CN110957741A - 一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统 - Google Patents

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马刚
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Abstract

本发明公开了一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，包括主电路结构和控制模块，其中控制模块采用虚拟励磁控制器、阻尼/惯量模拟器、无功指令跟随器和动态相位发生器；所述控制系统所产生的调制信号m和n可根据需求侧无功响应指令，发出指定的交流电压，使需求侧负荷准确动态响应无功指令。本发明对于分布式电源大量接入下的电网供需平衡、满足电力系统不断增长的无功需求、提升电力需求侧响应的稳定性和灵活性具有积极作用，可实现需求侧无功的灵活连续控制且不受网侧电压/频率扰动。

Description

一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统
技术领域
本发明属于电力系统需求侧管理技术领域，特别涉及一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统。
背景技术
在化石能源危机和环境污染的双重压力下，以可再生能源为主的分布式发电技术凭借着投资省、发电方式灵活、与环境兼容等优点受到人们的高度重视，但分布式电源接入电网会影响电能质量指标，引入大量谐波，引起供电可靠性下降等问题。与此同时，国民经济快速增长使全社会用电量保持逐年增大，仅仅依靠不断增加能源供应仍无法满足负荷需求，并且由于负荷的不均衡和不同时分布导致负荷曲线的峰谷差大，因此必须考虑引入合理的需求侧管理技术促进电网的实时供需平衡。
尽管目前已有很多需求侧管理技术的深入研究，但在针对需求侧功率响应的控制方法中大多仍无法实现功率的连续调节，且未考虑分布式电源接入给电网带来扰动的影响。因此，考虑到由于风电的大规模并网导致电力系统无功的需求不断增加，还需一种稳定性高的需求侧无功灵活控制系统。
发明内容
发明目的：为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，增强需求侧无功响应控制的稳定性，弥补需求侧无功控制不灵活的缺点。
技术方案：本发明所述的一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，包括主电路结构和控制模块，其特征在于，所述控制模块包括虚拟励磁控制器、阻尼/惯量模拟器、无功指令跟随器和动态相位发生器；所述虚拟励磁控制器将交流侧电网电压和电流信息分解产生虚拟空载电动势、无功补偿量和机端电压调节量，并根据阻尼/惯量模拟器输出的功角模拟值，产生定子端电流虚拟值，与实际电流值进行PR调节生成变流器调制信号m，同时输出电磁功率虚拟值；所述阻尼/惯量模拟器根据交流侧电网频率值和直流侧电压值产生机械转矩模拟值，并根据虚拟励磁控制器输出的电磁功率虚拟值以及电网同步角速度，共同输出功角模拟值；所述无功指令跟随器根据无功响应指令和需求侧负荷阻抗值、电流值进行PI调节，产生调制信号的幅值，同时输出相位符号值；并根据动态相位发生器输出的动态相位值和直流侧电压值生成变流器调制信号n；所述动态相位发生器根据需求侧负荷电流值和无功指令跟随器输出的相位符号值，组成调制信号的相位角，输出调制信号的动态相位值。
进一步地，所述虚拟励磁控制器包括信息分解模块和数据计算模块。
进一步地，所述电磁功率虚拟值Pem通过以下公式获得：
Pem＝Ea·ia+Eb·ib+Ec·ic
其中，Eabc为虚拟电势，iabc为定子端电流虚拟值。
进一步地，所述功角模拟值θ通过以下公式获得：
Figure BDA0002344788960000021
其中，T2、Td分别为机械转矩模拟值、阻尼转矩，ω、ω0分别为电机电气角速度、电网同步角速度，J为转动惯量。
