CN112421647B - 电力电子虚拟调相机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电力电子虚拟调相机及控制方法，包括：超级电容器模块和功率模块。所述功率模块包括超级电容器接口和主电路拓扑，所述主电路拓扑通过所述超级电容器接口连接所述超级电容模块；所述超级电容器接口包括非隔离式DC/DC或隔离式DC/DC；所述主电路拓扑连接在电网与所述超级电容器接口之间；所述主电路拓扑包括三相两电平拓扑、级联多电平拓扑或三相/级联多电平拓扑。本发明将储能元件接入到传统的SVG中，根据系统的指令或者电压的稳定有效的输出无功功率，同时在系统频率发生波动时，能响应有功减小频率的波动。

Description

电力电子虚拟调相机及控制方法
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种电力电子虚拟调相机及控制方法。
背景技术
随着高压大容量电力电子装置的发展和应用，部分具有旋转惯量的机械结构被低惯量的电力电子装置替代，使得系统的惯性降低。在无功补偿方面的应用，传统的方法是使用调相机等机械结构，但是体积较大，灵活度不高。随着电力电子的发展，SVG(STATIC VARGENERATOR)逐渐替代了传统的调相机。SVG最大的优点是响应快，可以实现动态补偿，然而相比于传统的调相机，几乎没有惯性，当系统出现扰动或者电能供需不平衡时，无法像调相机那样，利用储存在转子的动能来抑制功率或频率的波动。
随着SVG技术的不断成熟，装置的项目和投运也是逐年增加，容量和电压等级也是越来越大。当前的针对SVG的研究主要集中在无功补偿的能力、主电路系统的稳定性以及故障穿越，这些研究均未考虑到SVG相对于传统调相机缺少惯量的缺陷。如何使SVG具备惯量响应能力，支撑高比例新能源电力系统的稳定运行具有现实意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电力电子虚拟调相机及控制方法。
根据本发明提供的一种电力电子虚拟调相机，包括：超级电容器模块和功率模块；
所述功率模块包括超级电容器接口和主电路拓扑，所述主电路拓扑通过所述超级电容器接口连接所述超级电容模块；
所述超级电容器接口包括非隔离式DC/DC或隔离式DC/DC；
所述主电路拓扑连接在电网与所述超级电容器接口之间；
所述主电路拓扑包括三相两电平拓扑、级联多电平拓扑或三相/级联多电平拓扑；
所述隔离式DC/DC包括：全桥、电感、电容和高频变压器；
所述全桥分为超级电容侧和电容侧，所述超级电容侧通过电缆与所述超级电容器模块连接，所述电容侧通过电缆与所述电容连接，所述超级电容侧和所述电容侧之间通过所述高频变压器连接，所述电感连接在所述电容侧的电缆上；
所述三相/级联多电平拓扑包括：三相全桥和三组H桥串联结构；
每组H桥串联结构包括多个相互串联的H桥，每个H桥的上下桥臂连接一个电容的两端；
电网的三相输出分别通过电缆对应连接所述三组H桥串联结构中一端的所述H桥的上下桥臂之间；
所述三组H桥串联结构中另一端的所述H桥的上下桥臂之间分别通过电缆连接所述三相全桥的对应相的上下桥臂之间，所述三相全桥的每一相的上下桥臂连接所述超级电容器接口；
还包括一种电力电子虚拟调相机的控制方法，采用电力电子虚拟调相机进行DC/AC惯量响应控制，执行步骤包括：
步骤A1、电网的实际频率为ω，额定频率为ωN，频率电压的映射系数为k，超级电容器的额定电压为uN，通过以下公式计算得到超级电容器的参考电压uref；
uref(t)＝k(ω(t)-ωN)+uN
步骤A2、超级电容器的电压为u，外环通过比较超级电容器实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤A3、根据步骤A2得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电流d轴分量的参考电流idref；
步骤A4、内环电流d轴分量为id，d轴分量的参考电流为idref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤A5、根据步骤A4得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vdPI，其中，电网侧电压的d轴分量为vsd，电流的q轴分量为iq，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压d轴分量：
vdref＝vsd-vdPI+iq*ωLs；
还包括一种电力电子虚拟调相机的控制方法，采用所述的电力电子虚拟调相机进行DC/AC系统无功功率控制，执行步骤包括：
步骤B1、电网的无功给定为Q0，电压d轴分量为vsd，通过以下公式，计算得到q轴参考电流iqref；
步骤B2、内环电流q轴分量为iq，q轴分量的参考电流为iqref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤B3、根据步骤B2得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vqPI，其中，电网侧电压的q轴分量为vsq，电流的d轴分量为id，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压q轴分量：
vqref＝vsq-vqPI+id*ωLs。
优选地，所述非隔离式DC/DC包括：半桥、电感和电容；
所述电容与所述半桥并联，所述半桥的直流侧通过电缆连接所述超级电容器模块，所述电感连接在所述半桥的上下桥臂之间的所述电缆上。
优选地，所述三相两电平拓扑包括：三相全桥；
