一种基于阻抗特性的两级级联变换器系统稳定性分析方法与流程

1.本发明涉及一种基于阻抗特性的两级级联变换器系统稳定性分析方法，该方法同样适用于三级式电力电子变压器并网整体稳定性分析。


背景技术：

2.随着能源互联网的提出和电力电子技术的不断发展，传统的电力变换器在能量配置范围、综合控制能力、电能质量等方面的局限性逐渐显现。电力电子变压器作为一种新型电力变换装置，它不仅能够实现传统变压器所具备的电压等级变换和电气隔离，还具有电能质量隔离、主动交直流能量管理、无功补偿、并且可控性较高等诸多优点。三级式模块级联型电力电子变压器(power electronic transformer,pet)是研究最为广泛的pet拓扑之一，由于其良好的控制特性，在分布式发电系统以及分布式储能系统中有着良好的应用背景。然而，此类pet由于功率模块较多，结构复杂，各子系统之间的交互作用易引起系统不稳定和电能质量问题。
3.目前，针对电力电子变压器稳定性问题的研究，大多采用阻抗建模的分析方法。不同于逆变器以及dc/dc变换器，pet是典型的多输入多输出系统，此类型电路拓扑包含高、低压侧两条直流母线，且其控制也更加复杂，故分析其阻抗特性极其复杂。现有技术中，可将pet的chb和dab两级式系统作为一个整体进行稳定性分析。然而，随着子模块数目增多，pet的稳定性问题须进一步研究。因此，需要建立pet等效电路小信号统一数学模型，降低建模难度，确定参数范围以及稳定边界，提高系统稳定性。


技术实现要素：

4.鉴于上述技术问题，本发明提出了一种基于阻抗特性的两级级联变换器系统稳定性分析方法，该方法以三级式级联型pet为例。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
6.建立了pet等效电路全系统线性化状态空间模型的建模通式，包括级联h桥型pet和逆变器两模块；
7.分析研究控制器参数对pet等效电路模型稳定性的影响，进一步确定参数范围以及稳定边界；
8.采用阻抗稳定性判据评估系统稳定性差异，进而为设置合理的稳定裕度提供理论基础。
附图说明
9.构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
10.图1是本发明提出的电力电子变压器主电路拓扑图
11.图2是本发明提出的直流电压控制框图
12.图3是本发明提出的逆变器电流单闭环控制框图
具体实施方式
13.步骤一：建立级联h桥型pet等效电路，如图1所示；等效电路采用电流平均值等效模型法将隔离级等效为一阶rl电路，通过消除中间变量将整流级和隔离级化为统一整体，从而建立级联h桥型pet小信号数学模型。pet等效电路小信号模型为：
[0014][0015][0016][0017]
式(1)～式(3)中，e
d
、e
q
、i
1d
、i
1q
分别是交流电压与交流电流的d轴与q轴分量；l
s
为网侧电感；u
dc
、c
dc
为高压侧电压和高压侧电容；u0、c0分别为隔离级低压侧电压和低压侧电容，和i0分别为高压侧电容输出电流及低压侧电容输出电流。
[0018]
步骤二：控制电路由于隔离级采用简单开环控制策略，故级联h桥型pet整体控制策略采用主从控制策略来维持直流母线电压恒定，即采用直流电压外环和电网电流内环控制方式，如图2所示；结合动态方程和其控制电路即可得到直流电压闭环控制模式工况下的输出阻抗为
[0019][0020]
式(4)中，g
u
(s)为电压环pi控制器传递函数，g
i
(s)为电流环pi控制器传递函数，a
14
为控制到输入电流的传递函数，a
34
为控制到输出电压的传递函数。
[0021]
步骤三：建立并网逆变器的主电路；其中l1为逆变器侧电感，u
in
为直流母线输入电压，u
g
为逆变器三相输出电压，i
a
、i
b
、i
c
分别为逆变器三相电流；在静态工作点附近进行小扰动和线性化处理，得到dq坐标系下的小信号交流模型，即逆变器状态方程如下：
[0022][0023]
步骤四：为了计算逆变器的闭环输入阻抗，在解耦控制和模型简化的基础上，可得逆变器的控制框图如图3所示，本发明中逆变器控制策略的优点在于：与常规双环控制相比，采用并网逆变器电流单闭环控制方案即可实现系统稳定；根据控制电路进一步推导得到逆变器的输入阻抗，即
[0024][0025]
式(6)中，g
ci
(s)为逆变器电流环pi控制器传递函数，d
d
＝u
gd
/u
in
，k
pwm
＝v
in
/v
tri
为调制波到逆变器直流母线电压u
in
的传递函数。
[0026]
步骤五：基于状态空间法分析，推导了级联h桥型pet输出阻抗以及逆变器输入阻抗表达式，判断控制器参数的变化系统的动态响应性能和稳态性的影响，从而通过分析研究控制器参数对系统稳定性差异，可进一步确定参数范围以及稳定边界。
[0027]
步骤六：并网系统的稳定性可通过阻抗比矩阵两个特征根的奈奎斯特曲线和(
‑
1,j0)点的关系判断，利用阻抗稳定判据可以在适当范围内选取控制参数，从而兼顾系统的快速性与稳定性。
[0028]
步骤七：在本发明另一实施例中，可通过判断逆变器输出阻抗是否小于负载输入阻抗，来判断系统稳定性。
[0029]
下面结合附图，对本发明的优化运行策略作进一步的详细说明：
[0030]
1)本发明专利利用状态空间平均值法仅需要解析推导级联h桥型pet和逆变器的小信号模型，无须对各个子模块分析推导，不仅降低了模型复杂度，也降低了建模难度。
[0031]
2)分析控制器参数对系统稳定性的影响，根据奈奎斯特曲线分析可知，系统稳定性受逆变器比例系数影响较大，而受级联h桥型pet控制器系数影响较小，由此在适当范围内选取控制参数，才能兼顾系统的快速性与稳定性。
[0032]
3)本发明专利稳定判据简单，方法灵活，故所用数学建模和控制策略可广泛适用于通用的两级变换器整体稳定性分析，适用范围广。


