CN114069691A - 一种弱电网条件下变流器的建模方法 - Google Patents

一种弱电网条件下变流器的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弱电网条件下变流器的建模方法，包括以下三个步骤。步骤1：建立耦合点的锁相环线性系统模型；步骤2：建立变流器外特性模型，并建立电网阻抗和负载阻抗模型；步骤3：根据逆变器与电网相互作用的准静态锁相环模型，建立双环路模型。所述双环路模型包括电网同步环和耦合干扰同步环。本发明的弱电网条件下变流器的建模方法，具有解决了在弱电网条件下准确锁定电网相位、变流器向弱电网注入电流失真的问题以及弱电网下锁相过程中出现的耦合干扰现象、提高并网运行的稳定可靠性等技术优点。

Description

一种弱电网条件下变流器的建模方法
技术领域
本发明涉及电网供电领域，特别是涉及一种弱电网条件下变流器的建模方法。
背景技术
变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。常见的电力变流器有：1)整流器，用于交流到直流的变流；2)逆变器，用于直流到交流的变流；3)交流变流器，用于交流变流；4)直流变流器，用于直流变流。整流器、逆变器、变频器等等变流器，运行过程中一方面产生谐波电流污染电网，另一方面输出电压含高次谐波向空间辐射高频电磁波，污染电磁环境。
由于风能和太阳能等可再生能源使用分布的广泛随机性，分布式发电技术受到越来越多的关注。在新能源分布式并网发电系统和交流微网中经常使用逆变器作为其能量传递的中间环节，逆变器的运行状态关乎到并网系统的稳定性。
在非线性负载以及线路阻抗的共同作用下，实际应用当中的电网不能够再被忽略，稍呈现出感性，并且当光伏设备接入电网的位置发生变化时，相对于公共耦点的电网感抗也会随之浮动，“弱电网”被用来定义这种非理想情况下的电网。根据现有的研究表明在弱电网条件下电网阻抗增大，特别是感性分量的增大会严重降低系统的相位裕度和幅值裕度，这将恶化并网逆变器的性能，激起的大量并网电流谐波使得电能质量下降严重，甚至会导致逆变器会失去稳定，从而使并网装置的故障动作，严重的时候甚至导致发电系统崩溃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种弱电网条件下变流器的建模方法，以解决在弱电网条件下准确锁定电网相位、变流器向弱电网注入电流失真的问题以及弱电网下锁相过程中出现的耦合干扰同步现象。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。
一种弱电网条件下变流器的建模方法，包括以下几个步骤：
步骤1：建立耦合点的锁相环线性系统模型；
步骤2：建立变流器外特性模型，并建立电网阻抗和负载阻抗模型；
步骤3：根据逆变器与电网相互作用的准静态锁相环模型，建立双环路模型。
进一步地，所述步骤1中，建立模型时，选取基于功率变化的耦合干扰作为锁相策略的干扰项。
进一步地，所述步骤2中，将三相电路简化成单相电路。
进一步地，所述步骤2中，将电网电源和变流器等效成为电压源和电流源。
进一步地，所述步骤2中，利用叠加原理，计算两个电源分别对公共耦合点的影响。
进一步地，所述步骤3中，所述双环路模型包括电网同步环和耦合干扰同步环。
进一步地，所述电网同步环为二阶系统的电网同步环。
进一步地，所述耦合干扰同步环为一阶系统的自同步环。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种弱电网条件下变流器的建模方法，该方法属于变流器建模领域。本发明解决了在弱电网条件下准确锁定电网相位、变流器向弱电网注入电流失真的问题以及弱电网下锁相过程中出现的耦合干扰现象，从而提高并网运行的稳定可靠性。
本发明的一种弱电网条件下变流器的建模方法中，根据并网变流器的特点采用耦合干扰方法建立耦合点系统模型作为锁相策略的一部分；将锁相环置于并网逆变器中，结合弱电网研究锁相过程出现的问题，把三相电路简化成单相电路，逆变器和电网电源分别等效为电流源和电压源，建立外特性模型应用到锁相环中，得到变流器弱电网条件下的锁相环结构；根据逆变器与电网相互作用的同步锁相环模型，建立双环路模型，包括：电网同步环和耦合干扰同步环。
本发明的一种弱电网条件下变流器的建模方法，具有解决了在弱电网条件下准确锁定电网相位、变流器向弱电网注入电流失真的问题以及弱电网下锁相过程中出现的耦合干扰现象、提高并网运行的稳定可靠性等技术优点。