进一步地，所述动态相位发生器针对需求侧负荷电流值IL采用单相锁相环PLL实时锁定其相位角β，根据无功指令跟随器输出的相位符号值Sign，将+90°/-90°与β之和作为调制信号n的相位角α，进而根据正弦函数得到并输出调制信号n的动态相位值sinα。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明针对与电力需求侧负荷连接的背靠背变流器，利用模拟阻尼/惯量来抵消电网电压/频率波动所带来的扰动，保障所述无功响应控制系统的稳定运行，同时根据电力需求侧无功响应实时指令，生成调制信号送入变流器发出指定的交流电压，使需求侧负荷准确动态响应无功指令；2、本发明对于分布式电源大量接入下的电网供需平衡、满足电力系统不断增长的无功需求、提升电力需求侧响应的稳定性和灵活性具有积极作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明控制模块结构示意图；
图3为本发明虚拟励磁控制器控制回路图；
图4为本发明阻尼/惯量模拟器控制回路图；
图5为本发明无功指令跟随器控制回路图；
图6为本发明动态相位发生器控制回路图。
图7为主电路中交流母线电压uabc的有效值波形；
图8为主电路中交流母线电流iabc波形；
图9为针对需求侧负荷的额定无功，需要响应的无功指令Q(t)；
图10为采用本发明所得到需求侧负荷实时消耗的无功QL(t)。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明的系统组成示意图，包括主电路结构与控制模块。两个电压源型脉冲宽度调制变流器依靠中间直流储能电容以背靠背的方式连接，组成背靠背变流器。背靠背变流器和需求侧负荷串联构成本发明的主电路结构，其中，直流储能电容C作用于提供直流电压支撑，并减少直流侧谐波；交流侧电感L、Lf作用于变流器与交流电网实现能量交换，滤除电流中的谐波。控制模块如图2所示，采用由虚拟励磁控制器、阻尼/惯量模拟器、无功指令跟随器和动态相位发生器组成的无功响应控制系统，根据需求侧无功响应指令和网荷信息生成调制信号m和n，可使变流器1抵消电网电压和频率波动所带来的扰动，保障所述无功响应控制系统的稳定运行；使变流器2发出指定的交流电压，从而实现需求侧负荷准确动态响应无功指令。
具体地，所述虚拟励磁控制器如图3所示，包含信息分解模块和数据计算模块。所述信息分解模块从交流侧电网电压uabc和电流iabc信息中读取有效值、峰值和单相值，其中uabc峰值作为虚拟空载电动势E0、uabc有效值作为机端电压有效值U、iabc单相值与虚拟电势Eabc单相值通过下式得到无功功率值Q：
Figure BDA0002344788960000031
无功功率值Q与其设定值Qref的差值乘以无功调节系数k1得到无功补偿量E1；机端电压有效值U与其设定值Uref的差值乘以电压调节系数k2得到机端电压调节量E2：
Figure BDA0002344788960000032
进一步根据阻尼/惯量模拟器输出的功角模拟值θ通过所述数据计算模块得到虚拟电势Eabc：
Figure BDA0002344788960000041
进而可以得到定子端电流虚拟值iabc,ref：
Figure BDA0002344788960000042
其中，Rs和Ls分别为设定的定子电阻值和电感值。为实现iabc的高精度控制，使其精确跟踪iabc,ref，将两者进行比例谐振PR调节，生成变流器调制信号m送入PWM发生器，同时根据iabc,ref和Eabc输出电磁功率虚拟值Pem：
Pem＝Ea·ia+Eb·ib+Ec·ic
具体地，所述阻尼/惯量模拟器如图4所示。交流侧电网频率值f与其设定值fref的差值乘以频率反馈系数k3得到频率偏差反馈量ΔT；直流侧电压值Udc与其设定值Udc,ref的差值送入PI调节器，将调节结果与Udc,ref相乘可得有功功率设定值Pref，Pref与电机电气角速度ω求商得到机械转矩额定值T0；ΔT与T0求和得到机械转矩模拟值T2；ω0与ω之差乘以设定的阻尼系数D得到阻尼转矩Td。其中，ω可根据转矩方程、转矩功角方程、虚拟励磁控制器输出的电磁功率虚拟值Pem以及设定的转动惯量J得到：
Figure BDA0002344788960000043
进而根据ω通过下式求得功角模拟值θ输出。
