CN110739678A - 一种并网换流器串联虚拟阻抗的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟惯性控制的并网换流器串联虚拟阻抗方法，包括以下步骤：建立直流微电网系统，信号测量与处理，参考电流方程小信号分析，并网换流器数学模型和电流内环控制模型小信号分析，功率方程小信号分析，计算输出阻抗Z_o(s)，提取尖峰量函数与低通滤波器相乘组成补偿量，将串联虚拟阻抗作用到电流参考值，PI控制和前馈解耦控制，αβ变换和SVPWM调制。本发明具有结构简单，效率高等优点；在直流微电网系统不稳定时，本发明可以分别实现增大系统阻尼、抑制直流电压振荡和保证稳态运行时电压质量的控制目标。

Description

一种并网换流器串联虚拟阻抗的控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网换流器的控制方法，尤其是一种虚拟惯性控制的并网换流器串联虚拟阻抗控制方法，属于供电控制技术领域。

背景技术

在能源危机和环境污染的驱动下，可再生能源得到了大规模的开发利用。直流微电网是分布式电源供电的主要途径，而且具有控制简单、运行成本低、不需考虑相位同步和无功环流等显著优点，获得了国内外众多研究机构的关注。直流母线电压是衡量直流微电网稳定运行的唯一指标。直流母线为能量汇集和功率交换的媒介，大量的分布式电源具有恒功率负载相似的负阻抗特性，会减小系统阻尼，恒功率负载投切会与弱阻尼LC滤波器之间互相影响，容易引起谐振，另外大量电力电子装置级联并联也会引起母线电压的波动。

为提高直流微电网的稳定性，张辉等人在高电压技术，2017，43(09)：3100-3109.“基于无源阻尼的直流微电网稳定性分析”中公开了增加阻尼电阻改善负载特性的方法，该方法可提高直流微电网的稳定性，但无源阻尼存在增大功率损耗、效率低的缺点。有源阻尼具有不需增加硬件电路、无损耗的有点，在阻尼控制中得到了广泛应用。郭力等人在中国电机工程学报，2016，36(04)：927-936.“直流微电网稳定性分析及阻尼控制方法研究”中提出了低通滤波的有源阻尼方法，在下垂控制中串联补偿环节，改变换流器的等效输出阻抗，可以改善系统的稳定性，但减小了低频段输出阻抗，影响稳态时的电压质量。季宇等人在电工技术学报，2018，33(02)：370-379.“提高直流微电网稳定性的有源阻尼方法”中公开了一种基于并网接口变流器直流电流前馈的有源阻尼控制方法，并提高了恒功率负载高渗透率下的直流微电网系统稳定性。张继红等人在电工技术学报，2018，33(06)：1238-1246.“含复合储能和燃气轮发电机的直流微电网母线电压波动分层控制策略”公开了一种直流微电网母线电压分层协调控制策略，该策略可以在考虑荷电状态的基础上依据直流母线电压波动幅值进行抑制，该方法适用于储能装置，在微电网并网状态下的抑制作用会减弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种虚拟惯性控制的并网换流器串联虚拟阻抗的方法。

本发明采用下述技术方案：

一种虚拟惯性控制的并网换流器串联虚拟阻抗的改进方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立直流微电网系统：所述直流微电网系统由直流母线、风电机组、蓄电池、交流负载、AC-DC 换流器、DC-DC换流器、并网换流器、交流电网、交流测量元件、直流测量元件、滤波器和控制系统组成；交流负载通过AC-DC换流器接到直流母线，蓄电池通过DC-DC换流器接到直流母线，风电机组过AC-DC 换流器接到直流母线，交流电网经过滤波器后通过并网换流器接到直流母线，所述控制系统的输入端分别接所述直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；

步骤2：信号测量与处理：通过电压传感器测量所述交流电网的三相电压e_a、e_b、e_c、所述并网换流器并网点的三相电压u_a、u_b、u_c和测量所述直流母线的直流电压u_dc，通过电流传感器测量所述并网换流器交流侧的三相电流i_a、i_b、i_c、并网换流器的直流电流i_dc以及输出电流i_o；所述交流测量元件测量的三相电网电 e_a、e_b、e_c经过锁相环处理，计算出电网的电压相角θ；所述交流测量元件测量的三相电压e_a、e_b、e_c进过dq 变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量e_d和q轴分量e_q；将所述交流测量元件测量的换流器并网点的三相电压u_a、u_b、u_c经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u_d和q轴分量u_q；将所述交流测量元件测量的三相并网电流i_a、i_b、i_c经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤3：对电流内环的参考电流方程进行小信号分析：列出所述并网换流器控制系统内环的参考电流 i_d ^*和i_q ^*方程：