附图说明
图1是本发明的SRF-PLL的锁相结构图。
图2是本发明的图1的简化图。
图3是本发明的。
图4是本发明的本发明的。
附图1-4中各部件的标记如下：1、CCD相机，2、镜头，3、照明光源，401、投影幕，402背景幕，5、待测流体，6、光学平板，7、二维旋转台，8、移动基座，9、数据采集与图像处理系统，10、光学调整架，11、激光器，12、反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-4，本发明的一种弱电网条件下变流器的建模方法，包括以下几个步骤：
步骤1：建立耦合点的锁相环线性系统模型；
根据弱电网模型的结构特点以及变流器锁相环特点，利用耦合干扰建立电路模型；考虑电网阻抗和负载阻抗，建立耦合点电路模型。根据弱电网条件下变流器锁相过程中的耦合干扰同步问题，设计了锁相环耦合干扰建模策略。研究了耦合干扰方法，根据弱电网条件下并网变流器的特点，选取基于功率变化的耦合干扰作为锁相策略的干扰项。
建立锁相环线性模型，本发明中SRF-PLL(Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop，三相同步锁相环)的锁相结构如图1所示。Va、Vb和Vc分别为三相电压。
把电网的正序幅值电压记为Vg，Vga、Vgb、Vgc分别为ABC三相的正序电压的幅值，θg为Vga的相位角，则其三相正序电压如下式(1)所示。
Figure BDA0003306113970000032
如图1，根据abc-dq坐标变换规则，从鉴相环节可以计算得到电网的正序电压在同步dq坐标系的q轴信号Vq，把电网的相位误差记为Vq，θc为图1的三相同步锁相环的输出，如下式(2)所示。
Vq＝Vgsin(θg-θc) (2)
因为鉴相环节输出的q轴信号vq等式中为非线性正弦函数，本发明中将其线性化。随着锁相环接近稳态的时候，锁相环的输出相位和电网相位的差非常小，将其近似等于θ△，θ△＝θg-θc，如下式(3)所示。
sin(θg-θc)＝sinθ△≈θ△ (3)
鉴相环节的增益Kpd等于输入正序电压的幅值Vg，式(2)和(3)综合，可得下式(4)。
Figure BDA0003306113970000031
根据以上分析线性化之后的典型SRF锁相环框图可简化如图2所示。
步骤2：建立变流器外特性模型，并建立电网阻抗和负载阻抗模型；
如图3，将锁相环置于并网逆变器中，结合弱电网研究锁相过程出现的问题，把三相电路简化成单相电路，逆变器和电网电源分别等效为电流源和电压源，建立外特性模型应用到锁相环中，得到变流器弱电网条件下的锁相环结构。
建立变流器外特性模型，并以干扰的形式引入到锁相环中，得到弱电网条件下的变流器锁相环结构。
建立变流器外特性模型，并建立电网阻抗Zg和负载阻抗ZL模型。为了便于分析，将三相电路简化成单相电路，并将电网电源和变流器等效成为电压源Vg(θg)和电流源Ic(θc)，如图3所示。
根据图3，利用叠加原理，计算两个电源分别对公共耦合点的电压Vc影响，然后可求得Vc电压，如下式(5)所示。
Figure BDA0003306113970000041
如图3，式(5)中，Vc1和Vc2分别对应两个电源，ZL和Zg分别对应两个阻抗：电网阻抗和负载阻抗。
Figure BDA0003306113970000042
是Ic的矢量表示，
Figure BDA0003306113970000043
是Vg的矢量表示。
利用极坐标形式表示上式，可得式(6)：
Figure BDA0003306113970000044
式(6)中，j为虚数标识；
Figure BDA0003306113970000045
和
Figure BDA0003306113970000046
分别表示Zg和ZL所引起的相位偏移。
上式(6)中的
Figure BDA0003306113970000047
和
Figure BDA0003306113970000048
分别表示Zg和ZL所引起的相位偏移，
Figure BDA0003306113970000049
和
Figure BDA00033061139700000410
分别表示如下式(7)。
Figure BDA00033061139700000411
在上述所建立的模型中，电网锁相环的带宽较低，三次五次谐波以及开关引起的高次谐波都会在锁相环的LF环节衰减，而且会以纹波的形式在角频率ωc中体现出来。
