CN114094621A - 一种并网变流器直流电容同步控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直流电容同步控制技术,具体涉及一种并网变流器直流电容同步控制系统及方法,该方法通过采集逆变器端电压、端电流、直流电容电压作为输入信号,通过功率计算单元获得实时无功功率,经过变换分别获得直流控制信号和无功控制信号。直流控制信号经过直流电压调节器得到内电势的相角δ,无功控制信号经过无功电压控制器得到内电势幅值E,两者经过耦合,得到参考电压,经过VSC环节对逆变器进行控制,实现控制闭环,从而实现频率控制。该控制方法使用直流电容电压为输入量,通过直流电压控制器产生参考电压内相角,实现系统的频率同步,实现新能源主动参与调频,加入电压控制、解决频率和电压支撑等问题。
Description
技术领域
本发明属于直流电容同步控制技术领域,特别涉及一种并网变流器直流电容同步控制系统及方法。
背景技术
传统电力系统中,频率由同步发电机的转子决定,当电网频率出现扰动时,转子可提供频率支撑,抑制频率波动,使系统达到稳定。
近年来,随着新能源发电占比逐渐增高,导致电网中传统电力系统的转动惯量减小,电网的调频能力减弱,频率响应特性变差,电网频率控制问题日益突出,电网的频率问题时常发生。新能源发电频率响应速度慢,常常使得常规机组运行调频压力过大,且大量新能源接入电网往往会带来电网频率调节能力下降、电网对新能源适应性不足、多电力电子设备交互引起系统频率振荡等问题。因此制定适合新能源电站的调频方法尤为重要。
现在已有多种频率控制的技术,例如使用锁相环进行矢量控制实现频率调整,这种方法提供给系统准确的同步信号,根据系统的反馈量(电流、电压),产生相对于电网的内电势的各种物理量,使控制系统能够稳定调节系统的频率和电压。使用虚拟同步技术,实现虚拟同步惯量的同时模拟同步机的调速机,实现调频。使用功率同步技术,结合有功频率下垂曲线进行频率快速响应,通过检测网侧频率,与额定频率动作门槛值相减,与额定频率做差,得到频率控制信号,乘频率快速响应调差率,得到交换功率信号,从而进行调频。以上方法可以实现电站的快速反应、主动减少或者增加有功输出,主动参与调频、能够根据命令实现快速调频。但是,使用锁相环进行矢量控制的调频方法往往存在复杂的电流电压耦合微分计算,大大增加了控制的复杂程度和计算的冗余程度。使用虚拟同步机同样需要进行功率耦合,增加复杂的控制环节。使用功率同步技术,在含大量新能源的电网当中对频率的支撑性不够,系统惯性不足,会对电网带来安全稳定运行的威胁。且在弱电网中,系统的惯性不足,锁相环的动态性能变差,会使系统失去稳定,影响供电质量和系统安全稳定运行。
发明内容
针对背景技术存在的问题,本发明提供一种利用控制直流侧电容电压使该系统在不使用锁相环同步的情况下实现频率调节。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种并网变流器直流电容同步控制系统,包括依次连接的直流电容、逆变器、滤波器、电网,连接于滤波器与电网之间的计算单元,与计算单元连接的无功电压控制器,与直流电容器相连的直流电压调节器,与逆变器相连的参考电压生成器,参考电压生成器分别与直流电压调节器和无功电压控制器相连;还包括与逆变器相连的交流电压传感器和交流电流传感器,与直流电容相连的直流电压传感器。
在上述并网变流器直流电容同步控制系统中,直流电压调节器包括乘法器、第一加法器、比例积分器;无功电压控制器包括第二加法器、增益、积分器和第三加法器。
基于并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法,包括以下步骤:
步骤1、使用交流电压传感器采集电网逆变器端电压Ut,使用交流电流传感器采集端电流Is,使用park变换得到utα、utβ、isα、isβ;变换公式为:
步骤2、计算获得直流控制信号ΔUdc:使用直流电压传感器采集电容电压为直流电压Udc,经数学变换得Udc',该数学变换指以Udc为底,有理数为指数的变换,即Udc 2、Udc 3等数学形式,之后Udc'与参考值Uref做差,得到直流控制信号ΔUdc;
步骤3、将步骤2到的直流控制信号ΔUdc经过直流电压调节器得到内电势的相角δ;
步骤4、计算实时无功功率:根据式Qe=-utαisβ+utβisα计算系统瞬时无功功率;将计算得到的无功功率与额定功率Qref做差,得到功率偏差ΔQ;
步骤5、将步骤4得到的无功偏差ΔQ经无功电压控制器得到内电势幅值E;
步骤6、将步骤3与步骤5得到的参考电压相角和幅值进行耦合,得到参考电压Vref,参考电压Vref经VSC环节对逆变器进行控制。
