CN114400703A - 一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，属于交流系统并网领域，本发明与传统同步旋转坐标系锁相环相比，通过引入反Park变换模块和控制器模块，实现了对dq坐标系下电网电压d轴分量和q轴分量的同时控制，抑制了频率耦合效应；并且可对电网电压基频附近的间谐波以及高次谐波进行衰减，然后对电网电压的基频分量进行锁相，从而实现了精确锁相，避免了弱电网条件下并网出现的次同步振荡问题，本发明实现方法简单，无需增加额外硬件成本，兼顾强弱电网等优点，适用于低短路比并网现场情况，有效提高并网变换器在弱电网条件下的稳定性，使变换器在低短路比并网场合满载单位功率因数稳定运行。

Description

一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法

技术领域

本发明涉及交流系统并网领域，尤其是一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法。

背景技术

由于高效率和高可控性的优点，电压源型变换器(Voltage Source Converter，VSC)已广泛应用于新能源并网场合，电力系统正逐步向高比例新能源和高比例电力电子设备的趋势发展。与传统同步发电机相比，电力电子设备通过数字算法控制与电网的功率交换，具有更宽的控制频率范围，近些年来，新型的电力电子化电力系统出现的振荡事故表现出宽频振荡的特点，其中较为典型的是次/超同步振荡，在一些低短路比(Short CircuitRatio，SCR)电网条件并网场合曾频繁发生。因此，分析振荡机理以及提出解决方案保证变换器在弱电网条件下稳定运行具有重要意义。Jenny Z.Zhou等人在IEEE Transactions onPower Delivery发表的论文《Impact of Short-Circuit Ratio and Phase-Locked-LoopParameters on the Small-Signal Behavior of a VSC-HVDC Converter》重点关注了锁相环动态对并网稳定性的影响，指出在弱电网条件下锁相环参数会极大地影响并网稳定性，可以通过减小带宽维持系统稳定，然而会降低系统动态性能。Yang,Dongsheng等人在IEEE Transactions on Power Electronics发表的论文《Symmetrical PLL for SISOImpedance Modeling and Enhanced Stability in Weak Grids》提出一种具有对称结构的锁相环，通过引入复数相角，同时控制d轴电压量和q轴电压量，从而消除了传统同步旋转坐标系(Synchronization Reference Frame，SRF)锁相环的频率耦合效应，但单独使用该锁相环不能抑制振荡，还需要引入其他方法，从而增加了设计难度。因此，亟需寻找一种设计简单、并且能够有效提高弱电网条件下并网变换器稳定性的锁相方法。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，具有参数易于设计，锁相精度高，实现方法简单，无需增加硬件成本，兼顾强弱电网等优点，尤其适用于低短路比并网现场情况，可以有效提高弱电网条件下并网变换器的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，包括以下步骤：

S1、获取并网点三相电压v_a、v_b、v_c，经过Clarke变换得到α和β坐标轴电压量v_α和v_β；

S2、锁相环启动时，滤波后的α和β坐标轴电压量v′_α0、v′_β0的初始值为0，锁相环的输出相位初始值θ₀为0，将经过Clarke变换得到的α和β坐标轴电压量v_α和v_β与第N-1次滤波后的α和β坐标轴电压量计算结果反馈得到的v′_αN-1、v′_βN-1相减，分别得到误差量e_α、e_β，并将误差量e_α、e_β分别经过控制器调节后，得到调节后的误差量e′_α和e′_β，其中N为正整数；

S3、利用第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到θ_N-1，由e′_α和e′_β经过Park变换得到dq坐标系下的d轴电压量v_d和q轴电压量v_q；

S4、将dq坐标系下的d轴电压量v_d和q轴电压量v_q分别经过低通滤波器H(s)滤波后，得到第N次滤波后的dq坐标系下的d轴电压量v′_d和q轴电压量v′_q；

S5、利用第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到的θ_N-1，将第N次滤波后的dq坐标系下的d轴电压量v′_d和q轴电压量v′_q通过反Park变换得到滤波后的α和β坐标轴电压量计算结果v′_αN和v′_βN，然后将v′_αN和v′_βN反馈用于第N+1次计算；

S6、对q轴电压量v_q进行锁相，得到锁相环输出相位计算结果θ_N，然后将θ_N反馈用于第N+1次计算。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中α和β坐标轴电压量v_α和v_β的表达式如下：

