CN106992548B - 一种提高并网变换器稳定性的控制方法 - Google Patents

一种提高并网变换器稳定性的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种提高并网变换器稳定性的控制方法，涉及电力技术领域。本发明是为了解决并网变换器锁相环与复杂的电网运行条件相互耦合，从而造成系统不稳定的问题。本发明所述的一种提高并网变换器稳定性的控制方法，对锁相环引起的误差给变换器系统电流控制带来的影响项进行前馈消去，获得前馈项；在变换器系统中加入滤波器，对前馈项进行滤波，获得改进前馈项；利用改进前馈项和变换器系统q轴小信号电压值获得实际前馈项；在电流环PI输出项加入实际前馈项，进行补偿，使得变换器获得稳定输出，完成对变换器侧电路的开关控制。本发明适用于对并网变换器进行控制。

Description

一种提高并网变换器稳定性的控制方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，特别涉及三相并网变换器并网运行的稳定性提高方法。
背景技术
并网变换器是电能转换的重要器件，在电网中的应用已经越来越广泛。为了获得电网相角信息从而对并网变换器进行有效控制，通常需要使用锁相环来对并网变换器电流和电网电压进行同步。由于电网运行情况复杂，使得并网变换器运行的条件也复杂多变，从而造成并网变换器的锁相环与复杂的运行条件相互耦合，减弱了系统的稳定性，甚至造成系统不稳定。例如并网变换器在弱电网或者并联运行时，并网变换器锁相环与电网阻抗或并联并网变换器锁相环之间相互耦合，都会造成系统的振荡或不稳定。目前已有针对锁相环造成变换器系统不稳定的分析，但未有考虑锁相环影响的稳定性提高方法。
发明内容
本发明是为了解决并网变换器锁相环与复杂的电网运行条件相互耦合，从而造成系统不稳定的问题，现提供一种提高并网变换器稳定性的控制方法。
一种提高并网变换器稳定性的控制方法，并网变换器采集网侧电路参数，对变换器侧电路进行开关控制，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：对锁相环引起的误差给变换器系统电流控制带来的影响项
Figure GDA0002187807500000011
进行前馈消去，获得前馈项Gcancle：
Figure GDA0002187807500000012
其中，Yout为变换器侧电路固有的输出导纳矩阵；
步骤二：在变换器系统中加入滤波器，对前馈项Gcancle进行滤波，获得改进前馈项Gcancle'：
Figure GDA0002187807500000015
其中，
Figure GDA0002187807500000013
L1表示变换器侧电路的等效电感值、s表示频域复变量、Hfilter(s)表示通用滤波器的频域传递函数；
步骤三：利用改进前馈项Gcancle'和变换器系统q轴小信号电压值
Figure GDA0002187807500000014
获得实际前馈项Gcancle *：
Figure GDA0002187807500000021
其中，表示变换器系统d轴稳态电压值、GPI表示锁相环PI参数矩阵；
步骤四：在电流环PI输出项加入实际前馈项Gcancle *，进行补偿，使得变换器获得稳定输出，完成对变换器侧电路的开关控制。
本发明所述的考虑锁相环影响的变换器稳定性提高方法，一方面通过考虑锁相环引起的误差(系统dq坐标轴和控制器dq坐标轴的相角差)，运用小信号分析法，推导出系统电压经过锁相环到控制电流的传递函数，从而分析系统电压经过锁相环对控制电流的影响。
另一方面，将系统电压经过锁相环对控制电流的影响产生的误差消掉，先在频域中推导出具体的实际前馈项，再在数字控制中将实际前馈项离散化，改动控制器结构，实现并网变换器的有效控制，显著提高并网电能质量。
附图说明
图1为现有技术公开的一种变换器控制系统的结构示意图；
图2为现有技术公开的一种变换器侧电路的前馈解耦控制框图；
图3为现有技术公开的一种同步参考坐标系的锁相环结构框图；
图4为现有技术公开的一种经锁相环前后系统和控制器dq坐标轴的示意图；
图5为现有技术公开的同步参考坐标系下锁相环的平均模型示意图；
图6为考虑锁相环影响的电流环dq轴的控制框图；
图7为消去锁相环影响误差的变换器电流环的控制框图；
图8为改进后实际控制器的控制框图；
图9为具体实施方式一所述的考虑锁相环影响的变换器稳定性提高方法的流程图。
具体实施方式
由于锁相环引起的误差(相角差)给系统电流控制带来的影响如下：
图1给出了一种现有的一种变换器控制系统的结构，该系统包括变换器侧电路、网侧电路和控制回路。该系统基于LC滤波器，反馈电流取变换器侧电感电流，为锁相环提供角度的反馈电压取电容电压。
图2一种变换器侧电路的前馈解耦控制框图内已经将用于解耦的直接电压前馈项添加进去，但是未考虑电压经锁相环对控制电流的影响。
图3一种同步参考坐标系的锁相环结构框图中，锁相环输出角度只与q轴电压有关，其PI参数矩阵为：
Figure GDA0002187807500000031
其中，kppll表示锁相环PI控制的比例系数，kipll表示锁相环PI控制的积分系数，s表示频域复变量。
图4表示一种经锁相环前后系统和控制器dq坐标轴。理想情况下，两者的坐标系是重合的。在实际系统中，由于锁相环的动态过程，导致两者的坐标轴存在角度差Δθ，进而引起系统电压对控制电流的一个误差，影响系统稳定性。因此，在小信号模型中系统dq坐标轴矩阵到控制器dq坐标轴矩阵，即旋转矩阵TΔθ表示：
Figure GDA0002187807500000032
其中，Δθ表示系统坐标轴与控制器坐标轴的角度差。
进而得到：
Figure GDA0002187807500000033
上述公式中，
Figure GDA0002187807500000034
表示控制器小信号电压向量、
Figure GDA0002187807500000035
表示系统小信号电压向量、
Figure GDA0002187807500000036
表示控制器小信号电流向量、
Figure GDA0002187807500000037
表示系统小信号电流向量、
Figure GDA0002187807500000038
表示控制器小信号占空比向量、
Figure GDA0002187807500000039
表示系统小信号占空比向量。
图5表示同步参考坐标系下锁相环的平均模型，由其可得到系统dq坐标系和控制dq坐标系的稳态关系如下：
Figure GDA00021878075000000310
其中，
Figure GDA0002187807500000041
表示控制器稳态电压向量、
Figure GDA0002187807500000042
表示系统稳态电压向量、
Figure GDA0002187807500000043
表示控制器稳态电流向量、
Figure GDA0002187807500000044
表示系统稳态电流向量、
Figure GDA0002187807500000045
表示控制器稳态占空比向量、
Figure GDA0002187807500000046
表示系统稳态占空比向量；
上述方程表明系统坐标系和控制器坐标系的向量相角度差为0，再根据旋转矩阵TΔθ将上式重写为：
Figure GDA0002187807500000047
Figure GDA0002187807500000048
Figure GDA0002187807500000049
在上式中增加小信号扰动可以得到以下公式：
