一种提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制方法与流程

1.本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种提高弱电网下双向并网变流器稳定性的虚拟正阻抗重塑控制方法。


背景技术：

2.随着化石能源的逐渐匮乏及环境问题的日益严峻，越来越多的新能源发电装置并入电网，包括光伏、风电和储能装置等。使得系统中的电能输送从传统单一方向传输转变成双向传输。并网变流器被广泛应用于诸多场合，包括交直流微电网，交流低压微电网互联，直流输变电等。随着功率方向切换，并网变流器端口阻抗特性会存在一定差异，进而造成并网系统的稳定性存在一定差异，即双向功率稳定性差异。
3.近年来，国内外的学者们针对并网变流器系统的稳定性问题展开深入研究。现有的文献中主要对以下几方面进行了分析：1)功率载荷大小变化对并网系统稳定性的影响；2)锁相环对系统稳定性的影响，并针对该问题提出了一种优化控制策略；3)电网等值阻抗对系统稳定性的影响。但均只针对功率单向传输的情况进行分析，缺少在不同功率传输方向下对系统的稳定性进行分析。此外，还有研究通过绘制阻抗波特图，展现了不同功率传输方向下，系统的阻抗特性存在较大差异。现有研究分析了不同功率传输方向下并网系统的稳定性差异问题，但参数较为固定，缺少分析其他参数对系统稳定性的影响。
4.由此可知，现有技术中并没有针对并网变流器系统在功率双向传输的情况下，电网等值阻抗增大对系统稳定性差异的影响进行分析。即分析弱电网下并网系统在功率双向传输下的稳定性差异问题。因此，设计一种新的控制方法，以能较好地提升弱电网下系统的双向功率稳定性。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.基于此，本发明公开了一种提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制方法，该控制方法将功率反向传输时变流器的负阻抗修正为正阻抗，有效的消除了并网变流器系统在不同功率传输方向下存在的稳定性差异问题，最终增强了系统阻尼，提升了系统的双向功率稳定性。
7.(二)技术方案
8.本发明公开了一种提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制方法，该控制方法包括以下两部分：
9.1)电压扰动量提取及基于虚拟正阻尼重塑方法的vpdr控制器：将实际电网电压中的扰动分量通过滤波器获得，然后将输出的扰动量通过vpdr控制器并进行一定运算后输出，补偿到有功功率输出上，实现暂态功率变化；
10.2)功率方向检测及命令发出：检测功率方向为正向或者反向，通过计算，功率正向时输出为0，即vpdr控制器不作用，等效为仍在传统功率控制模式下；功率反向时输出为1，
vpdr控制器才动作，和第1)个部分进行配合；
11.在功率反向时，vpdr控制器则进行如下的具体控制：
12.定义提取的电压扰动量为：
[0013][0014]
其中，g
lpf
为低通滤波器的传递函数，g
p
为电压扰动量提取的传递函数，u
gd
为电网电压的d轴分量，ud为电网电压，g
p
具体为：
[0015][0016]
其中，ωn为系统的无阻尼自然频率，ωn＝2πfc，fc为截止频率；ζ为系统的阻尼比。
[0017]
为了让vpdr控制仅在暂态下起作用，稳态下不起作用，将vpdr控制器设计为无积分系数的比例控制器g
dr
：
[0018]gdr
＝k
pdr
[0019]
根据vpdr控制框图，可以得到优化后的d轴电流给定值为：
[0020][0021]
vpdr控制在功率正向传输时不起作用，仍是传统功率控制；在功率反向传输时起作用，为u
gd
的扰动量；
[0022]
在稳态值附近进行线性化，忽略二阶扰动量，结合无功分量，可得重塑后并网电流给定值的扰动矩阵：
[0023][0024]
其中，kd为功率方向检测及命令发出系数，kd＝-1/2*(p
*
/|p
*
|-1)；c
dr
为阻尼重塑系数，c
dr
＝2/(3u
gd
)，u
gd
为稳态下电网电压的平均值，可以取311，p
*
和q
*
分别为交流有功功率和无功功率的给定值，δu
gd
和δu
gq
分别为并网电压给定值的d轴扰动量和q轴扰动量；
[0025]
设置虚拟正阻尼重塑矩阵表达式g
vpdr
为：
[0026][0027]
进一步的，ζ取值为0.707，u
gd
取值为311v。
