CN112736982B - 一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法及系统,包括直轴电压支路振荡抑制控制、交轴电压支路振荡抑制控制以及电压电流双闭环控制。直轴电压支路振荡抑制控制,通过引入变流器并网点的直轴电压经振荡抑制控制传递函数加入到直流侧电压期望值中,可以有效减小电网阻抗和直流侧电压外环对并网变流器稳定性的影响;交轴电压支路振荡抑制控制,通过引入变流器并网点的交轴电压经振荡抑制控制传递函数加入到滤波电感交轴电流期望值中,可以有效减小电网阻抗和锁相环对并网变流器稳定性的影响;电压电流双闭环控制可维持直流侧电压稳定和保证并网电流的波形质量。本发明能够有效抑制大规模新能源并网变流器接入电网的宽频带振荡问题。
Description
技术领域
本发明涉及风力和光伏等新能源发电装备的小扰动稳定控制领域,特别是一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法及系统。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭,以及全球气候变暖等环境问题加剧,新能源的开发和利用成为了人们寻求能源结构调整、实现可持续发展的最佳选择,也是实现我国“碳达峰,碳中和”目标的重要途径。然而,随着大规模的风电和光伏通过并网变流器接入电网,新能源并网变流器在电网中的占比不断提高,同步发电机被大量替代,导致同步发电机的主导特性弱化,新能源并网变流器与电网之间的交互耦合作用不断加强。同时,受新能源资源分布和土地资源等的限制,我国大容量的新能源发电场站多建立在沙漠、草原和山区等偏远地区,距离主网较远,电网呈现高阻抗的弱电网特征。这将加剧弱电网和新能源并网变流器的交互耦合作用,引起宽频带振荡问题,严重影响新能源的消纳和电力系统的安全稳定运行。
研究新能源并网变流器接入电网的宽频带振荡问题具有重要的现实意义。目前,新能源并网变流器接入电网发生宽频带振荡问题时,工程上最常见的做法就是切掉新能源并网变流器来保证电力系统的安全。但这种方法不能从本质上解决问题,这种方法会造成新能源的大量浪费,而且随着新能源发电装机容量的进一步增大,该方法将不能适用,也就限制了新能源发电的占比提高。在理论研究方法,目前常见的新能源并网变流器宽频带振荡抑制方法有基于控制参数优化的宽频带振荡抑制方法和基于附加振荡抑制装置的宽频带振荡抑制方法。基于控制参数优化的宽频带振荡抑制方法主要通过稳定性分析,研究出哪些参数是对新能源并网变流器系统稳定裕度影响较大的参数,然后综合考虑系统稳定裕度和系统动态性能,对这些控制参数进行优化来抑制新能源并网变流器接入电网的宽频带振荡。基于控制参数优化的宽频带振荡抑制方法较为实用,仅仅修改参数就能提高系统稳定裕度,但是这种方法受到系统动态性能的制约,对系统稳定裕度难以有较大的提高。基于附加振荡抑制装置的宽频带振荡抑制方法增加并联或者串联的电力电子装置到新能源并网变流器并网系统中,通过控制附加振荡抑制装置的输出阻抗特性在特定频段呈阻性,可以提高新能源并网变流器并网系统的阻尼。基于附加振荡抑制装置的宽频带振荡抑制方法虽然有较好的效果,但是成本较高。因此,已有的针对新能源并网变流器接入电网的宽频带振荡问题的解决方法存在不足,不能在成本较低的前提下获得较好的振荡抑制效果,亟需突破一种宽频带振荡抑制效果优良,工程实践简单的新能源并网变流器宽频带振荡抑制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种实现简单、成本低的新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法及系统,抑制新能源并网变流器的宽频带振荡。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法,包括以下步骤:
1)采样新能源并网变流器的直流侧电压v dc 、三相并网电压v a 、v b 、v c 和三相滤波电感电流i a 、i b 、i c ;
2)对三相并网电压v a 、v b 、v c 和三相滤波电感电流i a 、i b 、i c 进行派克变换,分别得到dq坐标系下并网电压的d轴分量v d 、q轴分量v q 和滤波电感电流的d轴分量i d 、q轴分量i q ;
3)利用下式计算直轴电压支路振荡抑制控制的输出out d ,,其中为高通滤波器传递函数,,和分别为高通滤波器的阻尼系数和截止角频率,s为复频率,为直轴电压支路振荡抑制传递函数,,C dc 为新能源并网变流器直流侧储能电容的容值,为直轴电压支路振荡抑制控制的增益调节系数;利用下式计算交轴电压支路振荡抑制控制的输出out q ,,其中为锁相环传递函数,,和分别为锁相环PI控制器的比例系数和积分系数,为交轴电压支路振荡抑制控制的增益调节系数;
