CN108365631B - 分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法及系统，所述方法包括：根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型；创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；对所述多个电路仿真模型进行电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率支持电路电压；对所述多个电路仿真模型进行无功功率的跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；所述方法及系统建立电路仿真模型及无功电压电路控制模型，通过仿真实验获得可根据接入电网类型切换控制方法的控制模型，以满足不同使用场景的不同电网需求。

Description

分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及电力控制领域，更具体地，涉及一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法及系统。
背景技术
变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备，其包括逆变器；逆变器是在电网中利用高频电桥电路将直流电变换成交流电的电子器件，它被广泛的应用在电力领域中；随着用电场景的日益丰富，变流器会使用在多种电网下；而使用在大电网下的变流器主要需要满足的是其向电网输送的功率准确，满足电网需求的功率值，且功率跟随性能好，可以及时响应电网需求的变化；使用在微电网中时，主要需要满足的是变流器的输出电压稳定且准确；目前对变流器的控制方法无法同时满足针对不同使用场景的不同电网需求，使得对应变流器的使用场景受限，无法满足目前用电场景日益丰富的社会现实。
发明内容
为了解决背景技术存在的目前对变流器使用场景受限，其控制方法无法同时满足针对不同使用场景的不同电网需求的问题，本发明提供了一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法及系统，所述方法及系统建立电路仿真模型及无功电压电路控制模型，通过仿真实验获得可根据接入电网类型切换控制方法的控制模型，以满足不同使用场景的不同电网需求，所述一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法包括：
根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型，所述电路仿真模型包括逆变电路、测量电路以及滤波电路；
在电力仿真软件中创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；
对所述多个电路仿真模型进行三相接地短路的电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率以支持电路电压；
对所述多个电路仿真模型进行无功功率的额定功率跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；
根据各个电路仿真模型的验证结果确认对应的每一个仿真电路模型是否满足电网的电压控制需求；
进一步的，所述无功电压控制模型依据下式创建：
Figure BDA0001604049650000021
其中，E为电路仿真模型的输出电压；Eref为电路仿真模型的输出电压参考设定值；Dq为无功功率下垂控制系数；Qe为电路仿真模型的无功功率；Qref为无功功率的参考值；Kp、Ki以及Td为PI控制器的设定参数；KE为电压反馈系数；U为输出电压幅值的参考值；
进一步的，所述三相接地短路的电压暂降仿真实验通过在电网侧实现在一定时间t内短路阻抗与电网阻抗的阻抗比为1比1，使电压暂降50％；
进一步的，所述无功电压电路控制模型用于根据电路仿真模型所接入的电网类型进行控制选择，所述电路仿真模型应用在微电网中时，使用下垂控制而屏蔽PI控制进行无功电压控制模型的创建；在大电网中时，为保证无功功率的跟随性能，使用PI控制而屏蔽下垂控制进行无功电压控制模型的创建；
进一步的，所述电路仿真模型建立在三相静止坐标系下或DQ坐标系下；
所述一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真系统包括：
电路仿真模型创建单元，所述电路仿真模型创建单元用于根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型，所述电路仿真模型包括逆变电路、测量电路以及滤波电路；
无功电压控制模型创建单元，所述无功电压控制模型创建单元用于在电力仿真软件中创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；
电路仿真模型控制单元，所述电路仿真模型控制单元包括电压暂降仿真模块以及功率跟随仿真模块；
所述电压暂降仿真模块用于对所述多个电路仿真模型进行三相接地短路的电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率以支持电路电压；
