CN110752762A - 一种并网换流器并联虚拟电容的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于并网换流器的并联虚拟电容的控制方法，包括以下步骤：建立直流微电网系统，信号测量与处理，确定并联虚拟电容的补偿函数，求外环参考电流，电流外环控制，矢量控制，αβ变换和SVPWM调制。本发明具有计算简单，不需增加硬件等优点；在直流微电网系统发生谐振时，本发明可以分别实现抑制直流母线电压振荡和提高直流微电网稳定性的控制目标。

Description

一种并网换流器并联虚拟电容的控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网换流器的控制方法，尤其是一种并网换流器并联虚拟电容的电流前馈控制方法，属于供电控制技术领域。

背景技术

微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。大量接入的分布式电源和直流负荷均通过DC-DC或AC-DC换流器接入直流微电网，具有明显的恒功率负荷特性，且构成了多变流器接入环境，其随机性波动功率不仅会给直流母线电压带来冲击，还极易诱发系统谐振，影响直流微电网稳定性。

为提高直流微电网的稳定性，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”公开了一种适用于DC-DC的有源阻尼控制方法，在直流母线电压控制单元的下垂控制环中串联低通滤波器的补偿环节，可以实现提高系统稳定裕度的目标。王晓兰等人在电力自动化设备，2017，37(05)：92-99.“孤岛模式下风电直流微电网小信号稳定性分析”公开了一种小信号阻抗比稳定性分析方法，利用该方法分析母线电压、穿越频率、定子电阻和滤波电容等关键参数对直流端输出阻抗的影响，对风电直流微电网系统参数设计有指导作用。胡辉勇等人在电网技术，2017，41(08)：2664-2671.“主从控制下直流微电网稳定性分析及有源阻尼控制方法”公开了一种基于双准比例谐振控制器的有源阻尼控制方法，在电压控制型主电源输出阻抗中串入有源阻尼，提高系统稳定性。孙建龙等人在电工技术学报，2016，31(04)：194-202.“直流对等式微电网混合储能系统协调控制策略”公开了一种基于锂离子电池和超级电容混合储能的协调控制策略，能有效抑制直流母线电压冲击与波动，显著提高系统动态响应。

以上控制策略一般针对DC-DC换流器采取控制策略，适用于孤岛模式下的直流微电网，而并网模式下，并网换流器作为调节直流母线电压的主要环节，以上控制策略受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种并网换流器的并联虚拟电容控制方法。

本发明采用下述技术方案：

一种并网换流器的并联虚拟电容控制方法，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；风电机组通过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，交流负载通过 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和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，通过和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、并网换流器的直流侧电流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：确定并联虚拟电容的补偿函数：考虑直流母线电压动态过程，直流电流i_dc、输出电流i_o和直流电压u_dc之间的关系为：

转换成s域下的表达式为：

实际上，直流电压为：

因此，令前馈补偿量为：

令补偿函数为f(s)：

其中：C_vir为虚拟电容值；C为并网换流器直流侧电容；

步骤4：求外环参考电流i_dc ^*：外环参考电流由下垂控制和并联虚拟电容产生的前馈补偿量确定：

其中：k为下垂系数；u_N为直流母线参考电压；

步骤5：电流外环控制：采用定电压控制，因此i_q ^*＝0，外环控制由PI控制：

其中：k_pl、k_il为电流外环PI控制器的比例积分参数；

步骤7：矢量控制：将参考值i_d ^*和i_q ^*与实际值进行对比，并对误差进行PI控制，并通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出电压控制信号u_d和u_q：

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

由于电流内环控制比外环调节速度快的多，因此在控制框图中将内环简化为一阶滞后环节：

求并网换流器直流侧电流i_dc：根据功率平衡，并网换流器交流和直流两侧有功功率表达式为：

其中：P为并网换流器交流和直流侧的有功功率；

步骤8：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9：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.本发明不需要增加额外的控制器和硬件设备。

