CN109286325B - 一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，包括：根据多机并联系统的规模搭建所述多机并联系统对应的物理模型，所述规模为构成所述多机并联系统的变压器数量及连接关系；在主从控制模式下，确定所述物理模型对应的等效电路模型；根据节点电压法确定所述等效电路模型的并联谐振分析模型，及所述并联谐振分析模型的谐振影响因素，解决了现有对电力电子变压器多机并联时，谐振特性无正确有效的分析方法的技术问题。

Description

一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法
技术领域
本申请属于电力电子技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法。
背景技术
智能电网的研究与应用正逐渐成为各国电力行业争相研究的主要课题。我国现也对发展智能电网、推动能源生产、利用方式变革和构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，已经提出明确要求。而未来智能电网将有以下需求：高质量、高效率供电、便于交直流混合的可再生能源接入、故障自愈及高可靠运行等，以上的需求很大程度上取决于核心设备的性能及智能化水平。
电力电子变压器(Solid State Transformer，SST)将电力电子变流技术与中高频变压互相结合，可起到变压、变流、隔离的功能，具备较高的智能化，是一种新型的变压设备。与传统配变相比，除具备变压及隔离功能外，还可兼有电能质量治理、故障自愈、潮流双向可控、便于接纳直流源荷等功能，可广泛应用于未来的分布式可再生能源并网、电力机车牵引、绿色数据中心、直流楼宇及新型工业园区等场景。随着可再生能源的发展，上述场景的配网拓扑结构将由单机、单源、单母线结构向多机、多源、环网结构发展，而电力电子变压器并联运行技术是实现上述方向的基础。
目前电力电子变压器可实现多机并联，而多机并联运行面临的主要问题是并联谐振，一旦发生谐振，将导致谐波放大，严重影响设备性能，甚至会烧毁设备，因此需要在建设初期对电力电子变压器多机并联的谐振特性进行分析，为后续的规划建设提供依据。但是现有对电力电子电压器多机并联的谐振特性没有正确有效的分析方法。
因此，提供一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，用于电子电子变压器系统谐振分析，解决了现有对电力电子变压器多机并联时，谐振特性无正确有效的分析方法的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，包括：
根据多机并联系统的规模搭建所述多机并联系统对应的物理模型，所述规模为构成所述多机并联系统的变压器数量及连接关系；
在主从控制模式下，确定所述物理模型对应的等效电路模型；
根据节点电压法确定所述等效电路模型的并联谐振分析模型，及所述并联谐振分析模型的谐振影响因素。
优选地，所述多机并联系统由多台电力电子变压器并联组成；
每一所述电力电子变压器包括依次连接的全桥整流电路、双向有源全桥DC/DC、全桥逆变器、LCL滤波电路，所述全桥整流电路输入端连接电网输入端，所述LCL滤波电路输出端连接负载侧。
优选地，所述LCL滤波电路具体为：
第一电阻R1与第一电感L1串联组成的第一支路；
第二电阻R2与第二电感L2串联组成的第二支路；
滤波电容C构成的第三支路；
所述第二支路和所述第三支路并联后与所述第一支路串联。
优选地，所述在主从控制模式下，确定所述物理模型对应的等效电路模型具体包括：
设定所述物理模型中的一台电力电子变压器为主机，其余电力电子变压器为从机；
设定所述主机的主机控制策略为逆变器侧电容电压内环控制和电感电流外环控制，所述从机的从机控制策略为负载侧输出电流反馈外环控制和电容电压内环的逆变控制；
根据所述主机控制策略、所述从机控制策略分别确定所述主机的主机等效电路模型和所述从机的从机等效电路模型，将所述主机等效电路模型和所述从机等效电路模型并联得到所述等效电路模型。
优选地，所述电感电流外环控制采用比例控制，所述比例控制的传递函数为KP1；
所述逆变器侧电容电压内环控制采用PI控制，所述PI控制的传递函数为：
Figure BDA0001865617120000031
其中，s是频域分析，KP2是比例系数，KI是积分系数。
优选地，所述主机电路等效模型为：
UC(s)＝Gvol(s)Uref_vol(s)-Zout_vol(s)I2(s)；
其中，
Figure BDA0001865617120000032
Gvol(s)为电压系数，KPWM是调制过程放大系数，Uref_vol(s)为参考电压，I2(s)为输出电流，
Figure BDA0001865617120000033
Zout_vol(s)为等效输出阻抗。
优选地，所述负载侧输出电流反馈外环控制采用比例谐振控制。
优选地，所述从机等效电路模型为：
I2(s)＝Gref_eq(s)Iref(s)-Yref_eqUpcc(s)；
其中，Iref(s)为参考电流，Upcc(s)为公共点电压，Gref_eq(s)为电流系数，
Figure BDA0001865617120000034
s是频域分析，KPWM为逆变器增益，
Figure BDA0001865617120000035