技术特征：
1.一种基于阻抗特性的两级级联变换器系统稳定性分析方法，包括以下步骤：建立了pet等效电路全系统线性化状态空间模型的建模通式，简化为级联h桥型pet和逆变器两模块；分析研究控制器参数对pet等效电路模型稳定性的影响，进一步确定参数范围以及稳定边界；采用阻抗稳定性判据评估系统稳定性差异，进而为设置合理的稳定裕度提供理论基础。2.根据权利要求1所述的基于阻抗特性的两级级联变换器系统稳定性分析方法，所述以三级式级联型pet为研究对象步骤为：步骤一：将三级式pet系统分为两部分，其一通过消除中间变量将整流级和隔离级化为统一整体，从而建立级联h桥型pet等效电路模型。按照小信号线性化处理方法对等效后的级联h桥型pet进行数学建模。步骤二：结合小信号状态方程和其控制电路可获取所述得级联h桥型pet输出阻抗；步骤三：对逆变器进行小扰动和线性化处理，建立逆变器输入阻抗模型；步骤四：根据所述级联h桥型pet输出阻抗以及逆变器输入阻抗表达式，利用系统零极点图直观明确地反应系统稳定性随控制参数变化的趋势，确定参数范围以及稳定边界。步骤五：根据阻抗稳定性判据确定控制参数的稳定范围。步骤六：系统稳定性可通过判断逆变器输出阻抗是否小于负载输入阻抗来评估，按照步骤五确定的参数范围定量评判其优化结果的好坏程度；通过上述分析所知，本发明对输入输出阻抗模型进行参数设计，以保证系统维持充足的稳定裕度，改善系统的稳定性。

技术总结
本发明公开了一种基于阻抗特性的两级级联变换器系统稳定性分析方法，该方法同样适用于三级式PET并网整体稳定性研究。它包括以下步骤：以三级式级联型PET为研究对象，建立了级联H桥型PET和逆变器的状态空间小信号统一数学模型，根据阻抗稳定性判据评估系统稳定性差异；分析研究了控制器参数对PET等效电路模型稳定性的影响，进一步确定参数范围以及稳定边界；并通过建立了级联H桥型PET


技术研发人员：李帅虎 王婷婷 刘制 侯杰
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2021.07.01
技术公布日：2021/9/21