CN113612262A - 一种抑制直流侧低频振荡的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统稳定技术领域，尤其涉及一种抑制直流侧低频振荡的方法及系统，包括：首先，在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，构建所述附加控制器的传递函数；其次，确定所述附加控制器的参数；最后，基于所述附加控制器的参数确定所述附加控制器输出的振荡信号，所述振荡信号叠加至DAB控制器的电压比较环节，本发明通过在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，可以有效提高交直流配电网的阻尼，抑制低频振荡，提高系统的稳定性。

Description

一种抑制直流侧低频振荡的方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统稳定技术领域，尤其涉及一种基于电力电子变压器双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)附加控制环节的抑制交直流配电网直流侧低频振荡的方法及系统。

背景技术

在能源转型不断深化大背景下，电力系统高复杂性交直流混联电网、高比例新能源接入、高比例电力电子设备配置的“三高”特征愈加凸显。与交流配电网相比，直流供电能有效解决谐波、三相不平衡等电能质量问题，且在改善供电质量方面优势明显。在交流配电网中，风机光伏等直流电源和电动汽车充换电等直流负荷都需要通过DC/AC、AC/DC、DC/DC变换器接入相应电压等级的交流配电网，如果直接接入相应等级的直流配电网，可以省去部分变流器，减小损耗，提高电网的供配电效率及经济性。因此，在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网是未来配电网的发展趋势。

目前，随着含电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)的交直流配电网的大规模应用，对其的研究也越发全面，因电力电子变压器含有多个电力电子变换器模块，其接入配电网势必会对配电网的稳定运行造成影响。目前已有某些含电力电子变压器的交直流配电网在运行试验中，出现了直流侧电压低频振荡的现象，而实际运行过程中交直流混合配电网网架结构将会更加复杂，同时也将包含数量更多的电能变换器件，如果发生振荡问题，将会导致严重的系统安全问题，给电力用户生产生活造成不利后果。

鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种线缆标签张贴装置，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种抑制直流侧低频振荡的方法及系统，通过在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，来增加整个交直流配电网的阻尼，从而抑制振荡的发生。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种抑制直流侧低频振荡的方法，包括：首先，在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，构建所述附加控制器的传递函数；

其次，确定所述附加控制器的参数；

最后，基于所述附加控制器的参数确定所述附加控制器输出的振荡信号，所述振荡信号叠加至DAB控制器的电压比较环节。

进一步地，所述附加控制器的传递函数G(s)：

式中，K为增益环节的增益系数，T_w为信号过滤环节时间常数，α₁为相位补偿环节的强度，T₁为相位补偿环节的时间常数，m为相位补偿环节的级数，m＝1,2,3,…，s为复频率。

进一步地，所述附加控制器包括增益环节、信号过滤环节和相位补偿环节，所述信号过滤环节的表达式为

所述相位补偿环节的表达式为

进一步地，所述信号过滤环节为高通滤波器，用于过滤不必要的低频信号。

进一步地，所述高通滤波器的时间常数T_w的取值范围为3-5。

进一步地，所述相位补偿环节采用多级相位超前补偿，用于补偿所述DAB控制器存在的相位滞后。

进一步地，所述相位补偿环节的强度α₁通过以下公式求出，

式中，θ_h为多端口交直流混合配电网的相角。

进一步地，所述相位补偿环节的时间常数T₁通过以下公式求出，

式中，ω_d为系统方程特征根的虚部，α₁为相位补偿环节的强度。

进一步地，所述增益环节的增益系数K通过以下公式求出，

式中，K_h为配置附加控制器前多端口交直流混合配电网模型的传递函数的幅值，s为复频率，T₁为相位补偿环节的时间常数，T_w为信号过滤环节时间常数，α₁为相位补偿环节的强度。

一种抑制直流侧低频振荡的系统，在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置上述的所述附加控制器。

本发明的有益效果为：本发明通过在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，可以有效提高交直流配电网的阻尼，抑制低频振荡，提高系统的稳定性，而且本发明无需附加额外的设备，操作方便，可以广泛应用到含电力电子变压器的交直流配电网中低频振荡的抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中抑制直流侧低频振荡的系统示意图；

图2为本发明实施例中附加控制器接入到交直流配电网的实例模型；

图3为本发明实施例中附加控制器接入交直流配电网前、后的低频振荡波形效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种抑制直流侧低频振荡的方法，包括：首先，在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，构建附加控制器的传递函数；

其次，确定附加控制器的参数；

最后，基于附加控制器的参数确定附加控制器输出的振荡信号，振荡信号叠加至DAB控制器的电压比较环节。

上述实施例中，通过在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，并将采集到直流侧的振荡电压作为输入数据，将输入数据带人传递函数上求解出附加控制器的参数，将附加控制器接入DAB控制器的电压比较环节，由此可以增加整个交直流配电网的阻尼，从而抑制振荡的发生。

上述实施例中，附加控制器包括增益环节、信号过滤环节和相位补偿环节，附加控制器的传递函数G(s)：

式中，K为增益环节的增益系数，T_w为信号过滤环节时间常数，α₁为相位补偿环节的强度，T₁为相位补偿环节的时间常数，m为相位补偿环节的级数，m＝1,2,3,…，s为复频率。

其中信号过滤环节的表达式为

相位补偿环节的表达式为

为了更有效的过滤掉不必要的低频信号，信号过滤环节为高通滤波器，用于过滤不必要的低频信号。

更具体的，相位补偿环节采用多级相位超前补偿，用于补偿DAB控制器存在的相位滞后。

附加控制器的参数设计尤为重要，其计算方法包括：

参照图1示出的抑制直流侧低频振荡的系统示意图，其中H(s)为多端口交直流配电网传递函数，G(s)为附加控制器。

由图1可得系统的特征方程为：

1-G(s)H(s)＝0 (1)

