CN113746344B - 一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法 - Google Patents

一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法，基于该发明建立的高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型，给出了该变换器阻抗的解析表达式。而此前已有的该类模型均不考虑双级式电路中前级DC‑DC侧电路及其控制对整机阻抗特性的影响，本发明建立了将前级电路特性考虑在内的完整阻抗模型，可更精确地判定电池储能变换器‑感性非理想电网(即弱电网)的运行稳定性。

Description

一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法
技术领域
本申请涉及电气自动化与电能变换设备技术领域，具体涉及一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法。
背景技术
电池储能变换器是电池储能系统中的关键部件之一，可将电池中存储的直流电能转换为符合并网标准的交流电能接入电网，并根据上级指令进行电池充放电控制。然而，实际中的电网并非理想电压源，通常存在一定的感抗。当电池储能变换器接入感抗较大的弱电网时，存在失稳隐患。
因此，拟建立高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型，用于分析预测其接入弱电网时的运行稳定性，从而规避失稳风险。
申请内容
本申请的目的在于提供一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法，建立的阻抗模型可用于判定高频隔离双级式电池储能变换器的弱电网运行稳定性。
为了达到上述目的，本申请通过以下技术方案实现：
一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法，该方法包括：结合广义奈奎斯特判据，该模型可用于分析判定电池储能变换器接入感性非理想电网时的运行稳定性。
可选地，当Zg×Zout -1满足广义奈奎斯特判据时，电池储能变换器可稳定接入电网运行；反之，电池储能变换器-弱电网级联系统不稳定，电池储能变换器无法接入电网运行，其中，Zout表示变换器阻抗，Zg表示弱电网阻抗。
可选地，I(s)与Ug(s)并不影响该级联系统的稳定性。因此，采用该方法进行分析的重点在于求取Zout，即建立其阻抗模型；
ugdq＝[ugd ugq]T
idq＝[id iq]T
C1-2＝[1 0]T
式中，Tdq表示dq变换矩阵，ugd，ugq表示经dq变换后的电网电压，id，iq代表经dq变换后的电网电流，GPI-DC表示直流母线电压环的PI调节器；kpdc和kidc表示PI调节器的比例系数和积分系数，C1-2表示自定义矩阵，Gde表示dq坐标系下电流闭环控制所需的交叉解耦矩阵，GPI-C表示电流环PI调节器，kp和ki分别表示电流环PI调节器的比例和积分系数，GVSC表示一阶低通环节，Id表示d轴电流id的稳态值，Iq表示q轴电流iq的稳态值，GPI-PLL表示锁相环中的PI调节器，kppll和kipll分别表示锁相环PI调节器的比例和积分系数，G0表示滤波电感及其寄生电阻的模型，表示电网电压扰动引起锁相环输出角度扰动，Ud表示d轴输出电压ud的稳态值，Uq表示q轴输出电压uq的稳态值，Gp-u表示传递函数，Gp-i表示传递函数，GPg-u表示传递函数，GP-φ表示传递函数，φ0表示稳态条件下的移相角，Udc0表示稳态条件下的直流母线电压，GPI-DAB表示有功功率环PI调节器，kpDAB和kiDAB分别表示有功功率控制环对应PI调节器的比例和积分系数，GPg-i表示传递函数，Ugd表示电网电压d轴分量的稳态值，Ugq表示电网电压q轴分量的稳态值，Gdc表示传递函数，I2×2表示2行2列的单位矩阵，Zout为一个2行2列的矩阵。