Kp3为比例谐振控制的比例系数，ωc为截止频率，ωn为基波频率，h为谐波次数，ki,h为第h次谐振增益，G1＝1/(sL1+R1)，Gc＝1/sC，G2＝1/(sL2+R2)，Yref_eq(s)为等效并联导纳，
Figure BDA0001865617120000036
优选地，根据节点电压法确定所述等效电路模型的并联谐振分析模型为：
Figure BDA0001865617120000041
其中，I2,m为并联谐振分析模型，即第m台从机的从机等效模型，Rself,m为第m台从机的自身谐振影响，Rself,m＝Gref_eq,m，Iref,m为第m台从机的参考电流，Rslave,m,i为与其并联的其他从机对其谐振影响，
Figure BDA0001865617120000042
Iref,i为与第m台并联的其他从机的参考电流，Gref_eq,i为与第m台并联的其他从机的等效受控电流源系数，Yref_eq,i为与第m台并联的其他从机的等效并联导纳，Yg为负载导纳，Yout_vol为主机输出导纳，Rmaster,m为主机对第m台从机的谐振影响，
Figure BDA0001865617120000043
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供了一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，包括：根据多机并联系统的规模搭建所述多机并联系统对应的物理模型，所述规模为构成所述多机并联系统的变压器数量及连接关系；在主从控制模式下，确定所述物理模型对应的等效电路模型；根据节点电压法确定所述等效电路模型的并联谐振分析模型，及所述并联谐振分析模型的谐振影响因素。本申请中，在对多机并联系统分析时，首先确定多机并联系统的物理模型，然后根据主从控制基本原理，确定物理模型对应的等效电路模型，最后根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型，及并联谐振分析模型的谐振影响因素，在得到谐振影响因素后，可以针对谐振影响因素进行调整，为后续的建设规划提供依据，解决了现有对电力电子变压器多机并联时，谐振特性无正确有效的分析方法的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例中一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法的第一实施例的流程示意图；
图2为本申请实施例中一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法的第二实施例的流程示意图；
图3为本申请实施例中一种电力电子变压器多机并联系统的结构示意图；
图4为本申请实施例中主机控制策略的框图；
图5为本申请实施例中从机控制策略的框图；
图6为本申请实施例中第二实施例对应的多机并联系统的等效电路模型示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，用于电子电子变压器系统谐振分析，解决了现有对电力电子变压器多机并联时，谐振特性无正确有效的分析方法的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请实施例中一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法的第一实施例的流程示意图，包括：
步骤101、根据多机并联系统的规模搭建多机并联系统对应的物理模型，规模为构成多机并联系统的变压器数量及连接关系。
需要说明的是，首先根据多机并联系统的规模搭建多机并联系统对应的物理模型，此处描述的规模为：构成多机并联系统的变压器数量及连接关系。
步骤102、在主从控制模式下，确定物理模型对应的等效电路模型。
需要说明的是，在得到物理模型后，在主从控制模式下，确定物理模型对应的等效电路模型。可以理解的是，主从控制模式中不含有集中控制中心，可以克服集中控制方式下控制中心出现故障时，各电力电子变压器器皆不能运行的局限。这种方式下，当一台从机出现故障并不影响整个并联系统的运行；然而主机出现故障时，应立即切除主机并自动将其中一台从机提升为主机，从而提高主从控制方式下多逆变器并联系统的可靠性。
步骤103、根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型，及并联谐振分析模型的谐振影响因素。
需要说明的是，在得到等效电路模型后，根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型，及并联谐振分析模型的谐振影响因素
本实施例中，在对多机并联系统分析时，首先确定多机并联系统的物理模型，然后根据主从控制基本原理，确定物理模型对应的等效电路模型，最后根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型，及并联谐振分析模型的谐振影响因素，在得到谐振影响因素后，可以针对谐振影响因素进行调整，为后续的建设规划提供依据，解决了现有对电力电子变压器多机并联时，谐振特性无正确有效的分析方法的技术问题。
