一直都能够保持稳定，从而证明了本发明的有效性。

Claims

1.一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，其特征是，所述方法在VSG的整流侧设置具有多个直流母线电压PI控制器的整流侧DSP控制器，在VSG的逆变侧设置逆变侧DSP控制器，所述逆变侧DSP控制器在接收到PLC发出的电压跌落信号并控制逆变器产生所需交流电压的同时，通过两个通用的输入输出口将电压跌落信号发送给整流侧DSP控制器，整流侧DSP控制器根据该信号切换对应的PI控制器对整流器进行控制，使直流母线电压保持稳定。

2.根据权利要求1所述的一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，其特征是，所述直流母线电压PI控制器为：

Figure 2013101701729100001DEST_PATH_IMAGE001

，

式中，PI₁表示VSG逆变侧在正常运行、逆变侧电压在额定值的90%～110%时控制直流母线电压的PI控制器，PI₂、PI₃和PI₄分别表示逆变侧发生电压跌落的幅值为额定值的60%～90%、30%～60%及0～30%三种不同情况时采用的控制直流母线电压的PI控制器；s _g1、s _g2表示逆变侧DSP控制器向整流侧DSP控制器发送电压跌落信号的两个输入输出口的状态，“1”表示高电平，“0”表示低电平， “s _g1=0，s _g2=0”表示逆变侧正常运行，“s _g1=0，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的60%～90%之间；“s _g1=1，s _g2=0”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的30%～60%之间；“s _g1=1，s _g2=1”表示逆变侧电压跌落的幅度在额定值的0～30%之间；U _N表示交流侧输出的额定电压值，U表示交流侧设定的跌落到的交流电压值。

3.根据权利要求2所述的一种电压跌落发生器直流母线电压的控制方法，其特征是，所述各PI控制器的参数为：PI₁控制器的比例系数k _p为30、积分系数k _i为60；PI₂控制器的比例系数k _p为50、积分系数k _i为40；PI₃控制器的比例系数k _p为120、积分系数k _i为30；PI₄控制器的比例系数k _p为200、积分系数k _i为10。