CN105914789B - 逆变器型分布式电源简化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了逆变器型分布式电源简化建模方法。逆变器型分布式电源由于包含电力电子部件及其控制器，具有复杂的时变非线性特征，使得仿真计算速度受到很大限制，进而给逆变器型分布式电源大量接入的配电网仿真建模分析带来巨大挑战。本发明采用动态相量建模方法，基于正负序分离控制策略，对逆变器型分布式电源提出了既满足工程精度要求又能提升仿真速度的新建模方法，能准确地反映出分布式电源运行的动态过程和主要特征。利用本发明提出的逆变器型分布式电源的动态相量模型，可以用于含分布式电源配电网的快速建模与仿真中，尤其是分布式电源大规模接入的场景中。

Description

逆变器型分布式电源简化建模方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体地说是逆变器型分布式电源简化建模方法。

背景技术

目前越来越多的分布式电源(Distributed Generation，简称DG)接入配电网，分布式电源种类多，不少属于逆变器型DG(inverter interfaced DG，简称IIDG)，含有大量非线性电力电子元件及其控制器。当IIDG接入配电网时，由于电力电子部件及其控制器复杂的时变非线性特征，使得分布式电源仿真计算速度受到很大的限制，进而给配电网的仿真建模分析带来巨大挑战。因此在计算资源有限和对仿真用时有要求的情况下，对所有器件都采用详细模型是不现实的，但是采用过于简化的模型又会使分析缺乏准确性，遗漏系统一些重要的动态特性。因此有必要对包含电力电子器件的逆变器型分布式电源进行既满足工程精度要求又能提升仿真速度的新仿真模型研究，提出新的简化建模方法。

动态相量(Dynamic Phasor)模型是介于机电暂态模型和电磁暂态模型之间，能比较准确地反映系统动态特性的一种仿真模型，目前已有一些动态相量建模研究成果，但在全面性和适应性方面还有较大研究空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种逆变器型分布式电源简化建模方法，该方法采用动态相量建模原理，可在满足工程求解精度的同时，加快仿真速度，节省仿真时间。

为此，本发明采用如下的技术方案：逆变器型分布式电源简化建模方法，具体是：

首先，以逆变器型分布式电源为对象，采用正负序分离控制策略，对时域内周期为T的信号选择宽度为T的时间窗内的主要傅立叶系数，建立分布式电源的动态相量模型，对原始波形作近似估计。

其次，在采用的基于正负序分离控制策略的动态相量建模中，在频域下，对电压、电流进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，接着利用T/4相移法进行序分量分解，然后进行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，再根据功率指令求取正负序分离控制参考电流，对正负序电流进行分离PI调节以得到正负序参考电压，最后对正负序参考电压进行Park反变换，得到三相参考电压。

然后，对分布式电源至配电网的引接线进行动态相量建模，为方便求解模型，将待求量的实部和虚部分开计算。

最后，将频域下的电压、电流量通过傅立叶反变换，得到电压、电流的时域量。

本发明的有益效果是：

本发明充分考虑了逆变器型分布式电源的控制特点，从频域角度出发，建立了该种分布式电源的简化模型，加快了仿真速度，节省了仿真耗时，同时满足了一定的求解精度，能准确地反映出分布式电源运行的动态过程和主要特征。利用本发明提出的逆变器型分布式电源简化建模方法，可以用于含分布式电源配电网的快速建模与仿真中，尤其是分布式电源大规模接入的场景中。

本发明采用以下具体步骤：

分布式电源通常由逆变器及连有滤波电感的引接线组成，为此，本发明将从逆变器动态相量模型的建立以及分布式电源至配电网引接线动态相量模型的建立分别叙述。

对于分布式电源的逆变器侧，按如下步骤建立逆变器的动态相量模型：

步骤1)，电压、电流从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，

根据正负序分离控制策略，先对分布式电源所连交流电网的电压、电流进行Clarke变换，即三相静止坐标系abc到两相静止坐标系αβ的坐标变换。

步骤2)，电压、电流序分量的分解，

在进行Clarke变换后，提取两相静止坐标系αβ下电压和电流的序分量。根据傅立叶变换的相移特性，利用T/4相移法的频域形式对电压、电流进行正序、负序分量的提取。

步骤3)，电压、电流从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，

在求得αβ坐标下电压和电流的正负序分量后，分别进行正负序αβ→dq坐标变换。根据动态相量的卷积特性，求取正负序dq坐标下的正、负序(电压、电流)直流量，即零阶动态相量。