所述功率跟随仿真模块用于对所述多个电路仿真模型进行无功功率的额定功率跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；
所述电路仿真模型控制单元根据各个电路仿真模型的验证结果确认对应的每一个仿真电路模型是否满足电网的电压控制需求；
进一步的，所述无功电压控制模型从电路仿真模型中获得电路仿真模型的输出电压E、电路仿真模型的输出电压参考设定值Eref、无功功率下垂控制系数Dq、电路仿真模型的无功功率Qe、无功功率的参考值Qref、电压反馈系数KE、输出电压幅值的参考值U、PI控制器的设定参数Kp、Ki以及Td；所述无功电压控制模型依据如下控制式进行创建：
Figure BDA0001604049650000031
进一步的，所述电压暂降仿真模块用于在一定时间t内使电网侧短路阻抗与电网阻抗的阻抗比为1比1，使电压暂降50％；
进一步的，所述电路仿真模型控制单元包括控制选择模块，所述控制选择模块用于使电路仿真模型控制单元根据电路仿真模型所接入的电网类型进行控制选择；所述电路仿真模型应用在微电网中时，所述电路仿真模型控制单元使用下垂控制而屏蔽PI控制进行无功电压控制模型的创建；在大电网中时，为保证无功功率的跟随性能，所述电路仿真模型控制单元使用PI控制而屏蔽下垂控制进行无功电压控制模型的创建；
进一步的，所述电路仿真模型创建单元以及所述无功电压控制模型创建单元同时在三相静止坐标系下或DQ坐标系下建立对应的模型。
本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法及系统，所述方法及系统建立电路仿真模型及无功电压电路控制模型，通过仿真实验获得可根据接入电网类型切换控制方法的控制模型，以满足不同使用场景的不同电网需求，进而根据各个电路仿真模型的验证结果确认对应的每一个仿真电路模型是否满足电网的控制需求；所述方法及系统可根据电网的需求仿真可满足其需求的控制模型，进而应用到实际的并网变流器中。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明具体实施方式的一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式的电路仿真模型示意图；
图3为本发明具体实施方式的无功电压控制模型示意图；
图4为本发明具体实施方式的电压暂降试验中电网电压暂降曲线以及电路仿真模型输出的无功功率曲线图；
图5为本发明具体实施方式的跟随性能试验中电路仿真模型输出的无功功率曲线图；
图6为本发明具体实施方式的一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为本发明具体实施方式的一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法的流程图；所述方法建立电路仿真模型及无功电压电路控制模型，通过仿真实验获得可根据接入电网类型切换控制方法的控制模型，以满足不同使用场景的不同电网需求，所述一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法包括：
步骤110，根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型，所述电路仿真模型包括逆变电路、测量电路以及滤波电路；
以本实施例为例，所述电路仿真模型的示意图如图2所示；在图2所示的电路中，Ud为等效的直流电压源，即为整个变流器系统的储能部分提供直流电压；I1～I6是桥式逆变器中的六个IGBT开关；R、L、C分别是虚拟同步机的滤波电感阻抗、滤波电容；iabc、ioabc、icabc分别是滤波电感的三相电流、流向公共母线的三相电流以及滤波电容三相电流；uoabc是三相滤波电容的输出电压，即电路仿真模型的输出电压，也是公共电网三相电压；
以本实施例为例，所述电路仿真模型在电力仿真软件PSCAD中搭建，所述电路仿真模型的电路参数如下表所示：
表1电路仿真模型电路参数表
参数名称 数值
额定功率S<sub>n</sub>/kW 20
u<sub>abc</sub>(L-L)/V 380
开关频率/Hz 10k
直流电压U<sub>d</sub>/V 800
滤波电感L/mH 4.5
滤波电容C/μF 22
滤波电阻R/ohm 0.2
负载阻抗Z<sub>L</sub>/ohm 15+j0.75
电网阻抗Zg/ohm 0.1
短路阻抗Zk/ohm 0.1
直流源电压U<sub>d</sub>/kV 0.8
直流源内阻r<sub>d</sub>/ohm 0
步骤120，在电力仿真软件中创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；
如图2中所示的中央控制器、VSG控制器、内环PR控制器以及PWM发生器均为电路仿真模型中用于闭环反馈控制的模块，其中所述VSG控制器即包括所述无功电压控制模型；通过建立如上所述的无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中来实现；
所述中央控制器用于预先设定包括输出电压参考设定值等一系列参考值，供无功电压控制模型进行运算使用；
