CN111404165B - 电压不平衡状态下vsc参考电流及其高阶微分计算方法 - Google Patents

Abstract

电网电压不平衡状态下VSC输出参考电流及其高阶微分计算方法，包括以下步骤；首先，对系统三相电压、电流进行采样，得到可计算系统公共耦合点(PCC)处有功功率和无功功率的变量值，其次，计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值：再次，计算控制无功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值：然后，计算总参考电流值，最后，计算参考电流微分：本发明结合功率波动控制，避免参考电流微分计算时的直接差分运算，保证各高阶微分可求，且均有界，为非线性控制器设计奠定理论基础。

Description

电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法

技术领域

本发明涉及电压源变换器(VSC)非线性控制器技术领域，特别涉及电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法。

背景技术

为电压源变换器(VSC)设计自适应控制、鲁棒控制等先进控制器，可以大幅度提高VSC的控制性能，以适应配电网络中分布式发电渗透率高、负荷投入/切除模式灵活所带来的未知扰动和不确定性。但在非线性控制器设计过程中，控制律计算时往往需要参考值的微分项，且所需的微分阶数与系统阶数直接相关。而实际应用中的参考电流却仅仅只能计算得到当前时刻值，而不知道未来时刻值，导致参考值关于时间的微分不可计算，且不能保证各阶微分结果有上界。这一问题制约了非线性控制方法在VSC中的应用。

滑模控制、反步控制等多种非线性控制方法在VSC装置中均有一定的研究，多针对一阶VSC系统，故而仅需要参考值的一阶微分，在稳态时，使用差分方法可以获得其一阶微分，但当参考值信号存在奇点，差分结果不能保证数值上有界。面临包含LC滤波、LCL滤波等高阶VSC系统时，参考值的二阶、三阶微分结果便难以获得。一些针对性设计的高阶微分环节仅仅是对已有的采样值进行计算，存在一个采样周期的延时，降低了系统的控制性能，同时不能保证其数值结果有界。当电网电压不平衡发生时，正序、负序同时存在，控制变量增多，系统耦合加剧，参考值计算更为复杂，其连续可微的条件更加难以达到。从而电网电压不平衡时，非线性控制方法在VSC中难以应用，限制了VSC控制性能的提升改进，阻碍了先进控制理论在VSC中的应用。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法，电网电压不平衡时，结合功率波动控制，避免参考电流微分计算时的直接差分运算，保证各高阶微分可求，且均有界，为非线性控制器设计奠定理论基础。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法，包括以下步骤；

首先，对系统三相电压、电流进行采样，得到可计算系统公共耦合点(PCC)处有功功率和无功功率的变量值，包括，PCC处三相电压v＝[v_a v_b v_c]^T、三相电流i_i＝[i_a i_b i_c]^T，可计算PCC点功率为：

其中，v_⊥表示滞后v正90°，上标“+”表示正序分量，“-”表示负序分量，该正、负序分量可通过已有方法计算得到，正、负序分量均可表示为三角函数模式，电流、电压向量之间为点乘关系，P_i和ΔP_i为瞬时有功功率的平均分量和波动分量；Q_i和ΔQ_i为瞬时无功功率的平均分量和波动分量；

其次，计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值：

令为参考有功功率平均值，参考值P_ref为已知量，为上一级控制器下发的参考指令，等式右侧为三相不平衡状态下功率计算的基本表达式；预设一控制参数k_p，可控制有功功率波动和无功功率波动强度，即使得功率波动分别满足：

根据上述变量，计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值i_ipref：

再次，计算控制无功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值：

与计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考过程相同，令Q_ref为参考无功功率平均值，参考值为已知量，为上一级控制器下发的参考指令，预设一控制参数k_q，可控制有功功率波动和无功功率波动强度，根据上述变量，计算控制无功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值i_ipref：

然后，计算总参考电流值，即同时可控制输出有功功率平均值跟踪参考P_ref、无功功率平均值跟踪参考Q_ref，且通过参数k_p和k_q实现功率波动控制，参数k_p和k_q均为-1到1之间的数，通常依靠经验整定，其具体整定结果与实际控制要求相关，该参考电流i_iref＝[i_irefai_ireefb i_irefc]^T表示为：

i_iref＝i_ipref+i_iqref

最后，计算参考电流微分：

一阶微分表示：二阶微分表示：/>可得r阶微分表示：/>

所述的参考电流包括两个部分，分别控制有功功率和无功功率的对应参考电流(即为i_ipref＝[i_iprefa i_iprefb i_iprefc]^T和i_iqref＝[i_iqrefa i_iqrefb i_iqrefc]^T)，分别可表示为：