其中：k为下垂系数；C_vir为虚拟惯性系数；u_N为直流母线参考电压；T为时间常数；

对式(1)进行小信号分析，确定电流参考值的扰动量Δi_d ^*与直流电压的扰动量Δu_dc的关系：

其中：U_dc为直流母线电压的稳态值；

步骤4：对并网换流器数学模型和电流内环的控制模型进行小信号分析：列出所述并网换流器的数学模型和所述控制系统电流内环的控制模型：

其中：L为滤波器寄生电阻；R为滤波器电感；ω_e为同步旋转角频率；G_i(s)＝k_p+k_i/s，k_p、k_i为电流环PI 控制器的比例积分参数；

将式(3)与式(4)联立，进行小信号分析并确定电流环输出的交流电流d轴分量的扰动量Δi_d与参考量的扰动量Δi_d ^*的关系：

步骤5：对功率方程小信号分析：根据功率平衡列出交流侧和直流侧的功率方程：

其中：C为并网换流器直流侧电容；

对式(6)进行小信号并确定直流电压的扰动量Δu_dc与交流电流d轴分量的扰动量Δi_d、并网换流器输出电流的扰动量Δi_o、交流电压d轴分量的扰动量Δu_d的关系：

其中：U_d为交流电压d轴分量的稳态值；I_o为并网换流器输出电流的稳态值；I_d为交流电流d轴分量的稳态值；

步骤6：计算输出阻抗Z_o(s)：根据式(2)、式(5)、式(7)建立并网换流器的小信号框图，计算输出阻抗Z_o(s) 的表达式：

步骤7：确定补偿量和计算虚拟阻抗：由于共轭极点和共轭零点会导致增益尖峰出现，所以导致输出阻抗Z_o(s)出现尖峰的部分存在于分母中，确定以零极点表示的Z_o(s)的分母函数：

其中：z₁-z₄为分母函数的零点；p₁-p₄为极点；

若增益尖峰由共轭零点z₁和z₂产生，则确定补偿量f₁(s)：

f₁(s)＝(s-z₁)·(s-z₂) (10)

若增益尖峰由共轭极点p₁和p₂产生，则确定补偿量f₁(s)：

为了不影响尖峰频段之外其他频率Z_o(s)的幅值，加入二阶低通滤波器f₂(s)：

其中：A为低通滤波器的增益；ω为截止频率；

确定补偿量f(s)：

f(s)＝f₁(s)·f₂(s) (13)

将补偿量与输出阻抗Z_o(s)相乘，确定补偿后的输出阻抗Z_oo(s)和串联的虚拟阻抗Z_vir(s)：

步骤8：将串联虚拟阻抗作用到电流参考值：为了控制上更容易实现，将Z_vir的引入点前移，作用到电流内环的参考电流上，确定最终的串联虚拟阻抗补偿函数G_vir(s)：

串联虚拟阻抗后的电流内环的参考电流i_d ^*：

步骤9：PI控制和前馈解耦控制：将内环参考电流与并网换流器的输出电流i_o相减，经过PI控制和前馈解耦控制，输出控制电压u_d和u_q；

步骤10：αβ变换：将在dq坐标系下的控制电压u_d和u_q经过αβ变换后得到在αβ坐标系下的控制电压u_α和u_β，其中u_α为α轴分量，u_β为β轴分量；

步骤11：SVPWM调制：将控制电压u_α和u_β经过SVPWM调制后得到所述并网逆变器的三相调制信号s_a、s_b、s_c，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明控制器的结构调整比较简单。

2.本发明可在直流微电网不稳定时分别实现衰减振荡和保证稳态运行时电压质量的控制目标。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是直流微电网结构示意图；