本申请与现有技术相比具有以下优点：
本发明建立了高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型，给出了该变换器阻抗的解析表达式。而此前已有的该类模型均不考虑双级式电路中前级DC-DC侧电路及其控制对整机阻抗特性的影响，本发明建立了将前级电路特性考虑在内的完整阻抗模型，可更精确地判定电池储能变换器-感性非理想电网(即弱电网)的运行稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述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申请专利的一些实施例，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为高频隔离双级式电池储能变换器电路原理框图；
图2为电池储能变换器-弱电网级联系统等效模型；
图3为电池储能变换器的控制框图小信号模型；
图4为Lg＝0.8mH时的奈奎斯特图；
图5为Lg＝12.0mH时的奈奎斯特图；
图6为Lg＝0.8mH时的时域仿真波形(上半部分为三相电流波形/下半部分为id，iq波形)；
图7为Lg＝12.0mH时的时域仿真波形(上半部分为三相电流波形/下半部分为id，iq波形)。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地描述，所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”、“一个或多个实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”、“一个或多个实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互组合。
在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅用于分别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在图示或描述的以外的顺序实施。
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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
请参阅图1，本实施例提供的模型对应的高频隔离双级式电池储能变换器的电路框图如图1所示。
变量定义如下，ubat表示电池电压，由于电池出口电压较为稳定，通常可认为其等于常值Ubat，LDAB表示前级电路-双移相桥DC-DC变换器的电感感值，up代表变压器原边绕组电压，us代表变压器副边绕组电压，up与us电压均为方波，它们之间的移相角(即相位差)记为φ；变压器变比记为N；C代表直流母线电容容值，udc代表直流母线电压，ua，ub，uc表示后级电路-三相桥式双向AC-DC变换器的相桥臂输出电压，L代表网侧滤波电感感值，R代表网侧滤波电感的寄生电阻阻值，Lg代表非理想电网的等效电感，uga，ugb，ugc表示三相电网电压，其角频率记为ω。PDAB代表从双移相桥DC-DC变换器流向直流母线电容C的功率，Pdc表示从直流母线电容C流向三相桥式双向AC-DC变换器的功率，Pg表示电网侧功率。ud，uq代表经dq变换后的相桥臂输出电压，ugd，ugq表示经dq变换后的电网电压，id，iq代表经dq变换后的电网电流。双移相桥DC-DC变换器开关频率记为fs1，三相桥式双向AC-DC变换器的开关周期记为Ts2。所采用的dq变换矩阵为：
双级式电池储能变换器的控制可分为两部分，其中AC-DC电路采用经典的电网电压定向的矢量控制，DC-DC电路采用经典移相控制。根据电路原理基础知识，该电池储能变换器可等效为图2所示的诺顿等效电路(虚线左侧部分)，非理想电网可等效为图2所示的戴维南等效电路(虚线右侧部分)，s代表拉普拉斯算子，下同。结合基于阻抗的级联系统稳定性判据，变换器阻抗Zout与弱电网阻抗Zg交互不当易造成失稳。当Zg×Zout -1满足广义奈奎斯特判据时，电池储能变换器可稳定接入电网运行，反之，电池储能变换器-弱电网级联系统不稳定，电池储能变换器无法接入电网运行。同时，I(s)与Ug(s)并不影响该级联系统的稳定性。因此，采用该方法进行分析的重点在于求取Zout即建立其阻抗模型。
