CN116073356A - 一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，包括如下步骤：步骤一，通过模量变换，建立含三有源桥直流潮流控制器的交直流互联双极微电网对称分量模型；步骤二，基于含TAB‑PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型，建立嵌入改进陷波器的全桥变换器电压电流双环控制器，通过嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器增大TAB‑PFC二次谐波阻抗，抑制双极直流系统二次谐波电流。

Description

一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法

技术领域

本发明涉及双极直流系统谐波电流抑制领域，具体是一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法。

背景技术

通常，为减少天气原因导致的可再生能源出力变化的影响、降低储能需求和运营成本以及增加可靠性，会将直流微电网进行互联。此外，直流微电网还可通过电网接口变换器(Grid-Interface Converters,GIC)连接至交流市电或交流微电网，从而灵活实现功率平衡和能源交易。在小规模直流微网中，单相双向变换器可用作GIC。在单相GIC并网的情况下，当GIC在单位功率因数下工作时，直流母线电压中必然会出现二阶谐波。在不平衡电压下，三相GIC的直流侧也会产生此谐波。二次谐波电流的存在将增大分布式电源变换器中变压器电流的瞬时值，增大磁芯损耗，甚至出现磁饱和现象。再者如果分布式电源变换器实现了软开关，在二次谐波电流的波谷处，电感电流的瞬时值将小于平均值，影响软开关的实现，从而增大开关损耗。如果二次谐波电流流入线路中，沿线负载均会遭受上述风险，影响各负载的正常运行。目前，二次谐波电流的问题通过硬件方案和控制方案来解决。硬件解决方案包括增大母线电容，使用不同的GIC拓扑和安装有功功率解耦电路等，其目的在于通过硬件电路消除母线电压纹波，同时减小变换器中的二次谐波电流。但以上方法依靠受控系统的先验知识来获得高性能，受系统运行方式影响较大，并且需要更高成本的直流母线电压或硬件修改。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，包括如下步骤：

步骤一，通过模量变换，建立含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型；

步骤二，基于含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型，建立嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器，通过嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器增大TAB-PFC二次谐波阻抗，抑制双极直流系统二次谐波电流。

进一步的，所述的通过模量变换，建立含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型，包括：将交直流互联双极微电网中的TAB-PFC的对称分量电路模型、负载的对称分量电路模型和传输线路的对称分量电路模型连接，得到交直流互联双极微电网的对称分量模型。

进一步的，对TAB-PFC进行状态空间建模，其大信号模型下式所示，

式中：T_s为采样频率；

其中，

式中：L_p、L_n分别为正、负极滤波电感、C_p和C_n分别为正、负极滤波电容，d_p、d_n分别为正、负极TAB-PFC的占空比；

经对称分量变换后，且假设R_Lp＝R_Ln＝R_L,L_p＝L_n＝L,C_p＝C_n＝C，则TAB-PFC的对称分量大信号模型如下式所示：

其中A_m和B_m如下式(所示：

式中：i_L0、i_L1分别为正、负极的输出滤波电感电流共模分量和差模分量，v_k0和v_k1分别为TAB-PFC的正、负极输出电压共模分量和差模分量，i₀、i₁分别为正、负极输电线路的电流共模分量和差模分量，v_g0、v_g1分别为正、负极TAB-PFC输入电压共模分量和差模分量，d₀、d₁分别为正、负极TAB-PFC占空比共模分量和差模分量。

进一步的，所述的通过模量变换得到负载的对称分量模型：

v_ld1和v_ld0分别表示负载侧的正极电压和负极电压差模分量和共模分量，i_ld1和i_ld0分别表示正极负载电流和负极负载电流差模分量和共模分量，Y_1d、I_1d分别为正、负极负载经由诺顿等效的等效差模(共模)导纳和差模电流源。

进一步的，所述的建立嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器，包括：

在单电压环控制的基础上引入电感电流闭环，构成电压电流双闭环控制，在控制环路中嵌入陷波器以增大TAB-PFC二次谐波阻抗，采用的改进陷波器表达式为：

式中：ω_c为陷波器的特征角频率，2ξ₁为陷波深度，2ξ₂为滤波器带宽，α为大于1的偏差因子。

本发明的有益效果是：通过模量变换，推导含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型；基于对称分量模型，提出嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制框图，增大TAB-PFC二次谐波阻抗以抑制双极直流系统二次谐波电流。

