CN113300407B - 一种lcl型并网变换器的电压源控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LCL型并网变换器的新型电压源控制方法，该并网控制方法以变换器直流侧电压、输出无功功率为控制目标，采用无功功率外环、交流电压中环、并网电流内环的三环控制结构；直流侧电压与参考值之比再乘以电网电压的额定角频率后经过积分器，积分器的输出作为三相交流电压、电流向两相电压、电流转换的相位；无功功率控制外环控制对并网变换器输出无功功率、有功功率的调节，滤波电容电压控制环的输出作为电流内环的参考值，电流环的输出经过旋转变换以及调制后作为并网变换器的触发脉冲。本发明的并网控制方法，变换器对外呈现出电压源外特性，能够根据直流电容动态实现变换器对电网的自主同步，且具有对变换器交流侧电流的限幅功能。

Description

一种LCL型并网变换器的电压源控制方法
技术领域
本发明涉及新能源并网变换器的电气控制技术领域，具体涉及一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法。
背景技术
变换器的常规控制策略采用锁相环(PLL)与电网同步、定向，并以电流注入的形式实现功率调节，体现出电流源特性，这种控制策略可称之为电流源控制。电流源控制属于电网跟随式的控制，缺乏主动惯量支撑能力，适用于以同步发电机为主导的电网环境。电压源控制通过模拟同步发电机方程，直接控制变换器输出电压的幅值和相位，具有无锁相环自主同步电网的功能，属于形成式并网控制方式
经检索，公开号为CN109217366A、申请号为CN201811124760.8的中国发明专利，公开了一种电压源控制的全功率风电机组，其网侧变换器(GSC) 的控制结构如图1所示。网侧变换器控制环路中，直流侧电压输入到积分控制器，该控制器的输出作为网侧变流器输出电压ug的相位θ用于脉冲宽度调制 (PWM)。可以通过调节调制电压幅值来控制网侧变流器输出的无功功率。这种网侧变换器对外呈现出电压源外特性。
这种控制架构能够实现对网侧变换器直流电压、输出无功功率的控制。然而图1中网侧变换器的控制架构较为简单，直流电压控制环输出的相位θ与无功功率控制输出的电压幅值直接生成调制电压，该控制架构缺乏电流控制环，无法对变换器输出电流进行限幅。在电网出现电压突变等异常工况时，变换器容易出现过电流，从而损坏变换器。因此，有必要研究一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的并网变换器电压源控制方法，使变换器对外体现出电压源外特性，并且能够对输出电流进行限幅。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种LCL型并网变换器的电压源控制方法，使其对外呈现出电压源外特性，具备无锁相环自主同步电网、对输出电流限幅的功能。
为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，所述方法基于LCL型并网变换器结构并采用并网变换器电压源控制系统进行控制，所述并网变换器电压源控制系统包含直流电压环路、无功功率控制外环、滤波电容电压中环以及并网电流内环；
所述电压源控制方法包括以下步骤：
(1)在直流电压控制环路中，将直流电压的实际值udc除以直流电压的参考值udcref后，经过一个增益为ωBg的积分器，其输出为θ；θ为三相电流i1abc、三相电容电压uCabc变换为旋转dq坐标系下电流i1d、i1q与电压uCq、uCd的相位；同时，θ也作为将旋转dq坐标系下调制电压变换到三相静止坐标系下调制电压的相位；
(2)在无功功率控制外环中，并网变换器输出无功功率的参考值Qgref与反馈值Qg之差经过PI调节器，其输出加上滤波电容电压的初始值Ut0作为旋转dq坐标系下滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref；旋转dq坐标系下滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref为零；
(3)在滤波电容电压控制环路中，滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref与反馈值uCd之差经过PI调节器，其输出为输出电流d轴分量的参考值i1dref；滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref与反馈值uCq之差经过PI调节器，其输出为输出电流q轴分量的参考值i1qref；
(4)在并网电流控制环路中，输出电流d轴分量的参考值i1dref与输出电流d轴分量的反馈值i1d之差经过PI调节器，其输出为并网变换器调制电压的 d轴分量；输出电流q轴分量的参考值i1qref与输出电流q轴分量的反馈值i1q之差经过PI调节器，其输出为并网变换器调制电压的q轴分量；并网变换器调制电压的d轴、q轴分量经过旋转坐标变换器及直流电压控制环路所输出的θ，变换到静止abc坐标系用于正弦脉宽调制(SPWM)。
进一步的，所述滤波电容电压中环的d轴、q轴PI调节器的控制参数相同，并网电流内环d轴、q轴PI调节器的控制参数也相同。
进一步的，为了增强并网变换器的运行稳定性，在滤波电容d轴电压的参考值上叠加一个镇定控制器。