步骤4)，正负序分离控制参考电流的求取，

根据正负序分离控制中消除有功功率的二倍频波动以及使平均无功功率为零的控制目标，求取PI调节的电流参考值。

步骤5)，正负序分离的电流PI调节，

根据功率指令获得正负序dq轴参考电流后，通过PI调节得到基于前馈解耦控制策略的逆变器出口侧的正负序dq轴参考电压。

步骤6)，正负序电压的Park反变换，

在求得逆变器出口侧正负序dq轴参考电压后，经Park反变换得到逆变器出口侧三相参考电压，忽略SVPWM调制的具体开关过程，计算逆变器输出电压脉冲的一阶动态相量。

分布式电源至配电网引接线动态相量模型的建立：

对于分布式电源至配电网的引接线，建立一阶动态模型，为方便求解，将待求量的实部和虚部分开计算。

在分别建立分布式电源逆变器及引接线的动态相量模型后，可得到整个分布式电源的动态相量模型。由于上述步骤所得的均为频域下的结果，为方便观察和分析，再进行电压、电流从频域量到时域量的变换。

本发明采用基于信号调制理论提出的动态相量法，将其应用于基于正负序分离控制策略的分布式电源简化建模上，得到可加快仿真速度的逆变器型分布式电源的简化建模方法。利用本发明提出的分布式电源简化建模方法，可以应用到分布式电源高渗透率下配电网的快速建模与仿真中。

附图说明

图1为本发明采用的多台分布式电源接入配电网示意图。

图2为本发明采用的基于正负序分离控制策略的分布式电源结构模型及控制框图。

图3为本发明所述的分布式电源逆变器动态相量模型的建立步骤。

图4a～c为本发明应用例中功率指令突变、电压对称跌落、电压不对称跌落时分布式电源的输出电流曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，本发明包括以下步骤：

图1给出了n台逆变器型分布式电源通过公共耦合点PCC接入配电网的示意图。其中，分布式电源由逆变器及连有滤波电感的引接线组成。图2是本发明采用的逆变器型分布式电源的结构模型及控制框图。

本发明分别从分布式电源逆变器的动态相量模型以及分布式电源引接线动态相量模型的建立进行叙述。

对于分布式电源的逆变器，按图3所示的步骤建立逆变器的动态相量模型：

步骤1)，电压、电流从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，

根据正负序分离控制策略，先对分布式电源所连交流电网的电压、电流进行Clarke变换，即三相静止坐标系abc到两相静止坐标系αβ的坐标变换：

其中变换矩阵T_abc/αβ为常系数矩阵，其值为：<F_α>₁、<F_β>₁分别为两相静止坐标系αβ下电压或电流变量的α轴和β轴分量的一阶动态相量，<F_a>₁、<F_b>₁、<F_c>₁分别为三相静止坐标系abc下电压或电流变量的a、b和c轴分量的一阶动态相量，F代表电压或电流变量，<·>₁代表相关变量的一阶动态相量，下标1指动态相量的阶数为1，下标α、β代表两相静止坐标系下α和β坐标轴分量，下标a、b、c代表三相静止坐标系下a、b和c三相的值。

步骤2)，电压、电流序分量的分解，

在进行Clarke变换后，提取两相静止坐标系αβ下电压和电流的序分量。利用傅立叶变换的相移特性，对电压、电流按如下公式进行正序、负序分量的提取：

其中，分别为两相静止坐标系αβ下电压或电流变量α轴和β轴正序分量的一阶动态相量，分别为两相静止坐标系αβ下电压或电流变量α轴和β轴负序分量的一阶动态相量，上标p、n分别代表相关变量的正序、负序分量。

