CN113964879A - 一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法,属于新能源电力控制领域。该控制包括:新能源并网逆变器根据系统有功和无功功率给出了具有与大电网自同步特性的频率和电压主动支撑控制方法;然后为调节新能源并网逆变器自同步电压源的内电势与大电网电压之间的阻抗特性,采用了一种阻抗适配控制算法,同时给出了自同步电压源的电流指令;最后在两相同步旋转坐标系中采用基于谐振控制器的电流闭环控制算法,使得新能源并网逆变器在实现白同步特性的同时兼顾了并网电流性能的提高,并提升了电网不平衡条件下的电流控制能力,提高了新能源并网逆变器的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力控制领域,涉及一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法。
背景技术
双碳背景下,未来的电力系统将呈现以新能源为主体的新型电力系统特征,新能源占比预计会超高50%。然而,光伏、风电等新能源发电具有随机性、弱电网支撑特性和低抗扰性能,这严重削弱了并网点电压主动支撑电网电压幅值和频率的能力,给新型电力系统安全稳定运行带来极大挑战。因此,深入研究新能源高比例渗透下的主动支撑技术与系统稳定运行控制方法,对于新能源电力系统具有重要意义。
近年来,国内外专家学者从不同的角度探讨新能源高比例接入新型电力系统问题,同时新的并网标准也将会对新能源发电单元的电压和频率支撑能力提出更高要求,下垂控制、虚拟同步发电机控制、自同步电压源控制等技术不断得到应用。自同步电压源并网运行时,需要对电网的电压和频率稳定性进行一定的支撑,并保证新能源大规模并网的波形质量。
针对上述问题,国内外的专家学者们提出了一些方法,主要有:
题为“虚拟同步发电机暂态功角响应优化控制方法、设备及系统”的中国发明专利申请说明书(CN110912192A)给出了一种弱电网远端故障下的暂态功角控制方法,并通过功率调节算法实现了故障条件下的暂态功角优化控制,然而这种方法无法调节电网与新能源发电单元之间的阻抗特性,给新能源大规模并入复杂电网应用带来一定困难。
题为“PQ模式虚拟同步发电机控制方法、装置及下垂控制器”的中国发明专利申请说明书(CN110854915A)公开的技术方案中给出了一种PQ模式下的虚拟同步发电机控制策略,根据电压异常状态设置无功功率参考值和下垂系数,并据此调节并网点电压。这种方法可以根据电网状态改变频率调节特性,但是无法保证实现大规模并网的自同步组网运行。
题为“一种虚拟同步发电机控制方法、装置及终端设备”的中国发明专利申请说明书(CN111799844A)给出了一种多虚拟同步发电机虚拟惯量分配方法,根据各个虚拟同步发电性能差异计算总的虚拟惯量和分配权重系数,进而计算各个虚拟同步发电机的评价指标,从而确定其虚拟惯量分配值。这种控制方法有利于多个虚拟同步发电机的大规模集中并网,单控制算法复杂且无法兼顾电流控制性能。
总之,现有自同步电压源技术难以同时兼顾电网自同步特性与电流性能的控制能力,尤其是大电网电压不平衡状态下的电流控制性能,不利于复杂电网条件下的自同步电压源并网电流性能的提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性,针对并网模式下的自同步电压源主动支撑、并网电流性能提升、电压不平衡条件下的并网电流控制等问题,提供一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法。
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法,所述新能源并网逆变器的拓扑包括直流源Udc、直流侧滤波电容Cdc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C0、并网等效电阻Rg、并网等效电感Lg和三相电网ea、eb、ec,直流侧滤波电容Cdc并接在直流源Udc和三相全桥逆变电路之间,三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Udc和滤波电感L之间,滤波电容C0先串联无源阻尼电阻RC,再并接在滤波电感L和并网等效电阻Rg之间,并网等效电感Lg串接在并网等效电阻Rg和三相电网 ea、eb、ec之间;
所述控制方法的步骤如下:
步骤1,采样及坐标变换;
所述采样包括采集以下数据:新能源并网逆变器直流侧滤波电容Cdc处的电压并记为滤波电容电压uCa,uCb,uCc,新能源并网逆变器滤波电感L处的电流并记为桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc,新能源并网逆变器并网点电压并记为并网电压uoa,uob,uoc,新能源并网逆变器并网点电流并记为并网电流ioa,iob,ioc;