Figure GDA00021878075000000410
由于系统坐标系和控制器坐标系之间的角度差较小，通过三角函数中的小角度近似法和约掉等式中的稳态值，可以推导出下面公式：
Figure GDA00021878075000000411
其中，
Figure GDA00021878075000000412
表示控制器d轴稳态电压值、
Figure GDA00021878075000000413
表示控制器d轴小信号电压值、
Figure GDA00021878075000000414
表示控制器q轴稳态电压值、
Figure GDA00021878075000000415
表示控制器q轴小信号电压值、
Figure GDA00021878075000000416
表示变换器系统d轴稳态电压值、
Figure GDA00021878075000000417
表示变换器系统d轴小信号电压值、
Figure GDA00021878075000000418
表示变换器系统q轴稳态电压值、
Figure GDA00021878075000000419
表示变换器系统q轴小信号电压值；
进一步得到：
Figure GDA00021878075000000420
由图3一种同步参考坐标系的锁相环结构框图中能够得到系统坐标系与控制坐标系角度差的小信号值
Figure GDA00021878075000000421
为：
Figure GDA0002187807500000051
将
Figure GDA0002187807500000052
带入到控制器坐标系dq轴电压的矩阵中，先消去得到公式：
Figure GDA0002187807500000054
再将上式中的
Figure GDA0002187807500000055
替换成
Figure GDA0002187807500000056
从而得到：
Figure GDA0002187807500000057
将GPLL为锁相环扰动传递函数，
Figure GDA0002187807500000058
所以
Figure GDA0002187807500000059
同理控制器坐标轴电压推导过程，可以得出：
Figure GDA00021878075000000510
进一步得到：
Figure GDA00021878075000000511
其中，
Figure GDA00021878075000000512
表示控制器d轴稳态电流值、
Figure GDA00021878075000000513
表示控制器d轴小信号电流值、
Figure GDA00021878075000000514
表示控制器q轴稳态电流值、
Figure GDA00021878075000000515
表示控制器q轴小信号电流值、
Figure GDA00021878075000000516
表示系统d轴稳态电流值、
Figure GDA00021878075000000517
表示系统d轴小信号电压值、
Figure GDA00021878075000000518
表示系统q轴稳态电流值、
Figure GDA00021878075000000519
表示系统q轴小信号电流值；
将上式中的Δθ替换成从而推导出：
Figure GDA00021878075000000521
最终得到dq坐标下系统电压到控制电流的小信号扰动矩阵即：锁相环引起的误差给系统电流控制带来的影响项：
Figure GDA00021878075000000523
具体实施方式一：参照图6至图9具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种提高并网变换器稳定性的控制方法，并网变换器采集网侧电路参数，对变换器侧电路进行开关控制，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：对锁相环引起的误差给变换器系统电流控制带来的影响项
Figure GDA0002187807500000061
进行前馈消去，获得前馈项Gcancle：
Figure GDA0002187807500000062
其中，Yout为变换器侧电路固有的输出导纳矩阵；
步骤二：在变换器系统中加入滤波器，对前馈项Gcancle进行滤波，获得改进前馈项Gcancle'：
Figure GDA0002187807500000063
其中，
Figure GDA0002187807500000064
L1表示变换器侧电路的等效电感值、s表示频域复变量、Hfilter(s)表示通用滤波器的频域传递函数；
步骤三：利用改进前馈项Gcancle'和变换器系统q轴小信号电压值
Figure GDA0002187807500000065
获得实际前馈项Gcancle *：
Figure GDA0002187807500000066
其中，
Figure GDA0002187807500000067
表示变换器系统d轴稳态电压值、GPI表示锁相环PI参数矩阵；
步骤四：在电流环PI输出项加入实际前馈项Gcancle *，进行补偿，使得变换器获得稳定输出，完成对变换器侧电路的开关控制。
本实施方式，参照图6所示的考虑锁相环影响的电流环dq轴的控制框图，其中Gci为电流环PI控制器矩阵，Gdel为系统控制延时矩阵，Yout为变换器侧电路固有的输出导纳矩阵，
Figure GDA0002187807500000072
其中，kpi为电流环PI控制的比例系数，kii为电流环PI控制的积分系数，L1为变换器侧电感值，R1为变换器侧电感上寄生电阻值，Ts为采样时间。
图7表示消去锁相环影响误差的变换器电流环控制框图。实际系统中电感上寄生电阻值很小，可略去得到Yout'。为了更好实现前馈消去误差作用须加入滤波器对前馈项进行滤波，因此改进前馈项为Gcancle'。
由上述改进前馈项Gcancle'可知，其反馈的是系统电压，而实际控制器中的是控制电压，因此根据
Figure GDA0002187807500000074
可得到实际前馈项为Gcancle *。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种提高并网变换器稳定性的控制方法作进一步说明，本实施方式中，
步骤四中，将实际前馈项加入到电流环PI输出之后，得到改进的控制器表达式为：
Figure GDA0002187807500000075
其中，
Figure GDA0002187807500000076
表示dq轴PWM输入电压参考值向量、
Figure GDA0002187807500000077
表示dq轴控制器电流参考值向量、
Figure GDA0002187807500000078
表示dq轴控制器电流实际值向量、
Figure GDA0002187807500000079
表示dq轴控制器电压值向量、Gci表示电流环PI控制器矩阵向量。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种提高并网变换器稳定性的控制方法作进一步说明，本实施方式中，
步骤三中，实际前馈项Gcancle *能够简化为：
Figure GDA0002187807500000081
其中，
Figure GDA0002187807500000082
Figure GDA0002187807500000083
表示变换器系统d轴稳态电流值，
Figure GDA0002187807500000084
表示变换器系统q轴稳态电流值。

