CN115275989A - 提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法及装置 - Google Patents

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CN115275989A
CN115275989A CN202210882221.0A CN202210882221A CN115275989A CN 115275989 A CN115275989 A CN 115275989A CN 202210882221 A CN202210882221 A CN 202210882221A CN 115275989 A CN115275989 A CN 115275989A
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周党生
陈佳明
王雪芬
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Shenzhen Hopewind Electric Co Ltd
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Shenzhen Hopewind Electric Co Ltd
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Abstract

本申请公开一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法及装置，所述装置包括：电流指令坐标变换模块得到电流指令分量；网侧电流坐标变换模块得到网侧电流分量；电网电压坐标变换模块得到电网电压分量；电流误差调节模块对电流指令分量与网侧电流分量之间的差值进行调节并输出调节量；电压前馈控制模块对电网电压分量进行处理，得到电网电压前馈量；发波电压坐标变换模块计算最终发波电压指令；调制模块得到变换器控制所需的驱动信号。本申请实现简单，不会增加变换器的硬件成本，可以解决并网变换器应对电网电压跌落时的瞬态冲击过流与并网稳定性的矛盾，增强变换器对强/弱电网的适应能力，保障其在不同电网强度下输出满足要求的电能质量。

Description

提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法及装置
技术领域
本申请涉及并网技术领域，尤其涉及一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法及装置。
背景技术
发展新能源已成为全球应对日益严峻的能源危机的共识，而新能源的利用主要又是通过发电来实现的。并网变换器作为新能源与电网能量传输接口，其运行性能好坏关乎新能源发出的电能质量。在新能源并网规模与日俱增的背景下，并网逆变器的运行性能更是关乎电力系统的稳定性。
近年来，随着电网中接入的电力电子设备增多，并网变换器所接入的并网点阻抗增加，电压易受负载影响而畸变的“弱电网”特性越发明显。弱电网容易使接入点附近的采用传统电流控制方法的变换器输出电流畸变，畸变的电流反过来会使并网点电压再度恶化，进而影响变换器的并网稳定性。
对变换器的电流控制环路的电网电压前馈量项进行滤波，能够解决弱电网下变换器的电流畸变问题【文献1“Jinming Xu,Qiang Qian,Shaojun Xie,et al.Grid-VoltageFeedforward Based Control for Grid-Connected LCL-Filtered Inverter withHighRobustness and Low Grid Current Distortionin Weak Grid[C]IEEE AppliedPower Electronics Conference&Exposition,2016,1919–1925.”】，从而使其稳定运行的同时输出满足并网考核要求的电能质量。然而，在电网出现电压跌落故障时经过滤波的前馈电压势必会滞后于实际电网电压的变化，从而影响变换器电流控制环的动态响应能力，增加变换器的瞬态过流风险。因此，在弱电网下，并网变换器的并网稳定性和应对电网故障的动态响应能力(以下称其为动态性能)存在一定矛盾。
因大规模电力电子设备接入电网带来的弱电网下并网变换器运行问题增多，相关的问题研究和应对措施也不断更新。早期很多研究把并网变换器应对电网故障的动态性能问题和并网稳定性问题分开对待，即研究动态性能性能问题时没有考虑并网稳定性问题，或者为提升并网稳定性牺牲动态性能。此外，在传统研究方法中常常将并网变换器近似为线性时不变系统来对待，即认为其并网稳定性与输入关系不大而主要由描述系统的数学模型如传递函数决定，设计好的控制参数受电网电压或变换器输出电流的影响很小，具有很强的鲁棒性，而越来越多的研究证明并非如此【文献2“Jiabing Hu,Qi Hu,Bo Wang,etal.Small Signal Instability of PLL-Synchronized Type-4Wind Turbines Connectedto High-Impedance ACGrid During LVRT[J]IEEE Trans.Energy Conversion,2016,31(4):1676–1687.”】