所述坐标变换包括对以下数据进行坐标变换:对滤波电容电压 uCa,uCb,uCc、桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc分别进行单同步旋转坐标变换得到滤波电容电压dq分量UCd,UCq、桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq;
步骤2,根据步骤1中得到的滤波电容电压dq分量UCd,UCq,通过微分离散化方程计算滤波电容电流dq分量ICd,ICq,再根据滤波电容电流dq分量ICd,ICq和步骤1得到的桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq,经过输出电流计算方程得到输出电流dq分量Iod,Ioq,并经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率P和平均无功功率Q;
步骤3,根据步骤2中得到的平均有功功率P和新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0,经过功角控制方程得到自同步电压源的角频率ω,所述功角控制方程的表达式如下:
其中,ω0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0时的额定角频率, m为功角控制下垂系数,J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量,s为拉普拉斯算子;
对自同步电压源的角频率ω积分得到自同步电压源的矢量角θ;
步骤4,根据步骤2中得到的平均无功功率Q和新能源并网逆变器给定的无功功率指令Q0,经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令 E*,再根据步骤3中得到的自同步电压源的矢量角θ和端电压幅值指令E*通过指令合成方程得到自同步电压源的三相端电压指令
所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下:
E*=U0+n(Q0-Q)
其中,U0为新能源并网逆变器给定无功功率指令Q0时的额定电压,n为无功-电压下垂系数;
其中,Rv为虚拟电阻,Lv为虚拟电感;
步骤6,将步骤5得到的电流指令信号经过单同步旋转坐标变换得到dq坐标系的电流指令再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq和dq坐标系的电流指令通过电流控制方程得到控制信号Ud,Uq,所述电流控制方程的表达式为:
其中,Kp为电流环比例控制系数,Ki电流环积分控制器比例系数,Kri电流环谐振控制器比例系数,Qi为电流环准谐振调节器品质因数;
将控制信号Ud,Uq经过单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号ua,ub,uc,根据ua,ub,uc生成开关管的PWM控制信号。
优选地,步骤2中所述平均有功功率P和平均无功功率Q的计算步骤包括:
步骤2.1,计算滤波电容电流dq分量ICd,ICq;
令滤波电容电压dq分量UCd,UCq的离散序列为UCd(n),UCq(n),滤波电容电流dq分量ICd,ICq的离散序列为ICd(n),ICq(n),则计算滤波电容电流的通用的微分离散化方程为:
根据滤波电容电流dq分量ICd,ICq的离散序列为ICd(n),ICq(n)得到滤波电容电流dq分量ICd,ICq;
步骤2.2,计算输出电流dq分量Iod,Ioq;
根据步骤2.1得到的滤波电容电流dq分量ICd,ICq,经过输出电流计算方程得到输出电流dq分量Iod,Ioq,所述的输出电流计算方程为:
Iod=ILd-ICd
Ioq=ILq-ICq
步骤2.3,根据有功功率计算方程和无功功率计算方程计算平均有功功率P和平均无功功率Q;
有功功率计算方程为:
无功功率计算方程为:
其中,Qpq为功率计算方程品质因数,ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率,τ为一阶低通滤波器的时间常数,h为待滤除的谐波次数。
采用本发明后,对于采用自同步电压源技术的新能源并网逆变器,具备了如下优点:
1、可以实现新能源并网逆变器大规模并网情况下与大电网之间的阻抗匹配。
2、在实现新能源并网逆变器自同步支撑电网的同时兼顾了并网电流控制性能,且在电网不平衡条件下具有良好的电流控制能力。
附图说明
图1是本发明的基于自同步电压源的新能源并网逆变器拓扑结构。
图2是本发明控制方法的的控制框图。