Figure BDA0002344788960000044
具体地，所述无功指令跟随器如图5所示。根据需求侧负荷阻抗值ZL和电流值IL可求得需求侧负荷实时消耗的无功QL(t)，将QL(t)与需求侧无功响应指令Q(t)的和进行PI调节，对调节结果取符号输出相位符号值Sign，将调节结果乘以调节器后置增益k4作用于对调制信号限幅，并在限幅后取绝对值产生调制信号的幅值；进一步与动态相位发生器输出的动态相位值sinα和直流侧电压值Udc相乘，生成变流器调制信号n送入PWM发生器。
具体地，所述动态相位发生器如图6所示。针对需求侧负荷电流值IL采用单相锁相环PLL实时锁定其相位角β，根据无功指令跟随器输出的相位符号值Sign，将+90°/-90°与β之和作为调制信号n的相位角α，进而根据正弦函数得到并输出调制信号n的动态相位值sinα。
下面以图7至图10为例对本发明所提需求侧背靠背变流器无功响应控制系统进行更进一步的说明：
为体现电网电压/频率波动所带来的扰动，图7、图8为实施例主电路中交流母线电压uabc的有效值波形与电流iabc波形，例中需求侧负荷阻抗值ZL为10+j5.7735，其额定无功为2095.78Var。针对需求侧负荷的额定无功，需要响应的无功指令Q(t)如图9所示，指令1要求实现无功的增大；指令2要求实现无功的减小；指令3要求在0-30秒和75-100秒的时间段内实现无功的增大、在30-75秒的时间段内实现无功的减小。采用本发明所提需求侧背靠背变流器无功响应控制系统进行控制得到需求侧负荷实时消耗的无功QL(t)如图10所示，在经过时长5秒左右的短暂振荡之后，QL(t)与Q(t)非常吻合，可灵活实现无功功率连续平滑变化且不受网侧电压波动的干扰。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，包括主电路结构和控制模块，其特征在于，所述控制模块包括虚拟励磁控制器、阻尼/惯量模拟器、无功指令跟随器和动态相位发生器；所述虚拟励磁控制器将交流侧电网电压和电流信息分解产生虚拟空载电动势、无功补偿量和机端电压调节量，并根据阻尼/惯量模拟器输出的功角模拟值，产生定子端电流虚拟值，与实际电流值进行PR调节生成变流器调制信号m，同时输出电磁功率虚拟值；所述阻尼/惯量模拟器根据交流侧电网频率值和直流侧电压值产生机械转矩模拟值，并根据虚拟励磁控制器输出的电磁功率虚拟值以及电网同步角速度，共同输出功角模拟值；所述无功指令跟随器根据无功响应指令和需求侧负荷阻抗值、电流值进行PI调节，产生调制信号的幅值，同时输出相位符号值；并根据动态相位发生器输出的动态相位值和直流侧电压值生成变流器调制信号n；所述动态相位发生器根据需求侧负荷电流值和无功指令跟随器输出的相位符号值，组成调制信号的相位角，输出调制信号的动态相位值。
2.根据权利要求1所述的一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，其特征在于，所述虚拟励磁控制器包括信息分解模块和数据计算模块。
3.根据权利要求1所述的一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，其特征在于，所述电磁功率虚拟值Pem通过以下公式获得：
Pem＝Ea·ia+Eb·ib+Ec·ic
其中，Eabc为虚拟电势，iabc为定子端电流虚拟值。
4.根据权利要求1所述的一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，其特征在于，所述功角模拟值θ通过以下公式获得：
Figure DA00023447889556295
其中，T2、Td分别为机械转矩模拟值、阻尼转矩，ω、ω0分别为电机电气角速度、电网同步角速度，J为转动惯量。
5.根据权利要求1所述的一种需求侧背靠背变流器无功响应控制系统，其特征在于，所述动态相位发生器针对需求侧负荷电流值IL采用单相锁相环PLL实时锁定其相位角β，根据无功指令跟随器输出的相位符号值Sign，将+90°/-90°与β之和作为调制信号n的相位角α，进而根据正弦函数得到并输出调制信号n的动态相位值sinα。
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