电网的三相输出分别通过电缆连接所述三相全桥的对应相的上下桥臂之间，所述三相全桥的每一相的上下桥臂连接所述超级电容器接口。
优选地，所述级联多电平拓扑包括：三组H桥串联结构；
每组H桥串联结构包括多个相互串联的H桥，每个H桥分别通过一个所述超级电容器接口连接一个所述超级电容模块；
电网的三相输出分别通过电缆对应连接所述三组H桥串联结构中一端的所述H桥的上下桥臂之间。
根据本发明提供的电力电子虚拟调相机的控制方法，采用所述的电力电子虚拟调相机进行DC/DC控制，执行步骤包括：
步骤C1、直流侧电容的电压为esm，电容的参考电压为eref，外环通过比较电容实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤C2、根据步骤C1得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电感的参考电流iLref；
步骤C3、电感的电流为iL，电感的参考电流为iLref，内环通过比较电感实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤C4、根据步骤C3得到的电流差值，进行PI控制，计算得到上下桥臂的开关信号。
根据本发明提供的电力电子虚拟调相机的控制方法，采用所述的电力电子虚拟调相机进行DC/AC装置无功功率控制，执行步骤包括：
步骤D1、电网侧参考电压d轴分量为vsdref，电网侧实际电压d轴分量为vsd，通过比较实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤D2、根据步骤D1得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电流q轴分量的参考电流iqref；
步骤D3、内环电流q轴分量为iq，q轴分量的参考电流为iqref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤D4、根据步骤D3得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vqPI，其中，电网侧电压的q轴分量为vsq，电流的d轴分量为id，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压q轴分量：
vqref＝vsq-vqPI+id*ωLs。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明将储能元件接入到传统的SVG中，根据系统的指令或者电压的稳定有效的输出无功功率，同时在系统频率发生波动时，能响应有功减小频率的波动。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中非隔离式DC/DC结构图；
图2为本发明一实施例中隔离式DC/DC结构图；
图3为本发明一实施例中三相两电平主电路结构图；
图4为本发明一实施例中级联多电平主电路结构图；
图5为本发明一实施例中三相/级联多电平主电路结构图；
图6为本发明一实施例中DC/DC控制策略框图；
图7为本发明一实施例中DC/AC惯量响应控制策略框图；
图8为本发明一实施例中DC/AC系统级无功功率控制策略框图；
图9为本发明一实施例中DC/AC装置级无功功率控制策略框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种电力电子虚拟调相机，包括：超级电容器模块和功率模块。功率模块包括超级电容器接口和主电路拓扑，主电路拓扑通过超级电容器接口连接超级电容模块；超级电容器接口包括非隔离式DC/DC或隔离式DC/DC；主电路拓扑连接在电网与超级电容器接口之间；主电路拓扑包括三相两电平拓扑、级联多电平拓扑或三相/级联多电平拓扑。
参照图1，为本发明一实施例中非隔离式DC/DC结构图，非隔离式DC/DC包括：半桥、电感和电容。电容与半桥并联，半桥的直流侧通过电缆连接超级电容器模块，电感连接在半桥的上下桥臂之间的电缆上。
参照图2，，为本发明一实施例中隔离式DC/DC结构图，隔离式DC/DC包括：全桥、电感、电容和高频变压器。全桥分为超级电容侧和电容侧，超级电容侧通过电缆与超级电容器模块连接，电容侧通过电缆与电容连接，超级电容侧和电容侧之间通过高频变压器连接，电感连接在电容侧的电缆上。
参照图3，为本发明一实施例中三相两电平主电路结构图，三相两电平拓扑包括：三相全桥。电网的三相输出分别通过电缆连接三相全桥的对应相的上下桥臂之间，三相全桥的每一相的上下桥臂连接超级电容器接口。
参照图4，为本发明一实施例中级联多电平主电路结构图，级联多电平拓扑包括：三组H桥串联结构。每组H桥串联结构包括多个相互串联的H桥，每个H桥分别通过一个超级电容器接口连接一个超级电容模块；电网的三相输出分别通过电缆对应连接三组H桥串联结构中一端的H桥的上下桥臂之间。
参照图5，为本发明一实施例中三相/级联多电平主电路结构图，三相/级联多电平拓扑包括：三相全桥和三组H桥串联结构。
每组H桥串联结构包括多个相互串联的H桥，每个H桥的上下桥臂连接一个电容的两端；电网的三相输出分别通过电缆对应连接三组H桥串联结构中一端的H桥的上下桥臂之间；三组H桥串联结构中另一端的H桥的上下桥臂之间分别通过电缆连接三相全桥的对应相的上下桥臂之间，三相全桥的每一相的上下桥臂连接超级电容器接口。
参考图6，为本发明一实施例中DC/DC控制策略框图。当电力电子调相机系统吸收有功或发出有功时，为了控制DC/AC变流器直流侧电压稳定，设计电压外环电流内环的控制方案。图6为DC/DC变流器控制策略，其中，eref，esm分别为DC/AC直流侧指令电压和反馈电压，iL为超级电容侧反馈电流。
执行步骤包括：
