CN116706911A - 电压前馈滤波时间常数在线调整方法、系统、介质及设备 - Google Patents

电压前馈滤波时间常数在线调整方法、系统、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电压前馈滤波时间常数在线调整方法、系统、介质及设备，注入伪随机二进制序列并进行FFT分析对电网阻抗进行辨识；基于小信号建模与阻抗建模对新能源变换器弱网稳定性进行分析；根据阻抗辨识结果与稳定性分析对电压前馈滤波时间常数进行调整。本发明所提出的自适应调整电压前馈滤波时间常数方法，能够提升并网变换器弱电网稳定性，并能够提升电压前馈环节性能。

Description

电压前馈滤波时间常数在线调整方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明涉及电力电子变换器的技术领域，具体地，涉及电压前馈滤波时间常数在线调整方法、系统、介质及设备，尤其涉及一种提升变换器弱网稳定性的电压前馈滤波时间常数在线调整方法。
背景技术
新能源技术的发展催生了对新能源发电技术的需求。由于新能源发电与传统火力发电的区别，新能源发电可能面临有别于传统火电的问题。由于新能源发电单元通常处于偏远提取，需要通过长架空线或电缆的传输进行并网，新能源并网可能处于弱电网的条件下。传统跟网型控制策略由于采用锁相环获得电网电压相位，通常对外呈现电流源的性质，从而在并入弱电网时稳定性问题较为严重。弱电网条件在电网运行时有可能发生改变，故需要对新能源发电自适应控制的研究。
有关电力电子变换器自适应控制的相关研究十分丰富，也有对电力电子弱网稳定性自适应控制的研究。一些研究对控制结构进行优化，通过一些滤波、陷波环节，设计针对不同频段稳定性提升的控制策略，令一些研究通过电网阻抗辨识来动态优化控制参数，但这些电网阻抗辨识方法往往需要对采样得到的波形进行在线快速傅里叶变换，对控制器性能要求较高，一些研究的参数设计过程涉及复杂计算，不利于在线控制方法的实现。之前研究对若电网下传输功率极限的研究也主要集中与定性的研究，且主要集中于恒有功/无功控制，对下垂控制参数在线优化讨论较少。
因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电压前馈滤波时间常数在线调整方法、系统、介质及设备。
根据本发明提供的一种电压前馈滤波时间常数在线调整方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；
步骤S2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；
步骤S3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度。
优选地，所述步骤S1包括：
对并网逆变系统进行小信号建模，在系统的工作点附近进行局部线性化，得到逆变系统的小信号模型；在变换器入口处注入电压或电流扰动，得到系统的等效输出阻抗：
其中vd和vq表示电压扰动，id和iq表示电流扰动，Zdq表示系统等效输出阻抗；
跟网型控制下，新能源并网发电系统在接入理想电网下是稳定的，故其并入弱电网的稳定性由以下等式的零点是否均在左半平面判断：
det(I+ZgZc -1)＝0 (2)
其中Zg表示电网阻抗矩阵，Zc表示逆变系统等效输出阻抗；稳定性判断仅需求解该式的零点。
优选地，所述步骤S2包括：
根据新能源变换器开关频率等确定最长伪随机二进制M序列的注入周期和长度，开关频率4kHz，确定M序列更新频率1kHz，M序列长度为63，有频率分辨率：
式中，fd和finj分别代表频率分辨率和M序列注入频率，N表示M序列长度；M序列叠加在电流dq指令信号，完成向电网注入谐波；对电压电流进行在线FFT分解并将两者在不同频率处相除得到电网阻抗在不同频率处的幅值；将一定频率范围的阻抗进行平均得到对电网阻抗的估计；电网阻抗在指定频率处的幅值求解公式：
式中，U(f)和I(f)分别代表在频率f处的电压和电流FFT结果；Zg()表示电网阻抗在频率f处的结果；将最近三个辨识结果取平均作为最终辨识结果输出。
优选地，根据所述步骤S3中的电网阻抗辨识结果，在预先设定的范围内搜索电压前馈滤波时间常数；设定初始的扫描间隔，在搜索范围内等间隔取十个点，求出每个点的对应系统零点的实部，并选择最接近给定稳定裕度的点和其临近的点，缩小扫描间隔，继续求解稳定性过程，直到达到要求精度。
本发明还提供一种电压前馈滤波时间常数在线调整系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；
模块M2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；
模块M3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度。
优选地，所述模块M1包括：