Claims (3)

1.一种提高并网变换器稳定性的控制方法，并网变换器采集网侧电路参数，对变换器侧电路进行开关控制，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
步骤一：对锁相环引起的误差给变换器系统电流控制带来的影响项
Figure FDA0002187807490000011
进行前馈消去，获得前馈项Gcancle：
Figure FDA0002187807490000012
其中，Yout为变换器侧电路固有的输出导纳矩阵；
步骤二：在变换器系统中加入滤波器，对前馈项Gcancle进行滤波，获得改进前馈项Gcancle'：
Figure FDA0002187807490000013
其中，
Figure FDA0002187807490000014
L1表示变换器侧电路的等效电感值、s表示频域复变量、Hfilter(s)表示通用滤波器的频域传递函数；
步骤三：利用改进前馈项Gcancle'和变换器系统q轴小信号电压值获得实际前馈项Gcancle *：
Figure FDA0002187807490000016
其中，
Figure FDA0002187807490000017
表示变换器系统d轴稳态电压值、GPI表示锁相环PI参数矩阵；
步骤四：在电流环PI输出项加入实际前馈项Gcancle *，进行补偿，使得变换器获得稳定输出，完成对变换器侧电路的开关控制。
2.根据权利要求1所述的一种提高并网变换器稳定性的控制方法，其特征在于，
步骤四中，将实际前馈项加入到电流环PI输出之后，得到改进的控制器表达式为：
Figure FDA0002187807490000018
其中，
Figure FDA0002187807490000019
表示dq轴PWM输入电压参考值向量、
Figure FDA00021878074900000110
表示dq轴控制器电流参考值向量、
Figure FDA00021878074900000111
表示dq轴控制器电流实际值向量、表示dq轴控制器电压值向量、Gci表示电流环PI控制器矩阵向量。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高并网变换器稳定性的控制方法，其特征在于，步骤三中，实际前馈项Gcancle *能够简化为：
Figure FDA0002187807490000021
其中，
Figure FDA0002187807490000022
Figure FDA0002187807490000023
表示变换器系统d轴稳态电流值，
Figure FDA0002187807490000024
表示变换器系统q轴稳态电流值。
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