。这就导致以往变换器动态性能提升或并网稳定性改善策略只侧重其中一个方面【文献3“Leming Zhou,Siyi Liu,Yandong Chen,et al.Harmonic Current andInrush Fault CurrentCoordinated Suppression Method for VSG UnderNon-idealGrid Condition[J]IEEE Trans.Power Electron,2021,36(1):1030–1041.”、文献4“HengWu,XiongfeiWang.Design-Oriented Transient Stability Analysis ofPLL-Synchronized Voltage-Source Converters[J]IEEE Trans.Power Electron,2020,35(4):3573–3589.”】。
为解决这一不足，文献2【“Jiabing Hu,Qi Hu,Bo Wang,et al.Small SignalInstability of PLL-Synchronized Type-4Wind Turbines Connected to High-Impedance ACGrid During LVRT[J]IEEE Trans.Energy Conversion,2016,31(4):1676–1687.”】提出了软、硬件并举的方案，但增加硬件无疑会增加系统成本。文献5【“高家元，肖凡，姜飞，等.弱电网下具有新型PLL结构的并网逆变器阻抗相位重塑控制[J].中国电机工程学报，2020，40(20):6682-6693.”】则从阻抗重塑的角度提出了一种具有新型锁相环结构的策略，不过策略的实施还需要电流控制环路做相位补偿配合。
发明内容
本申请旨在提供一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法及装置，以解决解决现有技术中并网变换器应对电网电压故障的动态响应能力提升和并网稳定性改善不能兼顾的问题。
本申请一方面，提供一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制装置，包括锁相环，被配置为根据电网电压得到锁相环输出角度，所述装置还包括：
电流指令坐标变换模块，被配置为根据并网变换器的电流指令以及锁相环输出角度，得到电流指令分量；
网侧电流坐标变换模块，被配置为根据网侧电流以及所述锁相环输出角度，得到网侧电流分量；
电网电压坐标变换模块，被配置为根据电网电压以及所述锁相环输出角度，得到电网电压分量；
电流误差调节模块，被配置为对所述电流指令分量与所述网侧电流分量之间的差值进行调节并输出调节量；
电压前馈控制模块，被配置为对所述电网电压分量进行处理，得到电网电压前馈量；
发波电压坐标变换模块，被配置为根据所述电网电压前馈量与所述调节量叠加得到的发波电压指令，计算最终发波电压指令；
调制模块，对所述最终发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
本申请另一方面，提供一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法，所述方法包括：
根据并网变换器的电流指令以及锁相环输出角度，得到电流指令分量；根据网侧电流以及所述锁相环输出角度，得到网侧电流分量；对所述电流指令分量与所述网侧电流分量之间的差值进行调节并输出调节量；
根据电网电压以及所述锁相环输出角度，得到电网电压分量；对所述电网电压分量进行处理，得到电网电压前馈量；
根据所述电网电压前馈量与所述调节量叠加得到的发波电压指令，计算最终发波电压指令；
对所述最终发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
本申请实施例提供的提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法及装置，通过改进电流控制环路的电压前馈控制，可以在电网电压跌落时抑制变换器瞬态输出冲击电流的同时保证其并网稳定性。该方法实现简单，不会增加变换器的硬件成本，可以解决并网变换器应对电网电压跌落时的瞬态冲击过流与并网稳定性的矛盾，提升电网故障穿越性能，增强变换器对强/弱电网的适应能力，保障其在不同电网强度下输出满足要求的电能质量。
附图说明
图1为本申请实施例提供的并网变换器的电流控制框图；
图2为本申请实施例提供的电压前馈控制模块的原理示意图；
图3为本申请实施例提供的电网故障判断模块的原理示意图；
图4-图5为弱电网下电网三相电压跌落到20％时采用本示例电流控制的仿真结果；
图6-图7为弱电网下电网三相电压跌落到20％时采用传统单位比例电压前馈的仿真结果；
图8-图9为弱电网下电网三相电压跌落到20％时仅对传统单位比例电压前馈做滤波的仿真结果；
图10为本申请实施例提供的并网变换器的电流控制方法示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请实施例涉及到的变量及其定义：