步骤3)，电压、电流从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，

在求得αβ坐标下电压和电流的正负序分量后，分别进行正负序αβ→dq坐标变换。根据动态相量的卷积特性，计算正负序dq坐标下的正、负序(电压、电流)直流量，即零阶动态相量：

其中，分别为正序两相旋转坐标系dq坐标下电压或电流变量d轴和q轴分量的零阶动态相量，分别为负序两相旋转坐标系dq坐标下电压或电流变量d轴和q轴分量的零阶动态相量， 分别为正负序两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq变换矩阵的一阶动态相量，分别为正负序两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq变换矩阵的负一阶动态相量，根据动态相量法的共轭特性，分别等于的复数共轭。下标0、1、-1指动态相量的阶数为0、1、-1。

步骤4)，正负序分离控制参考电流的求取，

根据消除有功功率的二倍频波动以及使平均无功功率为零的控制目标，计算PI调节的电流参考值：

式中，P₀为逆变器型分布式电源的有功功率指令，和分别为电网电压的正序、负序d、q分量的零阶动态相量， 和分别为参考电流的正序、负序d、q分量的零阶动态相量，下标ref代表相关变量的参考值。

步骤5)，正负序分离的电流PI调节，

根据功率指令获得正负序dq轴参考电流后，通过PI调节计算逆变器出口侧的正负序dq轴参考电压。正负序dq坐标下存在四个PI环节，以正序d轴PI环节为例进行公式推导：

式中，分别为电流环的积分调节增益和比例调节增益。为逆变器输出电流的正序d轴的零阶动态相量，为定义的临时变量。

其余三个PI环节的公式推导与此类似，据此得到四个PI环节输出：

对于采用前馈解耦控制策略的电流调节器，计算出逆变器出口侧的参考电压指令：

式中，和分别为逆变器出口侧参考电压的正序、负序d、q分量的零阶动态相量，ω为电网角频率，L_f为逆变器出口侧滤波电感值。

步骤6)，正负序电压的Park反变换，

在求得逆变器出口侧正负序dq轴参考电压后，经Park反变换得到逆变器出口侧三相参考电压，忽略SVPWM调制的具体开关过程，逆变器输出电压脉冲的一阶动态相量为：

式中，<u_oa>₁、<u_ob>₁和<u_oc>₁分别为逆变器出口侧a、b和c三相输出电压的一阶动态相量，K_SVPWM为逆变器等效比例系数，对于采用SVPWM调制的双极性三相H桥逆变器，有其中m为调制度，即PI调节器输出调制信号与载波信号的幅值之比。为正负序dq→abc变换矩阵的一阶动态相量。

分布式电源至配电网引接线动态相量模型的建立：

对于分布式电源至配电网的引接线，其一阶动态模型建立公式如下：

式中，<u_o>₁＝[<u_oa>₁,<u_ob>₁,<u_oc>₁]^T，为分布式电源逆变器出口侧三相电压的一阶动态相量，<u>₁＝[<u_a>₁,<u_b>₁,<u_c>₁]^T，为并网点电压的一阶动态相量，<i>₁＝[<i_a>₁,<i_b>₁,<i_c>₁]^T，为向电网注入电流的一阶动态相量，L_f＝diag(L_f,L_f,L_f)为逆变器出口侧滤波电感矩阵。

为方便求解，将待求量的实部和虚部分开计算，具体如下：

其中，上标r、i分别代表相关变量的实部、虚部。

在分别建立分布式电源逆变器及引接线的动态相量模型后，可得到整个分布式电源的动态相量模型。

由于上述步骤所得的均为频域下的结果，为方便观察和分析，本发明进行电压、电流从频域量到时域量的变换：

对于时域中周期为T的信号x(τ)，在时间间隔τ∈(t-T,t]内，其波形可以用傅立叶级数表示：

式中，电网角频率ω＝2π/T,X_k(t)为k阶动态相量。

根据此公式，将电压、电流从频域量转换成时域量，至此完成分布式电源的动态相量建模。

应用例

为验证本发明所述简化建模方法的有效性和准确性，以图1所示的2台分布式电源接入配电网为例进行仿真分析。每台分布式电源逆变器出口侧滤波电感均为0.023mH，可关断器件的开关频率为3200Hz。正常运行模式下，每台分布式电源的功率因数均为1，向电网注入1MW功率，网侧线电压有效值为380V。