所述的该电流参考值的微分等价于对三角函数进行求导，以电流参考值一阶微分计算为例，可表示为：

本发明的有益效果：

针对VSC非线性控制器设计过程中的参考值及其高阶微分进行计算方法设计，在电网电压三相不平衡状态下，结合有功功率、无功功率平均值控制及波动控制原理，计算电流参考值的显式表达式，使得电流参考值可通过有功功率平均值、无功功率平均值、正序电压、负序电压以及预设控制参数表示。由于有功功率平均值、无功功率平均值和预设控制参数为常数，正序电压、负序电压为以幅值和相位表示的三角函数，故而对电流参考进行高阶微分时，等价于对三角函数进行微分。该方法实现微分计算的同时，用三角函数的幅值，保证了各阶微分结果有界。使得VSC非线性控制器实现成为了可能，为提高VSC设备控制性能奠定了理论基础。

附图说明

图1是本发明所涉及的VSC与公共耦合点连接示意图。

图2是本发明所涉及的含LCL滤波VSC系统电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明旨在计算PCC点电压不平衡状况下，进行PCC点有功功率和无功功率平均分量和波动分量控制时，接入PCC点的VSC装置输出参考电流及其高阶微分计算方法。VSC与公共耦合点连接示意图如图1所示，由左至右依次包括交流系统、PCC(公共耦合点)、滤波器、VSC和直流系统。以图2中所示的含LCL滤波的VSC系统为例，详细说明本发明的实施方法。图2中包含一个LCL滤波器以及三相两电平变换器(VSC)，VSC通过滤波器与PCC连接，直流侧包含一个直流电容，与直流电网连接。

具体检测步骤如下：

Step1：计算PCC点电压正序、负序分量的幅值及相位；

本发明在计算时需要获得PCC点电压的正序、负序分量，该步骤可使用已有的成熟算法进行计算，如导数法、T/4延时法、移相90°全通滤波器法等方法可视情况选择。本步骤中获得的电压正序、负序幅值(v₊、v_-)和相位(φ_+、φ_-)，则可将电压正序、负序分量用向量表示为：和/>其中：

且，

Step2：计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值i_ipref＝[i_iprefa i_prefb i_iprefc]^T：

其中，

令且为常数，又根据正序、负序电压三角函数计算结果，可得：

Step3：计算控制无功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值i_iqref＝[i_iqrefa i_iqrefb i_iqrefc]^T：

其中，

令且为常数，同时可计算/>和又根据正序、负序电压三角函数计算结果，可得：

Step4：计算总参考电流及其微分；

参考电流计算方法为：

i_iref＝i_ipref+i_iqref

其一阶微分计算方法为：

具体表示为：

计算二阶微分及更高阶微分所需表达式同理。

Claims (3)

1.电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法，其特征在于，包括以下步骤；

首先，对系统三相电压、电流进行采样，得到可计算系统公共耦合点(PCC)处有功功率和无功功率的变量值，包括，PCC处三相电压v＝[v_a v_b v_c]^c、三相电流i_i＝[i_a i_b i_c]^T，可计算PCC点功率为：

其中，v_⊥表示滞后v正90°，上标“+”表示正序分量，“-”表示负序分量，该正、负序分量可通过已有方法计算得到，正、负序分量均可表示为三角函数模式，电流、电压向量之间为点乘关系，P_i和ΔP_i为瞬时有功功率的平均分量和波动分量；Q_i和ΔQ_i为瞬时无功功率的平均分量和波动分量；

其次，计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值：

令为参考有功功率平均值，参考值P_ref为已知量，为上一级控制器下发的参考指令，等式右侧为三相不平衡状态下功率计算的基本表达式；预设一控制参数k_p，可控制有功功率波动和无功功率波动强度，即使得功率波动分别满足：

根据上述变量，计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值i_ipref：

再次，计算控制无功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值：

与计算控制有功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考过程相同，令Q_ref为参考无功功率平均值，参考值为已知量，为上一级控制器下发的参考指令，预设一控制参数k_q，可控制有功功率波动和无功功率波动强度，根据上述变量，计算控制无功功率平均值的同时对有功、无功功率波动控制的电流参考值i_iqref：

然后，计算总参考电流值，即同时可控制输出有功功率平均值跟踪参考P_ref、无功功率平均值跟踪参考Q_ref，且通过参数k_p和k_q实现功率波动控制，参数k_p和k_q均为-1到1之间的数，通常依靠经验整定，其具体整定结果与实际控制要求相关，该参考电流i_iref＝[i_irefai_irefb i_irefc]^T表示为：

i_iref＝i_ipref+i_ipref

最后，计算参考电流微分：

一阶微分表示：二阶微分表示：/>可得r阶微分表示：

2.根据权利要求1所述的电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法，其特征在于，所述的参考电流包括两个部分，分别控制有功功率和无功功率的对应参考电流(即为i_ipref＝[i_iprefa i_iprefb i_iprefc]^T和i_iqref＝[i_iqrefa i_iqrefb i_iqrefc]^T)，分别可表示为：

3.根据权利要求1所述的电压不平衡状态下VSC参考电流及其高阶微分计算方法，其特征在于，所述的该电流参考值的微分等价于对三角函数进行求导，以电流参考值一阶微分计算为例，可表示为：