ugabc：电网电压
igabc：网侧电流
ioabc：并网电流
Lg：电网等效漏感
Lgf：网侧滤波电感
Cf：网侧滤波电容
θg：锁相环输出角度
igref_d、igref_q：网侧电流指令的d、q轴分量
igref_x、igref_y：网侧电流指令的x、y轴分量
ig_x、ig_y：网侧电流的x、y轴分量
ug_x、ug_y：电网电压的x、y轴分量
uCR_x、uCR_y：x、y轴电流误差调节模块输出
ugFw_x、ugFw_y：电网电压前馈量的x、y轴分量
ugf_x、ugf_y：电网电压基波的x、y轴分量
ugh_x、ugh_y：电网电压谐波的x、y轴分量
ughFw_x、ughFw_y：电网电压谐波前馈电压的x、y轴分量
ugm：电网电压分量模值
ugm_nom：电网电压额定模值
ugmpu：电网电压分量模值的标幺值
mJ：电网电压幅值跳变指标
Vdist_flag：电网电压受到扰动标志
VJmp_flag：电网电压幅值跳变标志
hflag：计时控制模块输出标志
mJL：电网电压受到扰动的退出门限
mJH：电网电压受到扰动的触发门限
Kfwh：电网电压谐波前馈量的百分比
evscref_x、evscref_y：发波电压指令的x、y轴分量
evscref_α、evscref_β：发波电压指令的α、β轴分量
图1为本申请实施例提供的并网变换器的电流控制框图。
如图1所示，并网变换器的电流控制通过锁相环模块(PLL，Phase Locked Loop)、电流指令坐标变换模块、网侧电流坐标变换模块、电网电压坐标变换模块、电流误差调节模块、电压前馈控制模块、发波电压坐标变换模块和PWM调制模块实现。
PLL的输入为变换器的电网电压ugabc，输出为电网正序电压的角度θg。
电流指令坐标变换模块，被配置为根据并网变换器的电流指令igref_d、igref_q以及锁相环输出角度θg，得到电流控制坐标系下电流指令分量igref_x、igref_y。
网侧电流坐标变换模块，被配置为根据网侧电流igabc以及锁相环输出角度θg，得到电流控制坐标系下网侧电流分量ig_x、ig_y。网侧电流igabc可以是变换器并网电流或者其交流电感上的电流。
电网电压坐标变换模块，被配置为根据电网电压ugabc以及锁相环输出角度，得到θg电流控制坐标系下电网电压分量ug_x、ug_y。
当电流控制坐标系为同步旋转(dq)坐标系时，电流指令坐标变换模块、网侧电流坐标变换模块、电网电压坐标变换模块的变换公式分别为：
Figure BDA0003764617950000071
Figure BDA0003764617950000072
Figure BDA0003764617950000073
当电流控制坐标系为两相静止(αβ)坐标系时，电流指令坐标变换模块、网侧电流坐标变换模块、电网电压坐标变换模块的变换公式分别为：
Figure BDA0003764617950000074
Figure BDA0003764617950000075
Figure BDA0003764617950000076
电流误差调节模块，被配置为对电流指令分量igref_k(k＝x,y)与反馈的网侧电流分量ig_k(k＝x,y)之间的差值ierr_k(k＝x,y)进行调节，输出调节量uCR_k(k＝x,y)。
电压前馈控制模块，被配置为对电网电压分量ug_x、ug_y进行处理，得到电网电压前馈量ugFw_k(k＝x,y)。
具体地，如图2所示，电压前馈控制模块对电网电压分量ug_x、ug_y是这样处理的：
a)、对电网电压分量ug_x、ug_y进行计算，得到电网电压分量模值ugm及电网电压分量模值的标幺值ugmpu。计算公式如下：
Figure BDA0003764617950000081
式中，ugm_nom为电网电压额定模值。
与此同时，将电网电压分量ug_x、ug_y输入到滤波器，经滤波后得到电网电压基波分量ugf_x、ugf_y。当电流控制坐标系为同步旋转(dq)坐标系时，滤波器为低通滤波器；当电流控制坐标系为两相静止(αβ)坐标系时，滤波器为中心频率取电网基波频率的带通滤波器。
b)、将电网电压分量ug_x、ug_y减去电网电压基波分量ugf_x、ugf_y，得到电网电压谐波分量ugh_x、ugh_y。
c)、将电网电压谐波分量ugh_x、ugh_y除以电网电压额定模值ugm_nom，得到电网电压谐波分量的标幺值ughpu_x、ughpu_y，并将ughpu_x、ughpu_y送入电网故障判断模块。
如图3所示，电网故障判断模块是这样实施的：
1)将电网电压谐波分量的标幺值ughpu_x、ughpu_y输入瞬态分量坐标变换模块，得到其对应的d、q轴分量ughpu_d、ughpu_q。
当电流控制坐标系为dq坐标系时，瞬态分量坐标变换公式为：
Figure BDA0003764617950000082
当电流控制坐标系为αβ坐标系时，瞬态分量坐标变换公式为：
Figure BDA0003764617950000091
2)取d、q轴分量ughpu_d、ughpu_q绝对值中的最大值，得到电网电压幅值跳变指标mJ，即
mJ＝max(|ughpu_d|，|ughpu_q|) (6)