如果s＝s₁是上述特征方程的根，则应满足下述两个条件

幅值条件

相角条件

由式(3)和(4)可知，当s＝s₁时，H(s₁)G(s₁)的相角为零，即

θ_p＝-θ_h (4)

式(5)中，θ_p为附加控制器的相角，θ_h为多端口交直流混合配电网的相角，即附加控制器具有的相角应与多端口交直流混合配电网滞后相角相等。若θ_h已知，如果采用单级相位补偿环节进行补偿，补偿相角为θ_h，则由以下公式可得其参数：

式(7)中，ω_d为系统方程特征根的虚部，由式(6)和(7)可以计算得到单级相位超前环节的参数。高通滤波环节的时间常数T_w通常取3～5，将已知的参数代入式(1)得到含增益环节的增益系数K的稳定器传递函数，再由幅值条件(3)可以计算得到K的值如下：

式(8)中，K_h为多端口交直流混合配电网传递函数H(s)的幅值，由此可以得到附加控制器的所有参数，从而针对实际交直流电压电路来确定具体的参数。

实施例一

在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置上述的附加控制器。具体以图2所示，多端口交直流混合配电网实例，该多端口交直流混合配电网中共有四类设备，其中CHB为H桥级联的整流器，它将10kV交流输入电压整流成2200V直流电压；DAB为隔离型DC-DC变换器，它将2200V直流电压降压至750V直流电压；Buck为三相Buck电路，它将750V直流电压降压至375V直流电压；VSC为三相逆变器，它将375V直流电压变成380V交流电后并网，其中，低频振荡发生在375V直流侧。三相Buck电路采用电压外环和电流内环控制方式，其中低频振荡发生在375V直流侧，采集直流侧的振荡电压作为输入源，经过附加控制器G(s)，得到附加控制信号Δv_s，将该附加控制信号附加至DAB控制器的电压比较环节，由此可以增加整个交直流配电网的阻尼，从而抑制振荡的发生。

具体的参数计算方式为：首先计算附加控制器中两级相位补偿环节的参数。

由式(5)可知，要确定附加控制器所需要补偿的相角，应首先计算出原多端口交直流混合配电网模型的相位，即从图2中附加控制器G(s)端口处向外看系统的闭环传递函数的相位，经计算，系统方程的根近似为s₁＝0.1+j25.5，该实例端口交直流混合配电网系统的相位为-8°，即附加控制器需要补偿的相角为8°。

若采用单级相位补偿环节，该级补偿环节均补偿8°的相角，则补偿环节参数为：

因此，附加控制器相位补偿环节表达式为

信号过滤环节为高通滤波器，其时间常数T_w可以在3～5之间任取，本例中，时间常数取5，则高通滤波器表达式为

附加控制器的增益环节由式(8)计算得到，原多端口交直流混合配电网模型的传递函数的幅值K_h＝18.8，所以附加控制器增益系数计算式如下：

由式(10)可以得到增益环节系数。

通过以上计算可得该实例中附加控制器的表达式为：

附图3为附加控制器接入前与接入后的低频振荡波形对比。t＝2s之前系统稳定运行，直流侧电压波形无振荡，t＝2s时刻激发振荡，直流侧电压波形表现为低频振荡，t＝3s时刻接入附加控制器，直流侧电压波形经过短暂的动态过程重新恢复稳定。可见，本发明中，基于电力电子变压器DAB附加控制环节的抑制交直流配电网低频振荡的方法，应用到实际系统中可以起到增加阻尼，抑制低频振荡的作用。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，包括：首先，在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置附加控制器，构建所述附加控制器的传递函数；

其次，确定所述附加控制器的参数；

最后，基于所述附加控制器的参数确定所述附加控制器输出的振荡信号，所述振荡信号叠加至DAB控制器的电压比较环节。

2.根据权利要求1所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述附加控制器的传递函数G(s)：

式中，K为增益环节的增益系数，T_w为信号过滤环节时间常数，α₁为相位补偿环节的强度，T₁为相位补偿环节的时间常数，m为相位补偿环节的级数，m＝1,2,3,…，s为复频率。

3.根据权利要求2所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述附加控制器包括增益环节、信号过滤环节和相位补偿环节，所述信号过滤环节的表达式为

所述相位补偿环节的表达式为

4.根据权利要求3所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述信号过滤环节为高通滤波器，用于过滤不必要的低频信号。

5.根据权利要求4所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述高通滤波器的时间常数T_w的取值范围为3-5。

6.根据权利要求3所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述相位补偿环节采用多级相位超前补偿，用于补偿所述DAB控制器存在的相位滞后。

7.根据权利要求2所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述相位补偿环节的强度α₁通过以下公式求出，

式中，θ_h为多端口交直流混合配电网的相角。

8.根据权利要求7所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述相位补偿环节的时间常数T₁通过以下公式求出，

式中，ω_d为系统方程特征根的虚部，α₁为相位补偿环节的强度。

9.根据权利要求8所述的抑制直流侧低频振荡的方法，其特征在于，所述增益环节的增益系数K通过以下公式求出，

式中，K_h为配置附加控制器前多端口交直流混合配电网模型的传递函数的幅值，s为复频率，T₁为相位补偿环节的时间常数，T_w为信号过滤环节时间常数，α₁为相位补偿环节的强度。

10.一种抑制直流侧低频振荡的系统，其特征在于，在交直流配电网中电力电子变压器的DAB控制器电路环节上配置如权利要求1-9中任意一项所述的附加控制器。

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