步骤1、直流侧电容的电压为esm，电容的参考电压为eref，外环通过比较电容实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤2、根据步骤1得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电感的参考电流iLref；
步骤3、电感的电流为iL，电感的参考电流为iLref，内环通过比较电感实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤4、根据步骤3得到的电流差值，进行PI控制，计算得到上下桥臂的开关信号。
参考图7，为本发明一实施例中DC/AC惯量响应控制策略框图。图中θ、ω为锁相环输出角度、角速度，id、iq分别为系统输出三相电流在dq旋转坐标系下的分解值，vsd、vsq分别为电网电压在dq旋转坐标系下的分解值，idref为在dq旋转坐标系下电流给定参考值其中，uref为电压给定，vsk和ik为并网点PCC的三相电压和三相电流。构造网侧连接点PCC的频率和超级电容器电压指令的线性映射关系，则有
uref(t)＝k(ω(t)-ωN)+uN (1)
执行步骤包括：
步骤1、电网的实际频率为ω，额定频率为ωN，频率电压的映射系数为k，超级电容器的额定电压为uN，通过公式计算得到超级电容器的参考电压uref；
uref(t)＝k(ω(t)-ωN)+uN
步骤2、超级电容器的电压为u，外环通过比较超级电容器实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤3、根据步骤2得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电流d轴分量的参考电流idref；
步骤4、内环电流d轴分量为id，d轴分量的参考电流为idref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤5、根据步骤4得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vdPI，其中，电网侧电压的d轴分量为vsd，电流的q轴分量为iq，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压d轴分量：
vdref＝vsd-vdPI+iq*ωLs。
参考图8，为本发明一实施例中DC/AC系统级无功功率控制策略框图。图中θ、ω为锁相环输出角度、角速度，id、iq分别为系统输出三相电流在dq旋转坐标系下的分解值，vsd、vsq分别为电网电压在dq旋转坐标系下的分解值，iqref为在dq旋转坐标系下电流给定参考值其中，vqref为电压给定，vsk和ik为并网点PCC的三相电压和三相电流。根据瞬时无功理论，
由于稳态时仅仅做无功补偿，有功功率远小于无功功率，同时网侧电压q轴分量远小于d轴分量，因此公式(2)可简化为，
执行步骤包括：
步骤1、电网的无功给定为Q0，电压d轴分量为vsd，通过以下公式，计算得到q轴参考电流iqref；
步骤2、内环电流q轴分量为iq，q轴分量的参考电流为iqref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤3、根据步骤2得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vqPI，其中，电网侧电压的d轴分量为vsd，电流的q轴分量为iq，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压q轴分量：
vqref＝vsq-vqPI+id*ωLs。
参考图9，为本发明一实施例中DC/AC装置级无功功率控制策略框图。图中θ、ω为锁相环输出角度、角速度，id、iq分别为系统输出三相电流在dq旋转坐标系下的分解值，vsd、vsq分别为电网电压在dq旋转坐标系下的分解值，iqref为在dq旋转坐标系下电流给定参考值其中，vqref为电压给定，vsk和ik为并网点PCC的三相电压和三相电流。控制目标为网侧电压，通过一个电压外环即可实时跟踪网侧电压。
执行步骤包括：
步骤1、电网侧参考电压d轴分量为vsdref，电网侧实际电压d轴分量为vsd，通过比较实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤2、根据步骤2得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电流q轴分量的参考电流iqref；
步骤3、内环电流q轴分量为iq，q轴分量的参考电流为iqref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤4、根据步骤2得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vqPI，其中，电网侧电压的d轴分量为vsd，电流的q轴分量为iq，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压q轴分量：
vqref＝vsq-vqPI+id*ωLs。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种电力电子虚拟调相机，其特征在于，包括：超级电容器模块和功率模块；
所述功率模块包括超级电容器接口和主电路拓扑，所述主电路拓扑通过所述超级电容器接口连接所述超级电容模块；
所述超级电容器接口包括非隔离式DC/DC或隔离式DC/DC；
所述主电路拓扑连接在电网与所述超级电容器接口之间；
所述主电路拓扑包括三相两电平拓扑、级联多电平拓扑或三相/级联多电平拓扑；
所述隔离式DC/DC包括：全桥、电感、电容和高频变压器；
