CN113193605A - 电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法 - Google Patents

电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，属于高渗透率新能源并网发电系统中的新能源变流器控制领域。本方法首先计算新能源变流器输出瞬时有功和无功功率，并采用一阶低通滤波器进行滤波，然后采用基于有功功率直接控制的有功外环控制，和基于下垂控制的无功外环控制，分别得到输出电压相角和幅值指令，最后进行输出电压和电感电流的双闭环控制。本发明使新能源变流器在并网运行时具有与电流控制型并网变流器相同的快速功率跟随特性；当电网发生故障时，在无需电压/电流控制模式切换的情况下即可主动提供电压和频率支撑，增强系统的电压和频率稳定性。

Description

电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法
技术领域
本发明属于高渗透率新能源并网发电系统中的新能源变流器控制领域，具体涉及一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法。
背景技术
在我国2030年碳达峰、2060年碳中和的目标下，光伏、风电将迎来大幅增长空间。能源供应体系将由以煤炭为主向多元化转变，新能源发电逐步成为主体。在高渗透率新能源并网发电系统中，当新能源变流器并网运行时，要求其能够跟踪光伏、风电最大功率点执行最大功率传输任务，或能够参与系统功率调度，快速响应功率指令；当主电网惯性不足或发生故障时，要求新能源变流器能够提供频率和电压支撑，以抑制系统频率的快速波动、提高系统的稳定性。
传统新能源并网变流器采用与电网频率解耦的直接电流控制，电流指令由外环最大功率点跟踪控制产生。直接电流控制型变流器可等效为一个电流源，将直流侧的有功功率快速传输到电网，实现功率的快速跟随。电流控制型虚拟同步发电机在直接电流控制的基础上，根据系统频率偏差和变化率计算一次调频和虚拟惯性所需短时功率，并将其叠加在电流指令上增加有功输出，从而提供被动惯性。因此，电流控制型虚拟同步发电机虽然可以快速跟随功率指令，也可增加系统的等效惯性，但其与直接电流控制相同，具有无法提供频率和电压支撑，以及涉网能力不足易停机脱网等问题。电压控制型虚拟同步发电机为了满足系统惯性较小时能够主动增强惯性以抑制频率快速波动的需求，采用控制算法模拟同步发电机的机械转矩方程，将有功偏差经虚拟惯性环节转化为频率控制信号以调节输出电压与电网电压之间的相角差，从而实现输出有功的间接控制。虽然其可提供电压和频率支撑，但为了增强系统惯性，电压控制型虚拟同步发电机需设置较大的虚拟惯量，而虚拟惯量的增大使得功率偏差无法及时转化为频率信号，从而降低了输出有功响应速度，导致其无法像电流控制型变流器一样实现功率指令的快速跟随，从而难以满足新能源变流器并网运行模式的需求。
目前，针对电流控制型新能源变流器和电压控制型新能源变流器的频率和有功功率控制，已有多篇学术论文进行分析报道，例如：
1、题为“E1ectric power system inertia：requirements，challenges andsolutions”Rezkalla M，Pertl M，Marinelli M，《ELECTRICAL ENGINEERING》，2018，100：2677-2693(“电力系统惯性：需求，挑战和解决方案”，《电气工程》，2018年第100卷2677-2693页)与“基于频率微分原理的储能变换器虚拟惯量控制策略研究”，石荣亮，张烈平，王文成，于雁南，张兴，《中国电机工程学报》，2021年第41卷第6期2088-2100页文章在传统电流控制型并网变流器基础上，根据系统频率变化率计算虚拟惯性所需的短时功率，并将其叠加在有功指令信号上，以实现功率的快速调节，从而实现被动惯性支撑。但此方法存在无电压支撑能力、弱网环境下稳定性差和电网故障时易脱机保护等问题。
2、题为“An Improved Virtual Inertia Algorithm of Virtual SynchronousGenerator”H.Xu，C.Yu，C.Liu，Q.Wang and X.Zhang，《Journal of Modern Power Systemsand Clean Energy》，2020，8(2)：377-386(“虚拟同步发电机的一种改进虚拟惯性算法”，《现代电力系统与清洁能源杂志》，2020年第8卷第2期377-386页)通过在传统电压控制型虚拟同步发电机的一阶虚拟惯性环节上增加微分环节以加快频率和功率的响应速度，从而改善了输出有功动态特性。电压控制型变流器虽可增强系统的等效惯性，提供频率和电压支撑，且改进虚拟惯性算法提高了变流器输出有功的响应速度，但其仍无法实现与直接电流控制相同的有功快速跟随。
发明内容