在上述并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法中,步骤3所述得到内电势相角δ的方法为:直流控制信号ΔUdc经过第一加法器与频率初始值finit相加,经过比例积分器得到等效内电势相角θ*,同时直流控制信号ΔUdc经过比例环节后,与θ*经加法器相加,得到内电势的相角δ。
在上述并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法中,步骤5所述得到内电势幅值的方法为:无功偏差经第二加法器与额定偏差相加,经过的增益,再经积分器后得到相对幅值,经加法器与初始化幅值Vinit相加得到参考电压幅值E。
在上述并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法中,步骤6所述参考电压相角和幅值进行耦合的过程如下:利用参考电压幅值E和内电势相角δ经过计算式Vd=E*cos(δ)和Vq=E*sin(δ)得到在dq坐标轴下的值,再经过park反变换得到参考电压Vref。
与现有技术相比,本发明解决了传统电力系统能源支撑频率调节控制复杂,代数环多的问题,同时为弱电网工况下使用锁相环带来的系统不稳定问题提供了解决思路,改变传统使用锁相环进行系统频率同步的问题,本发明使用直流电容电压为输入量,通过直流电压控制器产生参考电压内相角,实现系统的频率同步,实现新能源主动参与调频,加入电压控制、解决频率和电压支撑等问题。
附图说明
图1是本发明一个实例提供的逆变器并网结构示意图;
图2是本发明一个实施例直流电容同步控制策略示意图;
图3是本发明一个实例内电势幅值调节器结构示意图;
图4是本发明一个实施例直流电压生成内电势相角的基本示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
为了解决现有的光伏主动参与系统调频控制策略的复杂性,冗余性等问题,本实施例利用控制直流侧电容电压的方法,使该系统在不使用锁相环进行同步的前提下实现频率调节功能。
本实施例是通过以下技术方案来实现的,如图1所示,一种并网变流器直流电容同步控制系统,包括依次连接的直流电容、逆变器、滤波器、电网,连接于滤波器与电网之间的计算单元,与计算单元连接的无功电压控制器,与直流电容器相连的直流电压调节器,与逆变器相连的参考电压生成器,参考电压生成器分别与直流电压调节器和无功电压控制器相连;还包括与逆变器相连的交流电压传感器和交流电流传感器,与直流电容相连的直流电压传感器。
而且,直流电压调节器包括:乘法器、第一加法器、比例积分器;无功电压控制器包括:第二加法器、增益、积分器、第三加法器。
本实施基于并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法,通过采集逆变器端电压、端电流、直流电容电压作为输入信号,通过功率计算单元获得实时无功功率,经过变换分别获得直流控制信号和无功控制信号。直流控制信号经过直流电压调节器得到内电势的相角δ,无功控制信号经过无功电压控制器得到内电势幅值E,两者经过耦合,得到参考电压,经过VSC环节对逆变器进行控制,实现控制闭环,从而实现频率控制。包括以下步骤:
S1,使用电压传感器采集电网逆变器端电压Ut,使用电流传感器采集端电流Is,使用park变换得到utα、utβ、isα、isβ。需要说明的是,park变换是一种坐标变换,由abc坐标变换到dq0坐标当中。变换公式为:
S2,计算获得直流控制信号ΔUdc:使用直流电压传感器采集电容电压为直流电压Udc,经数学变换得Udc',该数学变换指以Udc为底,有理数为指数的变换,即Udc 2、Udc 3等数学形式,之后Udc'与参考值Uref做差,得到直流控制信号ΔUdc;
计算获得直流控制信号ΔUdc:使用直流电压传感器采集电容电压为直流电压Udc,与参考值Uref做差,得到直流控制信号ΔUdc;
S3,将S2到的直流控制信号ΔUdc经过直流电压调节器得到内电势的相角δ;
S4:计算实时无功功率:根据式Qe=-utαisβ+utβisα计算系统瞬时无功功率。将计算得到的无功功率与额定功率Qref做差,得到功率偏差ΔQ;
S5,将S4得到的无功偏差ΔQ经无功电压控制器得到内电势幅值E;
S6,将S3与S5得到的参考电压幅值和相角进行耦合,得到参考电压Vref,参考电压经VSC环节对逆变器进行控制。
并且,S3得到内电势相角的方法为:直流控制信号ΔUdc经过加法器与频率初始值finit相加,经过积分器得到等效内电势相角θ*,同时直流控制信号ΔUdc经过比例环节后,与θ*经加法器相加,得到内电势的相角δ。
并且,S6中耦合过程如下:利用E和δ经过计算式Vd=E*cos(δ)和Vq=E*sin(δ)得到在dq坐标轴下的值,再经过park反变换得到三相的考电压Vref。