进一步的，如图2中的VSG控制器通过所述无功电压控制模型实现，其搭建方式依据下式创建：
Figure BDA0001604049650000071
其中，E为电路仿真模型的输出电压；Eref为电路仿真模型的输出电压参考设定值；Dq为无功功率下垂控制系数；Qe为电路仿真模型的无功功率；Qref为无功功率的参考值；Kp、Ki以及Td为PI控制器的设定参数；KE为电压反馈系数；U为输出电压幅值的参考值；
图3为本发明具体实施方式的无功电压控制模型示意图；图3即通过所述公式：
Figure BDA0001604049650000072
进行的示意图绘制，以本实施例为例，所述无功电压控制模型在电力仿真软件PSCAD中搭建，如图3所述的无功电压控制模型作为如图2所述电路仿真模型中的VSG控制器接入所述电路仿真模型中；所述无功电压控制模型的控制参数表如下所示：
表2有功频率控制模型控制参数表
参数名称 数值
参考电压幅值E<sub>ref</sub>/V 311
无功功率下垂控制系数D<sub>q</sub> 0.04
其他所需参数由电路仿真模型的测量电路以及中央控制器等进行提供；
步骤130，对所述多个电路仿真模型进行三相接地短路的电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率以支持电路电压；
以本实施例为例，基于在PSCAD中搭建的双机并联电路仿真模型进行并网仿真验证。共进行两组仿真实验，步骤如下：
电网发生三相接地短路出现电压暂降电路仿真模型并网运行稳定之后，在t＝0.5s使得电网侧出现短路阻抗与电网阻抗比为1:1的电压暂降，下降百分之五十，持续0.08s，观察电压暂降后电路仿真模型的响应效果。
当t＝0.5s发生电压暂降后，电网电压以及电路仿真模型输出的无功功率如图4所示。图4(a)是电网电压的图像，图4(b)是电路仿真模型输出的无功功率的图像。可以看出，当发生电压暂降的时候，电路仿真模型经过设计好的控制算法，可以在电压暂降期间多输出一部分无功功率以支持电压。
步骤140，对所述多个电路仿真模型进行无功功率的额定功率跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；
以本实施例为例，所述仿真实验的实施步骤为：在t＝0s时刻将所述电路仿真模型并入电网；在t＝1s时刻给定无功功率参考值值Qref＝7kVar，观察无功功率的跟随性能；在t＝3s时刻加大无功功率参考值至15kVar；
图5中给出的是电路仿真模型对于无功功率给定值的跟随性能；由图中可以看出，无功功率的控制在所述无功电压控制模型的控制方式下，在响应时间在1s左右，且误差较小，跟随精度也比较高，总体性能良好；进一步的，若使用解耦的控制算法可使曲线变得更为光滑。
进一步的，所述无功电压电路控制模型用于根据电路仿真模型所接入的电网类型进行控制选择，所述电路仿真模型应用在微电网中时，使用下垂控制而屏蔽PI控制进行无功电压控制模型的创建；在大电网中时，为保证无功功率的跟随性能，使用PI控制而屏蔽下垂控制进行无功电压控制模型的创建；
进一步的，所述电路仿真模型建立在三相静止坐标系下或DQ坐标系下；
图6为本发明具体实施方式的一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真系统的结构图，如图6所示，所述系统包括：
电路仿真模型创建单元601，所述电路仿真模型创建单元601用于根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型，所述电路仿真模型包括逆变电路、测量电路以及滤波电路；
无功电压控制模型创建单元602，所述无功电压控制模型创建单元602用于在电力仿真软件中创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；
电路仿真模型控制单元603，所述电路仿真模型控制单元603包括电压暂降仿真模块以及功率跟随仿真模块；
所述电压暂降仿真模块用于对所述多个电路仿真模型进行三相接地短路的电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率以支持电路电压；
所述功率跟随仿真模块用于对所述多个电路仿真模型进行无功功率的额定功率跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；
所述电路仿真模型控制单元603根据各个电路仿真模型的验证结果确认对应的每一个仿真电路模型是否满足电网的电压控制需求；
进一步的，所述无功电压控制模型从电路仿真模型中获得电路仿真模型的输出电压E、电路仿真模型的输出电压参考设定值Eref、无功功率下垂控制系数Dq、电路仿真模型的无功功率Qe、无功功率的参考值Qref、电压反馈系数KE、输出电压幅值的参考值U、PI控制器的设定参数Kp、Ki以及Td；所述无功电压控制模型依据如下控制式进行创建：
Figure BDA0001604049650000101
进一步的，所述电压暂降仿真模块用于在一定时间t内使电网侧短路阻抗与电网阻抗的阻抗比为1比1，使电压暂降50％；
