CN114336720A - 一种柔性直流电网谐振抑制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流电网谐振抑制方法及系统，方法包括：采用多个Goertzel分析器并联执行，检测柔性直流电网谐振频率，降低了频谱分析的计算时间复杂度；根据谐振频率，电压信号经滤波后叠加至所述电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；基于所述虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制所述变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振，从而通过基于电压前馈的有源阻尼方法，在不产生损耗的前提下有效抑制柔性直流电网的谐振。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种柔性直流电网谐振抑制方法及系统。
背景技术
柔性直流电网技术是解决跨区域、大范围新能源高效消纳的有效途径。随着新能源发电技术、DC/DC功率变换器和储能技术的飞速发展，柔性直流电网运行控制技术和核心设备已逐渐成为现代电网关键技术创新的重点研发和攻关方向。柔性直流电网不需要考虑无功功率及频率问题且供电质量高。柔性直流电网中的恒功率负载的负阻抗特性将会降低整个系统的稳定裕度，使得系统阻尼系数小于零，从而引发谐振现象。而且由于柔性直流电网的高度电力电子化，它与常规电网相比系统惯性很低，在发生负荷波动或分布式电源出力波动时会引起母线电压的谐振，危及系统的安全稳定运行。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的柔性直流电网中的恒功率负载的负阻抗特性易引发谐振的缺陷，从而提供一种柔性直流电网谐振抑制方法及系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种柔性直流电网谐振抑制方法，应用双闭环控制方法控制柔性直流电网中的变换器的运行状态，双闭环控制方法包括电压环及电流环，抑制方法包括：采集变换器的直流电压，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率；根据谐振频率，对直流电压信号进行滤波；将滤波后的直流电压信号叠加至电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；基于虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振。
在一实施例中，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率的过程，包括：将需要分析的频率范围，分成多个预设频段；基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行多频段频谱分析；在每个预设频段频谱分析得到的谐振频率中，选取幅值最大的谐振分量频率作为谐振频率。
在一实施例中，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行多频段频谱分析的过程，包括：设置多个Goertzel分析器，每个分析器所分析的频率范围对应一个预设频段；控制每个Goertzel分析器对直流电压信号并联执行频谱分析。
在一实施例中，根据谐振频率，对直流电压信号进行滤波的过程，包括：基于谐振频率构造滤波器；利用滤波器将谐振频率附近的电压分量信号滤除；通过调节滤波器参数，控制虚拟阻抗呈阻性。
在一实施例中，滤波器包括：依次串联连接的二阶带通滤波器、一阶低通滤波器及比例增益控制器。
在一实施例中，二阶带通滤波器的自然振荡角频率为谐振频率。
在一实施例中，通过调节一阶低通滤波器的截止频率，控制虚拟阻抗呈阻性。
第二方面，本发明实施例提供一种柔性直流电网谐振抑制系统，应用双闭环控制方法控制柔性直流电网中的变换器的运行状态，双闭环控制方法包括电压环及电流环，抑制系统包括：分析模块，用于采集变换器的直流电压，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率；滤波模块，用于根据谐振频率，对直流电压信号进行滤波；构造虚拟阻抗模块，用于将滤波后的直流电压信号叠加至电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；抑制模块，用于基于虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的柔性直流电网谐振抑制方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的柔性直流电网谐振抑制方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的柔性直流电网谐振抑制方法及系统，采用Goertzel算法检测谐振频率，降低了频谱分析的计算时间复杂度；将滤波后的直流电压信号叠加至所述电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；基于所述虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制所述变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振，从而通过基于电压前馈的有源阻尼方法，在不产生损耗的前提下有效抑制柔性直流电网的谐振。
2.本发明提供的柔性直流电网谐振抑制方法，设置多个Goertzel分析器，每个分析器所分析的频率范围对应一个预设频段；控制每个Goertzel分析器对直流电压信号并联执行频谱分析，从而进一步减少计算时间。