应用本发明所述的分布式电源动态相量模型对常见的三种运行方式进行建模与仿真。运行方式1：0.6s时分布式电源的功率指令突变，由1MW下降至0.7MW；运行方式2：0.75s时电网电压发生对称跌落，线电压由380V跌落至266V；运行方式3：1s时电网电压发生不对称跌落，A相电压瞬时降为原来的0.5倍，C相电压降至0.866倍，相角滞后30度，B相电压保持不变。

图4a～c分别是上述三种运行方式下一台分布式电源的输出电流，图中实线为电磁暂态仿真结果，虚线为动态相量仿真结果。可以看出，不管是电压对称还是不对称工况，本发明所述动态相量模型的仿真结果均与电磁暂态仿真结果较为接近，稳态误差很小且过渡过程基本吻合，能较好地反映出系统的动态过程和主要特征。

在3种不同运行方式下，1台和2台逆变器型分布式电源接入配电网的电磁暂态模型和动态相量模型的仿真用时如表1所示。

表1电磁暂态与动态相量模型仿真用时对比

可见，本发明所述的逆变器型分布式电源简化建模方法在满足一定求解精度的同时，加快了仿真速度，节省了仿真时间。在分布式电源大规模接入配电网的仿真中，该简化建模方法仿真速度快、用时少的优势会更加突出。

Claims (1)

1.逆变器型分布式电源简化建模方法，其特征在于：

首先，以逆变器型分布式电源为对象，采用正负序分离控制策略，对时域内周期为T的信号选择宽度为T的时间窗内的主要傅立叶系数，建立分布式电源的动态相量模型，对原始波形作近似估计；

其次，在采用的基于正负序分离控制策略的动态相量建模中，在频域下，对电压、电流进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，接着利用T/4相移法进行序分量分解，然后进行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，再根据功率指令求取正负序分离控制参考电流，对正负序电流进行分离PI调节以得到正负序参考电压，最后对正负序参考电压进行Park反变换，得到三相参考电压；

然后，对分布式电源至配电网的引接线进行动态相量建模，将待求量的实部和虚部分开计算；

最后，将频域下的电压、电流量通过傅立叶反变换，得到电压、电流的时域量；

该方法的具体步骤：

分布式电源通常由逆变器及连有滤波电感的引接线组成，为此，从逆变器动态相量模型的建立以及分布式电源至配电网引接线动态相量模型的建立来进行；

对于分布式电源的逆变器侧，按如下步骤建立逆变器的动态相量模型：

步骤1)，电压、电流从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，

根据正负序分离控制策略，先对分布式电源所连交流电网的电压、电流进行Clarke变换，即三相静止坐标系abc到两相静止坐标系αβ的坐标变换：

其中变换矩阵T_abc/αβ为常系数矩阵，其值为：<F_α>₁、<F_β>₁分别为两相静止坐标系αβ下电压或电流变量的α轴和β轴分量的一阶动态相量，<F_a>₁、<F_b>₁、<F_c>₁分别为三相静止坐标系abc下电压或电流变量的a、b和c轴分量的一阶动态相量，F代表电压或电流变量，<·>₁代表相关变量的一阶动态相量，下标1指动态相量的阶数为1，下标α、β代表两相静止坐标系下α和β坐标轴分量，下标a、b、c代表三相静止坐标系下a、b和c三相的值；

步骤2)，电压、电流序分量的分解，

在进行Clarke变换后，提取两相静止坐标系αβ下电压和电流的序分量；利用傅立叶变换的相移特性，对电压、电流按如下公式进行正序、负序分量的提取：

其中，分别为两相静止坐标系αβ下电压或电流变量α轴和β轴正序分量的一阶动态相量，分别为两相静止坐标系αβ下电压或电流变量α轴和β轴负序分量的一阶动态相量，上标p、n分别代表相关变量的正序、负序分量；