本发明目的是针对高渗透率新能源并网发电系统中的电压控制型新能源变流器在提供频率和电压支撑的同时，实现有功指令的快速跟随问题，提供一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，使变流器无需控制模式切换，在并网运行时可具有与电流控制型变流器相同的有功指令快速跟随特性，以跟踪最大功率点或快速响应有功调度指令；当电网惯性减弱或发生故障时，又可作为电压源提供频率和电压支撑，并增强系统的等效惯性和系统稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，步骤如下：
步骤1、采样新能源变流器的输出相电压Eoa，Eob，Eoc、桥臂电感电流ILa，ILb，ILc，并经单同步旋转坐标变换分别得到输出电压dq轴分量Eod，Eoq和电感电流dq轴分量ILb，ILq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；
步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量Eod，Eoq和电感电流dq轴分量ILd，ILq计算新能源变流器输出瞬时有功功率Po和新能源变流器输出瞬时无功功率Qo，并经一阶低通滤波器进行滤波，得到新能源变流器输出平均有功功率和新能源变流器输出平均无功功率，并分别记为输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000031
和输出平均无功功率
Figure BDA0003077380590000032
所述输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000041
和输出平均无功功率
Figure BDA0003077380590000042
计算式分别为：
Figure BDA0003077380590000043
Figure BDA0003077380590000044
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子；
步骤3、根据步骤2中得到的输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000045
经过有功外环控制算法得到新能源变流器输出电压角频率，并记为角频率ωref，角频率ωref经积分运算得到相角指令θref；
步骤4、根据步骤2中得到的输出平均无功功率
Figure BDA0003077380590000046
经过无功外环控制算法得到电压闭环控制d轴指令Edref；
所述无功外环控制算法为电压-无功功率线性下垂控制，计算式为：
Figure BDA0003077380590000047
其中，E*为新能源变流器额定输出相电压幅值，n为新能源变流器的无功功率下垂系数；
步骤5、设电压闭环控制q轴指令Eqref＝0，将步骤4中得到的电压闭环控制d轴指令Edref与步骤1中得到的输出电压d轴分量Eod，经过d轴电压闭环控制，得到电感电流闭环控制的d轴指令ILdref；将电压闭环控制q轴指令Eqref与步骤1中得到的输出电压q轴分量Eoq，经过q轴电压闭环控制，得到电感电流闭环控制q轴指令ILqref；
所述d轴电压闭环控制和q轴电压闭环控制的方程分别为：
ILdref＝(Edref-Eod)GV(s)
ILqref＝(Eqref-Eoq)GV(s)
其中，GV(s)为电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
GV(s)＝Kpv+Kiv/s
Kpv为电压闭环比例调节器系数，Kiv为电压闭环积分调节器系数；
步骤6、将步骤5中得到的电感电流闭环控制d轴指令ILdref与步骤1中得到的电感电流d轴分量ILb，经过d轴电感电流闭环控制，得到d轴输出信号Ed；将步骤5中得到的电感电流闭环控制q轴指令ILqref与步骤1中得到的电感电流q轴分量ILq，经过q轴电感电流闭环控制，得到q轴输出信号Eq；
所述d轴电感电流闭环控制和q轴电感电流闭环控制的方程分别为：
Ed＝(ILdref-ILd)GI(s)
Eq＝(ILqref-ILq)GI(s)
GI(s)为电感电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝Kp
其中Kp为电感电流闭环比例调节器系数；
步骤7、将步骤4中得到的电压闭环控制d轴指令Edref和步骤5中得到的电压闭环控制q轴指令Eqref作为电压指令前馈，分别加上步骤6中得到的d轴输出信号Ed和q轴输出信号Eq，得到dq坐标系下的调制波Emd，Emq；
Emd＝Edref+Ed
Emq＝Eqref+Eq
步骤8、将步骤7中得到的dq坐标系下的调制波Emd，Emq经单同步旋转坐标反变换得到新能源变流器桥臂电压的三相调制波Ema，Emb，Emc，经调制后作为IGBT电路的驱动信号。
优选地，步骤3所述有功外环控制算法，包括以下步骤：
首先根据上一计算周期的新能源变流器输出电压角频率ωref′，经调速器比例控制，得到调速器所需的有功功率Pω，其计算式为：
Pω＝Kω(ω0-ωref′)
其中，ω0为新能源变流器输出电压的额定频率，Kω为调速器比例控制系数；
其次，将调速器所需的有功功率Pω加上给定的有功指令分量Pref1，得到新能源变流器功率外环控制的有功指令Pm，其计算式为：
Figure BDA0003077380590000061