进一步的，所述电路仿真模型控制单元603包括控制选择模块，所述控制选择模块用于使电路仿真模型控制单元根据电路仿真模型所接入的电网类型进行控制选择；所述电路仿真模型应用在微电网中时，所述电路仿真模型控制单元使用下垂控制而屏蔽PI控制进行无功电压控制模型的创建；在大电网中时，为保证无功功率的跟随性能，所述电路仿真模型控制单元使用PI控制而屏蔽下垂控制进行无功电压控制模型的创建；
进一步的，所述电路仿真模型创建单元301以及所述无功电压控制模型创建单元302同时在三相静止坐标系下或DQ坐标系下建立对应的模型。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。本说明书中涉及到的步骤编号仅用于区别各步骤，而并不用于限制各步骤之间的时间或逻辑的关系，除非文中有明确的限定，否则各个步骤之间的关系包括各种可能的情况。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本公开的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真方法，所述方法包括：
根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型，所述电路仿真模型包括逆变电路、测量电路以及滤波电路；
在电力仿真软件中创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；
对所述多个电路仿真模型进行三相接地短路的电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率以支持电路电压；
对所述多个电路仿真模型进行无功功率的额定功率跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；
所述无功电压控制模型依据下式创建：
Figure FDA0002967509670000011
其中，E为电路仿真模型的输出电压；Eref为电路仿真模型的输出电压参考设定值；Dq为无功功率下垂控制系数；Qe为电路仿真模型的无功功率；Qref为无功功率的参考值；Kp、Ki以及Td为PI控制器的设定参数；KE为电压反馈系数；U为输出电压幅值的参考值；
所述无功电压电路控制模型用于根据电路仿真模型所接入的电网类型进行控制选择，所述电路仿真模型应用在微电网中时，使用下垂控制而屏蔽PI控制进行无功电压控制模型的创建；在大电网中时，为保证无功功率的跟随性能，使用PI控制而屏蔽下垂控制进行无功电压控制模型的创建。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述三相接地短路的电压暂降仿真实验通过在电网侧实现在一定时间t内短路阻抗与电网阻抗的阻抗比为1比1，使电压暂降50％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电路仿真模型建立在三相静止坐标系下或DQ坐标系下。
4.一种分布式并网变流器的无功电压控制电路仿真系统，所述系统包括：
电路仿真模型创建单元，所述电路仿真模型创建单元用于根据多个待控制并网变流器的参数在电力仿真软件中创建对应的电路仿真模型，所述电路仿真模型包括逆变电路、测量电路以及滤波电路；
无功电压控制模型创建单元，所述无功电压控制模型创建单元用于在电力仿真软件中创建无功电压控制模型，并将所述无功电压控制模型作为控制逻辑电路接入对应的电路仿真模型中；
电路仿真模型控制单元，所述电路仿真模型控制单元包括电压暂降仿真模块以及功率跟随仿真模块；
所述电压暂降仿真模块用于对所述多个电路仿真模型进行三相接地短路的电压暂降仿真实验，验证电压暂降期间电路仿真模型是否可输出多余无功功率以支持电路电压；
所述功率跟随仿真模块用于对所述多个电路仿真模型进行无功功率的额定功率跟随仿真实验，验证所述电路仿真模型的对于额定功率的跟随性能；
所述无功电压控制模型从电路仿真模型中获得电路仿真模型的输出电压E、电路仿真模型的输出电压参考设定值Eref、无功功率下垂控制系数Dq、电路仿真模型的无功功率Qe、无功功率的参考值Qref、电压反馈系数KE、输出电压幅值的参考值U、PI控制器的设定参数Kp、Ki以及Td；所述无功电压控制模型依据如下控制式进行创建：
Figure FDA0002967509670000021
所述电路仿真模型控制单元包括控制选择模块，所述控制选择模块用于使电路仿真模型控制单元根据电路仿真模型所接入的电网类型进行控制选择；所述电路仿真模型应用在微电网中时，所述电路仿真模型控制单元使用下垂控制而屏蔽PI控制进行无功电压控制模型的创建；在大电网中时，为保证无功功率的跟随性能，所述电路仿真模型控制单元使用PI控制而屏蔽下垂控制进行无功电压控制模型的创建。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述电压暂降仿真模块用于在一定时间t内使电网侧短路阻抗与电网阻抗的阻抗比为1比1，使电压暂降50％。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述电路仿真模型创建单元以及所述无功电压控制模型创建单元同时在三相静止坐标系下或DQ坐标系下建立对应的模型。
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