需要说明的是，在其它示例中，也可以计算d轴和q轴分量ughpu_d、ughpu_q的平方和的开方，得到电网电压幅值跳变指标mJ。
3)根据mJ判断出电网电压幅值是否跳变或谐波含量高，并据此采用滞环规则更新电网电压受到扰动标志Vdis_flag。滞环规则及其门限为：
Figure BDA0003764617950000092
式中，mJH和mJL(mJH＞mJL＞0)分别为电网电压受到扰动的触发门限和退出门限。
4)根据电网电压受到扰动标志Vdis_flag的值，确定是否启动计时控制模块计数，并据计数值hcnt更新其输出标志的值hflag。在本示例中，计时控制模块计数采用如下方式计数：
Figure BDA0003764617950000093
其输出标志的值的更新规则为：
Figure BDA0003764617950000094
式中，hcnt_set为确认电网电压幅值跳变对应时间的设定值。
根据电网电压受到扰动标志Vdis_flag的值和计时控制模块输出标志的值hflag，更新电网电压幅值跳变标志VJmp_flag的值，更新规则如下：
Figure BDA0003764617950000101
5)根据电网电压幅值跳变标志VJmp_flag的值，更新电流控制环路的电网电压谐波前馈量的百分比Kfwh。更新规则为：
Figure BDA0003764617950000102
d)、电压前馈量生成模块(未示出)将电网电压谐波前馈量的百分比Kfwh与电网电压的谐波分量ugh_x、ugh_y相乘，得到电网电压谐波前馈量ughFw_x、ughFw_y；
e)、将电网电压谐波前馈量ughFw_x、ughFw_y叠加到电网电压基波分量ugf_x、ugf_y上，得到电网电压前馈量ugFw_x、ugFw_y。
将得到的电网电压前馈量ugFw_k(k＝x,y)叠加到电流误差调节模块输出的调节量uCR_k(k＝x,y)上，得到发波电压指令的x、y轴分量evscref_x和evscref_y。
发波电压坐标变换模块，被配置为将发波电压指令的x、y轴分量evscref_x和evscref_y转换到αβ坐标系下，得到发波电压指令的α、β轴分量evscref_α、evscref_β。当然的，也可以转换到dq坐标系下。
当电流控制坐标系为dq坐标系时，所述发波电压坐标变换环节的变换公式为：
Figure BDA0003764617950000103
当电流控制坐标系为αβ坐标系时，所述发波电压坐标变换环节的变换公式为：
Figure BDA0003764617950000104
最后，将发波电压指令的α、β轴分量evscref_α、evscref_β通过PWM调制模块的调制，例如采用三相空间矢量调制方法，得到并网变换器控制所需的驱动信号，以达成其基本功率目标的同时，实现对变换器输出电流谐波的抑制目标。
图4-图5为弱电网下电网三相电压跌落到20％时采用本示例电流控制的仿真结果；
图6-图7为弱电网下电网三相电压跌落到20％时采用传统单位比例电压前馈的仿真结果；
图8-图9为弱电网下电网三相电压跌落到20％时仅对传统单位比例电压前馈做滤波的仿真结果。
从上述仿真结果示意图可以看出，本申请实施例提供的并网变换器的电流控制，通过改进电流控制环路的电压前馈控制，可以在电网电压跌落时抑制变换器瞬态输出冲击电流的同时保证其并网稳定性。实现简单，不会增加变换器的硬件成本，可以解决并网变换器应对电网电压跌落时的瞬态冲击过流与并网稳定性的矛盾，增强变换器对强/弱电网的适应能力，保障其在不同电网强度下输出满足要求的电能质量。
图10为本申请实施例提供的并网变换器的电流控制方法示意图。
如图10所示，所述方法包括步骤：
S11、根据并网变换器的电流指令以及锁相环输出角度，得到电流指令分量；根据网侧电流以及所述锁相环输出角度，得到网侧电流分量；对所述电流指令分量与所述网侧电流分量之间的差值进行调节并输出调节量；
S12、根据电网电压以及所述锁相环输出角度，得到电网电压分量；对所述电网电压分量进行处理，得到电网电压前馈量；
S13、根据所述电网电压前馈量与所述调节量叠加得到的发波电压指令，计算最终发波电压指令；
S14、对所述最终发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
其中，步骤S11、S12并没有先后顺序。
在一示例中，所述方法还包括：
对所述电网电压分量进行滤波，得到电网电压基波分量；
根据电网电压谐波分量的标幺值、电网电压分量模值的标幺值，得到电网电压谐波前馈量的百分比；
根据所述电网电压基波分量、所述电网电压谐波前馈量的百分比以及电网电压谐波分量，得到所述电网电压前馈量。
在一示例中，所述电网电压谐波分量的标幺值是由所述电网电压谐波分量除以电网电压额定模值得到，所述电网电压谐波分量是由所述电网电压分量减去所述电网电压基波分量得到；
所述电网电压分量模值的标幺值是根据所述电网电压分量以及所述电网电压额定模值计算得到。
在一示例中，所述方法还包括：
根据电网电压谐波分量的标幺值，通过瞬态分量坐标变换模块计算得到该标幺值对应的分量；
根据所述标幺值对应的分量，计算得到电网电压幅值跳变指标；
根据所述电网电压幅值跳变指标，更新电网电压受到扰动标志；
根据所述电网电压受到扰动标志和计时控制模块的输出标志，更新电网电压幅值跳变标志；