对并网逆变系统进行小信号建模，在系统的工作点附近进行局部线性化，得到逆变系统的小信号模型；在变换器入口处注入电压或电流扰动，得到系统的等效输出阻抗：
其中vd和vq表示电压扰动，id和iq表示电流扰动，Zdq表示系统等效输出阻抗；
跟网型控制下，新能源并网发电系统在接入理想电网下是稳定的，故其并入弱电网的稳定性由以下等式的零点是否均在左半平面判断：
det(I+ZgZc -1)＝0 (2)
其中Zg表示电网阻抗矩阵，Zc表示逆变系统等效输出阻抗；稳定性判断仅需求解该式的零点。
优选地，所述模块M2包括：
根据新能源变换器开关频率等确定最长伪随机二进制M序列的注入周期和长度，开关频率4kHz，确定M序列更新频率1kHz，M序列长度为63，有频率分辨率：
式中，fd和finj分别代表频率分辨率和M序列注入频率，N表示M序列长度；M序列叠加在电流dq指令信号，完成向电网注入谐波；对电压电流进行在线FFT分解并将两者在不同频率处相除得到电网阻抗在不同频率处的幅值；将一定频率范围的阻抗进行平均得到对电网阻抗的估计；电网阻抗在指定频率处的幅值求解公式：
式中，U(f)和I(f)分别代表在频率f处的电压和电流FFT结果；Zg(f)表示电网阻抗在频率f处的结果；将最近三个辨识结果取平均作为最终辨识结果输出。
优选地，根据所述模块M3中的电网阻抗辨识结果，在预先设定的范围内搜索电压前馈滤波时间常数；设定初始的扫描间隔，在搜索范围内等间隔取十个点，求出每个点的对应系统零点的实部，并选择最接近给定稳定裕度的点和其临近的点，缩小扫描间隔，继续求解稳定性过程，直到达到要求精度。
本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的电压前馈滤波时间常数在线调整方法的步骤。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的电压前馈滤波时间常数在线调整方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于阻抗建模分析系统并入弱电网稳定性，能够提升逆变器弱网稳定性同时优化电压前馈环节性能；
2、本发明根据电网强弱自适应调整时间常数，确保在宽范围的电网条件下系统运行的稳定性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明新能源变换器电路结构示意图；
图2为本发明新能源变换器控制示意图；
图3为本发明显现调整电压前馈时间常数效果示意图；
图4为本发明的流程原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的一种电压前馈滤波时间常数在线调整方法，方法包括如下步骤：
步骤S1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；对并网逆变系统进行小信号建模，在系统的工作点附近进行局部线性化，得到逆变系统的小信号模型；在变换器入口处注入电压或电流扰动，得到系统的等效输出阻抗：
其中vd和vq表示电压扰动，id和iq表示电流扰动，Zdq表示系统等效输出阻抗；
跟网型控制下，新能源并网发电系统在接入理想电网下是稳定的，故其并入弱电网的稳定性由以下等式的零点是否均在左半平面判断：
det(I+ZgZc -1)＝0 (2)
其中Zg表示电网阻抗矩阵，Zc表示逆变系统等效输出阻抗；稳定性判断仅需求解该式的零点。
步骤S2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；根据新能源变换器开关频率等确定最长伪随机二进制M序列的注入周期和长度，开关频率4kHz，确定M序列更新频率1kHz，M序列长度为63，有频率分辨率：
式中，fd和finj分别代表频率分辨率和M序列注入频率，N表示M序列长度；M序列叠加在电流dq指令信号，完成向电网注入谐波；对电压电流进行在线FFT分解并将两者在不同频率处相除得到电网阻抗在不同频率处的幅值；将一定频率范围的阻抗进行平均得到对电网阻抗的估计；电网阻抗在指定频率处的幅值求解公式：
式中，U(f)和I(f)分别代表在频率f处的电压和电流FFT结果；Zg(f)表示电网阻抗在频率f处的结果；将最近三个辨识结果取平均作为最终辨识结果输出。
步骤S3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度；根据电网阻抗辨识结果，在预先设定的范围内搜索电压前馈滤波时间常数；设定初始的扫描间隔，在搜索范围内等间隔取十个点，求出每个点的对应系统零点的实部，并选择最接近给定稳定裕度的点和其临近的点，缩小扫描间隔，继续求解稳定性过程，直到达到要求精度。
本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的电压前馈滤波时间常数在线调整方法的步骤。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的电压前馈滤波时间常数在线调整方法的步骤。