附图说明

图1为一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法的流程示意图；

图2简化的含TAB-PFC交直流互联双极微电网结构示意图；

图3双极直流微电网传输线路的集总参数模型示意图；

图4双极直流微电网传输线路的等效模量电路示意图；

图5负载的等效电路模型示意图；

图6负载的对称分量模型示意图；

图7含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做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，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，具体的，包括以下步骤：

S1：通过模量变换，推导含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型；

S2：基于对称分量模型，提出嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制框图，增大TAB-PFC二次谐波阻抗以抑制双极直流系统二次谐波电流。

步骤S1中所述的通过模量变换，推导含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型：

通过模量变换，可得到双极微电网的等效解耦电路模型，这会简化双极微电网的分析，更方便理解及研究双极微电网的稳态及暂态特性。此外，由于对称分量法能够解耦传输线路模型，许多原本针对单极微电网所提出的控制方法或分析理论也能更容易扩展到双极微电网中。

①TAB-PFC的对称分量模型

简化的含TAB-PFC的交直流互联双极微电网结构示意图如图2所示，图中v_sp、v_sn分别为正、负极电源电压，v_gp、v_gn分别为正、负极TAB-PFC输入电压，Q₁～Q₈为开关管编号，i_Lp、i_Ln分别为正、负极的输出滤波电感电流，L_fp、L_fn和C_fp、C_fn分别为正、负极的输出滤波电感和电容,i_p、i_n分别为正、负极输电线路的电流，v_kp和v_kn分别为TAB-PFC的正、负极输出电压，L_lp、L_ln、R_lp、R_ln分别为正、负极输电线路电感与电阻，L_lnu、R_lnu分别为中线电感与电阻，C_busp、C_busn分别为正、负极母线电容，v_ldp、v_ldn分别为负载侧正、负极电压，Y_ldp、I_ldp、Y_ldn、I_ldn分别为正、负极负载经由诺顿等效的等效导纳和电流源。

对TAB-PFC进行状态空间建模，其大信号模型如式(1)所示，

式中：T_s为采样频率。

其中，

式中：L_p、L_n分别为正、负极滤波电感、C_p和C_n分别为正、负极滤波电容，d_p、d_n分别为正、负极TAB-PFC的占空比。

经对称分量变换后，且假设R_Lp＝R_Ln＝R_L,L_p＝L_n＝L,C_p＝C_n＝C，则TAB-PFC的对称分量大信号模型如式(4)所示，其中A_m和B_m如式(5)和(6)所示。

式中：i_L0、i_L1分别为正、负极的输出滤波电感电流共模分量和差模分量，v_k0和v_k1分别为TAB-PFC的正、负极输出电压共模分量和差模分量，i₀、i₁分别为正、负极输电线路的电流共模分量和差模分量，v_g0、v_g1分别为正、负极TAB-PFC输入电压共模分量和差模分量，d₀、d₁分别为正、负极TAB-PFC占空比共模分量和差模分量。

②线路的对称分量模型

以集总参数表示的双极直流微电网的传输线路模型如图3所示，图中v_p1、v_n1分别为正、负极电源侧电压，i_p1、i_n1分别为正、负极输电线路电流，C_lp、C_ln分别为正、负极输电线路电容，i_p2、i_n2分别为正、负极负荷侧电流，v_p2、v_n2分别为正、负极负荷侧电压，R_lne、L_lne、i_ne1、i_ne2分别为中线电阻、电感、线路电流、负荷负荷侧电流，且R_lp＝R_ln＝R_lne＝R_l，L_lp＝L_ln＝L_lne＝L_l，C_lp＝C_ln＝C_lne＝C_l。

通过模量变化得到线路的对称分量等效电路如图4所示，图中v₀₁、v₁₁分别为正、负极电源侧电压共模分量和差模分量，i₀₁、i₁₁分别为正、负极输电线路电流共模分量和差模分量，L₁₀、L₁₁和C₁₀、C₁₁分别为正、负极的输出滤波电感和电容共模分量和差模分量，v₀₂、v₁₂分别为正、负极负荷侧电压共模分量和差模分量。

③负载的对称分量模型

负载的等效电路模型如图5所示，图中v_ldp和v_ldn分别表示负载侧的正极电压和负极电压，i_ldp和i_ldn分别表示正极负载电流和负极负载电流。通过模量变换得到负载的对称分量模型如图6所示，图中v_ld1和v_ld0分别表示负载侧的正极电压和负极电压差模分量和共模分量，i_ld1和i_ld0分别表示正极负载电流和负极负载电流差模分量和共模分量，Y_1d、I_1d分别为正、负极负载经由诺顿等效的等效差模(共模)导纳和差模电流源。