其中，Pref为新能源变流器总的有功指令，λ为有功功率直接控制的参与因子，Dω为阻尼系数；
然后，将新能源变流器功率外环控制的有功指令Pm、输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000063
经过虚拟惯性环节和有功指令前馈分量Pref2，得到新能源变流器输出电压角频率ωref，其计算式为：
Pref2＝λPref
Figure BDA0003077380590000062
其中，Jω为变流器的虚拟惯量；
步骤3所述频率指令积分运算，其计算式为：
θref＝∫ωref。
本发明公开的电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，与现有的电压控制型变流器和电流控制型变流器相比，其有益效果体现在：
1、本控制方法在传统电压控制型虚拟同步发电机算法中加入有功功率直接控制，在并网运行时可实现与电流控制型并网变流器相同的快速功率跟随特性；
2、本控制方法具有电压控制型变流器主动支撑电压和频率的优点，当电网发生故障时，在无需电压/电流控制模式切换的情况下即可主动提供电压和频率支撑，增强系统的电压和频率稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例新能源变流器并网系统结构图和变流器控制框图。
图2为本发明实施例新能源变流器有功功率直接控制框图。
图3为本发明实施例新能源变流器有功功率直接控制参与因子取不同值时其输出有功波形。
具体实施方式
下面结合附图对本实施例进行具体的描述。
图1为新能源变流器并网系统结构图和变流器控制框图。其中DS为光伏、风电等分布式新能源发电设备，ES为储能电池，KM为并网开关。变流器直流电压为600V，额定输出线电压为380V/50Hz，滤波电感值为0.5mH，滤波电容值为200uF，联线阻抗为ZL1＝0.001+j0.004Ω，额定容量为100KVar。
图2为本发明实施例新能源变流器有功功率直接控制框图。由图2可见，本发明电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，步骤如下：
步骤1、采样新能源变流器的输出相电压Eoa，Eob，Eoc、桥臂电感电流ILa，ILb，ILc，并经单同步旋转坐标变换分别得到输出电压dq轴分量Eod，Eoq和电感电流dq轴分量ILd，ILq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴。
步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量Eod，Eoq和电感电流dq轴分量ILd，ILq计算新能源变流器输出瞬时有功功率Po和新能源变流器输出瞬时无功功率Qo，并经一阶低通滤波器进行滤波，得到新能源变流器输出平均有功功率和新能源变流器输出平均无功功率，并分别记为输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000081
和输出平均无功功率
Figure BDA0003077380590000082
所述输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000083
和输出平均无功功率
Figure BDA0003077380590000084
计算式分别为：
Figure BDA0003077380590000085
Figure BDA0003077380590000086
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子。
一阶低通滤波器起到滤除瞬时功率中的各次谐波，以及拉开功率环和电压环控制带宽的作用。考虑到有功外环控制中虚拟惯性环节可起到相同作用，本实施例中忽略负载电流或电网电压谐波产生的功率谐波分量影响，设置一阶低通滤波器截止频率为100Hz，因此取Tf＝0.0016s。
步骤3、根据步骤2中得到的输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000087
经过有功外环控制算法得到新能源变流器输出电压角频率，并记为角频率ωref，角频率ωref经积分运算得到相角指令θref。
所述有功外环控制算法，包括以下步骤：
首先根据上一计算周期的新能源变流器输出电压角频率ωref′，经调速器比例控制，得到调速器所需的有功功率Pω，其计算式为：
Pω＝Kω(ω0-ωref′)
其中，ω0为新能源变流器输出电压的额定频率，Kω为调速器比例控制系数。
其次，将调速器所需的有功功率Pω加上给定的有功指令分量Pref1，得到新能源变流器功率外环控制的有功指令Pm，其计算式为：
Figure BDA0003077380590000091
其中，Pref为新能源变流器总的有功指令，λ为有功功率直接控制的参与因子，Dω为阻尼系数。
然后，将新能源变流器功率外环控制的有功指令Pm、输出平均有功功率
Figure BDA0003077380590000092
经过虚拟惯性环节和有功指令前馈分量Pref2，得到新能源变流器输出电压角频率ωref，其计算式为：