3.本发明提供的柔性直流电网谐振抑制方法，通过调节所述一阶低通滤波器的截止频率，控制虚拟阻抗呈阻性，即前馈回路上的滤波器参数可以根据检测的谐振频率进行自适应调整，提供了系统的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的双闭环控制框图；
图2为本发明实施例提供的抑制方法的一个具体示例的流程图；
图3为本发明实施例提供的抑制方法的另一个具体示例的流程图；
图4为本发明实施例提供的Goertzel分析器的控制框图；
图5为本发明实施例提供的Goertzel算法的示例；
图6为本发明实施例提供的抑制方法的另一个具体示例的流程图；
图7为本发明实施例提供的抑制方法的控制框图；
图8为本发明实施例提供的虚拟阻抗频率响应曲线；
图9为本发明实施例提供的抑制方法的一个具体示例的流程图；
图10为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种柔性直流电网谐振抑制方法，应用如图1所示的双闭环控制方法控制柔性直流电网中的变换器的运行状态，双闭环控制方法包括电压环及电流环，如图2所示，抑制方法包括：
步骤S11：采集变换器输入的直流电压，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率。
为了避免由于柔性直流电网中的恒功率负载的负阻抗特性引发谐振现象，本发明实施例在现有技术双闭环控制的基础上，构造与变换器相并联的虚拟阻抗，抵消恒功率负载的负阻抗特性，因此首先需要检测直流电压信号的谐振频率。
现有技术中多用FFT分析方法检测谐振频率，但该方法计算时间过长、计算过程复杂，故本发明实施例基于Goertzel对直流电压信号进行多频段的频谱分析，得到谐振频率。
步骤S12：根据谐振频率，对直流电压信号进行滤波。
步骤S13：将滤波后的直流电压信号叠加至电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗。
本发明实施例基于谐振频率，利用电压前馈的有源阻尼方法，在电压环上叠加滤波后的直流电压信号，构造与变换器相并联的虚拟阻抗，且通过调节滤波环节的参数，使得虚拟阻抗呈阻性，从而抵消柔性直流电网中的恒功率负载的负阻抗特性，抑制谐振。
步骤S14：基于虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振。
由于本发明实施例基于Goertzel算法实时检测谐振频率，提高了检测速度，根据谐振频率利用电压前馈的有源阻尼的双闭环控制方法控制变换器运行状态，自适应调整滤波环节的参数，抵消柔性直流电网中的恒功率负载的负阻抗特性，提高了控制方法的鲁棒性。
在一具体实施例中，如图2所示，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率的过程，包括：
步骤S21：将需要分析的频率范围，分成多个预设频段。
为了增快频谱分析速度，本发明实施例将频率范围分成多个预设频段，例如：柔性直流电网谐振频率通常在3kHz以下，因此可以将0～3kHz分成6个频段，每个频段包含500个频率点。
步骤S22：基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行多频段频谱分析。
具体地，本发明实施例设置多个Goertzel分析器，每个分析器所分析的频率范围对应一个预设频段；控制每个Goertzel分析器对直流电压信号并联执行频谱分析，Goertzel分析器的控制框图如图4所示，由于每个Goertzel分析器在实现方式上与一个二阶带通滤波器等效，所以需要增加的计算量很小。
步骤S23：在每个预设频段频谱分析得到的谐振频率中，选取幅值最大的谐振分量频率作为谐振频率。
具体地，例如：设置6个Goertzel分析器，把1Hz到3kHz分成6个区间(每个区间500Hz)，每个Goertzel分析器分析一个频段，在每个Goertzel分析器输出的谐振分量中选择幅值最大的，作为谐振频率。
在一具体实施例中，如图6所示，根据谐振频率，对直流电压信号进行滤波的过程，包括：
步骤S31：基于谐振频率构造滤波器。
如图7所示，本发明实施例的滤波器包括：依次串联连接的二阶带通滤波器、一阶低通滤波器及比例增益控制器，二阶带通滤波器可以滤除谐振频率附近的谐振分量，通过调节一阶低通滤波器的参数以控制虚拟阻抗呈阻性，比例增益控制器对直流电压信号成比例放大后叠加至电压环的给定电压Vdc_ref。
步骤S32：利用滤波器将谐振频率附近的电压分量信号滤除。
步骤S33：通过调节滤波器参数，控制虚拟阻抗呈阻性。
具体地，当得到谐振频率后，首先采用二阶带通滤波器将该谐振频率附近的电压分量滤除，二阶带通滤波器的传递函数如下：
式中，ξbs表示二阶带通滤波器的阻尼比，取ξbs的值为1，ωbs是二阶带通滤波器的自然振荡角频率，等于实际检测到的谐振频率。
二阶带通滤波器和比例增益控制之间引入了一阶低通滤波器，通过调节其截止频率使得构造出的虚拟阻抗部分为阻性，从而提高系统的动态特性和稳态性能，一阶低通滤波器的传递函数如下：
式中，ω1为一阶低通滤波器的截止频率。
如图8所示，利用上述构造呈阻性的虚拟阻抗的方法，系统在谐振频率fr附近等效虚拟阻抗的相角等于0度，表现为纯阻性，系统具有良好的动态特性和稳态性能。
需要说明的是，本发明实施例提供的抑制方法不仅适用于单一电压等级柔性直流电网，也适用于多电压等级的柔性直流电网，对于多电压等级柔性直流电网，可以将该方法集成到直流变换器的控制环路中，从而完成对整个直流电网的谐振抑制。
实施例2
本发明实施例提供一种柔性直流电网谐振抑制系统，应用双闭环控制方法控制柔性直流电网中的变换器的运行状态，双闭环控制方法包括电压环及电流环，如图9所示，抑制系统包括：