4)将直轴电压支路振荡抑制控制的输出out d 与直流侧电压期望值v dcexp 求和,得到直流侧电压外环的参考指令,将直流侧电压外环的参考指令和直流侧电压v dc 相减,得到差值err v ,将err v 送入PI控制器,获得新能源并网变流器滤波电感电流d轴分量的参考指令,其中,和分别为PI控制器的比例系数和积分系数;将新能源并网变流器滤波电感电流q轴分量的期望值与交轴电压支路振荡抑制控制的输出out q 相减,得到新能源并网变流器滤波电感电流q轴分量的参考指令;
5)将和相减,得到差值,将送入到电流内环PI控制器,得到d轴电流内环控制器的输出,其中,和分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数;将和相减,得到差值,将送入到电流内环PI控制器,得到轴电流内环控制器的输出;
本发明通过直轴电压支路振荡抑制控制可以有效减小电网阻抗和直流侧电压外环对并网变流器稳定性的影响,通过交轴电压支路振荡抑制控制可以有效减小电网阻抗和锁相环对并网变流器稳定性的影响,从而很好地抑制了新能源并网变流器的宽频带振荡。
本发明还提供了一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制系统,其包括计算机设备;所述计算机设备被配置或编程为用于执行上述方法的步骤。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:本发明满足了新能源并网变流器稳定接入弱电网的要求,通过直轴电压支路振荡抑制控制可以有效减小电网阻抗和直流侧电压外环对并网变流器稳定性的影响,通过交轴电压支路振荡抑制控制可以有效减小电网阻抗和锁相环对并网变流器稳定性的影响,从而抑制新能源并网变流器的宽频带振荡;同时,本发明简单实用,无需额外的硬件电路,仅改变控制方法就能有效抑制宽频带振荡,成本较低。本发明可提高大规模新能源并网变流器的稳定性能,降低电网弃风弃光率,促进新能源的消纳。
附图说明
图1为本发明一实施例新能源并网变流器的系统结构图;
图2A为本发明一实施例新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法锁相环控制部分原理图;图2B为本发明一实施例新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法派克变换部分原理图;图2C为本发明一实施例新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法电压电流双闭环控制部分原理图;
图3为本发明一实施例新能源并网变流器采用传统电压电流双闭环控制方法时的并网电流仿真波形图;
图4为本发明一实施例新能源并网变流器采用所提宽频带振荡抑制方法时的并网电流仿真波形图。
具体实施方式
图1为新能源并网变流器的系统结构图,包括直流侧储能电容、三相桥电路、LC滤波电路、采样调理电路、控制器、驱动电路;所述直流侧储能电容、三相桥电路、LC滤波电路依次连接;所述采样调理电路输入端与所述LC滤波电路及所述直流侧储能电容连接;所述控制器与所述驱动电路输入端、采样调理电路输出端连接;所述驱动电路驱动所述三相桥电路中的全控型功率器件。图中,v ga 、v gb 、v gc 为三相电网电压;L g 和R g 分别为等效电网电感和电阻;v a 、v b 、v c 为三相并网电压;i ga 、i gb 、i gc 为三相并网电流;i a 、i b 、i c 为三相滤波电感电流;v dc 为新能源并网变流器的直流侧电压;L和C分别为LC滤波电路的电感和电容;C dc 为直流侧储能电容;S 1~S 6为三相桥电路中的6个全控型功率器件;i re 为新能源并网变流器的前级等效输出电流。
图2A、图2B、图2C为本发明一实施例新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法控制框图,新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法的具体步骤如下:
1)在每个采样周期的起始点,控制器启动A/D转换器,对新能源并网变流器的直流侧电压v dc 、三相并网电压v a 、v b 、v c 和三相滤波电感电流i a 、i b 、i c 分别进行采样,所有采样数据经A/D转换器转换后,通过并行接口送给控制器进行处理;
