CN107769253A - 孤岛微电网电压源型逆变器和svc交互影响的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,所述方法包括:步骤1:建立中低压孤岛微电网模型;步骤2:基于中低压孤岛微电网模型,建立电压源型逆变器并入孤岛微电网结构;步骤3:基于中低压孤岛微电网模型,建立静止无功补偿装置并入孤岛微电网结构;步骤4,对孤岛微电网中电压源型逆变器和静止无功补偿装置的交互影响进行分析;解决了现有的不足,实现了有效对孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响进行分析的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及微电网研究领域,具体地,涉及一种孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法。
背景技术
由于微电网中分布式电源的随机波动性,电压波动经常发生。提高微电网的电压稳定性,要求系统具有快速无功支撑能力。柔性交流输电系统(flexible AC trans-mission systems,FACTS)具有快速可靠的调节特性,可以增强交流输电系统的可控性和稳定性。SVC作为一种常用FACTS装置,可通过向电网注入感性或容性无功功率,快速抑制电压波动,提高电力系统的稳定性。由于微电网中微电源种类繁多、可控程度不同,逆变器的控制方式也各不相同。微电网中各类逆变器并联运行时,其控制通道之间的交互作用会导致系统出现电能质量和稳定性的问题。当微电网与外部电网连接断开,运行在孤岛模式时,其母线电压只由微电源支撑。由于母线电压由逆变器控制性能来决定,当母线上存在除逆变器以外的其他电力电子装置时,两者之间的负交互作用会对电能质量和系统稳定性产生不利影响。
目前,国内外对逆变器的研究主要集中在:一、逆变器并网阻抗建模,提出了并网逆变器系统的稳定性判据:电网阻抗与逆变器输出阻抗之间的比值需满足奈奎斯特稳定性判据,但是当母线电压由电压源型逆变器支撑时,在传统的电网中可以稳定运行的电力电子装置并不一定适用于孤岛微电网中,其判据很难满足;二、微电网中电压源型逆变器和其他电力电子装置的阻抗建模,提出优化参数来改善系统稳定性。然而,优化参数来改善并网系统稳定性的能力是有限的,当参数调整对提高系统稳定裕度的作用不大时,需加装额外的补偿器。
发明内容
本发明提供了一种孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,解决了现有的不足,实现了有效对孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响进行分析的技术效果。
为实现上述发明目的,本申请提供了一种孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,所述方法包括:
步骤1:建立中低压孤岛微电网模型;
步骤2:基于中低压孤岛微电网模型,建立电压源型逆变器并入孤岛微电网结构;
步骤3:基于中低压孤岛微电网模型,建立静止无功补偿装置并入孤岛微电网结构;
步骤4,对孤岛微电网中电压源型逆变器和静止无功补偿装置的交互影响进行分析。
本发明主要以中低压孤岛微电网为研究背景,建立SVC和电压源型逆变器的输出阻抗模型,基于奈奎斯特稳定判据分析两者间的交互影响,通过在SVC电压调节器中加入超前-滞后补偿环节,提出改善SVC和电压源型逆变器之间的交互影响的控制策略。
其中,系统校正可以通过设计补偿器的结构和参数改善系统以稳定裕量为主的暂态性能和以准确度为主的稳态性能。控制系统校正方式主要分为串联校正、并联校正和局部反馈校正。串联校正环节在频域设计中包括超前校正、滞后校正和超前-滞后校正。超前校正环节可以通过增加系统的相角裕度来提高系统的相对稳定性,且校正后截止频率增大,系统的响应速度得到提高;滞后校正环节可以通过增大开环增益的方式,来提高低频段幅值,进而使截止频率左移,最终提高系统的稳定裕度。
中低压孤岛微电网示意图如图1所示。该微电网由一个微电源、一个柴油发电机系统、一台静止无功补偿装置(SVC)和负载并联而成。
