CN112448407A - 一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略。通过修正直接恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d，进而修正d轴参考电流I_dref，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性。本发明能够有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的稳定性。

Description

一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻 抗优化控制策略

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略。

背景技术

随着化石能源逐渐枯竭，环境问题日益加剧，电网负荷不断增加，大量新能源分布式发电系统和储能装置并入电网；同时通过将多个区域电网进行互联以改善不同区域间能源供需的不均衡；都使得发电模式由传统单一集中式转变成集中式和分布式并存，电能也从传统单向流动转变成双向流动。

高压直流输电因为可以进行大功率低损耗传输、降低线路造价并且控制性能较好，相对于传统的交流输电具有明显的优势，从而得到迅速发展。随着换流技术的发展，基于全控型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压源换流器被应用于电力系统中，推动了柔性直流输电技术的发展，柔性直流输电线路和两端的交流电网共同构成了交直流混合输电系统。

在交直流混合输电系统中，并网逆变器和交流电网之间存在交互作用。当功率从并网逆变器向电网传输切换到从电网向逆变器传输时，恒功率控制下电网电压和并网电流的变化趋势相反，所以逆变器作为恒功率负载表现为负阻抗特性，负阻抗会导致系统的阻尼减少，进而降低系统的稳定性。因此双向功率流动会造成并网系统稳定性的迁移，会让系统发生振荡，严重时会造成整个系统失稳。所以需要通过稳定性分析对比在双向功率流动下并网系统稳定性差异，为提高系统可靠运行提供一定参考。

稳定性分析方法主要包括传统的状态空间法和阻抗法。相比于状态空间法，阻抗法不需要重新对系统进行建模，由此体现了阻抗法的优越性。阻抗法包括Belkhayat提出的小信号阻抗建模法和Sun Jian提出的基于谐波线性化的正负序阻抗建模法。由于序阻抗法是在三相交流系统中建模，缺乏固定的直流工作点，因此无法研究功率传输方向和大小对系统的影响；同时也无法对直流系统进行建模，该方法存在一定的局限性。小信号阻抗法是将三相交流系统转变成两相耦合的直流系统，通过传统的线性化即可得到d-q旋转坐标系下的小信号阻抗，且适用范围更广。

通过小信号阻抗法对并网系统进行稳定性分析就能清楚看到双向功率流动下并网系统稳定性存在明显差异，交直流混合输电系统中并网系统稳定性迁移问题主要是由双向功率流动导致恒功率控制的并网逆变器反向输入阻抗表现为负阻抗而造成的，因此只需要通过一种阻抗优化控制策略，对传统恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d进行修正，进而修正d轴参考电流I_dref，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性，就能够有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，让反向输入阻抗也表现为正阻抗特性，有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，应用于交直流混合输电系统中双向功率流动的并网系统，该系统包括一台三相L型并网逆变器和交流电网，采用直接恒功率控制策略，该方法包括：

在交直流混合输电系统中，并网逆变器和交流电网之间存在交互作用。在双向功率流动下，当功率从并网逆变器向电网传输切换到从电网向逆变器传输时，逆变器交流侧输入阻抗表达式如下：

其中，式中：Z_inv-in为功率反向流动时逆变器交流侧的输入阻抗；Δu为电网电压的变化量；Δi为并网电流的变化量。

恒功率控制下电网电压和并网电流的变化趋势相反，所以逆变器作为恒功率负载表现为负阻抗特性，会降低系统的稳定性。因此双向功率流动会造成并网系统稳定性的迁移，严重时会造成整个系统失稳。

传统的直接恒功率控制是通过将有功功率和无功功率的给定值P_ref和Q_ref分别除以实际并网电压在d-q坐标系下的d轴分量U_d，得到d轴和q轴的参考电流I_dref和I_qref。

可选的，由于低通滤波器可以滤除高频扰动，所以在阻抗优化控制策略中，是将d轴实际电压值和其通过一个低通滤波器后的值做差来提取电压扰动量，高频电压扰动量的表达式如下：

Δu_d＝U_d-U_d ^s，

其中，式中：Δu_d为高频电压扰动量；U_d为d轴实际电压；U_d ^s为发生扰动前稳态下的d轴参考电压。

由于优化是对传统恒功率控制中有功功率支路的d轴实际电压进行修正，在没有扰动的情况下，Δu_d＝0，即优化策略对稳态没有影响，只是对发生扰动后的暂态进行优化。

当系统发生扰动，优化后的d轴参考电流I_dref′的表达式如下：

其中，式中：I_dref′为优化后的d轴参考电流；U_d′为优化后的d轴电压；P_ref为有功功率的给定值；|P_ref|为有功功率给定值的绝对值。

优化前后功率正向流动时控制没有发生变化，仅仅是对功率反向流动时的控制进行优化校正。优化校正后的d轴电流偏差值ΔI_dref′的表达式如下：

所以通过修正直接恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，在传统的直接恒功率控制策略的基础上，通过修正直接恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d，进而修正d轴参考电流I_dref，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性。所以阻抗优化控制策略能够有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明三相并网逆变器的结构框图；

