CN107257141A - 利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法 - Google Patents

利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法。以三相并网变流器内部的直流电容电压控制器输出帕克变换角频率，作为变流器的角频率实际值，实现直流电容电压与变流器输出角频率的动态耦合，达到以直流电容动态实现变流器并网自同步的目的。本发明方法实现了三相变流器的无锁相环自同步并网，使变流器可适应于低短路比的弱电网，且可利用直流电容的储能实现三相变流器参与电网的频率调节，提高变流器对电网的频率支撑能力。

Description

利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体涉及一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法。
背景技术
近年来，随着以风电、光伏为主的可再生能源技术的发展，电网中三相变流器的渗透率逐渐增大。在未来以变流器为主导的电网中，变流器的特性决定了电网的特性，并对电网的安全稳定运行具有重要意义，因此，变流器的控制方法得到了广泛的关注。
目前，三相变流器的控制主要采用基于锁相环的矢量控制，但这种控制方法无法使变流器参与到电网的频率调节中，也无法使变流器在电网频率波动时为电网提供有功功率以支撑电网频率。并且，已有研究指出，基于锁相环控制的变流器不适应于弱电网下运行，因为弱电网下锁相环的动态性能变差，并可能使变流器失去稳定，危及电网的安全稳定运行。
发明内容
为了解决现有技术中采用锁相环控制的三相变流器不适应于弱电网运行且无法支撑电网频率的问题，本发明提出一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法。
本发明方法使变流器不需要通过锁相环实现与电网的同步，因此可适应于低短路比(即短路比小于等于3)的弱电网运行，并且可以利用直流电容的储能实现对电网的频率支撑，提高变流器对电网的频率支撑能力，改善了动态性能(动态性能主要是指小扰动分析下的稳定性)。
如图1所示，本发明的技术方案采用以下技术方案：
本发明以三相并网变流器内部的直流电容电压控制器输出帕克变换(ParkTransformation)角频率，作为变流器的角频率实际值，实现直流电容电压与变流器输出角频率的动态耦合，达到以直流电容动态实现变流器并网自同步的目的。
帕克变换角频率输入到积分器中经积分计算生成变流器相位θ，变流器相位θ和LCL滤波器的采样信号一起经帕克变换输出电流和电压的dq坐标分量，电流和电压的dq坐标分量经控制运算后再和变流器相位θ(是由变流器相位θ经空间矢量调制解算还原)一起输入到三相并网变流器中。
所述帕克变换角频率通过以下公式生成：
其中，ω*是帕克变换角频率，作为变流器的角频率实际值，ω0是变流器的角频率设定值，s是拉普拉斯算子，VDC是直流电容电压，是直流电容电压参考值，f(s)为复数域下的传递函数表达式，可表示为：
其中，a0,a1,...,an分别表示传递函数f(s)的第一、第二、…、第n超前系数，b0,b1,...bm分别表示传递函数f(s)的第一、第二、…、第m滞后系数，s是拉普拉斯算子，m、n分别表示为复数域频率下的分母分子阶数，且an≠0，bm≠0，m≥0，n≥0。
优选地，上式中特定的传递函数可以采用超前滞后环节(s+KT)/(KJs+KD)，使所述变流器的角频率ω*通过以下方式控制：
其中，ω*是帕克变换角频率，作为变流器的角频率实际值，ω0是变流器的角频率设定值，s是拉普拉斯算子，VDC是直流电容电压，是直流电容电压参考值，KT是直流电压跟踪系数，KJ是惯量模拟系数，KD是阻尼系数。
所述的变流器的角频率设定值ω0是用户输入的角频率值或者检测获得的电网角频率。
无论是采用超前滞后环节(s+KT)/(KJs+KD)或是采用传递函数，都可以实现直流电容电压与变流器输出角频率的动态耦合，达到以直流电容动态实现变流器并网自同步的目的。本发明采用超前滞后环节(s+KT)/(KJs+KD)是出于进一步改善系统动态性能的考虑，能够改善小扰动分析下的稳定性。
本发明的有益效果是：
本发明解决了传统变流器无法适应弱电网运行的技术问题，提出一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法，通过直流电容电压控制器输出变流器帕克变换角频率，实现直流电容电压与变流器输出角频率的动态耦合，达到以直流电容动态实现变流器并网自同步的目的。
本发明方法使变流器不需要通过锁相环实现与电网的同步，因此可适应于弱电网运行，并且可以利用直流电容的储能实现对电网的频率支撑。
本发明方法可应用于双馈或直驱风机的网侧三相变流器、光伏的并网三相逆变器以及柔性直流输电的三相变流站，实现电网中三相变流器的无锁相环自同步并网，提高电网中三相变流器对弱电网的适应性。