步骤2,建立电压源型逆变器并网结构图。微电源通过逆变器接入电网运行结构如图2所示。其中,L1、C1为分别为逆变器侧滤波电感和电容;Lg、Rg分别为连接变压器等效电抗和电阻。图3为逆变器控制框图。逆变器采用双环控制结构,PI(s)为电压外环调节器的传递函数,其表达式为PI(s)=Kp+Ki/s,其中,Kp和Ki分别为PI控制器的比例增益和积分增益。内环为电感电流环,采用比例P控制,其中,Ke为电流环比例系数;KPWM为逆变器增益;Eref为电压环参考指令电压;uo为逆变器输出电压;io为逆变器输出电流,iL逆变器侧电感电流。逆变器闭环传递函数和逆变器等效输出阻抗表达式分别表示如下
uo(s)=G1(s)Eref-ZI(s)io(s) (3-1)
其中,其中,L1、C1为分别为逆变器侧滤波电感和电容;G1(s)为逆变器输出电压跟踪的闭环传递函数;Lg、Rg分别为连接变压器等效电抗和电阻;Kp为PI控制器的比例增益;Ki为PI控制器的积分增益;Ke为电流环比例系数;KPWM为逆变器增益;Eref为电压环参考指令电压;uo为逆变器输出电压;io为逆变器输出电流,iL逆变器侧电感电流,s是进行拉普拉斯变换后的变量。
步骤3,建立SVC并网结构图。图4为SVC并网结构示意图,采用TCR+FC模型进行无功补偿。L2为晶闸管连接电感,C2为固定电容器等效电容。其电压调节器采用增益-时间常数模型,控制框图如图5所示,其中,Vref为SVC安装点参考电压,KT称为稳态增益,它被定义为调差率的倒数,Tr为时间常数,Ty为晶闸管触发延迟时间。SVC闭环传递函数和逆变器等效输出阻抗表达式分别表示如下
uPCC(s)=G2(s)Vref-ZSVC(s)io(s) (3-3)
其中,L2为晶闸管连接电感,C2为固定电容器等效电容;G2(s)为SVC输出电压跟踪的闭环传递函数;Vref为SVC安装点参考电压;KT称为稳态增益,它被定义为调差率的倒数;Tr为时间常数;Ty为晶闸管触发延迟时间。
步骤4,孤岛微电网中电压源型逆变器和SVC交互影响分析。电压源型逆变器单独运行时可表示为一个电压源UI和其等效输出阻抗ZI串联的戴维南等效电路等效电路,如图6(a)所示;SVC单独运行时可表示为一个电流源ISVC和其等效输出阻抗ZSVC并联的诺顿等效电路,如图6(b)所示。根据基尔霍夫定律可推出
其中,UPCC为公共连接点电压;IO为公共连接点电流;Zg为连接变压器等效阻抗。
电压(流)源和负载间的交互作用可用一个闭环控制系统表示,其传递函数框图如图7所示。电压源和负载的交互作用可表示为下式:
电流源和负载的交互作用可表示为下式
根据叠加定理,可得
其中,其中,UI和ZI为电压源及其等效输出阻抗;ISVC和ZSVC为电流源及其等效输出阻抗;Zg为连接变压器等效阻抗;H1的表达式类似于一个具有单位正向增益,负反馈增益为(Zg+ZI)/ZSVC的闭环控制系统的传递函数。H1的表达式类似于一个具有单位正向增益,负反馈增益为(Zg+ZI)/ZSVC的闭环控制系统的传递函数。
电压源型逆变器和SVC自身稳定性要求,电压源型逆变器在空载运行时开路电压UI是稳定的,同时逆变器侧等效输出阻抗Zg+ZI没有右半平面的极点;当逆变器侧阻抗为零时,SVC的短路电流是稳定的。由以上条件可推出,式(3-9)中的[UI-ISVC(Zg+ZI)]是稳定的。因此,PCC点电压的稳定性只取决于H1的稳定性。此时,如果从PCC点看向逆变器侧输出阻抗与SVC输出阻抗的比值满足奈奎斯特稳定性判据,则逆变器和SVC可以稳定运行。若不满足,则需要采取相应地措施来提高系统的稳定裕度。
步骤5,加入超前-滞后补偿环节。传统超前-滞后补偿环节的传递函数一般形式如下
其中,ɑ>1,为超前补偿器;ɑ<1,为滞后补偿器,T为时间常数。
为了提高系统稳定性,可以采取增大SVC输出阻抗幅值的方式,使其在幅频曲线上与逆变器输出阻抗的交点提前或者对SVC进行相位补偿。本文在SVC电压调节器中加入2个超前-滞后环节,加入补偿器后的电压调节器控制框图如图8所示,Vmeas为安装点测量电压有效值。时间常数T1和T2可通过公式(3-11)计算得出。
其中,ωc表示阻抗交截频率,φ表示需补偿的角度。