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中控制器的传递函数如下：

其中，k为调节系数，ω₀为电网角频率，s为拉普拉斯算子。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中d轴电压量v_d和q轴电压量v_q的表达式如下：

其中，θ_N-1是由第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4中低通滤波器采用一阶低通滤波器，传递函数如下：

其中，ω_f为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S5中滤波后的α和β坐标轴电压量v′_αN和v′_βN表达式如下：

然后将v′_αN和v′_βN反馈用于第N+1次计算。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S6的具体步骤如下：

S61、将q轴电压量v_q经过传递函数为

的PI控制器调节为0，得到频率的估计值ω₀′，其中k_p为PI控制器的比例系数，k_i为PI控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

S62、ω₀′经过传递函数为

的积分环节得到锁相环的输出相位θ_N，然后将θ_N反馈用于第N+1次计算。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明提出一种可以提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，具有以下优点：具有参数易于设计，锁相精度高，实现方法简单，无需增加额外硬件成本，兼顾强弱电网等优点，尤其适用于低短路比并网现场情况，可以有效提高并网变换器在弱电网条件下的稳定性，具有实际工程应用价值，可以使变换器在低短路比并网场合满载单位功率因数稳定运行，解决低短路比并网场合中功率送出难的问题；

2、本发明与传统同步旋转坐标系锁相环相比，通过引入反Park变换模块和控制器模块，实现了对dq坐标系下电网电压d轴分量和q轴分量的同时控制，抑制了频率耦合效应；并且可对电网电压基频附近的间谐波以及高次谐波进行衰减，然后对电网电压的基频分量进行锁相，从而实现了精确锁相，避免了弱电网条件下并网出现的次同步振荡问题。

附图说明

图1为本发明提供的三相并网系统接入弱电网的主电路以及控制的系统框图；

图2为本发明提供的用于提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法原理图；

图3(a)为并网点A相电网电压仿真波形；

图3(b)为滤波后α和β坐标系下电网电压的仿真波形；

图3(c)为三相电网电压相位仿真波形；

图3(d)为三相电网电流仿真波形。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，采用两电平电压源型变换器拓扑，通过为理想电压源串入电感模拟强弱电网。控制系统包括锁相环，功率外环和电流内环，其中锁相环用于为控制系统提供参考相位。实施例将图1中的电压源变换器接入短路比为2的弱电网，使用本发明提供的锁相方法进行并网，图2为本发明的提供的用于提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法原理图，该锁相方法包括以下步骤：

S1、获取并网点三相电压v_a、v_b、v_c，经过Clarke变换得到α和β坐标轴电压量v_α和v_β，α和β坐标轴电压量v_α和v_β的表达式如下：

S2、锁相环启动时，滤波后的α和β坐标轴电压量v′_α0、v′_β0的初始值为0，锁相环的输出相位初始值θ₀为0，将经过Clarke变换得到的α和β坐标轴电压量v_α和v_β与第N-1次滤波后的α和β坐标轴电压量计算结果反馈得到的v′_αN-1、v′_βN-1相减，分别得到误差量e_α、e_β，并将误差量e_α、e_β分别经过控制器调节后，得到调节后的误差量e′_α和e′_β，其中N为正整数，控制器的传递函数如下：

其中，k为调节系数，ω₀为电网角频率，s为拉普拉斯算子；

S3、利用第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到θ_N-1，由e′_α和e′_β经过Park变换得到dq坐标系下的d轴电压量v_d和q轴电压量v_q，d轴电压量v_d和q轴电压量v_q的表达式如下：

其中，θ_N-1是由第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到；

S4、将dq坐标系下的d轴电压量v_d和q轴电压量v_q分别经过低通滤波器H(s)滤波后，得到第N次滤波后的dq坐标系下的d轴电压量v′_d和q轴电压量v′_q，低通滤波器采用一阶低通滤波器，传递函数如下：

其中，ω_f为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；

S5、利用第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到的θ_N-1，将第N次滤波后的dq坐标系下的d轴电压量v′_d和q轴电压量v′_q通过反Park变换得到滤波后的α和β坐标轴电压量计算结果v′_αN和v′_βN，然后将v′_αN和v′_βN反馈用于第N+1次计算，滤波后的α和β坐标轴电压量v′_αN和v′_βN表达式如下：

