CN113488985B - 一种调整负载输入阻抗满足系统稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调整负载输入阻抗满足系统稳定方法，包括下列步骤：建立直流配电系统拓扑模型，计算负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)，根据负载换流器带宽f_POLn与其输入滤波电容C_inPOLn和线路电感L_Linen产生的谐振频率f_linen大小，将Z_POLn’(s)降阶为两种不同模型分析；得到第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)；计算总输入阻抗Z_POL(s)，并求得源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)，判断系统稳定性，并对稳定性较小的控制系统给予控制指导。

Description

一种调整负载输入阻抗满足系统稳定的方法

技术领域

本发明属于直流系统稳定控制领域，特别涉及一种调整负载输入阻抗满足系统稳定的方法。

背景技术

随着光伏发电等可再生能源的发展，直流负荷的比重逐渐增加，与交流系统相比，直流系统在可再生能源接入和直流负荷方面越来越具有优势，从而直流系统是未来的发展趋势。由于可再生能源以及如数据中心，汽车充电桩等直流负载必须通过负载换流器接入配电网，并且从负载换流器输入端看入，其体现为恒功率负阻特性会对降低系统稳定性。因此多换流器系统动态稳定分析尤为重要。将负载换流器等效为恒功率负载负阻模型虽然能够简化输入阻抗阶数，降低多换流器直流系统动态分析难度，但同时也忽略了负载换流器带宽对系统稳定性的影响,且恒功率负载并不能体现负载换流器运行时对系统稳定性影响最恶劣的情况。现有对直流配电系统稳定性问题的解决方案可分为两种：方案一：通过增加源侧换流器出口侧输入滤波电容、输入滤波电感，提高系统稳定性，但会增加占地面积，以及昂贵的成本；方案二：在源侧换流器控制器加入相关稳定控制算法，解决系统稳定裕度不足等问题，但是源侧换流器承担着母线电压稳定，不易频繁的改变源侧换流器的控制参数。

综上所述，为了提高直流配用电系统稳定性，充分发挥多换流器直流系统的优势，需要一种调整负载输入阻抗满足系统稳定方法。

发明内容

为了提高直流配用电系统稳定性，本发明提出一种调整负载输入阻抗满足系统稳定方法，技术方案如下：

一种调整负载输入阻抗满足系统稳定的方法，包括下列步骤：

步骤1：建立直流配电系统拓扑模型，计算负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)，根据负载换流器带宽f_POLn与其输入滤波电容C_inPOLn和线路电感L_Linen产生的谐振频率f_linen大小，将Z_POLn’(s)降阶为两种不同模型分析，方法如下：

基于第n台负载换流器出口侧稳压电容C_POLn，滤波电感L_POLn，开关管占空比d_POLn，负载换流器正常运行时阻抗R_POLn，负载换流器相应的控制回路增益T_POLn(s)，得到第n台负载换流器的输入阻抗Z_POLn’(s)，当f_POLn<f_linen时，Z_POLn’(s)等效为负阻串电感的形式，如下式所示：

当f_POLn>f_linen时，线路对阻抗影响处的阻抗恒为负，Z_POLn’(s)等效为恒功率负阻形式，如下式所示：

步骤2：用步骤1所分析的等效负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)与其输入滤波电容C_inPOLn并联，与线路电感L_Linen和线路电阻R_linen串联得到第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)；

当f_POLn<f_linen时，Z_POLn(s)在频率f＝f_linen处幅值最小，值为R_linen，当f_POLn>f_linen时,Z_POLn(s)在频率f＝f_linen处幅值最小，值为m+R_linen，其中m为如下公式所示：

由此可得，在f＝f_linen处若使Z_POLn(s)的模更大，则需使f_POLn<f_linen；

步骤3：基于步骤2的第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)，计算总输入阻抗Z_POL(s)，并求得源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)，判断系统稳定性，并对稳定性较小的控制系统给予控制指导；

总输入阻抗Z_POL(s)由n条线路看入的负载输入阻抗Z_POL1(s)、Z_POL2(s)、...Z_POLn(s)并联得到；

计算源侧换流器控制回路增益T_s(s):

其中k_p，k_i分别为源测换流器PI控制中的比例系数和积分系数，G_vd(s)为占空比至输出电压传递函数；

则源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)如下公式所示:

其中Z_outo(s)为源侧换流器开环输出阻抗；用奈奎斯特判据判断Z_out(s)/Z_POL(s)的稳定性，进而判断系统稳定性，当f_POLn>f_linen,系统稳定裕度较小，通过调整负载换流器带宽f_POLn，使f_POLn<f_linen增加系统稳定裕度，当既需保证负载换流器带宽带宽，又需使系统稳定，通过调节输入滤波电容C_inPOLn，调整m的大小，使在f＝f_linen处Z_POLn(s)的模变大，增加系统稳定性。