3)并网电压的d轴分量v d 经直轴电压支路振荡抑制控制,可得到直轴电压支路振荡抑制控制的输出,,其中为高通滤波器传递函数,,和分别为高通滤波器的阻尼系数和截止角频率,s为复频率,为直轴电压支路振荡抑制传递函数,,为直流侧储能电容的容值,为直轴电压支路振荡抑制控制的增益调节系数,取值为,取值范围为,取值范围为;
5)将直流侧电压外环的参考指令和直流侧电压v dc 相减得到差值,将送入直流侧电压外环PI控制器,获得并网变流器滤波电感电流d轴分量的参考指令,其中,和分别为直流侧电压外环PI控制器的比例系数和积分系数,取值范围为,取值范围为;
6)并网电压的q轴分量经交轴电压支路振荡抑制控制,可得到交轴电压支路振荡抑制控制的输出,,其中为锁相环传递函数,,和分别为锁相环PI控制器的比例系数和积分系数,为交轴电压支路振荡抑制控制的增益调节系数,取值范围为,取值范围为,取值范围为;
本发明实施例还提供了一种宽频带振荡抑制系统,其包括计算机设备,该计算机设备可以执行上述实施例方法的步骤。
本实施例计算机设备包括采样装置和控制器,采样装置对新能源并网变流器的直流侧电压v dc 、三相并网电压v a 、v b 、v c 和三相滤波电感电流i a 、i b 、i c 分别进行采样,所有采样数据经A/D转换器转换后,通过并行接口送给控制器进行处理。
控制器可以是数字信号处理器。
图3和图4分别新能源并网变流器采用传统电压电流双闭环控制方法时和采用本发明宽频带振荡抑制方法时的并网电流仿真波形图。采用专业电力电子仿真软件Psim进行仿真,在仿真设置中,直流侧电压设置为700V,滤波电感和滤波电容分别设置为3mH和20μF,三相电网电压设置为380V,并网变流器的额定容量设计为10kW,全控型功率器件采用IGBT,IGBT的开关频率设置为10kHz,设置在0.6秒时刻电网阻抗由8mH切换到16mH。对图3和图4可知,当新能源并网变流器采用传统电压电流双闭环控制方法时,新能源并网变流器会在电网阻抗较大时失稳,即此时的新能源并网变流器对弱电网的适应能力较差;当新能源并网变流器采用所提宽频带振荡抑制方法时,新能源并网变流器不管在电网阻抗为8mH还是16mH时,新能源并网变流器系统都是稳定的,证明了本发明新能源并网变流器宽频带振荡抑制方法的有效性。
Claims (8)
1.一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)采样新能源并网变流器的直流侧电压v dc 、三相并网电压v a 、v b 、v c 和三相滤波电感电流i a 、i b 、i c ;
2)对三相并网电压v a 、v b 、v c 和三相滤波电感电流i a 、i b 、i c 进行派克变换,分别得到dq坐标系下并网电压的d轴分量v d 、q轴分量v q 和滤波电感电流的d轴分量i d 、q轴分量i q ;
3)利用下式计算直轴电压支路振荡抑制控制的输出out d ,,其中为高通滤波器传递函数,,和分别为高通滤波器的阻尼系数和截止角频率,s为复频率,为直轴电压支路振荡抑制传递函数,,C dc 为新能源并网变流器直流侧储能电容的容值,为直轴电压支路振荡抑制控制的增益调节系数;利用下式计算交轴电压支路振荡抑制控制的输出out q ,,其中为锁相环传递函数,,和分别为锁相环PI控制器的比例系数和积分系数,为交轴电压支路振荡抑制控制的增益调节系数;
4)将直轴电压支路振荡抑制控制的输出out d 与直流侧电压期望值v dcexp 求和,得到直流侧电压外环的参考指令,将直流侧电压外环的参考指令和直流侧电压v dc 相减,得到差值err v ,将err v 送入PI控制器,获得新能源并网变流器滤波电感电流d轴分量的参考指令,其中,和分别为PI控制器的比例系数和积分系数;将新能源并网变流器滤波电感电流q轴分量的期望值与交轴电压支路振荡抑制控制的输出out q 相减,得到新能源并网变流器滤波电感电流q轴分量的参考指令;
5)将和相减,得到差值,将送入到电流内环PI控制器,得到d轴电流内环控制器的输出,其中,和分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数;将和相减,得到差值,将送入到电流内环PI控制器,得到轴电流内环控制器的输出;
8.一种新能源并网变流器的宽频带振荡抑制系统,其特征在于,包括计算机设备;所述计算机设备被配置或编程为用于执行权利要求1~7之一所述方法的步骤。
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