CN112968468A - 单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法及系统 - Google Patents
单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提出了单dq‑PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法及系统,包括:获得单dq‑PI电流控制结构下的并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系;将负序电流参考值进行补偿,以使得稳态负序电流等于原始负序电流参考值;将补偿后的负序电流参考值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq‑PI电流控制器的输入量,实现对并网变流器负序电流控制。该方法保留了经典单dq‑PI电流控制结构,使该控制结构适用与对称和不对称电网条件下,使不对称电网条件下GSC的电流控制结构极大地简化,降低控制复杂度,增强控制系统的稳定性。
Description
技术领域
本公开属于并网变流器电流控制技术领域,尤其涉及单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
并网变流器(GSC)是新能源设备接入电网的一种重要方式,无论是光伏发电并网,还是全功率变流器型风电机组和双馈风电机组的并网,甚至像静止同步补偿器等接入电网,都需要以GSC作为接口。而GSC不仅要能工作在电网对称情况下,在电网不对称情况下,如不对称故障情况下,仍然要能够保持可靠稳定的工作。
在电网对称情况下,传统的基于锁相与矢量控制的单dq-PI电流控制结构能够使DFIG获得良好的正序输出电流控制效果;而在不对称情况下,这种控制结构被认为不能够适应不对称条件而对负序输出电流进行控制。
为了使GSC能够满足电网不对称条件下对负序电流控制的要求,GSC的许多改进的控制结构被提出,如双dq-PI电流控制结构,其在正、反转dq坐标系下分别对正序输出电流和负序输出电流进行控制;也有利用准谐振控制器实现负序输出电流控制的控制结构,如αβ坐标系下对正、负序电流进行统一控制的比例谐振电流控制结构和正转dq坐标系下对正、负序电流进行统一控制的比例积分谐振电流控制结构。这些控制结构增加了额外的控制器、滤波器或是采用了高阶控制器,使GSC的控制系统变得高阶复杂,不利于系统的稳定性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本公开提供了单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,使该控制结构适用与对称和不对称电网条件下,使不对称电网条件下GSC的电流控制结构极大地简化,降低控制复杂度,增强控制系统的稳定性。
为实现上述目的,本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案:
第一方面,公开了单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,包括:
获得经典单dq-PI电流控制结构下的并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系;
根据上述关系将负序电流参考值进行补偿,得到负序电流参考补偿值,将负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq-PI电流控制器的输入量,使负序电流等于负序电流参考值,实现对并网变流器负序电流控制。
进一步的技术方案,上述方法适用于对称和不对称电网条件下的并网变流器电流控制。
进一步的技术方案,采用二阶广义积分器方法在αβ坐标系下分离电网电压的正、负序分量,负序电压分量用以对负序电流参考值进行补偿。
进一步的技术方案,获得并网变流器在经典单dq-PI控制结构下稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系的具体方式为:
得到GSC的输出负序电压在正转dq坐标系下满足的表达式;
将上述表达式转换到反转dq坐标系下,并得出稳态条件下GSC的输出负序电压在反转dq坐标系下的稳态表达式;
在反转dq坐标系下,获得GSC的负序输出电压、电流之间存在的稳态关系;
结合得到的稳态表达式及上述稳态关系得到经典单dq-PI电流控制结构下GSC负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的稳态关系:
进一步的技术方案,补偿后的负序电流参考值表达式为:
其中,
A=KpKmod
C=Rg*+KpKmod
下表*代表标幺值,Kp为电流控制器PI调节器的比例系数,Ki为电流控制器PI调节器的积分系数,Kmod为电压调制信号转换为实际输出电压的比例系数,为反转dq坐标系下的负序电流参考补偿值,为反转dq坐标系下的负序电流参考值,为反转dq坐标系下的GSC负序端电压,ωPLL*为dq坐标系的旋转速度,ωB为旋转速度基值等于100π,Rg*为GSC滤波电抗器电阻,Lg*为滤波电抗器电感。
第二方面,公开了单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制系统,包括:
正负序电压分离单元,用于采用二阶广义积分器方法在αβ坐标系下分离电网电压的正负序分量;
锁相环,用于对正序端电压分量进行锁相处理;
负序电流参考值补偿单元,根据单dq-PI电流控制结构下的并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系,对负序电流参考值进行补偿,得到负序电流参考补偿值,将负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系。