附图说明

图1为多换流器直流系统典型拓扑结构图；

图2为源侧换流器控制框图；

图3为负载换流器控制框图；

图4线路看入输入总阻抗Z_POLn(s)伯德图；

图5为不同f_POLn、f_linen产生的Z_POLn(s)与源测换流器闭环输出阻抗Z_out(s)伯德示意图；

图6为源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)与输入总阻抗Z_POL(s)伯德图；

图7为f_POL1<f_line1，f_POL2>f_line2，Z_out(s)/Z_POL(s)奈奎斯特图；

图8为f_POL1<f_line1，f_POL2<f_line2，Z_out(s)/Z_POL(s)奈奎斯特图；

图9为f_POL1<f_line1，f_POL2>f_line2，母线电压V_bus实验结果图；

图10为f_POL1<f_line1，f_POL2<f_line2，母线电压V_bus实验结果图；

图11为f_POL1<f_line1，f_POL2<f_line2，增加一倍输入滤波电容C_inPOL2，母线电压V_bus实验结果图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施，对本发明提出的一种调整负载输入阻抗满足系统稳定方法进行详细说明。

(1)建立直流配电系统拓扑模型，计算负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)，根据负载换流器带宽f_POLn与其输入滤波电容C_inPOLn和线路电感L_Linen产生的谐振频率f_linen大小，将Z_POLn’(s)分为两种不同模型分析。

本发明的研究对象为多换流器直流系统，其典型拓扑如图1所示。其中C_s、L_s、分别代表直流母线电压控制换流器的出口侧稳压电容；V_s、V_bus分别代表换流器输入电压，母线电压。源侧换流器以及负载换流器控制框图如图2、3所示，其中V_refb为母线电压参考值，K₁和K₂分别为状态反馈控制的比例和微分控制增益；K_{P_s}和K_{i_s}分别为源侧换流器PI控制的比例和积分控制增益，V_POLn、V_POLnref分别为第n台负载换流器输出电压和输出电压参考值，K_{P_POLn}和K_{i_POLn}分别为第n台负载换流器PI控制的比例和积分增益控制，从第n台负载换流器看入的输入阻抗Z_POLn’(s)如下公式所示：

在上式中，C_POLn、L_POLn、d_POLn、R_POLn分别代表第n台负载换流器的出口侧稳压电容，滤波电感、开关管的占空比，负载换流器正常运行时阻抗。考虑线路部分及换流器输入滤波电容C_inPOLn，则从第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)如下公式所示：

(2)利用阻抗准则判据分析，简化负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)从而得到便于分析的由第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)，比较第n台负载换流器的带宽f_POLn与其输入滤波电容C_inPOLn和线路电感L_Linen产生的谐振频率f_linen，当f_POLn<f_linen，负载换流器输入阻抗Z_POLn’可等效为负阻-R_CPLn串电感L_mn的形式，如下式所示：

Z_POLn'(s)＝-R_CPLn+L_mns

Z_POLn’(s)与滤波电容C_inPOLn并联，与线路电感L_Linen和线路电阻R _linen串联得到Z_POLn(s)，由图解法可知，谐振频率为f_linen＝1/√C_inPOLn L_Linen，在f_linen处相当于线路电感部分与电容C_inPOLn并联，则在此处并联后阻抗Z_dn(s)为

当f在f_linen附近时，sL_mn>>1/sC_inPOLn，Z_dn≈1/sC_inPOLn，因此L_Linen与C_inPOL在f＝f_linen处发生串联谐振，此时谐振峰值即为线路电阻值R_linen，则f＝f_linen，Z_POLn(s)的模最小，且值为R_linen，此时Z_POLn(s)的伯德幅值示意图如图4所示。

当f_POLn>f_linen，f在f_linen附近时，Z_POLn’(s)的负阻部分在起作用，此时Z_POLn’(s)＝-R_CPOLn，与滤波电容C_inPOLn并联，与线路电感L_Linen和线路电阻R_linen串联得到Z_POLn(s)，f＝f_linen处Z_POLn(s)为幅值最小值，最小值为R₂如下式所示：

此时Z_POLn伯德幅值示意图如图5所示。

(3)通过通过n个输入阻抗Z_POLn(s)并联，求得负载输入总阻抗Z_POL(s)，并求得源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)，判断系统稳定性，并对稳定裕度较小的系统给予载侧带宽控制以及负载换流器输入滤波电容指导。源侧换流器输出阻抗Z_out(s)如下公式所示

在上式中，Z_outo(s)为源侧换流器开环输出阻抗，T_s(s)为源侧换流器控制回路增益，源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)与输入总阻抗Z_POL(s)伯德图如图6所示