图3是本发明实施案例中有功功率仿真波形图。
图4是本发明实施案例中桥臂侧电感电流d轴分量仿真波形图。
图5是本发明实施案例中并网电压仿真波形图。
图6是本发明实施案例中并网电流仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的实施例中基于自同步电压源的新能源并网逆变器拓扑结构。所述新能源并网逆变器的拓扑包括包括直流源Udc、直流侧滤波电容Cdc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C0、并网等效电阻Rg、并网等效电感Lg和三相电网ea、eb、ec,直流侧滤波电容Cdc并接在直流源Udc和三相全桥逆变电路之间,三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Udc和滤波电感L之间,滤波电容C0先串联无源阻尼电阻RC,再并接在滤波电感L和并网等效电阻Rg之间,并网等效电感Lg串接在并网等效电阻Rg和三相电网ea、eb、ec之间。。
具体的,本实施例中的参数如下:直流母线电压Udc为650V,输出交流线电压有效值为380V/50Hz,额定容量为100kW,新能源并网逆变器滤波电感 L=0.3mH,新能源并网逆变器滤波电容C0的值C=200μF,新能源并网逆变器采样频率fs为10kHz,因而Ts=100μs。图1中的PCC为并网点。
图2是本发明控制方法的的控制框图,由图2可见,本发明一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法的步骤如下:
步骤1,采样及坐标变换;
所述采样包括采集以下数据:新能源并网逆变器直流侧滤波电容Cdc处的电压并记为滤波电容电压uCa,uCb,uCc,新能源并网逆变器滤波电感L处的电流并记为桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc,新能源并网逆变器并网点电压并记为并网电压uoa,uob,uoc,新能源并网逆变器并网点电流并记为并网电流ioa,iob,ioc;
所述坐标变换包括对以下数据进行坐标变换:对滤波电容电压 uCa,uCb,uCc、桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc分别进行单同步旋转坐标变换得到滤波电容电压dq分量UCd,UCq、桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq。
步骤2,根据步骤1中得到的滤波电容电压dq分量UCd,UCq,通过微分离散化方程计算滤波电容电流dq分量ICd,ICq,再根据滤波电容电流dq分量ICd,ICq和步骤1得到的桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq,经过输出电流计算方程得到输出电流dq分量Iod,Ioq,并经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率P和平均无功功率Q。
步骤3,根据步骤2中得到的平均有功功率P和新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0,经过功角控制方程得到自同步电压源的角频率ω,所述功角控制方程的表达式如下:
其中,ω0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0时的额定角频率, m为功角控制下垂系数,J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量,s为拉普拉斯算子。
对自同步电压源的角频率ω积分得到自同步电压源的矢量角θ。
功角控制方程表明了新能源并网逆变器有功功率下垂曲线关系、虚拟转动惯量大小。其中,虚拟转动惯量标明了系统频率的变化率,为了保证系统频率变化平稳,需要有较大的虚拟转动惯量;然而虚拟转动惯量相当于在系统中加入了一阶惯性环节,太大的虚拟惯量有可能导致系统的不稳定。因而参数选择需要折中处理。为保证系统稳定性,惯性时间常数范围在τvirtual=Jω0m≤2e-3s;。功角控制方程中的有功功率下垂曲线关系包括三个系数,功角控制下垂系数m表示下垂曲线的斜率,取值原则为100%的有功功率变化时,频率变化0.5Hz以内;给定有功功率指令P0和相对应的额定角频率ω0表示下垂曲线的位置关系,主要考虑新能源并网逆变器输出有功功率为P0时,其输出频率大小。
在本实施例中,功角控制下垂系数取值为根据惯性时间常数取值原则取τvirtual=Jω0m=1.5e-3s,可得J=0.2kg·m2,为保证控制运行时能量不流向直流侧,给定有功功率指令取值为P0=100kW,此时对应的额定角频率取值为ω0=314.1593rad/s。