以上为本申请实施例提供的一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法的第一实施例，以下为本申请实施例提供的一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法的第二实施例。
请参阅图2，本申请实施例中一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法的第二实施例的流程示意图，包括：
步骤201、根据多机并联系统的规模搭建多机并联系统对应的物理模型，规模为构成多机并联系统的变压器数量及连接关系。
需要说明的是，如图3所示，多机并联系统由多台电力电子变压器并联组成；每一电力电子变压器包括依次连接的全桥整流电路、双向有源全桥DC/DC、全桥逆变器、LCL滤波电路，全桥整流电路输入端连接电网输入端，LCL滤波电路输出端连接负载侧。同时需要说明的是，LCL滤波电路具体为：第一电阻R1与第一电感L1串联组成的第一支路，第二电阻R2与第二电感L2串联组成的第二支路，滤波电容C构成的第三支路，第二支路和第三支路并联后与第一支路串联。
步骤202、设定物理模型中的一台电力电子变压器为主机，其余电力电子变压器为从机。
需要说明的是，在搭建物理模型后，确定多机并联系统的主机和从机，即设定物理模型中的一台电力电子变压器为主机，其余电力电子变压器为从机。可以理解的是，主从控制模式中，主机控制输出负载的电压，从机控制输出负载的电流。
步骤203、设定主机的主机控制策略为逆变器侧电容电压内环控制和电感电流外环控制，从机的从机控制策略为负载侧输出电流反馈外环控制和电容电压内环的逆变控制。
需要说明的是，在设定主机和从机后，如图4所示，设定主机的主机控制策略为逆变器侧电容电压内环控制和电感电流外环控制，如图5所示设定从机的从机控制策略为负载侧输出电流反馈外环控制和电容电压内环的逆变控制。
图中，i1、i2、ic分别为逆变器侧电流、负载侧输出电流、滤波电容电流，upcc为公共点电压，Rg为负载等效电阻，Lg为负载等效电感，ug为母线电压，KPWM是调制过程放大系数，Uref为参考电压的时域形式，Iref参考电流的时域形式，uinv为逆变器侧输出电压。
进一步地，电感电流外环控制采用比例控制，比例控制的传递函数为KP1；
逆变器侧电容电压内环控制采用PI控制，PI控制的传递函数为：
Figure BDA0001865617120000071
其中，s是频域分析，KP2是比例系数，KI是积分系数。
进一步地，负载侧输出电流反馈外环控制采用比例谐振控制。
步骤204、根据主机控制策略、从机控制策略分别确定主机的主机等效电路模型和从机的从机等效电路模型，将主机等效电路模型和从机等效电路模型并联得到等效电路模型。
需要说明的是，采用步骤204的控制策略后，可以根据主机控制策略确定主机的主机等效电路模型为：
UC(s)＝Gvol(s)Uref_vol(s)-Zout_vol(s)I2(s)；
其中，
Figure BDA0001865617120000072
Gvol(s)为电压系数，KPWM是调制过程放大系数，Uref_vol(s)为参考电压，I2(s)为输出电流，
Figure BDA0001865617120000081
Zout_vol(s)为等效输出阻抗。
根据从机控制策略确定从机的从机等效电路模型为：
I2(s)＝Gref_eq(s)Iref(s)-Yref_eqUpcc(s)；
其中，Iref(s)为参考电流，Upcc(s)为公共点电压，Gref_eq(s)为电流系数，
Figure BDA0001865617120000082
s是频域分析，KPWM为逆变器增益，
Figure BDA0001865617120000083
Kp3为比例谐振控制的比例系数，ωc为截止频率，ωn为基波频率，h为谐波次数，ki,h为第h次谐振增益，G1＝1/(sL1+R1)，Gc＝1/sC，G2＝1/(sL2+R2)，Yref_eq(s)为等效并联导纳，
Figure BDA0001865617120000084
可以理解的是，如图6所示，在分别得到主机等效电路模型和从机控制模型后，将主机等效电路模型和从机等效电路模型并联得到等效电路模型。
步骤205、根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型，及并联谐振分析模型的谐振影响因素。
需要说明的是，由于在并联谐振的特点是：谐振时，电路的总电流最小，而支路电流往往大于电路中的总电流，因此，并联谐振也叫电流谐振。故分级从机的谐振。
进一步地，根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型为：
Figure BDA0001865617120000085
其中，I2,m为并联谐振分析模型，即第m台从机的从机等效模型，Iref,m为第m台从机的参考电流，由以上可知，谐振影响因素为：Rself,m、Iref,m和Rslave,m,i，分别对上述各影响因素求解为：
Rself,m＝Gref_eq,m；
Figure BDA0001865617120000091
Figure BDA0001865617120000092
Rself,m为第m台从机的自身谐振影响，Rslave,m,i为与其并联的其他从机对其谐振影响，Rmaster,m,i为主机对第m台从机的谐振影响，Yref_eq,m为第m台从机的等效导纳，Gref_eq,i为与第m台并联的其他从机的等效受控电流源系数，Iref,i为与第m台并联的其他从机的参考电流，Yref_eq,i为与第m台并联的其他从机的等效并联导纳，Yg为负载导纳，Yout_vol为主机输出导纳。