步骤3：根据逆变器与电网相互作用的准静态锁相环模型，建立双环路模型。
根据逆变器与电网相互作用的准静态锁相环模型，建立耦合干扰的双环路模型。双环路模型包括：二阶系统的电网同步环以及一阶系统的自同步环。
根据逆变器与电网相互作用的准静态锁相环模型，将电网公共耦合点电压对于锁相环的影响考虑为耦合干扰，建立双环路模型，包括：电网同步环和耦合干扰同步环。模型如图4所示。
如图3，耦合干扰同步环可以表示变流器注入电网中的电流Ic对耦合点PCC电压相位所产生影响，并且会使在弱电网的条件下的锁相环结构与电网有些差别。其中同步环输出的v+可表示为下式(8)。
Figure BDA0003306113970000051
根据上式可以得到反馈值与电流Ic、常量Kc、相位偏移
Figure BDA0003306113970000052
和角频率ωc相关。
当自同步环v+比电网同步环输出的v-大的时候，无论θg-θc取什么值都不能使得vq＝0，上述问题将导致电网同步环的反馈不起作用，锁相环也将一直不能处于稳定状态。因此，在弱电网的情况下，锁相环稳定运行所需满足的必要条件为式(9)：
|v+|≤|v-| (9)
将式(8)
Figure BDA0003306113970000053
代入式(9)可以得到式(10)：
Figure BDA0003306113970000054
上式表明当电网电压等级较高、变流器注入电网电流较小、电网阻抗小以及无功分量较小的时候锁相环都很容易处于稳定运行状态。
可见，本发明公开了一种弱电网条件下变流器的建模方法，有效解决了在弱电网条件下准确锁定电网相位、变流器向弱电网注入电流失真的问题以及弱电网下锁相过程中出现的耦合干扰同步现象，提高并网运行的稳定可靠性。
所述步骤1中，建立模型时，选取基于功率变化的耦合干扰作为锁相策略的干扰项。
所述步骤2中，将三相电路简化成单相电路。
所述步骤2中，将电网电源和变流器等效成为电压源和电流源。
所述步骤2中，利用叠加原理，计算两个电源分别对公共耦合点的影响。
所述步骤3中，所述双环路模型包括电网同步环和耦合干扰同步环。
所述电网同步环为二阶系统的电网同步环。
所述耦合干扰同步环为一阶系统的自同步环。
本发明的一种弱电网条件下变流器的建模方法，针对逆变器弱电网锁相过程中的耦合同步问题，设计了锁相环耦合干扰环路，建立公共耦合点外特性模型应用到锁相环中，得到变流器弱电网条件下的锁相环结构，解决了在弱电网条件下准确锁定电网相位、变流器向弱电网注入电流失真的问题以及弱电网下锁相过程中出现的耦合干扰现象，从而提高并网运行的稳定可靠性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：建立耦合点的锁相环线性系统模型；
步骤2：建立变流器外特性模型，并建立电网阻抗和负载阻抗模型；
步骤3：根据逆变器与电网相互作用的准静态锁相环模型，建立双环路模型。
2.根据权利要求1所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述步骤1中，建立模型时，选取基于功率变化的耦合干扰作为锁相策略的干扰项。
3.根据权利要求1所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述步骤2中，将三相电路简化成单相电路。
4.根据权利要求1所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述步骤2中，将电网电源和变流器等效成为电压源和电流源。
5.根据权利要求1所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述步骤2中，利用叠加原理，计算两个电源分别对公共耦合点的影响。
6.根据权利要求1所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述步骤3中，所述双环路模型包括电网同步环和耦合干扰同步环。
7.根据权利要求6所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述电网同步环为二阶系统的电网同步环。
8.根据权利要求6所述的弱电网条件下变流器的建模方法，其特征在于，所述耦合干扰同步环为一阶系统的自同步环。
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