本发明还提供一种电压前馈滤波时间常数在线调整系统，所述电压前馈滤波时间常数在线调整系统可以通过执行所述电压前馈滤波时间常数在线调整方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述电压前馈滤波时间常数在线调整方法理解为所述电压前馈滤波时间常数在线调整系统的优选实施方式。
实施例2：
本发明还提供一种电压前馈滤波时间常数在线调整系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；对并网逆变系统进行小信号建模，在系统的工作点附近进行局部线性化，得到逆变系统的小信号模型；在变换器入口处注入电压或电流扰动，得到系统的等效输出阻抗：
其中vd和vq表示电压扰动，id和iq表示电流扰动，Zdq表示系统等效输出阻抗；
跟网型控制下，新能源并网发电系统在接入理想电网下是稳定的，故其并入弱电网的稳定性由以下等式的零点是否均在左半平面判断：
det(I+ZgZc -1)＝0 (2)
其中Zg表示电网阻抗矩阵，Zc表示逆变系统等效输出阻抗；稳定性判断仅需求解该式的零点。
模块M2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；根据新能源变换器开关频率等确定最长伪随机二进制M序列的注入周期和长度，开关频率4kHz，确定M序列更新频率1kHz，M序列长度为63，有频率分辨率：
式中，fd和finj分别代表频率分辨率和M序列注入频率，N表示M序列长度；M序列叠加在电流dq指令信号，完成向电网注入谐波；对电压电流进行在线FFT分解并将两者在不同频率处相除得到电网阻抗在不同频率处的幅值；将一定频率范围的阻抗进行平均得到对电网阻抗的估计；电网阻抗在指定频率处的幅值求解公式：
式中，U(f)和I(f)分别代表在频率f处的电压和电流FFT结果；Zg(f)表示电网阻抗在频率f处的结果；将最近三个辨识结果取平均作为最终辨识结果输出。
模块M3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度；根据电网阻抗辨识结果，在预先设定的范围内搜索电压前馈滤波时间常数；设定初始的扫描间隔，在搜索范围内等间隔取十个点，求出每个点的对应系统零点的实部，并选择最接近给定稳定裕度的点和其临近的点，缩小扫描间隔，继续求解稳定性过程，直到达到要求精度。
实施例3：
本发明主要基于伪随机二进制序列注入的电网阻抗辨识方法，针对弱电网下电力电子变换器稳定性施加自适应控制，确保了本发明提出的自适应控制能够在保证弱电网稳定性的同时优化电压前馈环节性能。
本发明提供一种提升变换器弱网稳定性的电压前馈滤波时间常数在线调整方法；首先基于小扰动分析对新能源发电系统进行阻抗建模，之后基于伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行辨识。最后，基于稳定性分析和阻抗辨识结果对电压前馈滤波时间常数进行调整。
本发明上述方法包括如下步骤：
步骤1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；
步骤2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；
步骤3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度。
请参阅图1，本实施例中，新能源发电采用LC滤波结构，滤波电感为40uH，滤波电容为4mF，直流电容57mF，母线工作电压1500V，机侧用恒功率源替代，额定功率5MW，额定电压690V，开关频率3kHz。
请参阅图2，本实施例中，控制结构采用典型的跟网型控制。内环采用电流环控制，外环直流电压生成d轴电流控制信号，无功PI环生成q轴电流控制信号。电压前馈环节经过比例环节和低通滤波环节前馈至控制结构中。
请参阅图3，本实施例中，在2s前电网电感设置为0.8mH，滤波时间常速设定为0.01s，不开启自适应控制。在2s时电网电感切换为0.9mH，系统出现振荡并逐渐发散，在2.5s开启自适应控制，自动调节电压前馈滤波时间常数，系统重新回到稳定状态，从而说明了自适应控制对系统并弱网稳定性的提升效果，图3分别展示了这一过程中电压、电流、功率以及电网电感估计结果。
由此可见，本发明方法通过提出一种提升变换器弱网稳定性的电压前馈滤波时间常数在线调整方法，在保证稳定性的前提下优化了电压前馈环节的性能，且无需增加硬件设备成本。
所述自适应调整方法适用于需要并入弱电网的新能源变换器，适用于并入电网条件可能发生变化的新能源发电单元，适用于需要优化电压前馈环节在新能源并弱电网条件下性能的场景，适用于需要提升新能源发电弱网稳定性的场景。
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电压前馈滤波时间常数在线调整方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；