进一步的，在镇定控制器中，变换器直流电压的反馈值经过镇定控制器的传递函数，其输出叠加到无功功率环的输出上作为滤波电容电压d轴分量的参考值；镇定控制器的传递函数表达式为：
Figure BDA0003112310610000041
其中：s为拉普拉斯算子，kq为镇定控制器增益，T为镇定控制器的时间常数， udcref为直流电压的参考值。
进一步的，为了抑制变换器频率为ωsrad/s的潜在振荡，设计镇定控制器的时间常数T时须满足以下条件：
T>3/2ωs。
进一步的，所述步骤(1)中，ωBg的值为314.16rad/s。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的控制方法将直流电压除以参考值后进入积分器，其输出作为变换器坐标变换的相位，从而无需锁相环输出的相位用于坐标变换，这种控制架构实际上将变换器直流电压类比为同步发电机的转速，根据直流电压动态实现变换器对电网的自主同步功能，使本发明的并网变换器对电网体现出类似同步发电机的电压源外特性。由于变换器采用三环控制架构，电流内环控制可以对变换器的输出电流进行限流。本发明可以通过调节调制电压幅值来控制网侧变流器输出的无功功率，这种并网变换器对外呈现出电压源外特性；同时，本发明增设了并网电流控制环路，实现对并网变换器输出电流进行限幅；电网出现电压突变等异常工况时，并网变换器不会过电流，从而提高并网变换器使用寿命。
附图说明
图1为背景技术中并网变换器的现有电压源控制框图；
图2为本发明的LCL型并网变换器的电压源控制框图；
图3为本发明一仿真实施例的增大直流电压参考值时的仿真波形图；
图4为本发明一仿真实施例的增大无功功率参考值时的仿真波形图；
图5为本发明一仿真实施例的电网频率波动时的仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图2所示，本发明的一种LCL型并网变换器的电压源控制方法， LCL型并网变换器的电压源控制系统包括用于直流电压控制的直流电压控制环路、用于无功功率控制的无功功率控制外环、用于交流电压控制的滤波电容电压中环、用于坐标变换的坐标变换器以及用于交流电流控制的并网电流内环。该并网控制方法以变换器直流侧电压、输出无功功率为控制目标。
如图2所示，在直流电压控制环路中，直流电压的实际值除以直流电压的参考值后，经过一个增益为ωBg(其值为314.16rad/s)的积分器，其输出为θ。θ为坐标变换器中将三相电流i1abc、三相电容电压uCabc变换为旋转dq坐标系下电流i1d、i1q与电压uCq、uCd的相位，同时θ也作为旋转dq坐标系下调制电压变换到三相静止坐标系下调制电压的相位。
如图2所示，在无功功率控制外环中，变压器输出无功功率的参考值Qgref与反馈值Qg之差经过PI调节器，其输出加上滤波电容电压的初始值Ut0作为旋转dq坐标系下滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref。旋转dq坐标系下滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref为零。在滤波电容电压控制环路中，滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref与反馈值uCd之差经过PI调节器，其输出为输出电流d轴分量的参考值i1dref；滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref与反馈值uCq之差经过PI调节器，其输出为输出电流q轴分量的参考值i1qref。在并网电流控制环路中，输出电流d轴分量的参考值i1dref与输出电流d轴分量的反馈值i1d之差经过PI调节器，其输出为并网变换器调制电压的d轴分量；输出电流q轴分量的参考值i1qref与输出电流q轴分量的反馈值i1q之差经过PI调节器，其输出为并网变换器调制电压的q轴分量。并网变换器调制电压的d轴、 q轴分量经过旋转坐标变换，变换到静止abc坐标系用于正弦脉宽调制(SPWM)。滤波电容电压中环d轴、q轴PI调节器的控制参数相同，并网电流内环d轴、q轴PI调节器的控制参数也相同。
如图2所示，为了增强并网变换器的运行稳定性，在滤波电容d轴电压的参考值上叠加一个镇定控制器。在镇定控制器中，变换器直流电压的反馈值经过镇定控制器的传递函数，其输出叠加到无功功率环的输出上作为滤波电容电压d轴分量的参考值。镇定控制器的传递函数表达式为：
Figure BDA0003112310610000071
其中：s为拉普拉斯算子，kq为镇定控制器增益，T为镇定控制器的时间常数，udcref为直流电压的参考值。
为了抑制变换器频率为ωsrad/s的潜在振荡，设计镇定控制器的时间常数T 时须满足以下条件：
T>3/2ωs；
为了对变换器输出电流进行限幅，可在电流控制环d轴PI调节器的输出侧增加一个限幅环节。
如图3所示，本发明一仿真实施例的增大直流电压参考值时的仿真波形图，直流电压参考值在16秒时由1.1kV阶跃增大到1.2kV，直流电压实际值跟随参考值变化，且响应速度较快。
如图4所示，本发明一仿真实施例的增大无功功率参考值时的仿真波形图，无功功率参考值在16秒时由0kVar阶跃增大到0.6kVar，无功功率实际值跟随参考值变化，变换器的直流电压、有功功率几乎不受无功功率的影响，仍保持在原来的状态运行。