为达成这一目标，根据电路原理诺顿等效电路相关知识，可先设定Lg＝0，即Zg(s)＝0，通过求取Ug(s)与PCC点电流之间的数量关系求取Zout(s)。电池储能变换器的控制框图小信号模型可由图3表示：
ugdq＝[ugd ugq]T (2)
idq＝[id iq]T (3)
另外，所有波浪线上标均代表小信号扰动。
图2中各环节说明及其数学表达式罗列如下：
1.直流母线电压给定值Udcref的小信号扰动。稳态下直流母线电压给定值为常数，即扰动为零，因此此项等于零。
2.代表直流母线电压环的PI调节器GPI-DC，其数学表达式为：
其中，kpdc和kidc表示PI调节器的比例系数和积分系数。
3.C1-2，自定义矩阵，其数学表达式为：
C1-2＝[1 0]T (5)
4.Gde，dq坐标系下电流闭环控制所需的交叉解耦矩阵
5.电流环PI调节器，由于电流环需控制d轴和q轴变量，因此将两个PI调节器合并写成矩阵形式如下：
其中，kp，ki表示电流环PI调节器的比例和积分系数。
6.一阶低通环节，用于表征后级AC-DC变换器电路的延时特性
7.锁相环模型1，用于表征电网电压扰动引起锁相环输出角度扰动，进而对d轴和q轴电流计算造成扰动，其表达式为：
其中，Id表示d轴电流id的稳态值，Iq表示q轴电流iq的稳态值。GPI-PLL代表锁相环中的PI调节器，表达式为
kppll和kipll分别表示锁相环PI调节器的比例和积分系数。该式与锁相环模型2中的GPI-PLL相同。
8.滤波电感及其寄生电阻的模型由G0表示，其表达式为：
9.锁相环模型2，用于表征电网电压扰动引起锁相环输出角度扰动，进而对d轴和q轴电压计算造成扰动。
其中，Ud表示d轴输出电压ud的稳态值，Uq表示q轴输出电压uq的稳态值。
10.传递函数Gp-u，该传递函数用于表征电池储能变换器直流母线输出功率Pdc与电网电压小信号扰动之间的数学关系，具体表达式为
11.传递函数Gp-i，该传递函数用于表征电池储能变换器直流母线输出功率Pdc与电网电流小信号扰动之间的数学关系。
12.传递函数GPg-u，该传递函数用于表征电池储能变换器网侧输出功率Pg与电网电压小信号扰动之间的数学关系，其具体表达式为：
13.传递函数GP-φ，该传递函数用于表征电池储能变换器DAB侧功率PDAB的小信号扰动与移相角小信号扰动之间的数学关系，具体表达式如下：
其中，φ0表示稳态条件下的移相角，Udc0代表稳态条件下的直流母线电压。
14.有功功率环PI调节器
其中kpDAB和kiDAB分别表示有功功率控制环对应PI调节器的比例和积分系数。
15.有功功率给定值Pref的小信号扰动。稳态下有功功率给定值为常数，因此此项可认为等于零。
16.传递函数GPg-i，该传递函数用于表征电池储能变换器网侧输出功率Pg
与电网电流小信号扰动之间的数学关系。
其中，Ugd表示电网电压d轴分量的稳态值，Ugq表示电网电压q轴分量的稳态值。
17.传递函数Gdc，该传递函数即为直流母线电容的传递函数。
综上，根据自动控制原理中的框图化简知识，结合图3，可求取与/>之间的关系式为
其中I2×2表示2行2列的单位矩阵，G1由下式表示
根据该关系式，即可求得Zout表达式为
Zout为一个2行2列的矩阵。
现通过一个算例，验证该阻抗模型的正确性。双级式电池储能变换器主要参数在表1中给出，变换器额定功率为3kW，网侧电压额定110V(三相对称正弦，有效值)，电网额定频率50Hz。当且仅当反馈环路增益项Zg×Zout -1项满足广义奈奎斯特判据时，系统稳定。