附图说明
图1为本发明中利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法基本框图。
图2为本发明中三相变流器的并网示意图。
图3为本发明中三相变流器的虚拟功角曲线。
图4为实施例仿真验证中采用本发明控制方法时变流器的虚拟功角轨迹。
图5为实施例仿真验证中采用本发明控制方法时变流器的时域响应曲线。
图6为实施例仿真验证中电网频率跌落时采用本发明控制方法的变流器的时域响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的原理如下：
三相并网变流器常采用“虚拟阻抗-电压控制-电流控制”的三环控制结构，以提高变流器的动态性能，并应用无功-电压下垂控制实现无通讯的无功功率均分以及对电网的电压支撑。交流电压电流控制采用基于帕克变换的矢量控制，其中，电压外环设定电压q轴分量Vq的给定值为零，使逆变器的输出电压综合矢量定位在d轴上。典型控制结构1所示，Iabc是LCL的变流器侧电感电流，Id与Iq是Iabc在dq坐标下的分量，Vabc是LCL的电容电压，Vd与Vq是Vabc在dq坐标下的分量，Ioabc是LCL的网侧电感电流，Iod与Ioq是Ioabc在dq坐标下的分量，V0是无功-电压下垂的电压设定值，KQ是下垂系数，QE是变流器的输出无功功率，Q0是无功功率的设定值。
图2给出了三相变流器的并网示意图，可以看到，在交流侧三相变流器经过LCL滤波器再经过线路连接到电网，在直流侧三相变流器经过直流电容与功率源连接，功率源可以是光伏面板等。其中，LF是LCL的变流器侧电感值，CF是LCL的电容值，Lg是LCL的网侧电感值，Ll是线路电感值，Rl是线路电阻值，Uabc是电网电压矢量。
本发明通过直流电容电压控制器输出特定的角频率，其控制计算方式表示为：
其中，ω*是变流器的角频率实际值，ω0是变流器的角频率设定值，s是拉普拉斯算子，VDC是直流电容电压，是直流电容电压参考值，KT是直流电压跟踪系数，KJ是惯量模拟系数，KD是阻尼系数。
通过积分ω*可以得到变流器的相位θ。
直流电容的动态方程可以表示为：
其中，CDC是直流电容值，VDC是直流电压，iS与PS是直流侧功率源的输出电流与功率，iE与PE是变流器侧的电流与功率。
式(2)可进一步写为：
其中，t表示时间。
将式(3)代入式(1)可得：
其中，J＝CDCKJ/2是等效的惯量时间常数，D＝CDCKD/2是等效的阻尼系数。
式(4)可分为两项，即电网同步项和直流电压跟踪项，在这里，我们主要关注本发明所提出的控制方法如何实现变流器的无锁相环自同步，因此我们忽略式(4)中的直流电压跟踪项，从而式(4)可以进一步表示为：
Jsω *+D(ω*-ω0)-(PS-PE)＝0 (5)
令δ＝θ-θg为变流器相角与电网相角之差，定义为变流器的虚拟功角，考虑到sθ＝ω*与sθg＝ω0，结合式(5)可得：
Js2δ+Dsδ＝PS-PE (6)
变流器的有功功率输出可以表示为：
其中，V是逆变器的输出电压幅值，U是电网电压幅值，X＝(Lg+Ll+Lv)ω0是等效电抗值，Lv是虚拟电感。
由式(6)可以得到变流器的虚拟功角曲线，联立式(6)与式(7)可得系统有两个静态平衡点，即图3中虚拟功角曲线上的点a与点b，对其进行小扰动分析可以确定：a点是稳定的静态平衡点，b点是不稳定的静态平衡点。因此稳态时变流器将工作于a点，且只要虚拟功角曲线与PS有交点，变流器即可实现与电网的自同步。
由上述分析可知，本发明所提出的控制方法使直流电容电压控制器输出变流器角频率ω*，实现直流电容电压与变流器输出角频率的动态耦合，如式(1)所示，从而达到以直流电容动态实现变流器并网自同步的目的。该自同步机理可以由式(6)与式(7)确定的等效模型分析得出，即采用本发明提出的利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法时，三相变流器并网系统存在稳定的静态虚拟功角平衡点，因此变流器相位可以与电网相位保持同步，且该同步关系的建立不需依靠传统控制中的锁相环，即变流器在本发明提出的控制方法下可以实现并网自同步。
本发明的具体实施例如下：
实施例以单变流器并入无穷大系统(如图2所示)为例，对单机无穷大系统进行仿真，变流器采用本发明提出的控制方法，如图1所示，可以看出图1的控制结构中不含传统锁相环。系统标幺化处理时，变流器容量的基准值为50KVA，交流线电压基准值为380V，交流频率基准值是50Hz，直流母线电压基准值为700V。当图2中直流母线上功率源的有功功率输出从PS＝0阶跃到PS＝0.6p.u.(其中p.u.表示标幺值)且等效电抗X＝0.2p.u.时，变流器的虚拟功角轨迹如图4(a)所示。可以看出，变流器经过暂态过程后重新到达虚拟功角曲线上的稳定平衡点，即变流器可以实现无锁相环地与电网自同步，验证了上述分析。当X＝0.4p.u.时，变流器运行于弱电网(此时电网短路比为2.5)，此时变流器的虚拟功角轨迹如图4(b)所示，可以看出，当X取值不同时，虚拟功角曲线发生变化，但变流器经过暂态过程后仍可以到达虚拟功角曲线上的稳定平衡点，验证了本发明所提出的控制方法对于弱电网的适应性。