图3是虚拟惯性控制的并网换流器控制原理框图；

图4是串联虚拟阻抗后的小信号控制原理框图；

图5是串联虚拟阻抗后的并网换流器控制原理框图

具体实施方式

一种虚拟惯性控制的并网换流器串联虚拟阻抗的改进方法，如图1所示，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立直流微电网系统：所述直流微电网系统由直流母线、风电机组、蓄电池、交流负载、AC-DC 换流器、DC-DC换流器、并网换流器、交流电网、交流测量元件、直流测量元件、滤波器和控制系统组成；交流负载通过AC-DC换流器接到直流母线，蓄电池通过DC-DC换流器接到直流母线，风电机组过AC-DC 换流器接到直流母线，交流电网经过滤波器后通过并网换流器接到直流母线，所述控制系统的输入端分别接所述直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；

步骤2：信号测量与处理：通过电压传感器测量所述交流电网的三相电压e_a、e_b、e_c、所述并网换流器并网点的三相电压u_a、u_b、u_c和测量所述直流母线的直流电压u_dc，通过电流传感器测量所述并网换流器交流侧的三相电流i_a、i_b、i_c、并网换流器的直流电流i_dc以及输出电流i_o；所述交流测量元件测量的三相电网电 e_a、e_b、e_c经过锁相环处理，计算出电网的电压相角θ；所述交流测量元件测量的三相电压e_a、e_b、e_c进过dq 变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量e_d和q轴分量e_q；将所述交流测量元件测量的换流器并网点的三相电压u_a、u_b、u_c经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u_d和q轴分量u_q；将所述交流测量元件测量的三相并网电流i_a、i_b、i_c经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤3：对电流内环的参考电流方程进行小信号分析：列出所述并网换流器控制系统内环的参考电流 i_d ^*和i_q ^*方程：

其中：k为下垂系数；C_vir为虚拟惯性系数；u_N为直流母线参考电压；T为时间常数；

对式(1)进行小信号分析，确定电流参考值的扰动量Δi_d ^*与直流电压的扰动量Δu_dc的关系：

其中：U_dc为直流母线电压的稳态值；

步骤4：对并网换流器数学模型和电流内环的控制模型进行小信号分析：列出所述并网换流器的数学模型和所述控制系统电流内环的控制模型：

其中：L为滤波器寄生电阻；R为滤波器电感；ω_e为同步旋转角频率；G_i(s)＝k_p+k_i/s，k_p、k_i为电流环PI 控制器的比例积分参数；

将式(3)与式(4)联立，进行小信号分析并确定电流环输出的交流电流d轴分量的扰动量Δi_d与参考量的扰动量Δi_d ^*的关系：

步骤5：对功率方程小信号分析：根据功率平衡列出交流侧和直流侧的功率方程：

其中：C为并网换流器直流侧电容；

对式(6)进行小信号并确定直流电压的扰动量Δu_dc与交流电流d轴分量的扰动量Δi_d、并网换流器输出电

流的扰动量Δi_o、交流电压d轴分量的扰动量Δu_d的关系：

其中：U_d为交流电压d轴分量的稳态值；I_o为并网换流器输出电流的稳态值；I_d为交流电流d轴分量的稳态值；

步骤6：计算输出阻抗Z_o(s)：根据式(2)、式(5)、式(7)建立并网换流器的小信号框图，计算输出阻抗Z_o(s) 的表达式：

步骤7：确定补偿量和计算虚拟阻抗：由于共轭极点和共轭零点会导致增益尖峰出现，所以导致输出阻抗Z_o(s)出现尖峰的部分存在于分母中，确定以零极点表示的Z_o(s)的分母函数：

其中：z₁-z₄为分母函数的零点；p₁-p₄为极点；

若增益尖峰由共轭零点z₁和z₂产生，则确定补偿量f₁(s)：

f₁(s)＝(s-z₁)·(s-z₂) (10)

若增益尖峰由共轭极点p₁和p₂产生，则确定补偿量f₁(s)：

为了不影响尖峰频段之外其他频率Z_o(s)的幅值，加入二阶低通滤波器f₂(s)：

其中：A为低通滤波器的增益；ω为截止频率；

确定补偿量f(s)：

f(s)＝f₁(s)·f₂(s) (13)

将补偿量与输出阻抗Z_o(s)相乘，确定补偿后的输出阻抗Z_oo(s)和串联的虚拟阻抗Z_vir(s)：

步骤8：将串联虚拟阻抗作用到电流参考值：为了控制上更容易实现，将Z_vir的引入点前移，作用到电流内环的参考电流上，确定最终的串联虚拟阻抗补偿函数G_vir(s)：