本申请提供的一个或多个技术方案,至少具有如下技术效果或优点:
(1)本发明方法以孤岛微电网为研究背景,采用基于奈奎斯特判据与波特图结合的方法分析电压源型逆变器和SVC在孤岛运行时控制通道间的交互影响,建立电压源型逆变器和SVC并网控制系统模型并对其运行特性给予分析。
(2)孤岛运行时,电压源型逆变器和SVC的阻抗之比不满足奈奎斯特判据时,将会导致系统出现不稳定状态。
(3)通过在SVC电压调节器中加入超前-滞后相位补偿环节来提高系统阻抗相角裕度,可有效改善电压源型逆变器和SVC在孤岛运行时出现不稳定的现象。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定;
图1是中低压孤岛微电网模型图;
图2是电压源型逆变器并网结构图;
图3是逆变器控制框图;
图4是SVC并网结构图;
图5是SVC控制框图;
图6a-b是电压源型逆变器和SVC单独作用时等效电路图;
图7a-b是闭环传递函数框图;
图8是加入补偿器后SVC电压调节器控制框图;
图9是(Zg+ZI)/ZSVC的奈奎斯特图;
图10是Zg+ZI和ZSVC的波特图;
图11是加入相位补偿后Zg+ZI和ZSVC的波特图;
图12是加入相位补偿后(Zg+ZI)/ZSVC的奈奎斯特图;
图13a-d是10kV母线电压有效值波形。
具体实施方式
本发明提供了一种孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,解决了现有的不足,实现了有效对孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响进行分析的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在相互不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
步骤1,建立中低压孤岛微电网模型。中低压孤岛微电网示意图如图1所示。该微电网由一个微电源、一个柴油发电机系统、一台静止无功补偿装置(SVC)和负载并联而成。
步骤2,建立电压源型逆变器并网结构模型。微电源通过逆变器接入电网运行结构如图2所示。其中,L1、C1为分别为逆变器侧滤波电感和电容;Lg、Rg分别为连接变压器等效电抗和电阻。图3为逆变器控制框图。逆变器采用双环控制结构,PI(s)为电压外环调节器的传递函数,采用比例积分控制,其表达式为PI(s)=Kp+Ki/s。内环为电感电流环,采用比例P控制,其中,Ke为电流环比例系数;KPWM为逆变器增益;Eref为电压环参考指令电压;uo为逆变器输出电压;io为逆变器输出电流,iL逆变器侧电感电流。逆变器闭环传递函数和逆变器等效输出阻抗表达式分别表示如下
uo(s)=G1(s)Eref-ZI(s)io(s) (5-1)
步骤3,建立SVC并网结构模型。图4为SVC并网结构示意图,采用TCR+FC模型进行无功补偿。L2为晶闸管连接电感,C2为固定电容器等效电容。其电压调节器采用增益-时间常数模型,控制框图如图5所示,其中,Vref为SVC安装点参考电压,KT称为稳态增益,它被定义为调差率的倒数,Tr为时间常数,Ty为晶闸管触发延迟时间。SVC闭环传递函数和逆变器等效输出阻抗表达式分别表示如下
uPCC(s)=G2(s)Vref-ZSVC(s)io(s) (5-3)
步骤4,孤岛微电网中电压源型逆变器和SVC交互影响分析。电压源型逆变器单独运行时可表示为一个电压源UI和其等效输出阻抗ZI串联的戴维南等效电路等效电路,如图6(a)所示;SVC单独运行时可表示为一个电流源ISVC和其等效输出阻抗ZSVC并联的诺顿等效电路,如图6(b)所示。根据基尔霍夫定律可推出
电压(流)源和负载间的交互作用可用一个闭环控制系统表示,其传递函数框图如图7所示。电压源和负载的交互作用可表示为下式
电流源和负载的交互作用可表示为下式
根据叠加定理,可得