本实施例中，在对多机并联系统分析时，首先确定多机并联系统的物理模型，然后根据主从控制基本原理，确定物理模型对应的等效电路模型，最后根据节点电压法确定等效电路模型的并联谐振分析模型，及并联谐振分析模型的谐振影响因素，在得到谐振影响因素后，可以针对谐振影响因素进行调整，为后续的建设规划提供依据，解决了现有对电力电子变压器多机并联时，谐振特性无正确有效的分析方法的技术问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，包括：
根据多机并联系统的规模搭建所述多机并联系统对应的物理模型，所述规模为构成所述多机并联系统的变压器数量及连接关系，所述多机并联系统由多台电力电子变压器并联组成，每一所述电力电子变压器包括依次连接的全桥整流电路、双向有源全桥DC/DC、全桥逆变器、LCL滤波电路，所述全桥整流电路输入端连接电网输入端，所述LCL滤波电路输出端连接负载侧；
设定所述物理模型中的一台电力电子变压器为主机，其余电力电子变压器为从机；
设定所述主机的主机控制策略为逆变器侧电容电压内环控制和电感电流外环控制，所述从机的从机控制策略为负载侧输出电流反馈外环控制和电容电压内环的逆变控制；
根据所述主机控制策略、所述从机控制策略分别确定所述主机的主机等效电路模型和所述从机的从机等效电路模型，将所述主机等效电路模型和所述从机等效电路模型并联得到等效电路模型；
根据节点电压法确定所述等效电路模型的并联谐振分析模型，及所述并联谐振分析模型的谐振影响因素。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，所述LCL滤波电路具体为：
第一电阻R1与第一电感L1串联组成的第一支路；
第二电阻R2与第二电感L2串联组成的第二支路；
滤波电容C构成的第三支路；
所述第二支路和所述第三支路并联后与所述第一支路串联。
3.根据权利要求2所述的电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，所述电感电流外环控制采用比例控制，所述比例控制的传递函数为KP1；
所述逆变器侧电容电压内环控制采用PI控制，所述PI控制的传递函数为：
Figure FDA0002520493340000011
其中，s是频域分析，KP2是比例系数，KI是积分系数。
4.根据权利要求3所述的电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，所述主机等效电路模型为：
UC(s)＝Gvol(s)Uref_vol(s)-Zout_vol(s)I2(s)；
其中，
Figure FDA0002520493340000021
Gvol(s)为电压系数，KPWM是调制过程放大系数，Uref_vol(s)为参考电压，I2(s)为输出电流，
Figure FDA0002520493340000022
Zout_vol(s)为等效输出阻抗。
5.根据权利要求4所述的电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，所述负载侧输出电流反馈外环控制采用比例谐振控制。
6.根据权利要求5所述的电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，所述从机等效电路模型为：
I2(s)＝Gref_eq(s)Iref(s)-Yref_eq(s)Upcc(s)；
其中，Iref(s)为参考电流，Upcc(s)为公共点电压，Gref_eq(s)为电流系数，
Figure FDA0002520493340000023
Figure FDA0002520493340000024
Kp3为比例谐振控制的比例系数，ωc为截止频率，ωn为基波频率，h为谐波次数，ki,h为第h次谐振增益，G1＝1/(sL1+R1)，Gc＝1/sC，G2＝1/(sL2+R2)，Yref_eq(s)为等效并联导纳，
Figure FDA0002520493340000025
7.根据权利要求6所述的电力电子变压器多机并联的谐振分析方法，其特征在于，根据节点电压法确定所述等效电路模型的并联谐振分析模型为：
Figure FDA0002520493340000026
其中，I2,m为并联谐振分析模型，即第m台从机的从机等效电路模型，Rself,m为第m台从机的自身谐振影响，Rself,m＝Gref_eq,m，Iref,m为第m台从机的参考电流，Rslave,m,i为与第m台从机并联的其他从机对第m台从机的谐振影响，
Figure FDA0002520493340000031
Iref,i为与第m台从机并联的其他从机的参考电流，Gref_eq,i为与第m台从机并联的其他从机的等效受控电流源系数，Yref_eq,i为与第m台从机并联的其他从机的等效并联导纳，Yg为负载导纳，Yout_vol为主机输出导纳，Rmaster,m,i为主机对第m台从机的谐振影响，
Figure FDA0002520493340000032
Yref_eq,m为第m台从机的等效导纳。
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