单dq-PI电流控制器,负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq-PI电流控制器的输入量,使负序电流等于负序电流参考值,实现对并网变流器负序电流控制。
第三方面,公开了GSC并网的新能源发电系统,包括:
风机机侧或光伏部分及并网变流器;
所述风机机侧或光伏部分将电能传输至并网变流器;
所述并网变流器采用上述方法实现对负序电流控制并将电能传输至电网。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果:
本公开技术方案公开的单dq-PI电流控制结构下的GSC负序电流控制方法,在对经典单dq-PI电流控制结构下的GSC不对称扰动响应分析的基础上,通过增加GSC负序电流参考值前馈补偿环节,实现对GSC输出负序电流的控制。该方法保留了经典单dq-PI电流控制结构,使该控制结构适用与对称和不对称电网条件下,使不对称电网条件下GSC的电流控制结构极大地简化,降低控制复杂度,增强控制系统的稳定性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例GSC并网的新能源发电单元基本结构;
图2为GSC的经典单dq-PI电流控制结构;
图3为本公开实施例基于二阶广义积分器的正、负序电压分离流程图;
图4为本公开实施例GSC负序响应d轴输出电流图;
图5为本公开实施例GSC负序响应q轴输出电流图;
图6为本公开实施例增加负序电流参考值补偿环节后的GSC单dq-PI电流控制结构图;
图7为本公开实施例仿真系统示意图;
图8为本公开实施例Case 1:经典单dq-PI电流控制结构正序端电压图;
图9为本公开实施例Case 1:经典单dq-PI电流控制结构负序端电压图;
图10为本公开实施例Case 1:经典单dq-PI电流控制结构正转dq坐标系下d轴电流图;
图11为本公开实施例Case 1:经典单dq-PI电流控制结构正转dq坐标系下q轴电流参考值与q轴电流图;
图12为本公开实施例Case 1:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构正序端电压图;
图13为本公开实施例Case 1:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构负序端电压图;
图14为本公开实施例Case 1:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构正转dq坐标系下d轴电流参考值与d轴电流图;
图15为本公开实施例Case 1:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构正转dq坐标系下q轴电流参考值与q轴电流图;
图16为本公开实施例Case 2:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构正序端电压图;
图17为本公开实施例Case 2:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构负序端电压图;
图18为本公开实施例Case 2:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构正转dq坐标系下d轴电流参考值与d轴电流图;
图19为本公开实施例Case 2:增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构正转dq坐标系下q轴电流参考值与q轴电流图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,在对经典单dq-PI电流控制结构下的GSC不对称扰动响应分析的基础上,通过增加GSC负序电流参考值前馈补偿环节,实现对GSC输出负序电流的控制。该方法保留了经典单dq-PI电流控制结构,使该控制结构适用与对称和不对称电网条件下,使不对称电网条件下GSC的电流控制结构极大地简化,降低控制复杂度,增强控制系统的稳定性。
为了介绍本申请的技术方案,首先对不对称扰动下单dq-PI电流控制结构GSC的响应分析:
利用GSC并网的新能源发电单元基本结构如图1所示,GSC的经典单dq-PI电流控制结构如图2所示。
在电网不对称情况下,仍然采用这种控制结构,但对锁相环进行改进,使其对电网正序电压进行跟踪锁相。采用二阶广义积分器方法在αβ坐标系下分离电网电压的正负序分量,如图3所示。
其中:
此外在电流参考值中增加负序电流参考值成分,该成分在锁相环锁定电网正序电压而形成的正转dq坐标系下为一个二倍频交流量。
建立该控制结构在锁相环锁定电网正序电压而形成的正转dq坐标系下的以GSC输出电流、GSC积分输出电压为状态变量的状态空间方程,如式(2)所示。
其中,
上标+代表该变量是在正转dq坐标系下的量,下表*代表标幺值。是正转dq坐标系下GSC输出电流,是正转dq坐标系下GSC输出电压,是正转dq坐标系下GSC端电压,是正转dq坐标系下GSC输出电流参考值,Kp为电流控制器PI调节器的比例系数,Ki为电流控制器PI调节器的积分系数,Kmod为电压调制信号转换为实际输出电压的比例系数,ωPLL*为dq坐标系的旋转速度,ωB为旋转速度基值等于100π,Rg*为GSC滤波电抗器电阻,Lg*为滤波电抗器电感。
分析在不对称端电压阶跃扰动下采用经典单dq-PI电流控制结构的GSC的响应。忽略锁相环动态,即认为锁相环坐标系立即重合于正序电网电压矢量。假设不对称扰动前GSC运行于对称稳态。
将GSC对不对称端电压阶跃扰动的响应分解为两部分:正序响应和负序响应。对于正序响应,可由正转dq坐标系下的式(4)所示的状态空间方程描述。
对于负序响应,可由正转dq坐标系下的式(5)所示的状态空间方程描述。
其中,各状态变量的初始值等于0。为正转dq坐标系下的负序电网电压;为正转dq坐标系下的负序输出电流参考值。均为正转dq坐标系下的二倍频交流量,为了简化分析,将式(5)转化到反转dq坐标系下,反转dq坐标系的角度等于正转dq坐标系角度的相反数,如式(6)所示。