所述全桥分为超级电容侧和电容侧，所述超级电容侧通过电缆与所述超级电容器模块连接，所述电容侧通过电缆与所述电容连接，所述超级电容侧和所述电容侧之间通过所述高频变压器连接，所述电感连接在所述电容侧的电缆上；
所述三相/级联多电平拓扑包括：三相全桥和三组H桥串联结构；
每组H桥串联结构包括多个相互串联的H桥，每个H桥的上下桥臂连接一个电容的两端；
电网的三相输出分别通过电缆对应连接所述三组H桥串联结构中一端的所述H桥的上下桥臂之间；
所述三组H桥串联结构中另一端的所述H桥的上下桥臂之间分别通过电缆连接所述三相全桥的对应相的上下桥臂之间，所述三相全桥的每一相的上下桥臂连接所述超级电容器接口；
还包括一种电力电子虚拟调相机的控制方法，采用电力电子虚拟调相机进行DC/AC惯量响应控制，执行步骤包括：
步骤A1、电网的实际频率为ω，额定频率为ωN，频率电压的映射系数为k，超级电容器的额定电压为uN，通过以下公式计算得到超级电容器的参考电压uref；
uref(t)＝k(ω(t)-ωN)+uN
步骤A2、超级电容器的电压为u，外环通过比较超级电容器实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤A3、根据步骤A2得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电流d轴分量的参考电流idref；
步骤A4、内环电流d轴分量为id，d轴分量的参考电流为idref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤A5、根据步骤A4得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vdPI，其中，电网侧电压的d轴分量为vsd，电流的q轴分量为iq，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压d轴分量：
vdref＝vsd-vdPI+iq*ωLs；
还包括一种电力电子虚拟调相机的控制方法，采用所述的电力电子虚拟调相机进行DC/AC系统无功功率控制，执行步骤包括：
步骤B1、电网的无功给定为Q0，电压d轴分量为vsd，通过以下公式，计算得到q轴参考电流iqref；
步骤B2、内环电流q轴分量为iq，q轴分量的参考电流为iqref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤B3、根据步骤B2得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vqPI，其中，电网侧电压的q轴分量为vsq，电流的d轴分量为id，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压q轴分量：
vqref＝vsq-vqPI+id*ωLs。
2.根据权利要求1所述的电力电子虚拟调相机，其特征在于，所述非隔离式DC/DC包括：半桥、电感和电容；
所述电容与所述半桥并联，所述半桥的直流侧通过电缆连接所述超级电容器模块，所述电感连接在所述半桥的上下桥臂之间的所述电缆上。
3.根据权利要求1或2所述的电力电子虚拟调相机，其特征在于，所述三相两电平拓扑包括：三相全桥；
电网的三相输出分别通过电缆连接所述三相全桥的对应相的上下桥臂之间，所述三相全桥的每一相的上下桥臂连接所述超级电容器接口。
4.根据权利要求1或2所述的电力电子虚拟调相机，其特征在于，所述级联多电平拓扑包括：三组H桥串联结构；
每组H桥串联结构包括多个相互串联的H桥，每个H桥分别通过一个所述超级电容器接口连接一个所述超级电容模块；
电网的三相输出分别通过电缆对应连接所述三组H桥串联结构中一端的所述H桥的上下桥臂之间。
5.一种电力电子虚拟调相机的控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的电力电子虚拟调相机进行DC/DC控制，执行步骤包括：
步骤C1、直流侧电容的电压为esm，电容的参考电压为eref，外环通过比较电容实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤C2、根据步骤C1得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电感的参考电流iLref；
步骤C3、电感的电流为iL，电感的参考电流为iLref，内环通过比较电感实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤C4、根据步骤C3得到的电流差值，进行PI控制，计算得到上下桥臂的开关信号。
6.一种电力电子虚拟调相机的控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的电力电子虚拟调相机进行DC/AC装置无功功率控制，执行步骤包括：
步骤D1、电网侧参考电压d轴分量为vsdref，电网侧实际电压d轴分量为vsd，通过比较实际电压和参考电压，得到电压差值；
步骤D2、根据步骤D1得到的电压差值，进行PI控制，计算得到内环电流q轴分量的参考电流iqref；
步骤D3、内环电流q轴分量为iq，q轴分量的参考电流为iqref，内环通过比较实际电流和参考电流，得到电流差值；
步骤D4、根据步骤D3得到的电流差值，进行PI控制，计算得到电压值vqPI，其中，电网侧电压的q轴分量为vsq，电流的d轴分量为id，电感阻抗为ωLs，通过以下公式计算得到虚拟调相机的电压q轴分量：
vqref＝vsq-vqPI+id*ωLs。
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