Pref2＝λPref
Figure BDA0003077380590000093
其中，Jω为变流器的虚拟惯量。
所述频率指令积分运算，其计算式为：
θref＝∫ωref。
图2为新能源变流器有功功率直接控制框图。λ为有功功率直接控制参与因子，其值越大，表示有功功率直接控制参与度越大，变流器输出有功功率响应速度越快，具有与直接电流控制型变流器相同的快速功率跟随特性；当λ＝0时，有功功率直接控制参与度为0，变流器呈传统电压控制型虚拟同步发电机特性。本实施例中变流器额定容量Prate＝100Kvar，ω0＝314.159rad/s，Kω1＝Prate/1％ω0＝31831.012W·s/rad，Dω＝1.5Kω1，λ的初始值为0。
步骤4、根据步骤2中得到的输出平均无功功率
Figure BDA0003077380590000094
经过无功外环控制算法得到电压闭环控制d轴指令Edref。
所述无功外环控制算法为电压-无功功率线性下垂控制，计算式为：
Figure BDA0003077380590000095
其中，E*为新能源变流器额定输出相电压幅值，n为新能源变流器的无功功率下垂系数。
在本实施例中，n按照新能源变流器输出无功为额定容量时，其电压幅值最大波动5％进行设置。本实施例中E*＝220V，n＝5％E*/Prate＝11e-5V/Var。
步骤5、设电压闭环控制q轴指令Eqref＝0，将步骤4中得到的电压闭环控制d轴指令Edref与步骤1中得到的输出电压d轴分量Eod，经过d轴电压闭环控制，得到电感电流闭环控制的d轴指令ILdref；将电压闭环控制q轴指令Eqref与步骤1中得到的输出电压q轴分量Eoq，经过q轴电压闭环控制，得到电感电流闭环控制q轴指令ILqref。
所述d轴电压闭环控制和q轴电压闭环控制的方程分别为：
ILdref＝(Edref-Eod)GV(s)
ILqref＝(Eqref-Eoq)GV(s)
其中，GV(s)为电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
GV(s)＝Kpv+Kiv/s
Kpv为电压闭环比例调节器系数，Kiv为电压闭环积分调节器系数。
电压闭环控制的作用为实现变流器输出电压的快速无差跟随和较好的抗扰性能，在同步旋转坐标系下采用比例积分控制器，本实施例中，Kp＝0.01，Kiv＝800。
步骤6、将步骤5中得到的电感电流闭环控制d轴指令ILdref与步骤1中得到的电感电流d轴分量ILd，经过d轴电感电流闭环控制，得到d轴输出信号Ed；将步骤5中得到的电感电流闭环控制q轴指令ILqref与步骤1中得到的电感电流q轴分量ILq，经过q轴电感电流闭环控制，得到q轴输出信号Eq；
所述d轴电感电流闭环控制和q轴电感电流闭环控制的方程分别为：
Ed＝(ILdref-ILb)GI(s)
Eq＝(ILqref-ILq)GI(s)
GI(s)为电感电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝Kp
其中Kp为电感电流闭环比例调节器系数。
电流闭环作用为改善变流器输出电压的动态特性，本实施例中采用电感电流反馈的闭环控制，控制器采用比例调节器，Kp＝0.02。
步骤7、将步骤4中得到的电压闭环控制d轴指令Edref和步骤5中得到的电压闭环控制q轴指令Eqref作为电压指令前馈，分别加上步骤6中得到的d轴输出信号Ed和q轴输出信号Eq，得到dq坐标系下的调制波Emd，Emq；
Emd＝Edref+Ed
Emq＝Eqref+Eq
步骤8、将步骤7中得到的dq坐标系下的调制波Emd，Emq经单同步旋转坐标反变换得到新能源变流器桥臂电压的三相调制波Ema，Emb，Emc，经调制后作为IGBT电路的驱动信号。
本实施例中发明适用于电压控制型新能源变流器。
为佐证本发明的技术效果，对图1所示的1台采用有功功率直接控制的100kW三相电压控制型新能源变流器流器并网系统进行了仿真。
图3为对图1所示的1台采用有功功率直接控制的100kW三相电压控制型新能源变流器流器并网系统进行仿真，得到的新能源变流器有功功率直接控制的参与因子λ取不同值时变流器输出有功阶跃响应波形。由图3可见，当λ＝0，Jω＝8，Dω＝1.5Kω1时，新能源变流器输出有功呈传统虚拟同步发电机特性，由于虚拟惯性较大而阻尼较小，有功功率振荡约2个周波后，于0.8s达到稳态。若减小虚拟惯量使Jω＝0.1，新能源变流器输出有功超调为0且响应速度加快，约0.25s达到稳态。虽然减小虚拟惯量可加快变流器输出有功响应速度，但仍无法达到有功快速跟随的响应速度。当设置λ＝0，Jω＝8，Dω＝1.5Kω1时，新能源变流器输出有功功率在0.05s即可达到稳态，具有与直接电流控制相似的功率跟随特性。

Claims (2)

1.一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、采样新能源变流器的输出相电压Eoa，Eob，Eoc、桥臂电感电流ILa，ILb，ILc，并经单同步旋转坐标变换分别得到输出电压dq轴分量Eod，Eoq和电感电流dq轴分量ILd，ILq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；