[0028]
在另外一方面，本发明还公开了一种提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制系统，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制方法。
[0029]
在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计
算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制方法。
[0030]
(三)有益效果
[0031]
相对于现有技术，本发明具备如下的有益效果：本发明提供一种弱电网下双向并网变流器稳定性的虚拟正阻抗重塑(virtual positive-damping reshaped,vpdr)控制方法，具体表现为，首先，检测功率方向为正向或者反向，通过计算，功率正向时vpdr控制不作用，功率反向传输时vpdr控制动作；然后，将实际电网电压中的扰动分量通过滤波器获得，再将输出的扰动量通过vpdr控制器并进行一定运算后输出，补偿到有功功率输出上，实现暂态功率变化，该方法最终增强了系统阻尼，提升了弱电网系统的双向功率稳定性。
附图说明
[0032]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0033]
图1是双向并网变流器的系统结构框图；
[0034]
图2是现有技术中的传统功率控制结构框图；
[0035]
图3是现有技术中的传统功率控制下并网变流器小信号模型框图；
[0036]
图4是本发明中虚拟正阻尼重塑控制策略的控制结构框图；
[0037]
图5是本发明中虚拟正阻尼重塑控制下的并网变流器小信号模型框图；
[0038]
图6是现有技术中的传统功率控制下不同lg的仿真波形图；
[0039]
图7是本发明中虚拟正阻尼重塑控制方法下不同lg的仿真波形图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0041]
图1是现有的双向并网变流器系统结构框图，系统包括三相并网变流器(dc/ac)和交流电网，系统内功率为双向传输。图中：u
dc
为直流侧电压；c为直流稳压电容；qi(i＝1～6)为6个igbt开关管；ej(j＝a,b,c)为变流器交流侧端电压；l和r
l
为滤波电感及其内阻；u
gj
为交流电网电压；i
gj
为三相并网电流；lg和rg为电网等值阻抗。
[0042]
图2为传统功率控制结构框图。例如“impedance interactions in bidirectional cascaded converter，yanjun tian etl.”等论文中就公开了此传统功率控制结构，该控制结构可负责调节系统内传输功率的大小及方向。内环为d-q坐标系下电流控制，外环直接采用有功(无功)功率除以交流电压d轴分量并乘以2/3得到d轴(q轴)电流给定值，省略功率外环能提升控制的响应速度。图中：p
*
和q
*
分别为有功功率和无功功率的给定值；u
gd
为交流电网电压d轴分量的实际值；i
gd*
和i
gq*
分别为并网电流d轴和q轴分量的给定值；i
gd
和i
gq
分别为并网电流d轴和q轴分量的实际值；ωg为电网基波频率；d
d1
和d
q1
分别为占空比的d轴和q轴分量。g
pi
(s)为电流内环pi调节器，其表达式为：g
pi
(s)＝k
pi
k
ii
/s,k
pi
和k
ii
分别为比例和积分系数。
[0043]
图3为图2中传统功率控制下并网变流器小信号模型。可绘制功率正向和功率反向
下的阻抗波特图，进而分析双向并网变流器在不同功率方向下的阻抗特性。
[0044]
本发明中提高弱电网下双向并网变流器稳定性的控制方法是基于图1-3的现有技术基础上做出的改进控制方法，该方法包括：
[0045]
在弱电网下的双向并网变流器系统中，采用功率控制模式的变流器和交流电网之间存在交互作用。在功率双向传输下，变流器的输入及输出阻抗表达式均满足如下：
[0046][0047][0048]
其中，式中：u为端口电压；i
in
和io分别为端口输入和输出电流；符号δ表示变量的小扰动，z
in
为输入阻抗，z
out
为输出阻抗。选定功率从双向并网变流器向交流电网传输方向为正方向；反方向为功率从交流电网向双向变流器传输方向。结合上述分析，功率正向传输时，变流器端口阻抗呈正阻抗特性，功率反向传输时呈负阻抗特性。然而，本发明进一步发现，正阻抗能增大系统阻尼，负阻抗会减小系统阻尼，随着电网等值阻抗增大，系统容易发生振荡，甚至失稳，尤其是在功率反向传输时。