其中
正序响应等效于发生一个对称电压跌落,单dq-PI电流控制结构在这种扰动下能够对正序输出电流进行很好地控制。正序响应不是需要关注的重点。
我们主要关注负序响应的特点。
对于以下负序扰动场景和负序输出电流参考值:
在反转dq坐标系下
通过式(6)计算其负序响应,GSC输出电流的负序响应如图4、图5所示。
可以看到,即使不对负序电流控制进行额外的设计,单dq-PI电流控制结构也基本能够实现对负序转子电流的控制,虽然与参考值之间具有一定的稳态误差,但是具有良好的动态响应。鉴于此,想要实现对GSC输出负序电流的控制,没有必要对控制结构进行很大的改变,可以在单dq-PI控制的基础上增加前馈补偿环节来消除稳态误差以实现对负序电流的准确控制。下面将分析在经典单dq-PI电流控制结构下负序电流参考值与负序电流之间的稳态关系,从而找到前馈补偿的方式。
具体实施例子中,单dq-PI电流控制结构GSC负序电流参考值与负序电流的稳态关系以及负序电流参考值补偿环节的设计:
在反转dq坐标系下,对于GSC的负序输出电压、电流存在以下稳态关系:
GSC的输出负序电压在正转dq坐标系下满足以下表达式:
将式(7)转换到反转dq坐标系下:
当到达稳态时,应有:
于是可以得到在反转dq坐标系下GSC的输出负序电压的稳态表达式为
将式(10)代入式(6),可以得到GSC负序电流的稳态表达式:
其中,
式(11)表述了单dq-PI电流控制结构下的GSC稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系。据此,可以将负序电流参考值进行补偿,以使得稳态负序电流等于原始负序电流参考值。补偿后的负序电流参考值表达式为:
将补偿后的负序电流参考值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq-PI电流控制结构的输入量。增加负序电流参考值补偿环节后的GSC单dq-PI电流控制结构如图6所示。通过基于二阶广义积分器的方法分离得到GSC端电压的正、负序分量,锁相环锁定端电压的正序分量形成正转dq坐标系以及相应的反转dq坐标系;在反转dq坐标系下的负序电流参考值乘以1/Kref系数后减去反转dq坐标系下的GSC负序端电压乘以KU/Kref系数,得到反转dq坐标系下的负序电流参考补偿值,将反转dq坐标系下的负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系下,与正转dq坐标系下的正序电流参考值相加,作为GSC电流控制器的输入与GSC输出电流测量值相减后输入至PI调节器得到在正转dq坐标系下的GSC输出电压调制信号,转换为abc三相调制信号后与载波信号比较得到GSC开关信号,控制GSC的开关管的开断以实现调制电压输出,从而对GSC输出电流进行控制。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制系统,包括:
正负序电压分离单元,用于采用二阶广义积分器方法在αβ坐标系下分离电网电压的正负序分量;
锁相环,用于对正序端电压分量进行锁相处理;
负序电流参考值补偿单元,根据单dq-PI电流控制结构下的并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系,对负序电流参考值进行补偿,得到负序电流参考补偿值,将负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系。
单dq-PI电流控制器,负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq-PI电流控制器的输入量,使负序电流等于负序电流参考值,实现对并网变流器负序电流控制。
实施例五
本实施例的目的是提供了GSC并网的新能源发电系统,包括:
风机机侧或光伏部分及并网变流器;
所述风机机侧或光伏部分将电能传输至并网变流器;
所述并网变流器采用上述方法实现对负序电流控制并将电能传输至电网。
以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应,具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质;还应当被理解为包括任何介质,所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
算例
Case 1:发生故障后,令负序电流参考值为0,正序电流参考值不变。
GSC分别采用经典单dq-PI电流控制结构和增加负序电流参考值补偿环节后的单dq-PI电流控制结构,对比两种方案的结果以说明所提出方法的有效性。
采用经典单dq-PI电流控制结构的仿真结果如图8~图11所示。
可以看到,在经典单dq-PI电流控制结构下,正转dq坐标系下dq轴电流出现了二倍频波动分量,即出现了负序电流成分,没有能够将负序电流控制为0。
增加负序电流参考值补偿环节后,仿真结果如图12~图15所示。
当增加负序电流参考值补偿环节后,正转dq坐标系下的dq轴电流可以准确追踪相对应的电流参考值,说明增加负序电流参考值补偿环节后的单dq-PI电流控制结构将负序输出电流控制为0,准确快速地实现了负序电流的控制目标。
Case 2:发生故障后,令GSC向电网提供容性负序无功电流,正序电流参考值不变。
负序电流参考值按照以下规则给定:
KQ-首先等于2,在0.2s时变为3。
增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构的仿真结果如图16~图19所示。
在0.2s后增大KQ-后GSC通过更大的容性负序无功电流输出,使负序端电压幅值下降。可以看到,在增加负序电流参考值补偿环节的单dq-PI电流控制结构下,GSC输出电流能够被准确快速地控制为相应的电流参考值,能够很好地实现不对称电网条件下对负序电流的控制。