步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量Eod，Eoq和电感电流dq轴分量ILd，ILq计算新能源变流器输出瞬时有功功率Po和新能源变流器输出瞬时无功功率Qo，并经一阶低通滤波器进行滤波，得到新能源变流器输出平均有功功率和新能源变流器输出平均无功功率，并分别记为输出平均有功功率
Figure FDA0003077380580000011
和输出平均无功功率
Figure FDA0003077380580000012
所述输出平均有功功率
Figure FDA0003077380580000013
和输出平均无功功率
Figure FDA0003077380580000014
计算式分别为：
Figure FDA0003077380580000015
Figure FDA0003077380580000016
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子；
步骤3、根据步骤2中得到的输出平均有功功率
Figure FDA0003077380580000017
经过有功外环控制算法得到新能源变流器输出电压角频率，并记为角频率ωref，角频率ωref经积分运算得到相角指令θref；
步骤4、根据步骤2中得到的输出平均无功功率
Figure FDA0003077380580000018
经过无功外环控制算法得到电压闭环控制d轴指令Edref；
所述无功外环控制算法为电压-无功功率线性下垂控制，计算式为：
Figure FDA0003077380580000019
其中，E*为新能源变流器额定输出相电压幅值，n为新能源变流器的无功功率下垂系数；
步骤5、设电压闭环控制q轴指令Eqref＝0，将步骤4中得到的电压闭环控制d轴指令Edref与步骤1中得到的输出电压d轴分量Eod，经过d轴电压闭环控制，得到电感电流闭环控制的d轴指令ILdref；将电压闭环控制q轴指令Eqref与步骤1中得到的输出电压q轴分量Eoq，经过q轴电压闭环控制，得到电感电流闭环控制q轴指令ILqref；
所述d轴电压闭环控制和q轴电压闭环控制的方程分别为：
ILdref＝(Edref-Eod)GV(s)
ILqref＝(Eqref-Eoq)GV(s)
其中，GV(s)为电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
GV(s)＝Kpv+Kiv/s
Kpv为电压闭环比例调节器系数，Kiv为电压闭环积分调节器系数；
步骤6、将步骤5中得到的电感电流闭环控制d轴指令ILdref与步骤1中得到的电感电流d轴分量ILd，经过d轴电感电流闭环控制，得到d轴输出信号Ed；将步骤5中得到的电感电流闭环控制q轴指令ILqref与步骤1中得到的电感电流q轴分量ILq，经过q轴电感电流闭环控制，得到q轴输出信号Eq；
所述d轴电感电流闭环控制和q轴电感电流闭环控制的方程分别为：
Ed＝(ILdref-ILd)GI(s)
Eq＝(ILqref-ILq)GI(s)
GI(s)为电感电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝Kp
其中Kp为电感电流闭环比例调节器系数；
步骤7、将步骤4中得到的电压闭环控制d轴指令Edref和步骤5中得到的电压闭环控制q轴指令Eqref作为电压指令前馈，分别加上步骤6中得到的d轴输出信号Ed和q轴输出信号Eq，得到dq坐标系下的调制波Emd，Emq；
Emd＝Edref+Ed
Emq＝Eqref+Eq
步骤8、将步骤7中得到的dq坐标系下的调制波Emd，Emq经单同步旋转坐标反变换得到新能源变流器桥臂电压的三相调制波Ema，Emb，Emc，经调制后作为IGBT电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，其特征在于，步骤3所述有功外环控制算法，包括以下步骤：
首先根据上一计算周期的新能源变流器输出电压角频率ωref′，经调速器比例控制，得到调速器所需的有功功率Pω，其计算式为：
Pω＝Kω(ω0-ωref′)
其中，ω0为新能源变流器输出电压的额定频率，Kω为调速器比例控制系数；
其次，将调速器所需的有功功率Pω加上给定的有功指令分量Pref1，得到新能源变流器功率外环控制的有功指令Pm，其计算式为：
Figure FDA0003077380580000031
其中，Pref为新能源变流器总的有功指令，λ为有功功率直接控制的参与因子，Dω为阻尼系数；
然后，将新能源变流器功率外环控制的有功指令Pm、输出平均有功功率
Figure FDA0003077380580000032
经过虚拟惯性环节和有功指令前馈分量Pref2，得到新能源变流器输出电压角频率ωref，其计算式为：
Pref2＝λPref
Figure FDA0003077380580000041
其中，Jω为变流器的虚拟惯量；
步骤3所述频率指令积分运算，其计算式为：
θref＝∫ωref。
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