图2是本发明d-q轴下的三相并网逆变器小信号电路模型；

图3是本发明传统的恒功率控制框图；

图4是本发明有锁相环恒功率控制闭环的逆变器小信号模型；

图5是本发明三相并网逆变器阻抗优化控制策略框图；

图6是本发明加入阻抗优化控制后的小信号模型；

图7是本发明优化前后的正反向功率波形；

图8是本发明优化前后的功率阶跃响应曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，让反向输入阻抗也表现为正阻抗特性，有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明三相并网逆变器的结构框图，如图1所示，包括三相L型并网逆变器的主电路和控制电路。图中：Vdc为直流输入电压；S_a1～S_c2为6个IGBT开关管；L为滤波电感；RL为电感内阻；i_a、i_b和i_c为三相并网电流；ua、ub和uc为电网电压；θ为锁相环相角；I_dref、I_d和I_qref、I_q分别为d-q坐标系下d轴和q轴的参考电流和实际电流；u_dm和u_qm为dq轴调制信号波，u_am、u_bm和u_cm为相域的调制信号波；P_ref和Q_ref分别是有功功率和无功功率的给定值。

图2为本发明功率正向流动时三相并网逆变器的直流侧和交流侧在d-q轴下的小信号模型：

功率正向流动时逆变器交流侧输出阻抗Z_inv-out和功率反向流动时逆变器交流侧输入阻抗Z_inv-in的表达式分别为：

式中，Δu为电网电压的变化量；Δi为并网电流的变化量。

由于采用恒功率控制，电网电压和并网电流的变化趋势相反。功率正向流动时，输出阻抗为正阻抗；而当功率反向流动时，并网逆变器作为恒功率负载，输入阻抗表现为负阻抗特性，使系统阻尼减少，进而导致系统的稳定性下降。因此可以初步判断双向功率流动下并网系统稳定性存在差异。

首先建立恒功率控制下功率正向流动时的三相并网逆变器交流侧小信号模型。功率给定值为负值表示功率反向流动。

假定直流侧电压恒定，即Δu_dc＝0。基于电路原理中的叠加定理，令Δd_d＝Δd_q＝0，可以得到逆变器交流侧阻抗Z_{inv_ol}的表达式：

式中：Z_dd(Z_qq)为直(交)轴单位电流扰动量引起的直(交)轴电压变化量；Z_dq(Z_qd)为直(交)轴单位电流扰动量引起的交(直)轴电压变化量，Z_dq(Z_qd)体现了直轴和交轴之间的相互耦合作用；L为滤波电感值；R_L为电感内阻；ω为电网角频率。

令Δu_d＝Δu_q＝0，可以得到小信号建模下占空比和并网电流之间的表达式：

式中：U_dc为直流输入电压。

图3为本发明传统直接恒功率控制框图。设定电网电压方向和控制电路的d轴分量重合，q轴分量U_q＝0，可得有功功率、无功功率和参考电流之间关系的表达式：

式中：

和

是控制电路d轴和q轴的电流参考值。

两边同时添加小扰动，恒功率控制下Δp_ref＝Δq_ref＝0；忽略扰动平方项，整理可得小信号表达式：

式中：

和

是控制电路d轴和q轴电流参考值的变化量。

图4为本发明功率正向流动时有锁相环恒功率控制闭环的逆变器小信号模型框图。为了对小信号扰动路径进行建模，定义了传递函数矩阵Pud、Pui和Puu。Pud模拟了从主电路电压到控制电路d-q坐标系下电压的小信号扰动路径。Pui模拟了从主电路电压到控制电路d-q坐标系下占空比的小信号扰动路径。Puu模拟了从主电路电压到控制电路d-q坐标系下电流的小信号扰动路径。H_i为电流PI控制器矩阵；H_o为耦合项矩阵；T_d表示由于SPWM调制和数字控制导致的延时。

图5为本发明三相并网逆变器阻抗优化控制策略框图。其中P_ref和Q_ref分别是有功功率和无功功率的给定值；U_d′为优化后的d轴电压；I_dref′是优化后d轴参考电流；D_d和D_q为占空比的d轴和q轴分量。