具体实施时,一种并网变流器直流电容同步控制系统,建立电容电压控制策略的并网系统模型。如图1所示,并网结构包括:直流电压、直流电容、逆变器、滤波器、交流电压传感器、交流电流传感器、直流电压传感器、节点负荷、积分器、直流电压调节器、无功电压控制器、参考电压生成器。
基于并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法,如图2所示,包括以下步骤:
1)使用直流电压传感器采集电容电压为直流电压Udc,使用交流电压传感器采集逆变器端电压Ut,使用交流电流传感器采集逆变器端电流Is;
2)将采集得到的端电压Ut和端电流Is经过计算单元计算得到实时无功功率Qe。将实时无功功率Qe经内电势幅值调节器得到内电势参考幅值E,如图3所示,得到内电势参考幅值的过程如下:
2.1)电势幅值调节器由瞬时无功功率与参考无功功率相加得控制信号ΔQ,在本例中取参考无功功率为0;
2.2)将无功控制信号ΔQ经过积分环节得到电势幅值E,取无功电压下垂系数Kc为0.1,内电势幅值E的表达式为:
3)将采集得到的直流电压Udc输送进直流电压调节器中,经过控制计算得到内电势的相角δ,如图4所示,得到内电势相角的过程如下:
3.2)将得到的直流控制信号ΔUdc经过加法器与参考频率finit相加,之后通过积分环节得到参考相角δ'。其中参考频率finit在本例中设置为50Hz,积分环节系数为100π;
3.3)将得到的直流控制信号ΔUdc经比例环节后与参考相角δ'经加法器相加得到内电势相角δ。其中比例系数在本例中设置为10。即内电势相角计算方法为
4)将得到的内电势相角δ和内电势幅值E经过参考电压生成器耦合成为三相参考电压Vref,随后作为控制信号控制逆变器的开断;
4.1)耦合过程如下:利用E和δ经过计算式Vd=E*cos(δ)和Vq=E*sin(δ)得到在dq坐标轴下的值,再经过park反变换得到三相的考电压Vref。
以上仅为本发明较佳的实施例,并非因此限制本发明的实施方式及保护范围,对于本领域技术人员而言,应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案,均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种并网变流器直流电容同步控制系统,其特征在于:包括依次连接的直流电容、逆变器、滤波器、电网,连接于滤波器与电网之间的计算单元,与计算单元连接的无功电压控制器,与直流电容器相连的直流电压调节器,与逆变器相连的参考电压生成器,参考电压生成器分别与直流电压调节器和无功电压控制器相连;还包括与逆变器相连的交流电压传感器和交流电流传感器,与直流电容相连的直流电压传感器。
2.根据权利要求1所述并网变流器直流电容同步控制系统,其特征在于:直流电压调节器包括乘法器、第一加法器、比例积分器;无功电压控制器包括第二加法器、增益、积分器和第三加法器。
3.根据权利要求1-2所述并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1、使用交流电压传感器采集电网逆变器端电压Ut,使用交流电流传感器采集端电流Is,使用park变换得到utα、utβ、isα、isβ;变换公式为:
步骤2、计算获得直流控制信号ΔUdc:使用直流电压传感器采集电容电压为直流电压Udc,经数学变换得Udc',该数学变换指以Udc为底,有理数为指数的变换,即Udc 2、Udc 3等数学形式,之后Udc'与参考值Uref做差,得到直流控制信号ΔUdc;
步骤3、将步骤2到的直流控制信号ΔUdc经过直流电压调节器得到内电势的相角δ;
步骤4、计算实时无功功率:根据式Qe=-utαisβ+utβisα计算系统瞬时无功功率;将计算得到的无功功率与额定功率Qref做差,得到功率偏差ΔQ;
步骤5、将步骤4得到的无功偏差ΔQ经无功电压控制器得到内电势幅值E;
步骤6、将步骤3与步骤5得到的参考电压相角和幅值进行耦合,得到参考电压Vref,参考电压Vref经VSC环节对逆变器进行控制。
4.根据权利要求3所述并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法,其特征在于:步骤3所述得到内电势相角δ的方法为:直流控制信号ΔUdc经过第一加法器与频率初始值finit相加,经过比例积分器得到等效内电势相角θ*,同时直流控制信号ΔUdc经过比例环节后,与θ*经加法器相加,得到内电势的相角δ。
6.根据权利要求3所述并网变流器直流电容同步控制系统的控制方法,其特征在于:步骤6所述参考电压相角和幅值进行耦合的过程如下:利用参考电压幅值E和内电势相角δ经过计算式Vd=E*cos(δ)和Vq=E*sin(δ)得到在dq坐标轴下的值,再经过park反变换得到参考电压Vref。
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