2.本发明可在直流微电网发生谐振时实现提高系统稳定裕度、消除直流母线电压波动的控制目标。且电流前馈的并联电容补偿函数计算比较简单。

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是并联虚拟电容后的控制策略示意图；

图4是并联虚拟电容后的控制系统原理框图；

具体实施方式

一种并网换流器的并联虚拟电容控制方法，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；风电机组通过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，交流负载通过 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和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，通过和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、并网换流器的直流侧电流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：确定并联虚拟电容的补偿函数：考虑直流母线电压动态过程，直流电流i_dc、输出电流i_o和直流电压u_dc之间的关系为：

转换成s域下的表达式为：

实际上，直流电压为：

因此，令前馈补偿量为：

令补偿函数为f(s)：

其中：C_vir为虚拟电容值；C为并网换流器直流侧电容；

步骤4：求外环参考电流i_dc ^*：外环参考电流由下垂控制和并联虚拟电容产生的前馈补偿量确定：

其中：k为下垂系数；u_N为直流母线参考电压；

步骤5：电流外环控制：采用定电压控制，因此i_q ^*＝0，外环控制由PI控制：

其中：k_pl、k_il为电流外环PI控制器的比例积分参数；

步骤7：矢量控制：将参考值i_d ^*和i_q ^*与实际值进行对比，并对误差进行PI控制，并通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出电压控制信号u_d和u_q：

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

由于电流内环控制比外环调节速度快的多，因此在控制框图中将内环简化为一阶滞后环节：

求并网换流器直流侧电流i_dc：根据功率平衡，并网换流器交流和直流两侧有功功率表达式为：

其中：P为并网换流器交流和直流侧的有功功率；

步骤8：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9：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。

考虑直流母线电压动态过程，直流电流i_dc、输出电流i_o和直流电压u_dc之间的关系为：

转换成s域下的表达式为：

实际上，直流电压为：

因此，令前馈补偿量为：

令补偿函数为f(s)：

其中：C_vir为虚拟电容值；C为并网换流器直流侧电容；

外环参考电流由下垂控制和并联虚拟电容产生的前馈补偿量确定：

其中：k为下垂系数；u_N为直流母线参考电压；

采用定电压控制，因此i_q ^*＝0，外环控制由PI控制：

其中：k_pl、k_il为电流外环PI控制器的比例积分参数；

将参考值i_d ^*和i_q ^*与实际值进行对比，并对误差进行PI控制，并通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出电压控制信号u_d和u_q：

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

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；

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。

图3给出了所述控制策略的示意图，图4给出了所述控制原理的控制框图。虚线框所示为并联虚拟电容后的电流前馈补偿部分。

Claims (1)

1.一种并网换流器的并联虚拟电容控制方法，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；风电机组通过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，交流负载通过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和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，通过和电流传感器测量所述并网换流器交流侧的三相电流i_d、i_b、i_c、并网换流器的直流侧电流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：确定并联虚拟电容的补偿函数：考虑直流母线电压动态过程，直流电流i_dc、输出电流i_o和直流电压u_dc之间的关系为：

转换成s域下的表达式为：

实际上，直流电压为：

因此，令前馈补偿量为：

令补偿函数为f(s)：

其中：C_vir为虚拟电容值；C为并网换流器直流侧电容；

步骤4：求外环参考电流i_dc ^*：外环参考电流由下垂控制和并联虚拟电容产生的前馈补偿量确定：

其中：k为下垂系数；u_N为直流母线参考电压；

步骤5：电流外环控制：采用定电压控制，因此i_q ^*＝0，外环控制由PI控制：

其中：k_pl、k_il为电流外环PI控制器的比例积分参数；

步骤7：矢量控制：将参考值i_d ^*和i_q ^*与实际值进行对比，并对误差进行PI控制，并通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出电压控制信号u_d和u_q：

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

由于电流内环控制比外环调节速度快的多，因此在控制框图中将内环简化为一阶滞后环节：

求并网换流器直流侧电流i_dc：根据功率平衡，并网换流器交流和直流两侧有功功率表达式为：

其中：P为并网换流器交流和直流侧的有功功率；

步骤8：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9：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。

Images