由于低通滤波器可以滤除高频扰动，所以在阻抗优化控制策略中，是将d轴实际电压值和其通过一个低通滤波器后的值做差来提取电压扰动量。高频电压扰动量Δu_d的表达式为：

Δu_d＝U_d-U_d ^s，

其中，式中：Δu_d为高频电压扰动量；U_d为d轴实际电压；U_d ^s为发生扰动前稳态下的d轴参考电压。

由于优化是对传统恒功率控制中有功功率支路的d轴实际电压进行修正，在没有扰动的情况下，Δu_d＝0，即优化策略对稳态没有影响，只是对发生扰动后的暂态进行优化。

当系统发生扰动，优化后的d轴参考电流I_dref′的表达式如下：

其中，式中：I_dref′为优化后的d轴参考电流；U_d′为优化后的d轴电压；P_ref为有功功率的给定值；|P_ref|为有功功率给定值的绝对值。

优化前后功率正向流动时控制没有发生变化，仅仅是对功率反向流动时的控制进行优化校正。优化校正后的d轴电流偏差值ΔI_dref′的表达式如下：

所以通过修正直接恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性。

图6为本发明加入阻抗优化控制后的小信号模型。阻抗优化控制策略反映到小信号模型上是对G_pq的改进，定义优化后G_z的表达式为：

搭建如图1所示的三相并网逆变器的结果框图，直流母线侧电压为800V；有功功率给定值为±10kW；无功功率给定值为0kW；基波频率为50Hz；开关频率为10kHz；交流电网线电压的有效值为380V；线路电感值为2.5mH。

图7为本发明优化前后的正反向功率波形。从仿真波形可以看出，在优化前功率反向流动时并网系统会发生明显振荡。在0.5时加入阻抗优化控制策略，可以看出阻抗优化控制策略能够在不影响功率正向流动时的系统稳定性的前提下很好的抑制并且消除功率反向流动时的系统振荡，即优化后的并网系统在双向功率流动下都不会发生振荡。

图8是本发明优化前后的功率阶跃响应(a)正向(b)反向。(a)为优化前和优化后有功功率在0.4s时从5kW到10kW的阶跃响应，可以看出加入阻抗优化控制策略之后功率正向阶跃响应没有发生变化；(b)为优化前和优化后有功功率在0.4s时从-5kW到-10kW的阶跃响应，可以看出加入阻抗优化控制策略之后功率反向阶跃响应的波动明显减少，即优化后的并网系统稳定性增强。对比(a)和(b)可以发现，优化前正向阶跃响应的波动要小于反向阶跃响应，优化后反向阶跃响应反而更小。综上所述，本文提出的阻抗优化控制策略可以很好的改善双向功率流向下的并网系统稳定性，仿真验证了理论分析的正确。

本发明提供的提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，通过修正直接恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d，进而修正d轴参考电流I_dref，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性。有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的稳定性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，应用于交直流混合输电系统中双向功率流动下恒功率控制的并网系统，该系统包括一台三相L型并网逆变器和交流电网，其特征在于，包括：

在交直流混合输电系统中，并网逆变器和交流电网之间存在交互作用。在双向功率流动下，当功率从并网逆变器向电网传输切换到从电网向逆变器传输时，逆变器交流侧输入阻抗表达式如下：

其中，式中：Z_inv-in为功率反向流动时逆变器交流侧的输入阻抗；Δu为电网电压的变化量；Δi为并网电流的变化量。

恒功率控制下电网电压和并网电流的变化趋势相反，所以逆变器作为恒功率负载表现为负阻抗特性，会降低系统的稳定性。因此双向功率流动会造成并网系统稳定性的迁移，严重时会造成整个系统失稳。

2.根据权利要求1所述的一种提高双向功率流动下恒功率控制的并网系统稳定性的阻抗优化控制策略，其特征在于，包括：

由于低通滤波器可以滤除高频扰动，所以在阻抗优化控制策略中，是将d轴实际电压值和其通过一个低通滤波器后的值做差来提取电压扰动量，高频电压扰动量的表达式如下：

Δu_d＝U_d-U_d ^s，

其中，式中：Δu_d为高频电压扰动量；U_d为d轴实际电压；U_d ^s为发生扰动前稳态下的d轴参考电压。

由于优化是对传统恒功率控制中有功功率支路的d轴实际电压进行修正，在没有扰动的情况下，Δu_d＝0，即优化策略对稳态没有影响，只是对发生扰动后的暂态进行优化。

当系统发生扰动，优化后的d轴参考电流I_dref′的表达式如下：

其中，式中：I_dref′为优化后的d轴参考电流；U_d′为优化后的d轴电压；P_ref为有功功率的给定值；|P_ref|为有功功率给定值的绝对值。

优化前后功率正向流动时控制没有发生变化，仅仅是对功率反向流动时的控制进行优化校正。优化校正后的d轴电流偏差值ΔI_dref′的表达式如下：

所以通过修正直接恒功率控制策略中有功功率支路的d轴实际电压值U_d，让功率反向流动时d轴实际电压和修正后的d轴实际电流的变化趋势也能相同，使得反向输入阻抗趋同于正向输出阻抗，即反向输入阻抗也表现为正阻抗特性。

Images