根据所述电网电压幅值跳变标志和所述电网电压分量模值的标幺值，更新电网电压谐波前馈量的百分比。
在一示例中，根据所述标幺值对应的分量的绝对值中的最大值、或者所述标幺值对应的分量的平方和的开方，计算得到电网电压幅值跳变指标。
在一示例中，根据所述电网电压幅值跳变指标、电网电压受到扰动的触发门限和退出门限，更新电网电压受到扰动标志。
在一示例中，根据所述电网电压受到扰动标志，确定是否启动所述计时控制模块计数。
在一示例中，将所述电网电压谐波前馈量的百分比与所述电网电压的谐波分量相乘，得到电网电压谐波前馈量；将所述电网电压谐波前馈量叠加到所述电网电压基波分量，得到所述电网电压前馈量。
以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制装置，包括锁相环，被配置为根据电网电压得到锁相环输出角度，其特征在于，所述装置还包括：
电流指令坐标变换模块，被配置为根据并网变换器的电流指令以及锁相环输出角度，得到电流指令分量；
网侧电流坐标变换模块，被配置为根据网侧电流以及所述锁相环输出角度，得到网侧电流分量；
电网电压坐标变换模块，被配置为根据电网电压以及所述锁相环输出角度，得到电网电压分量；
电流误差调节模块，被配置为对所述电流指令分量与所述网侧电流分量之间的差值进行调节并输出调节量；
电压前馈控制模块，被配置为对所述电网电压分量进行处理，得到电网电压前馈量；
发波电压坐标变换模块，被配置为根据所述电网电压前馈量与所述调节量叠加得到的发波电压指令，计算最终发波电压指令；
调制模块，对所述最终发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压前馈控制模块包括：
滤波器，被配置为对所述电网电压分量进行滤波，得到电网电压基波分量；
电网故障判断模块，被配置为根据电网电压谐波分量的标幺值、电网电压分量模值的标幺值，得到电网电压谐波前馈量的百分比；
电压前馈量生成模块，被配置为根据所述电网电压基波分量、所述电网电压谐波前馈量的百分比以及电网电压谐波分量，得到所述电网电压前馈量。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述滤波器包括低通滤波器或者中心频率为电网基波频率的带通滤波器。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电网电压谐波分量的标幺值是由所述电网电压谐波分量除以电网电压额定模值得到，所述电网电压谐波分量是由所述电网电压分量减去所述电网电压基波分量得到；
所述电网电压分量模值的标幺值是根据所述电网电压分量以及所述电网电压额定模值计算得到。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电网故障判断模块被配置为：
根据电网电压谐波分量的标幺值，通过瞬态分量坐标变换模块计算得到该标幺值对应的分量；
根据所述标幺值对应的分量，计算得到电网电压幅值跳变指标；
根据所述电网电压幅值跳变指标，更新电网电压受到扰动标志；
根据所述电网电压受到扰动标志和计时控制模块的输出标志，更新电网电压幅值跳变标志；
根据所述电网电压幅值跳变标志和所述电网电压分量模值的标幺值，更新电网电压谐波前馈量的百分比。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电网故障判断模块被配置为根据所述标幺值对应的分量的绝对值中的最大值、或者所述标幺值对应的分量的平方和的开方，计算得到电网电压幅值跳变指标。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电网故障判断模块被配置为根据所述电网电压幅值跳变指标、电网电压受到扰动的触发门限和退出门限，更新电网电压受到扰动标志。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电网故障判断模块被配置为根据所述电网电压受到扰动标志，确定是否启动所述计时控制模块计数。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压前馈量生成模块，被配置为将所述电网电压谐波前馈量的百分比与所述电网电压的谐波分量相乘，得到电网电压谐波前馈量；将所述电网电压谐波前馈量叠加到所述电网电压基波分量上，得到所述电网电压前馈量。
10.一种提升电网故障穿越性能的变换器电流控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据并网变换器的电流指令以及锁相环输出角度，得到电流指令分量；根据网侧电流以及所述锁相环输出角度，得到网侧电流分量；对所述电流指令分量与所述网侧电流分量之间的差值进行调节并输出调节量；
根据电网电压以及所述锁相环输出角度，得到电网电压分量；对所述电网电压分量进行处理，得到电网电压前馈量；
根据所述电网电压前馈量与所述调节量叠加得到的发波电压指令，计算最终发波电压指令；
对所述最终发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
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