如图5所示，本发明一仿真实施例的电网频率波动时的仿真波形图，无论电网频率的标幺值降低到0.99p.u.还是增大到1.01p.u.，直流电压的标幺值始终跟随电网频率的标幺值变化，实现了风电机组直流电压对电网频率的自主感知与准确跟踪。
本发明通过直流电压控制环路输出坐标变换所需θ，无功功率控制外环控制交流侧滤波电容的电压幅值与相位实现对并网变换器输出无功功率、有功功率的调节；滤波电容电压控制环的输出作为电流内环的参考值，并网电流控制环的输出经过旋转变换以及调制后作为并网变换器的触发脉冲。
本发明的控制方法将直流电压除以参考值后进入积分器，其输出作为变换器坐标变换的相位，从而无需锁相环输出的相位用于坐标变换，这种控制架构实际上将变换器直流电压类比为同步发电机的转速，根据直流电压动态实现变换器对电网的自主同步功能，使本发明的并网变换器对电网体现出类似同步发电机的电压源外特性。由于变换器采用三环控制架构，电流内环控制可以对变换器的输出电流进行限流。
本发明可以通过调节调制电压幅值来控制网侧变流器输出的无功功率，这种并网变换器对外呈现出电压源外特性；同时，本发明增设了并网电流控制环路，实现对并网变换器输出电流进行限幅；电网出现电压突变等异常工况时，并网变换器不会过电流，从而提高并网变换器使用寿命。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，所述方法基于LCL型并网变换器结构并采用并网变换器电压源控制系统进行控制，所述并网变换器电压源控制系统包含直流电压环路、无功功率控制外环、滤波电容电压中环以及并网电流内环；
所述电压源控制方法包括以下步骤：
(1)在直流电压控制环路中，将直流电压的实际值udc除以直流电压的参考值udcref后，经过一个增益为ωBg的积分器，其输出为θ；θ为三相电流i1abc、三相电容电压uCabc变换为旋转dq坐标系下电流i1d、i1q与电压uCq、uCd的相位；同时，θ也作为将旋转dq坐标系下调制电压变换到三相静止坐标系下调制电压的相位；
(2)在无功功率控制外环中，并网变换器输出无功功率的参考值Qgref与反馈值Qg之差经过PI调节器，其输出加上滤波电容电压的初始值Ut0作为旋转dq坐标系下滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref；旋转dq坐标系下滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref为零；
(3)在滤波电容电压控制环路中，滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref与反馈值uCd之差经过PI调节器，其输出为输出电流d轴分量的参考值i1dref；滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref与反馈值uCq之差经过PI调节器，其输出为输出电流q轴分量的参考值i1qref；
(4)在并网电流控制环路中，输出电流d轴分量的参考值i1dref与输出电流d轴分量的反馈值i1d之差经过PI调节器，其输出为并网变换器调制电压的d轴分量；输出电流q轴分量的参考值i1qref与输出电流q轴分量的反馈值i1q之差经过PI调节器，其输出为并网变换器调制电压的q轴分量；并网变换器调制电压的d轴、q轴分量经过旋转坐标变换器及直流电压控制环路所输出的θ，变换到静止abc坐标系用于正弦脉宽调制(SPWM)。
2.根据权利要求1所述的一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，所述滤波电容电压中环的d轴、q轴PI调节器的控制参数相同，并网电流内环d轴、q轴PI调节器的控制参数也相同。
3.根据权利要求1所述的一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，为了增强并网变换器的运行稳定性，在滤波电容d轴电压的参考值上叠加一个镇定控制器。
4.根据权利要求3所述的一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，在镇定控制器中，变换器直流电压的反馈值经过镇定控制器的传递函数，其输出叠加到无功功率环的输出上作为滤波电容电压d轴分量的参考值；镇定控制器的传递函数表达式为：
Figure FDA0003112310600000031
其中：s为拉普拉斯算子，kq为镇定控制器增益，T为镇定控制器的时间常数，udcref为直流电压的参考值。
5.根据权利要求4所述的一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，在镇定控制器中，为了抑制变换器频率为ωsrad/s的潜在振荡，设计镇定控制器的时间常数T时须满足以下条件：
T>3/2ωs。
6.根据权利要求1所述的一种具有自主同步电网以及输出电流限幅功能的LCL型并网变换器的电压源控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，ωBg的值为314.16rad/s。
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