图5给出了当t＝2s直流母线上功率源的有功功率输出从PS＝0.3p.u.阶跃到PS＝0.6p.u.时变流器的时域响应曲线。可以看出，变流器的有功功率输出PE(p.u.)，无功功率输出QE(p.u.)，直流电容电压VDC(p.u.)与输出频率f*(Hz)(这里f*＝ω*/2π)均具有快速响应特性以及良好的动态特性。逆变器经过暂态过程后可以到达新的平衡点，即变流器可以实现无锁相环地与电网自同步，验证了上述原理分析。
图6给出了当t＝0.5s电网频率跌落0.5Hz时变流器的时域响应曲线，可以看出，电网频率跌落时，变流器直流电压下降并释放响应的储能用于支持电网频率，变流器有功功率输出短时间内由0.6p.u.上升到0.8p.u.，且直流电压从1.0p.u.下降到0.9p.u.，仍处于合理范围之内，验证了本发明方法在实现变流器自同步的同时可以实现对电网的频率支撑。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法，其特征在于：以三相并网变流器内部的直流电容电压控制器输出帕克变换(Park Transformation)角频率，作为变流器的角频率实际值，实现直流电容电压与变流器输出角频率的动态耦合，达到以直流电容动态实现变流器并网自同步的目的。
2.根据权利要求1所述的一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法，其特征在于：所述帕克变换角频率通过以下公式生成：
<mrow> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中，ω*是帕克变换角频率，即变流器的角频率实际值，ω0是变流器的角频率设定值，s是拉普拉斯算子，VDC是直流电容电压，是直流电容电压参考值，f(s)为复数域下的传递函数表达式。
3.根据权利要求2所述的一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法，其特征在于：所述复数域下的传递函数f(s)表示为：
<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mi>s</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msup> <mi>s</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <mo>...</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>m</mi> </msub> <msup> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msup> <mi>s</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <mo>...</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，a0,a1,...,an分别表示传递函数f(s)的第一、第二、…、第n超前系数，b0,b1,...bm分别表示传递函数f(s)的第一、第二、…、第m滞后系数，s是拉普拉斯算子，m、n分别表示为复数域频率下的分母分子阶数，且an≠0，bm≠0，m≥0，n≥0。
4.根据权利要求1所述的一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法，其特征在于：所述帕克变换角频率通过以下方式控制生成：
<mrow> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>T</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>J</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>D</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中，ω*是帕克变换角频率，即变流器的角频率实际值，ω0是变流器的角频率设定值，s是拉普拉斯算子，VDC是直流电容电压，是直流电容电压参考值，KT是直流电压跟踪系数，KJ是惯量模拟系数，KD是阻尼系数。
5.根据权利要求2或4所述的一种利用直流电容动态实现自同步的三相并网变流器控制方法，其特征在于：所述的变流器的角频率设定值ω0是用户输入的角频率值或者检测获得的电网角频率。
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