本公开实施例子提出的一种单dq-PI电流控制结构下的GSC负序电流控制方法,通过对经典单dq-PI电流控制结构的负序扰动响应进行分析,增加了负序电流参考值的前馈补偿环节,从而实现GSC对负序电流参考值的准确快速追踪。所提出的这种控制方法相比于目前的双dq-PI控制方法、准谐振控制器方法而言,不需要使用高阶控制器和额外的电流滤波器,控制系统的阶数极大的降低;使对称和不对称电网条件下能够使用统一的控制结构。
本领域技术人员应该明白,上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本公开的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,其特征是,包括:
获得单dq-PI电流控制结构下的并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系;
根据上述关系将负序电流参考值进行补偿,得到负序电流参考补偿值,将负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq-PI电流控制器的输入量,使负序电流等于负序电流参考值,实现对并网变流器负序电流控制。
2.如权利要求1所述的单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,其特征是,上述方法适用于对称或不对称电网条件下的并网变流器电流控制,在对称或不对称条件下采用相同的电流控制结构。
3.如权利要求1所述的单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,其特征是,采用二阶广义积分器方法在αβ坐标系下分离电网电压的正、负序分量,负序电压分量用以对负序电流参考值进行补偿。
4.如权利要求1所述的单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法,其特征是,获得并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系的具体方式为:
得到GSC的输出负序电压在正转dq坐标系下满足的表达式;
将上述表达式转换到反转dq坐标系下,并得出稳态条件下GSC的输出负序电压在反转dq坐标系下的稳态表达式;
在反转dq坐标系下,获得GSC的负序输出电压、电流之间存在的稳态关系;
结合得到的稳态表达式及上述稳态关系得到经典单dq-PI电流控制结构下GSC负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的稳态关系。
7.单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制系统,其特征是,包括:
正负序电压分离单元,用于采用二阶广义积分器方法在αβ坐标系下分离电网电压的正负序分量;
锁相环,用于对正序端电压分量进行锁相处理;
负序电流参考值补偿单元,根据单dq-PI电流控制结构下的并网变流器稳态负序电流与负序电流参考值、负序端电压之间的关系,对负序电流参考值进行补偿,得到负序电流参考补偿值,将负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系;
单dq-PI电流控制器,负序电流参考补偿值转换到正转dq坐标系下以后,与正序电流参考值相加作为单dq-PI电流控制器的输入量,使负序电流等于负序电流参考值,实现对并网变流器负序电流控制。
8.GSC并网的新能源发电系统,其特征是,包括:
风机机侧或光伏部分及并网变流器;
所述风机机侧或光伏部分将电能传输至并网变流器;
所述并网变流器采用上述权利要求1-6任一所述的方法实现对负序电流控制并将电能传输至电网。
9.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-6任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时执行权利要求1-6任一所述的方法的步骤。
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CN202110160911.0A Active CN112968468B (zh) | 2021-02-05 | 2021-02-05 | 单dq-PI电流控制结构下并网变流器负序电流控制方法及系统 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113890398A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-01-04 | 四川大学 | 一种考虑频率动态特性的pr控制与pi控制等效方法 |
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CN105633986A (zh) * | 2016-03-03 | 2016-06-01 | 甘肃省电力公司风电技术中心 | 基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法 |
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CN111987953A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-11-24 | 山东大学 | 单dq控制结构双馈风机正、负序转子电流控制方法及系统 |
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2021
- 2021-02-05 CN CN202110160911.0A patent/CN112968468B/zh active Active
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