步骤S2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；
步骤S3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度。
2.根据权利要求1所述的电压前馈滤波时间常数在线调整方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
对并网逆变系统进行小信号建模，在系统的工作点附近进行局部线性化，得到逆变系统的小信号模型；在变换器入口处注入电压或电流扰动，得到系统的等效输出阻抗：
其中vd和vq表示电压扰动，id和iq表示电流扰动，Zdq表示系统等效输出阻抗；
跟网型控制下，新能源并网发电系统在接入理想电网下是稳定的，故其并入弱电网的稳定性由以下等式的零点是否均在左半平面判断：
det(I+ZgZc -1)＝0 (2)
其中Zg表示电网阻抗矩阵，Zc表示逆变系统等效输出阻抗；稳定性判断仅需求解该式的零点。
3.根据权利要求1所述的电压前馈滤波时间常数在线调整方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
根据新能源变换器开关频率等确定最长伪随机二进制M序列的注入周期和长度，开关频率4kHz，确定M序列更新频率1kHz，M序列长度为63，有频率分辨率：
式中，fd和finj分别代表频率分辨率和M序列注入频率，N表示M序列长度；M序列叠加在电流dq指令信号，完成向电网注入谐波；对电压电流进行在线FFT分解并将两者在不同频率处相除得到电网阻抗在不同频率处的幅值；将一定频率范围的阻抗进行平均得到对电网阻抗的估计；电网阻抗在指定频率处的幅值求解公式：
式中，U(f)和I(f)分别代表在频率f处的电压和电流FFT结果；Zg()表示电网阻抗在频率f处的结果；将最近三个辨识结果取平均作为最终辨识结果输出。
4.根据权利要求1所述的电压前馈滤波时间常数在线调整方法，其特征在于，根据所述步骤S3中的电网阻抗辨识结果，在预先设定的范围内搜索电压前馈滤波时间常数；设定初始的扫描间隔，在搜索范围内等间隔取十个点，求出每个点的对应系统零点的实部，并选择最接近给定稳定裕度的点和其临近的点，缩小扫描间隔，继续求解稳定性过程，直到达到要求精度。
5.一种电压前馈滤波时间常数在线调整系统，其特征在于，所述系统包括如下模块：
模块M1：建立变换器弱网下等效出口阻抗模型，基于给定工况分析电压前馈滤波参数和电网强度对稳定性变化规律；
模块M2：基于最长伪随机二进制序列注入对电网阻抗进行在线辨识；
模块M3：根据电网阻抗辨识结果及阻抗模型极点在线调整电压前馈滤波时间常数，满足系统稳定裕度。
6.根据权利要求5所述的电压前馈滤波时间常数在线调整系统，其特征在于，所述模块M1包括：
对并网逆变系统进行小信号建模，在系统的工作点附近进行局部线性化，得到逆变系统的小信号模型；在变换器入口处注入电压或电流扰动，得到系统的等效输出阻抗：
其中vd和vq表示电压扰动，id和iq表示电流扰动，Zdq表示系统等效输出阻抗；
跟网型控制下，新能源并网发电系统在接入理想电网下是稳定的，故其并入弱电网的稳定性由以下等式的零点是否均在左半平面判断：
det(I+ZgZc -1)＝0 (2)
其中Zg表示电网阻抗矩阵，Zc表示逆变系统等效输出阻抗；稳定性判断仅需求解该式的零点。
7.根据权利要求5所述的电压前馈滤波时间常数在线调整系统，其特征在于，所述模块M2包括：
根据新能源变换器开关频率等确定最长伪随机二进制M序列的注入周期和长度，开关频率4kHz，确定M序列更新频率1kHz，M序列长度为63，有频率分辨率：
式中，fd和finj分别代表频率分辨率和M序列注入频率，N表示M序列长度；M序列叠加在电流dq指令信号，完成向电网注入谐波；对电压电流进行在线FFT分解并将两者在不同频率处相除得到电网阻抗在不同频率处的幅值；将一定频率范围的阻抗进行平均得到对电网阻抗的估计；电网阻抗在指定频率处的幅值求解公式：
式中，U(f)和I(f)分别代表在频率f处的电压和电流FFT结果；zg()表示电网阻抗在频率f处的结果；将最近三个辨识结果取平均作为最终辨识结果输出。
8.根据权利要求5所述的电压前馈滤波时间常数在线调整系统，其特征在于，根据所述模块M3中的电网阻抗辨识结果，在预先设定的范围内搜索电压前馈滤波时间常数；设定初始的扫描间隔，在搜索范围内等间隔取十个点，求出每个点的对应系统零点的实部，并选择最接近给定稳定裕度的点和其临近的点，缩小扫描间隔，继续求解稳定性过程，直到达到要求精度。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的电压前馈滤波时间常数在线调整方法的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的电压前馈滤波时间常数在线调整方法的步骤。
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