当Lg＝0.8mH时(强电网)，绘制Zg×Zout -1的奈奎斯特曲线，如图4所示，可见两条曲线均没有环绕点(-1，0)，变换器可稳定运行。当Lg＝12.0mH时(弱电网)，奈奎斯特曲线在图5中给出，可见曲线环绕点(-1，0)，系统失稳。针对两种情况进行时域仿真，结果分别在图6和图7中给出，可见当Lg＝0.8mH时，电池储能变换器可稳定运行，网侧电流波形基本呈正弦，dq轴电流基本为直流；当Lg＝12.0mH时，电流发生震荡，波形严重畸变，电池储能变换器无法在该条件下正常运行，可知此弱电网工况下，电池储能变换器需重新整定控制参数方可投入使用。
综上，本专利所提的阻抗模型可指导电池储能变换器的控制参数设计，可用于弱电网稳定性判定，从而避免电网工况变化时电池储能变换器发生脱网故障，有利于其进一步推广应用。
表1算例参数
以上所述，仅为本申请的实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高频隔离双级式电池储能变换器的阻抗模型建模方法，其特征在于，该方法包括：结合广义奈奎斯特判据，该模型用于分析判定电池储能变换器接入感性非理想电网时的运行稳定性；
当Zg×Zout -1满足广义奈奎斯特判据时，电池储能变换器可稳定接入电网运行；反之，电池储能变换器-电网级联系统不稳定，电池储能变换器无法接入电网运行，其中，Zout表示变换器阻抗，Zg表示弱电网阻抗；采用该方法进行分析的重点在于求取Zout，具体通过如下公式进行计算：
ugdq＝[ugd ugq]T
idq＝[id iq]T
C1-2＝[10]T
式中，Tdq表示dq变换矩阵，ugd，ugq表示经dq变换后的电网电压，id，iq代表经dq变换后的电网电流，GPI-DC表示直流母线电压环的PI调节器；kpdc和kidc表示PI调节器的比例系数和积分系数，C1-2表示自定义矩阵，Gde表示dq坐标系下电流闭环控制所需的交叉解耦矩阵，GPI-C表示电流环PI调节器，kp和ki分别表示电流环PI调节器的比例和积分系数，GVSC表示一阶低通环节，Id表示d轴电流id的稳态值，Iq表示q轴电流iq的稳态值，GPI-PLL表示锁相环中的PI调节器，kppll和kipll分别表示锁相环PI调节器的比例和积分系数，G0表示滤波电感及其寄生电阻的模型，表示电网电压扰动引起锁相环输出角度扰动，Ud表示d轴输出电压ud的稳态值，Uq表示q轴输出电压uq的稳态值，Gp-u表示传递函数，Gp-i表示传递函数，GPg-u表示传递函数，GP-φ表示传递函数，φ0表示稳态条件下的移相角,Udc0表示稳态条件下的直流母线电压，GPI-DAB表示有功功率环PI调节器，kpDAB和kiDAB分别表示有功功率控制环对应PI调节器的比例和积分系数，GPg-i表示传递函数，Ugd表示电网电压d轴分量的稳态值，Ugq表示电网电压q轴分量的稳态值，Gdc表示传递函数,I2×2表示2行2列的单位矩阵,Zout为一个2行2列的矩阵,Zout表示电池储能变换器经建模计算所得的等效阻抗，G1表示由Gvsc，Gpi-C等传递函数计算得到的中间变量，也是一个传递函数；GP→u用于表征电池储能变换器直流母线输出功率Pdc与电网电压小信号扰动之间的数学关系；Gi PLL表示电网电压扰动到电池储能变换器控制器内部计算电流的传递函数矩阵；GP→i用于表征电池储能变换器直流母线输出功率Pdc与电网电流小信号扰动之间的数学关系；Ts2表示电池储能变换器中三相桥式AC-DC变换器部分即VSC部分的开关频率；R表示网侧滤波电感的寄生电阻阻值；L表示网侧滤波电感感值；ω表示电网电压的角速度，额定值为2π×50Hz；fs1表示双移相桥DC-DC变换器的开关频率；LDAB表示前级电路-双移相桥DC-DC变换器的电感感值；UBAT表示输入至电池储能变换器左端直流接口的电池电压，C表示直流母线电容容值；/> 表示是个2行的向量，表示在dq坐标系下的电网电压上波浪线表示该变量的小信号扰动，其中ugd表示电网电压d轴分量的稳态值，ugq表示电网电压q轴分量的稳态值；/> 表示个二行向量，表示在dq坐标系下的电网电流，上波浪线表示该变量的小信号扰动，id和iq表示经dq变换后的电网电流。
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