串联虚拟阻抗后的电流内环的参考电流i_d ^*：

步骤9：PI控制和前馈解耦控制：将内环参考电流与并网换流器的输出电流i_o相减，经过PI控制和前馈解耦控制，输出控制电压u_d和u_q；

步骤10：αβ变换：将在dq坐标系下的控制电压u_d和u_q经过αβ变换后得到在αβ坐标系下的控制电压u_α和u_β，其中u_α为α轴分量，u_β为β轴分量；

步骤11：SVPWM调制：将控制电压u_α和u_β经过SVPWM调制后得到所述并网逆变器的三相调制信号s_a、s_b、s_c，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。

本实施例采用电压源并网换流器。直流电压参考值一般设为直流侧额定电压，在本例中设为400V；

整个直流微电网系统由风电机组，蓄电池，恒功率负载、AC-DC换流器、DC-DC换流器、直流母线、并网换流器、滤波器和电网组成；与风电机组相连的AC-DC换流器的控制主要实现最大功率追踪；与蓄电池相连的DC-DC换流器的控制主要实现恒功率控制；并网换流器的控制主要实现直流电压的控制；本发明主要针对并网换流器的控制，即虚拟惯性控制系统在直流微电网不稳定时串联虚拟阻抗的控制策略。

求出所述并网换流器控制系统内环的参考电流i_d ^*和i_q ^*方程：

其中：k为下垂系数；C_vir为虚拟惯性系数；u_N为直流母线参考电压；T为时间常数；

对式(1)进行小信号分析，确定电流参考值的扰动量Δi_d ^*与直流电压的扰动量Δu_dc的关系：

列出dq坐标系下并网换流器的数学模型和控制系统电流内环的控制模型：

将式(3)与式(4)联立，进行小信号分析并确定电流环输出的交流电流d轴分量的扰动量Δi_d与参考量的扰动量Δi_d ^*的关系：

根据功率平衡列出交流侧和直流侧的功率方程：

对式(6)进行小信号并确定直流电压的扰动量Δu_dc与交流电流d轴分量的扰动量Δi_d、并网换流器输出电流的扰动量Δi_o、交流电压d轴分量的扰动量Δu_d的关系：

根据式(2)、式(5)、式(7)建立并网换流器的小信号框图，确定输出阻抗Z_o(s)的表达式：

由于共轭极点和共轭零点会导致增益尖峰出现，所以导致输出阻抗Z_o(s)出现尖峰的部分存在于分母中，确定以零极点表示的分母函数：

其中：z₁-z₄为分母函数的零点；p₁-p₄为极点；

增益尖峰由共轭零点z₁和z₂产生，确定补偿量f₁(s)：

f₁(s)＝(s-z₁)·(s-z₂) (10)

加入二阶低通滤波器f₂(s)：

确定补偿量f(s)：

f(s)＝f₁(s)·f₂(s) (12)

将补偿量与输出阻抗Z_o(s)相乘，确定补偿后的输出阻抗Z_oo(s)和串联的虚拟阻抗Z_vir(s)：

为了控制上更容易实现，将Z_vir的引入点前移，作用到电流内环的参考电流上，确定最终的串联虚拟阻抗补偿函数G_vir(s)：

图3给出了虚拟惯性控制策略的控制框图，图4给出了串联虚拟阻抗后的小信号控制框图，图5给出串联虚拟阻抗后的控制原理框图。在图3的基础上，加入串联虚拟阻抗，小信号控制框图如图4所示，虚线框为串联虚拟阻抗函数Z_vir(s)；为了在控制上更容易实现，将虚拟阻抗作用到内环参考电流上，补偿函数为G_vir(s)，控制原理图如图5所示。

Claims (1)

1.一种虚拟惯性控制的并网换流器串联虚拟阻抗的改进方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立直流微电网系统：所述直流微电网系统由直流母线、风电机组、蓄电池、交流负载、AC-DC换流器、DC-DC换流器、并网换流器、交流电网、交流测量元件、直流测量元件、滤波器和控制系统组成；交流负载通过AC-DC换流器接到直流母线，蓄电池通过DC-DC换流器接到直流母线，风电机组过AC-DC换流器接到直流母线，交流电网经过滤波器后通过并网换流器接到直流母线，所述控制系统的输入端分别接所述直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；