[0049]
当端口电压受扰动发生变化，为了保持功率的恒定，电流会以相反的趋势变化。结合上式可知，变流器的输入阻抗呈负阻抗特性，输出阻抗呈正阻抗特性。而由于双向并网变流器存在功率方向的切换，故端口阻抗特性会存在一定差异，进而造成并网系统的稳定性存在一定差异，即存在双向功率稳定性差异的问题。其中，本发明正是针对功率为反向时的不稳定情况提出了一种基于虚拟正阻尼重塑的vpdr控制策略。该vpdr控制策略能将功率反向传输时变流器的负阻抗修正为正阻抗，有效的消除了并网变流器系统在不同功率传输方向下存在的稳定性差异问题，最终增强了系统阻尼，提升了系统的双向功率稳定性。
[0050]
具体的，图4所示为本发明提出的虚拟正阻尼重塑的vpdr控制策略。该vpdr控制策略主要可以分为两个部分：
[0051]
1)电压扰动量提取及vpdr控制器：将实际电网电压中的扰动分量通过滤波器获得，然后将输出的扰动量通过vpdr控制器并进行一定运算后输出，补偿到有功功率输出上，实现暂态功率变化；
[0052]
2)功率方向检测及命令发出：检测功率方向为正向或者反向，通过计算，功率正向时输出为0，即vpdr控制器不作用，等效为仍在传统功率控制模式下；功率反向时输出为1，vpdr控制器才动作，和第1)个部分进行配合；
[0053]
在功率反向时vpdr控制器进行如下的具体控制：
[0054]
定义提取的电压扰动量为：
[0055][0056]
其中，g
lpf
为低通滤波器的传递函数，g
p
为电压扰动量提取的传递函数，u
gd
为电网电压的d轴分量，ud为电网电压，g
p
具体为：
[0057][0058]
其中，ωn为系统的无阻尼自然频率，ωn＝2πfc，fc为截止频率；ζ为系统的阻尼比，一般取ζ＝0.707；
[0059]
为了让vpdr控制仅在暂态下起作用，稳态下不起作用，将vpdr控制器设计为无积分系数的比例控制器g
dr
：
[0060]gdr
＝k
pdr
[0061]
根据vpdr控制框图，可以得到优化后的d轴电流给定值为：
[0062][0063]
vpdr控制在功率正向传输时不起作用，仍是传统功率控制；在功率反向传输时起作用，为u
gd
的扰动量；
[0064]
在稳态值附近进行线性化，忽略二阶扰动量，结合无功分量，可得重塑后并网电流给定值的扰动矩阵：
[0065][0066]
其中，kd为功率方向检测及命令发出系数，kd＝-1/2*(p
*
/|p
*
|-1)；c
dr
为阻尼重塑系数，c
dr
＝2/(3u
gd
)，u
gd
为稳态下电网电压的平均值，可以取311，p
*
和q
*
分别为交流有功功率和无功功率的给定值，δu
gd
和δu
gq
分别为并网电压给定值的d轴扰动量和q轴扰动量；
[0067]
设置虚拟正阻尼重塑矩阵表达式g
vpdr
为：
[0068][0069]
如图6和图7分别为图2的传统控制方法以及图4的vpdr控制方法下不同lg的仿真波形图，图(a)～(c)分别为电网等值阻抗lg在阻值为1.5mh、2mh以及2.5mh下的电流和功率波形图，由图6可知，在0.15和0.2s附近时，双向并网变流器存在功率方向的切换，故导致此时端口阻抗特性会存在一定差异，此时造成了系统不稳定情况。且随着阻抗lg的增加此现象会越发明显；而参见图7可知，通过本发明的控制策略进行功率反向的vpdr控制后，使得系统阻尼得到了增强，大大提升了弱电网系统的双向功率稳定性，且由图7中的图(c)可知，系统的稳定性不会随着阻抗lg的增大而明显减弱。
[0070]
由此可知，本发明通过对并网电流的修正，进而实现对变流器端口阻抗的正阻尼重塑，消除系统在功率双向传输下的稳定性差异问题，大大提升了弱电网系统双向功率稳定性。
[0071]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的控制方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅
为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0072]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0073]
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。