电压源型逆变器和SVC自身稳定性要求,电压源型逆变器在空载运行时开路电压UI是稳定的,同时逆变器侧等效输出阻抗Zg+ZI没有右半平面的极点;当逆变器侧阻抗为零时,SVC的短路电流是稳定的。由以上条件可推出,式(5-9)中的[UI-ISVC(Zg+ZI)]是稳定的。因此,PCC点电压的稳定性只取决于H1的稳定性。H1的表达式类似于一个具有单位正向增益,负反馈增益为(Zg+ZI)/ZSVC的闭环控制系统的传递函数。此时,如果从PCC点看向逆变器侧输出阻抗与SVC输出阻抗的比值满足奈奎斯特稳定性判据,则逆变器和SVC可以稳定运行。
步骤7,加入超前-滞后补偿环节。传统超前-滞后补偿环节的传递函数一般形式如下
其中,ɑ>1,为超前补偿器;ɑ<1,为滞后补偿器。
为了提高系统稳定性,可以采取增大SVC输出阻抗幅值的方式,使其在幅频曲线上与逆变器输出阻抗的交点提前或者对SVC进行相位补偿。本文在SVC电压调节器中加入2个超前-滞后环节,加入补偿器后的电压调节器控制框图如图8所示,Vmeas为安装点测量电压有效值。时间常数T1和T2可通过公式(5-11)计算得出。
其中,ωc表示阻抗交截频率,φ表示需补偿的角度。
根据本发明的方法,基于已建立的微电网电压源型逆变器和SVC并网系统模型分析孤岛运行时控制通道间的交互影响。对某中低压微电网系统进行仿真分析。逆变器和SVC参数分别如表1和表2所示
表1.逆变器参数
表2.SVC参数
图9为(Zg+ZI)/ZSVC的奈奎斯特曲线。从图中可以看出,(Zg+ZI)/ZSVC的奈奎斯特曲线包围(-1,0)点,表明系统在该情况下是不稳定的。图10为逆变器侧输出阻抗Zg+ZI和SVC输出阻抗ZSVC的波特图。根据奈奎斯特判据,要求(Zg+ZI)/ZSVC在0dB处有一定的相位裕度。因此,闭环系统的稳定性可以通过观察Zg+ZI和ZSVC幅值在交截频率处的相位差是否为180°来判定。图10中,在低于19.7Hz频率范围内,Zg+ZI的幅值超过了ZSVC的幅值,且在19.7Hz附近两者的相位差为180°,此时(Zg+ZI)/ZSVC不满足奈奎斯特稳定性判据。由于电流源(SVC)和电压源(逆变器)都不是理想电源,逆变器和SVC之间的交互影响导致系统不稳定。
由图10可知,逆变器侧阻抗和SVC阻抗的交截频率为19.7Hz。分别用两个滞后环节,每个补偿15°。加入补偿器前后的系统阻抗波特图如图11所示,其中未加补偿器的SVC输出阻抗在图中表示为ZSVC,加入补偿器后的SVC阻抗表示为Z′SVC。从图中可以看出,加入补偿器后,系统相位裕度和SVC的阻抗幅值在交截频率附近都有所增大。加入补偿器后,逆变器侧输出阻抗与SVC输出阻抗的比值满足奈奎斯特判据,故系统保持稳定。
图12为SVC加入补偿器后的(Zg+ZI)/ZSVC奈奎斯特曲线,从图中可以看出,(Zg+ZI)/ZSVC的奈奎斯特曲线对(-1,0)包围次数是0,表明加入补偿器后,系统是稳定的。
仿真验证本发明方法的可行性。在MATLAB/Simulink中搭建电压源型逆变器和SVC并联运行的模型。参数均采用表1和表2,以仿真验证当电压源型逆变器和SVC孤岛运行时,控制通道间交互影响分析和所提改善方法的正确性。
图13(a)、(b)、(c)、(d)分别为逆变器和SVC各自单独运行、逆变器和未加补偿器SVC并联运行以及逆变器和加补偿器SVC并联运行的10kV母线电压有效值波形。
通过以上仿真可以看出,逆变器、SVC各自单独运行时,10kV母线电压(标幺值)稳定在1pu;逆变器与未加补偿器的SVC并联运行时,10kV母线电压(标幺值)波动幅度较大,出现近似的等幅振荡,系统变得不稳定;逆变器与加装补偿器的SVC并联运行时,10kV母线电压(标幺值)出现较小的波动,系统可以稳定运行。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤1:建立中低压孤岛微电网模型;
步骤2:基于中低压孤岛微电网模型,建立电压源型逆变器并入孤岛微电网结构;
步骤3:基于中低压孤岛微电网模型,建立静止无功补偿装置并入孤岛微电网结构;
步骤4,对孤岛微电网中电压源型逆变器和静止无功补偿装置的交互影响进行分析。
2.根据权利要求1所述的孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,其特征在于,中低压孤岛微电网模型包括彼此并联的:微电源、柴油发电机系统、静止无功补偿装置和负载。