可以明显看出，与负载换流器带宽f_POLn>f_linen相比，带宽满足f_POLn<f_linen能够增加系统稳定裕度，因此，可以通过调节每台负载换流器带宽使f_POLn<f_linen，即能使系统具有较好的稳定裕度。若既要使f_POLn>f_linen，也要让系统满足较好的稳定性，则可通过增加或减小负载侧输入滤波电容，进而调节m，让输入阻抗Z_POLn在f＝f_linen处幅值增加，增加系统稳定性。

为验证本发明所提出的一种调整负载输入阻抗满足系统稳定方法的有效性，基于RT-BOX硬件在环实验平台所搭建的多换流器直流系统开关模型，对所提出改变负载换流器带宽和输入滤波电容的方法进行了验证，部分理论分析和实验结果分别如图7、8和图9、10、11所示。负载换流器1保持额定功率10MW，0.1秒时，负载换流器2的功率从5MW突增至10MW。

由图7、8奈奎斯特判据可得，2台负载换流器的带宽f_POL1，2都小于其输入滤波电容C_inPOL1，2和线路电感L_Line1，2产生的谐振频率f_line1，2，即两台负载换流器带宽都满足f_POL1，2<f_line1，₂的系统稳定性要比只有负载换流器1带宽满足f_POL1<f_line1,负载换流器2带宽满足f_POL2>f_line2好。

图9为负载换流器1满足f_POL1<f_line1,负载换流器2满足f_POL2>f_line2时，直流母线电压V_bus实验结果图，调整负载换流器2带宽使其满足f_POL2<f_line2，直流母线电压V_bus实验结果图如图10所示，当负载换流器2带宽不能改变时，调节其输入滤波电容C_inPOL2，直流母线电压V_bus实验结果图如图11所示，实验结果与理论分析一致，验证了本发明改变负载输出阻抗满足系统稳定的有效性。

Claims (1)

1.一种调整负载输入阻抗满足系统稳定的方法，包括下列步骤：

步骤1：建立直流配电系统拓扑模型，计算负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)，根据负载换流器带宽f_POLn与其输入滤波电容C_inPOLn和线路电感L_Linen产生的谐振频率f_linen大小，将Z_POLn’(s)降阶为两种不同模型分析，方法如下：

基于第n台负载换流器出口侧稳压电容C_POLn，滤波电感L_POLn，开关管占空比d_POLn，负载换流器正常运行时阻抗R_POLn，负载换流器相应的控制回路增益T_POLn(s)，得到第n台负载换流器的输入阻抗Z_POLn’(s)，当f_POLn<f_linen时，Z_POLn’(s)等效为负阻串电感的形式，如下式所示：

当f_POLn>f_linen时，线路对阻抗影响处的阻抗恒为负，Z_POLn’(s)等效为恒功率负阻形式，如下式所示：

步骤2：用步骤1所分析的等效负载换流器输入阻抗Z_POLn’(s)与其输入滤波电容C_inPOLn并联，与线路电感L_Linen和线路电阻R_linen串联得到第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)；

当f_POLn<f_linen时，Z_POLn(s)在频率f＝f_linen处幅值最小，值为R_linen，当f_POLn>f_linen时,Z_POLn(s)在频率f＝f_linen处幅值最小，值为m+R_linen，其中m为如下公式所示：

由此可得，在f＝f_linen处若使Z_POLn(s)的模更大，则需使f_POLn<f_linen；

步骤3：基于步骤2的第n条线路看入的负载输入阻抗Z_POLn(s)，计算总输入阻抗Z_POL(s)，并求得源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)，判断系统稳定性，并对稳定性较小的控制系统给予控制指导；

总输入阻抗Z_POL(s)由n条线路看入的负载输入阻抗Z_POL1(s)、Z_POL2(s)、...Z_POLn(s)并联得到；

计算源侧换流器控制回路增益T_s(s):

其中k_p，k_i分别为源测换流器PI控制中的比例系数和积分系数，G_vd(s)为占空比至输出电压传递函数；

则源侧换流器闭环输出阻抗Z_out(s)如下公式所示:

其中Z_outo(s)为源侧换流器开环输出阻抗；用奈奎斯特判据判断Z_out(s)/Z_POL(s)的稳定性，进而判断系统稳定性，当f_POLn>f_linen,系统稳定裕度较小，通过调整负载换流器带宽f_POLn，使f_POLn<f_linen增加系统稳定裕度，当既需保证负载换流器带宽带宽，又需使系统稳定，通过调节输入滤波电容C_inPOLn，调整m的大小，使在f＝f_linen处Z_POLn(s)的模变大，增加系统稳定性。

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