步骤2：信号测量与处理：通过电压传感器测量所述交流电网的三相电压e_a、e_b、e_c、所述并网换流器并网点的三相电压u_a、u_b、u_c和测量所述直流母线的直流电压u_dc，通过电流传感器测量所述并网换流器交流侧的三相电流i_a、i_b、i_c、并网换流器的直流电流i_dc以及输出电流i_o；所述交流测量元件测量的三相电网电e_a、e_b、e_c经过锁相环处理，计算出电网的电压相角θ；所述交流测量元件测量的三相电压e_a、e_b、e_c进过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量e_d和q轴分量e_q；将所述交流测量元件测量的换流器并网点的三相电压u_a、u_b、u_c经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u_d和q轴分量u_q；将所述交流测量元件测量的三相并网电流i_a、i_b、i_c经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤3：对电流内环的参考电流方程进行小信号分析：列出所述并网换流器控制系统内环的参考电流i_d ^*和i_q ^*方程：

其中：k为下垂系数；C_vir为虚拟惯性系数；u_N为直流母线参考电压；T为时间常数；

对式(1)进行小信号分析，确定电流参考值的扰动量Δi_d ^*与直流电压的扰动量Δu_dc的关系：

其中：U_dc为直流母线电压的稳态值；

步骤4：对并网换流器数学模型和电流内环的控制模型进行小信号分析：列出所述并网换流器的数学模型和所述控制系统电流内环的控制模型：

其中：L为滤波器寄生电阻；R为滤波器电感；ω_e为同步旋转角频率；G_i(s)＝k_p+k_i/s，k_p、k_i为电流环PI控制器的比例积分参数；

将式(3)与式(4)联立，进行小信号分析并确定电流环输出的交流电流d轴分量的扰动量Δi_d与参考量的扰动量Δi_d ^*的关系：

步骤5：对功率方程小信号分析：根据功率平衡列出交流侧和直流侧的功率方程：

其中：C为并网换流器直流侧电容；

对式(6)进行小信号并确定直流电压的扰动量Δu_dc与交流电流d轴分量的扰动量Δi_d、并网换流器输出电流的扰动量Δi_o、交流电压d轴分量的扰动量Δu_d的关系：

其中：U_d为交流电压d轴分量的稳态值；I_o为并网换流器输出电流的稳态值；I_d为交流电流d轴分量的稳态值；

步骤6：计算输出阻抗Z_o(s)：根据式(2)、式(5)、式(7)建立并网换流器的小信号框图，计算输出阻抗Z_o(s)的表达式：

步骤7：确定补偿量和计算虚拟阻抗：由于共轭极点和共轭零点会导致增益尖峰出现，所以导致输出阻抗Z_o(s)出现尖峰的部分存在于分母中，确定以零极点表示的Z_o(s)的分母函数：

其中：z₁-z₄为分母函数的零点；p₁-p₄为极点；

若增益尖峰由共轭零点z₁和z₂产生，则确定补偿量f₁(s)：

f₁(s)＝(s-z₁)·(s-z₂) (10)

若增益尖峰由共轭极点p₁和p₂产生，则确定补偿量f₁(s)：

为了不影响尖峰频段之外其他频率Z_o(s)的幅值，加入二阶低通滤波器f₂(s)：

其中：A为低通滤波器的增益；ω为截止频率；

确定补偿量f(s)：

f(s)＝f₁(s)·f₂(s) (13)

将补偿量与输出阻抗Z_o(s)相乘，确定补偿后的输出阻抗Z_oo(s)和串联的虚拟阻抗Z_vir(s)：

步骤8：将串联虚拟阻抗作用到电流参考值：为了控制上更容易实现，将Z_vir的引入点前移，作用到电流内环的参考电流上，确定最终的串联虚拟阻抗补偿函数G_vir(s)：

串联虚拟阻抗后的电流内环的参考电流i_d ^*：

步骤9：PI控制和前馈解耦控制：将内环参考电流与并网换流器的输出电流i_o相减，经过PI控制和前馈解耦控制，输出控制电压u_d和u_q；

步骤10：αβ变换：将在dq坐标系下的控制电压u_d和u_q经过αβ变换后得到在αβ坐标系下的控制电压u_α和u_β，其中u_α为α轴分量，u_β为β轴分量；

步骤11：SVPWM调制：将控制电压u_α和u_β经过SVPWM调制后得到所述并网逆变器的三相调制信号s_a、s_b、s_c，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。

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