3.根据权利要求1所述的孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,其特征在于,逆变器闭环传递函数和逆变器等效输出阻抗表达式分别为:
uo(s)=G1(s)Eref-ZI(s)io(s) (3-1)
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其中,L1、C1为分别为逆变器侧滤波电感和电容;G1(s)为逆变器输出电压跟踪的闭环传递函数;Lg、Rg分别为连接变压器等效电抗和电阻;Kp为PI控制器的比例增益;Ki为PI控制器的积分增益;Ke为电流环比例系数;KPWM为逆变器增益;Eref为电压环参考指令电压;uo为逆变器输出电压;io为逆变器输出电流,iL逆变器侧电感电流,s是进行拉普拉斯变换后的变量。
4.根据权利要求1所述的孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,其特征在于,所述方法还包括步骤5:在静止无功补偿装置电压调节器中加入超前-滞后相位补偿环节。
5.根据权利要求1所述的孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,其特征在于,静止无功补偿装置闭环传递函数和逆变器等效输出阻抗表达式分别为:
uPCC(s)=G2(s)Vref-ZSVC(s)io(s) (3-3)
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</mrow>
其中,L2为晶闸管连接电感,C2为固定电容器等效电容;G2(s)为SVC输出电压跟踪的闭环传递函数;Vref为SVC安装点参考电压;KT称为稳态增益,它被定义为调差率的倒数;Tr为时间常数;Ty为晶闸管触发延迟时间。
6.根据权利要求1所述的孤岛微电网电压源型逆变器和SVC交互影响的分析方法,其特征在于,电压源和负载的交互作用表示为:
<mrow>
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<mn>3</mn>
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<mn>9</mn>
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</mrow>
</mrow>
其中,UI和ZI为电压源及其等效输出阻抗;ISVC和ZSVC为电流源及其等效输出阻抗;Zg为连接变压器等效阻抗;H1的表达式类似于一个具有单位正向增益,负反馈增益为(Zg+ZI)/ZSVC的闭环控制系统的传递函数。
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CN201711148478.9A CN107769253A (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 孤岛微电网电压源型逆变器和svc交互影响的分析方法 |
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CN113300624A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-08-24 | 新疆希望电子有限公司 | 一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法 |
CN113991658A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-01-28 | 国网北京市电力公司 | 电力设备控制方法及装置 |
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- 2017-11-17 CN CN201711148478.9A patent/CN107769253A/zh active Pending
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