步骤4,根据步骤2中得到的平均无功功率Q和新能源并网逆变器给定的无功功率指令Q0,经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令 E*,再根据步骤3中得到的自同步电压源的矢量角θ和端电压幅值指令E*通过指令合成方程得到自同步电压源的三相端电压指令
所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下:
E*=U0+n(Q0-Q)、
其中,U0为新能源并网逆变器给定无功功率指令Q0时的额定电压,n为无功-电压下垂系数。
无功-电压下垂系数n取值原则为100%的无功功率变化时,电压幅值变化在2%之内;给定无功功率指令Q0和相对应的额定输出电容电压U0表示下垂曲线的位置关系,主要考虑新能源并网逆变器输出无功功率为Q0时,其输出电压大小。
其中,Rv为虚拟电阻,Lv为虚拟电感。
在本实施例中,虚拟电阻取值为Rv=0.01Ω,虚拟电感取值为Lv=0.3mH。
步骤6,将步骤5得到的电流指令信号经过单同步旋转坐标变换得到dq坐标系的电流指令再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq和dq坐标系的电流指令通过电流控制方程得到控制信号Ud,Uq,所述电流控制方程的表达式为:
其中,Kp为电流环比例控制系数,Ki电流环积分控制器比例系数,Kri电流环谐振控制器比例系数,Qi为电流环准谐振调节器品质因数。
将控制信号Ud,Uq经过单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号ua,ub,uc,根据ua,ub,uc生成开关管的PWM控制信号。
在本实施例中,电流环比例控制系数取值为Kp=0.8,电流环积分控制器比例系数取值为Ki=10。准谐振调节器主要考虑消除系统中的直流分量,品质因数Qi主要考虑谐振调节器的增益和稳定性,在本例中,选取Qi=0.7;准谐振控制器比例系数综合考虑电流环的直流分量抑制能力和系统稳定性,在本例中,选取Kri=50。
在本实施例中,步骤2中所述平均有功功率P和平均无功功率Q的计算步骤包括:
步骤2.1,计算滤波电容电流dq分量ICd,ICq;
令滤波电容电压dq分量UCd,UCq的离散序列为UCd(n),UCq(n),滤波电容电流dq分量ICd,ICq的离散序列为ICd(n),ICq(n),则计算滤波电容电流的通用的微分离散化方程为:
根据滤波电容电流dq分量ICd,ICq的离散序列为ICd(n),ICq(n)得到滤波电容电流dq分量ICd,ICq;
步骤2.2,计算输出电流dq分量Iod,Ioq;
根据步骤2.1得到的滤波电容电流dq分量ICd,ICq,经过输出电流计算方程得到输出电流dq分量Iod,Ioq,所述的输出电流计算方程为:
Iod=ILd-ICd
Ioq=ILq-ICq
步骤2.3,根据有功功率计算方程和无功功率计算方程计算平均有功功率P和平均无功功率Q;
有功功率计算方程为:
无功功率计算方程为:
其中,Qpq为功率计算方程品质因数,ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率,τ为一阶低通滤波器的时间常数,h为待滤除的谐波次数。
在本实施例中,考虑主要滤除的谐波次数为2次和3次谐波,因此选取 h=2,3,此时ωh=628.3186rad/s,942.4779rad/s。一阶低通滤波器主要考虑滤除高次谐波,且不影响动态响应,一般取τ≤2e-3s,本例取值τ=1.5e-4s;品质因数Qpq主要考虑陷波器的滤波效果,在本例中,选取Qpq=0.5。
为了佐证发明的技术效果,对发明进行了仿真。
Claims (2)
1.一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法,所述新能源并网逆变器的拓扑包括直流源Udc、直流侧滤波电容Cdc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C0、并网等效电阻Rg、并网等效电感Lg和三相电网ea、eb、ec,直流侧滤波电容Cdc并接在直流源Udc和三相全桥逆变电路之间,三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Udc和滤波电感L之间,滤波电容C0先串联无源阻尼电阻RC,再并接在滤波电感L和并网等效电阻Rg之间,并网等效电感Lg串接在并网等效电阻Rg和三相电网ea、eb、ec之间;
其特征在于,所述控制方法的步骤如下:
步骤1,采样及坐标变换;