分析模块1，用于采集变换器输入的直流电压，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率；此模块执行实施例1中的步骤S11所描述的方法，在此不再赘述。
滤波模块2，用于根据谐振频率，对直流电压信号进行滤波；此模块执行实施例1中的步骤S12所描述的方法，在此不再赘述。
构造虚拟阻抗模块3，用于将滤波后的直流电压信号叠加至电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；此模块执行实施例1中的步骤S13所描述的方法，在此不再赘述。
抑制模块4，用于基于虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振；此模块执行实施例1中的步骤S14所描述的方法，在此不再赘述。
实施例3
本发明实施例提供一种计算机设备，如图10所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的柔性直流电网谐振抑制方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的柔性直流电网谐振抑制方法。
其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的柔性直流电网谐振抑制方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的柔性直流电网谐振抑制方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固降硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，应用双闭环控制方法控制所述柔性直流电网中的变换器的运行状态，所述双闭环控制方法包括电压环及电流环，所述抑制方法包括：
采集变换器的直流电压，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率；
根据所述谐振频率，对所述直流电压信号进行滤波；
将滤波后的直流电压信号叠加至所述电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；
基于所述虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制所述变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振。
2.根据权利要求1所述的柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，所述基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率的过程，包括：
将需要分析的频率范围，分成多个预设频段；
基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行多频段频谱分析；
在每个预设频段频谱分析得到的谐振频率中，选取幅值最大的谐振分量频率作为谐振频率。
3.根据权利要求2所述的柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，所述基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行多频段频谱分析的过程，包括：
设置多个Goertzel分析器，每个分析器所分析的频率范围对应一个预设频段；
控制每个Goertzel分析器对直流电压信号并联执行频谱分析。
4.根据权利要求1所述的柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，所述根据所述谐振频率，对所述直流电压信号进行滤波的过程，包括：
基于所述谐振频率构造滤波器；
利用所述滤波器将所述谐振频率附近的电压分量信号滤除；
通过调节所述滤波器参数，控制所述虚拟阻抗呈阻性。
5.根据权利要求4所述的柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，所述滤波器包括：依次串联连接的二阶带通滤波器、一阶低通滤波器及比例增益控制器。
6.根据权利要求5所述的柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，所述二阶带通滤波器的自然振荡角频率为谐振频率。
7.根据权利要求5所述的柔性直流电网谐振抑制方法，其特征在于，通过调节所述一阶低通滤波器的截止频率，控制所述虚拟阻抗呈阻性。
8.一种柔性直流电网谐振抑制系统，其特征在于，应用双闭环控制方法控制所述柔性直流电网中的变换器的运行状态，所述双闭环控制方法包括电压环及电流环，所述抑制系统包括：
分析模块，用于采集变换器的直流电压，基于Goertzel算法，对变换器的直流电压信号进行频谱分析，得到谐振频率；
滤波模块，用于根据所述谐振频率，对所述直流电压信号进行滤波；
构造虚拟阻抗模块，用于将滤波后的直流电压信号叠加至所述电压环的给定电压上，以构造出与变换器相并联的呈阻性的虚拟阻抗；
抑制模块，用于基于所述虚拟阻抗的双闭环控制方法，控制所述变换器的运行状态，抑制柔性直流电网谐振。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7中任一所述的柔性直流电网谐振抑制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一所述的柔性直流电网谐振抑制方法。
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