将得到的交直流互联双极微电网中的TAB-PFC部分、负载部分和传输线路部分各自的对称分量电路模型连接起来，便可以得到交直流互联双极微电网的对称分量模型，如图7所示，图中V_s为直流母线电压，I_ld0、I_ld1分别为等效共模、差模电流源。这一模量电路模型把双极系统变换为共模分量和差模分量分成了两个部分。如果双极系统是完全平衡的，则系统的共模电路和差模电路是完全解耦的，这对交直流互联双极微电网的特性分析和控制系统设计有很大的意义

步骤S2中所述的基于对称分量模型，提出嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制框图，增大TAB-PFC二次谐波阻抗以抑制双极直流系统二次谐波电流：

图7中，系统的共模电路和差模电路是完全解耦且结构上基本一致的，故TAB-PFC模量电路差模与共模模型的控制器设计相同，以共模电路进行分析。所设计的嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制框图如图7所示，图中V_kpref为正极参考电压，V_kpref为负极参考电压，T为将极分量转换为模分量的转换模块，V_k1ref为差模参考电压，V_k0ref为共模参考电压，G_cv1(s)为差模电压调节器，G_cv0(s)为共模电压调节器，i_L1ref为差模参考电流，i_L0ref为共模参考电流，G_ci1(s)为差模电流调节器，G_ci0(s)为共模电流调节器，T^-1为将模分量转换为极分量的逆转换模块，PWM为脉冲宽度调制模块。

为了有效降低线路侧的二次谐波电流，增大线路侧闭环阻抗幅值，在单电压环控制的基础上引入电感电流闭环，构成电压电流双闭环控制。同时，在控制环路中嵌入陷波器以增大TAB-PFC二次谐波阻抗，为了同时实现快速的动态响应和良好的稳定性裕度，本发明采用的改进陷波器表达式为，

式中：ω_c为陷波器的特征角频率，2ξ₁为陷波深度，2ξ₂为滤波器带宽，α为大于1的偏差因子。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，通过模量变换，建立含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型；

步骤二，基于含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型，建立嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器，通过嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器增大TAB-PFC二次谐波阻抗，抑制双极直流系统二次谐波电流。

2.根据权利要求1所述的一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，其特征在于，所述的通过模量变换，建立含TAB-PFC的交直流互联双极微电网对称分量模型，包括：将交直流互联双极微电网中的TAB-PFC的对称分量电路模型、负载的对称分量电路模型和传输线路的对称分量电路模型连接，得到交直流互联双极微电网的对称分量模型。

3.根据权利要求2所述的一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，其特征在于，对TAB-PFC进行状态空间建模，其大信号模型下式所示，

式中：T_s为采样频率；

其中，

式中：L_p、L_n分别为正、负极滤波电感、C_p和C_n分别为正、负极滤波电容，d_p、d_n分别为正、负极TAB-PFC的占空比；

经对称分量变换后，且假设R_Lp＝R_Ln＝R_L,L_p＝L_n＝L,C_p＝C_n＝C，则TAB-PFC的对称分量大信号模型如下式所示：

其中A_m和B_m如下式(所示：

式中：i_L0、i_L1分别为正、负极的输出滤波电感电流共模分量和差模分量，v_k0和v_k1分别为TAB-PFC的正、负极输出电压共模分量和差模分量，i₀、i₁分别为正、负极输电线路的电流共模分量和差模分量，v_g0、v_g1分别为正、负极TAB-PFC输入电压共模分量和差模分量，d₀、d₁分别为正、负极TAB-PFC占空比共模分量和差模分量。

4.根据权利要求3所述的一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，其特征在于，所述的通过模量变换得到负载的对称分量模型：

v_ld1和v_ld0分别表示负载侧的正极电压和负极电压差模分量和共模分量，i_ld1和i_ld0分别表示正极负载电流和负极负载电流差模分量和共模分量，Y_1d、I_1d分别为正、负极负载经由诺顿等效的等效差模(共模)导纳和差模电流源。

5.根据权利要求4所述的一种双极直流系统二次谐波电流抑制方法，其特征在于，所述的建立嵌入改进陷波器的FBC电压电流双环控制器，包括：

在单电压环控制的基础上引入电感电流闭环，构成电压电流双闭环控制，在控制环路中嵌入陷波器以增大TAB-PFC二次谐波阻抗，采用的改进陷波器表达式为：

式中：ω_c为陷波器的特征角频率，2ξ₁为陷波深度，2ξ₂为滤波器带宽，α为大于1的偏差因子。

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