所述采样包括采集以下数据:新能源并网逆变器直流侧滤波电容Cdc处的电压并记为滤波电容电压uCa,uCb,uCc,新能源并网逆变器滤波电感L处的电流并记为桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc,新能源并网逆变器并网点电压并记为并网电压uoa,uob,uoc,新能源并网逆变器并网点电流并记为并网电流ioa,iob,ioc;
所述坐标变换包括对以下数据进行坐标变换:对滤波电容电压uCa,uCb,uCc、桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc分别进行单同步旋转坐标变换得到滤波电容电压dq分量UCd,UCq、桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq;
步骤2,根据步骤1中得到的滤波电容电压dq分量UCd,UCq,通过微分离散化方程计算滤波电容电流dq分量ICd,ICq,再根据滤波电容电流dq分量ICd,ICd和步骤1得到的桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq,经过输出电流计算方程得到输出电流dq分量Iod,Ioq,并经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率P和平均无功功率Q;
步骤3,根据步骤2中得到的平均有功功率P和新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0,经过功角控制方程得到自同步电压源的角频率ω,所述功角控制方程的表达式如下:
其中,ω0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0时的额定角频率,m为功角控制下垂系数,J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量,s为拉普拉斯算子;
对自同步电压源的角频率ω积分得到自同步电压源的矢量角θ;
步骤4,根据步骤2中得到的平均无功功率Q和新能源并网逆变器给定的无功功率指令Q0,经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令E*,再根据步骤3中得到的自同步电压源的矢量角θ和端电压幅值指令E*通过指令合成方程得到自同步电压源的三相端电压指令
所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下:
E*=U0+n(Q0-Q)
其中,U0为新能源并网逆变器给定无功功率指令Q0时的额定电压,n为无功-电压下垂系数;
其中,Rv为虚拟电阻,Lv为虚拟电感;
步骤6,将步骤5得到的电流指令信号经过单同步旋转坐标变换得到dq坐标系的电流指令再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq和dq坐标系的电流指令通过电流控制方程得到控制信号Ud,Uq,所述电流控制方程的表达式为:
其中,Kp为电流环比例控制系数,Ki电流环积分控制器比例系数,Kri电流环谐振控制器比例系数,Qi为电流环准谐振调节器品质因数;
将控制信号Ud,Uq经过单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号ua,ub,uc,根据ua,ub,uc生成开关管的PWM控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器自同步电压源控制方法,其特征在于,步骤2中所述平均有功功率P和平均无功功率Q的计算步骤包括:
步骤2.1,计算滤波电容电流dq分量ICd,ICq;
令滤波电容电压dq分量UCd,UCq的离散序列为UCd(n),UCq(n),滤波电容电流dq分量ICd,ICq的离散序列为ICd(n),ICq(n),则计算滤波电容电流的通用的微分离散化方程为:
根据滤波电容电流dq分量ICd,ICq的离散序列为ICd(n),ICq(n)得到滤波电容电流dq分量ICd,ICq;
步骤2.2,计算输出电流dq分量Iod,Ioq;
根据步骤2.1得到的滤波电容电流dq分量ICd,ICq,经过输出电流计算方程得到输出电流dq分量Iod,Ioq,所述的输出电流计算方程为:
Iod=ILd-ICd
Ioq=ILq-ICq
步骤2.3,根据有功功率计算方程和无功功率计算方程计算平均有功功率P和平均无功功率Q;
有功功率计算方程为:
无功功率计算方程为:
其中,Qpq为功率计算方程品质因数,ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率,τ为一阶低通滤波器的时间常数,h为待滤除的谐波次数。
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