步骤3)，电压、电流从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，

在求得αβ坐标下电压和电流的正负序分量后，分别进行正负序αβ→dq坐标变换；根据动态相量的卷积特性，计算正负序dq坐标下的电压、电流的正、负序直流量，即零阶动态相量：

其中，分别为正序两相旋转坐标系dq坐标下电压或电流变量d轴和q轴分量的零阶动态相量，分别为负序两相旋转坐标系dq坐标下电压或电流变量d轴和q轴分量的零阶动态相量，分别为正负序两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq变换矩阵的一阶动态相量，分别为正负序两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq变换矩阵的负一阶动态相量，根据动态相量法的共轭特性，分别等于的复数共轭；下标0、1、-1指动态相量的阶数为0、1、-1；

步骤4)，正负序分离控制参考电流的求取，

根据消除有功功率的二倍频波动以及使平均无功功率为零的控制目标，计算PI调节的电流参考值：

式中，P₀为逆变器型分布式电源的有功功率指令，和分别为电网电压的正序、负序d、q分量的零阶动态相量， 和分别为参考电流的正序、负序d、q分量的零阶动态相量，下标ref代表相关变量的参考值；

步骤5)，正负序分离的电流PI调节，

根据功率指令获得正负序dq轴参考电流后，通过PI调节计算逆变器出口侧的正负序dq轴参考电压；正负序dq坐标下存在四个PI环节，以正序d轴PI环节为例进行公式推导：

式中，分别为电流环的积分调节增益和比例调节增益；为逆变器输出电流的正序d轴的零阶动态相量，为定义的临时变量；

其余三个PI环节的公式推导与此类似，据此得到四个PI环节输出：

对于采用前馈解耦控制策略的电流调节器，计算出逆变器出口侧的参考电压指令：

式中，和分别为逆变器出口侧参考电压的正序、负序d、q分量的零阶动态相量，ω为电网角频率，L_f为逆变器出口侧滤波电感值；

步骤6)，正负序电压的Park反变换，

在求得逆变器出口侧正负序dq轴参考电压后，经Park反变换得到逆变器出口侧三相参考电压，忽略SVPWM调制的具体开关过程，逆变器输出电压脉冲的一阶动态相量为：

式中，<u_oa>₁、<u_ob>₁和<u_oc>₁分别为逆变器出口侧a、b和c三相输出电压的一阶动态相量，K_SVPWM为逆变器等效比例系数，对于采用SVPWM调制的双极性三相H桥逆变器，有其中m为调制度，即PI调节器输出调制信号与载波信号的幅值之比；为正负序dq→abc变换矩阵的一阶动态相量；

分布式电源至配电网引接线动态相量模型的建立：

对于分布式电源至配电网的引接线，其一阶动态模型建立公式如下：

式中，<u_o>₁＝[<u_oa>₁,<u_ob>₁,<u_oc>₁]^T，为分布式电源逆变器出口侧三相电压的一阶动态相量，<u>₁＝[<u_a>₁,<u_b>₁,<u_c>₁]^T，为并网点电压的一阶动态相量，<i>₁＝[<i_a>₁,<i_b>₁,<i_c>₁]^T，为向电网注入电流的一阶动态相量，L_f＝diag(L_f,L_f,L_f)为逆变器出口侧滤波电感矩阵；

将待求量的实部和虚部分开计算，具体如下：

其中，上标r、i分别代表相关变量的实部、虚部；

在分别建立分布式电源逆变器及引接线的动态相量模型后，可得到整个分布式电源的动态相量模型；

由于上述步骤所得的均为频域下的结果，为方便观察和分析，进行电压、电流从频域量到时域量的变换：

对于时域中周期为T的信号x(τ)，在时间间隔τ∈(t-T,t]内，其波形用傅立叶级数表示：

式中，电网角频率ω＝2π/T，X_k(t)为k阶动态相量；

根据此公式，将电压、电流从频域量转换成时域量。