然后将v′_αN和v′_βN反馈用于第N+1次计算；

S6、对q轴电压量v_q进行锁相，得到锁相环输出相位计算结果θ_N，然后将θ_N反馈用于第N+1次计算，具体步骤如下：

S61、将q轴电压量v_q经过传递函数为

的PI控制器调节为0，得到频率的估计值ω₀′，其中k_p为PI控制器的比例系数，k_i为PI控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

S62、ω₀′经过传递函数为

的积分环节得到锁相环的输出相位θ_N，然后将θ_N反馈用于第N+1次计算。

将上述步骤得到的锁相环输出相位θ_N作为控制系统的参考，分别用于计算电流在dq坐标系下的d轴分量和q轴分量、电压在dq坐标系下的d轴分量和q轴分量以及有功、无功功率，实现闭环控制。图3(a)为并网点A相电网电压仿真波形，图3(b)为滤波后α和β坐标系下电网电压的仿真波形，本发明提出的锁相环可以准确地提取出电网电压基频分量，如图3(c)所示，该锁相环同时可以精确计算出电网电压的相位。如图3(d)所示，电网电流正弦度好，质量较高，可以在单位功率因数模式下以额定输出功率运行，有效地提高了并网变换器在弱电网条件下的稳定性。

本发明与传统同步旋转坐标系锁相环相比，通过引入反Park变换模块和控制器模块，实现了对dq坐标系下电网电压d轴分量和q轴分量的同时控制，抑制了频率耦合效应；并且可对电网电压基频附近的间谐波以及高次谐波进行衰减，然后对电网电压的基频分量进行锁相，从而实现了精确锁相，避免了弱电网条件下并网出现的次同步振荡问题。

Claims (7)

1.一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取并网点三相电压v_a、v_b、v_c，经过Clarke变换得到α和β坐标轴电压量v_α和v_β；

S2、锁相环启动时，滤波后的α和β坐标轴电压量v′_α0、v′_β0的初始值为0，锁相环的输出相位初始值θ₀为0，将经过Clarke变换得到的α和β坐标轴电压量v_α和v_β与第N-1次滤波后的α和β坐标轴电压量计算结果反馈得到的v′_αN-1、v′_βN-1相减，分别得到误差量e_α、e_β，并将误差量e_α、e_β分别经过控制器调节后，得到调节后的误差量e′_α和e′_β，其中N为正整数；

S3、利用第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到θ_N-1，由e′_α和e′_β经过Park变换得到dq坐标系下的d轴电压量v_d和q轴电压量v_q；

S4、将dq坐标系下的d轴电压量v_d和q轴电压量v_q分别经过低通滤波器H(s)滤波后，得到第N次滤波后的dq坐标系下的d轴电压量v′_d和q轴电压量v′_q；

S5、利用第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到的θ_N-1，将第N次滤波后的dq坐标系下的d轴电压量v′_d和q轴电压量v′_q通过反Park变换得到滤波后的α和β坐标轴电压量计算结果v′_αN和v′_βN，然后将v′_αN和v′_βN反馈用于第N+1次计算；

S6、对q轴电压量v_q进行锁相，得到锁相环输出相位计算结果θ_N，然后将θ_N反馈用于第N+1次计算。

2.根据权利要求1所述的一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：所述步骤S1中α和β坐标轴电压量v_α和v_β的表达式如下：

3.根据权利要求2所述的一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：所述步骤S2中控制器的传递函数如下：

其中，k为调节系数，ω₀为电网角频率，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求3所述的一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：所述步骤S3中d轴电压量v_d和q轴电压量v_q的表达式如下：

其中，θ_N-1是由第N-1次锁相环输出相位计算结果反馈得到。

5.根据权利要求4所述的一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：所述步骤S4中低通滤波器采用一阶低通滤波器，传递函数如下：

其中，ω_f为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求5所述的一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：所述步骤S5中滤波后的α和β坐标轴电压量v′_αN和v′_βN表达式如下：

然后将v′_αN和v′_βN反馈用于第N+1次计算。

7.根据权利要求6所述的一种提高并网系统在弱电网条件下稳定性的锁相方法，其特征在于：所述步骤S6的具体步骤如下：

S61、将q轴电压量v_q经过传递函数为

的PI控制器调节为0，得到频率的估计值ω′₀，其中k_p为PI控制器的比例系数，k_i为PI控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

S62、ω′₀经过传递函数为

的积分环节得到锁相环的输出相位θ_N，然后将θ_N反馈用于第N+1次计算。

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