基于等效电路的微电网低频振荡产生机理阻尼分析方法与流程

1.本发明涉及低频振荡阻尼分析方法技术领域，具体涉及基于等效电路的微电网低频振荡产生机理阻尼分析方法。


背景技术：

2.微电网包含多种微源，微源一般通过逆变器接入微网，因此逆变器的控制是微电网的研究核心，在多种逆变器的控制方法中，下垂控制由于充分符合分布式电源即插即用的特点而成为逆变器并联的主流控制策略。下垂控制在电压电流双闭环的基础上加入功率外环从而实现并联逆变器的自主功率共享，但下垂控制无法改变逆变器低惯性的特点，并联系统受到小扰动时，会在低频模式下产生振荡现象，致使微电网系统难以工作甚至失稳。
3.研究低频振荡的产生机理是抑制低频振荡的起点，根据不同的产生机理，采取不同的抑制措施，从而提高微电网系统的稳定性。低频振荡现象在电力系统中得到广泛认同的机理解释有两类：一类是负阻尼机理，另一类是基于共振机理的强迫功率振荡。在微电网背景下，目前的研究热点多在于以特征值分析法和阻抗分析法为例的分析方法和各种抑制措施，而特征值分析法和阻抗分析法都很难直观地、清晰地体现出系统的物理意义，无法给出低频振荡产生的内在机理，对于微电网低频振荡的产生机理缺乏详细的数学解释。由此可见，对微电网低频振荡的产生机理进行研究十分必要。
4.目前，针对微电网系统低频振荡详细机理分析，国内外学者做了大量的研究，有文献通过将电流控制器的比例积分环节看成虚拟电阻和虚拟电容这一方法，计算出机-网系统的固有谐振点，从而解释了机-网系统电气振荡的机理，但是这篇文献只是采用了“rlc等效电路”这个概念，并没有真正建立rlc等效电路模型。还有文献研究了电压控制模式的离网逆变器以及电流控制模式的并网逆变器的等效电路模型，同样包含pi控制器和pr控制器。然而，现有文献都没有将下垂功率环进行等效，不适用于下垂控制系统的模型建立，且没有进一步去应用所建立的等效电路模型以更直观的揭示低频振荡的内在机理。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供基于等效电路的微电网低频振荡产生机理阻尼分析方法，能够直观清晰地体现系统各部分的物理意义，能够从数学角度对低频振荡进行分析，确定其内在产生机理。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供基于等效电路的微电网低频振荡产生机理阻尼分析方法，包括以下步骤：
8.(1)确定微电网中逆变器的控制策略：“下垂功率环-电压环-电流环”的下垂控制策略，其中下垂控制方程为：
[0009][0010][0011]
式中，ω
*
和ω0分别为逆变器输出电压角频率和额定角频率，ωc为低通滤波器的截止频率，u
o*
和u0分别为逆变器输出电压幅值和额定电压幅值，p和q为逆变器输出有功功率和无功功率的瞬时值，p和p0分为滤波器输出有功功率和额定有功功率，q和q0分别为滤波器输出无功功率和额定无功功率，m和n分别为p～f和q～u的下垂系数；
[0012]
电压环-电流环控制方程为：
[0013][0014][0015]
式中，g
pi,v
和g
pi,c
为电压环和电流环的pi调节器，k
vp
和k
vi
为电压环pi控制的比例增益和积分增益，k
cp
和k
ci
为电流环pi控制的比例增益和积分增益；v
d,q
为逆变器输出电压的dq分量；i
d,q
为逆变器输出电流的dq分量；u
*d,q
为电压环pi调制输出的dq分量；v
*d,q
为电流环pi调制输出的dq分量；i
dref
和i
qref
为电压环的输出给定；u
*od,q
为无功下垂控制输出电压给定的dq分量；v
dref
和v
qref
为电流环的输出，cf和lf为lc滤波的电容值与电感值；
[0016]
(2)根据步骤(1)确定的控制策略进行pi控制器的等效电路建模；
[0017]
(3)根据步骤(2)建立的pi控制器的等效电路模型进行电压电流双闭环控制的等效电路建模；
[0018]
(4)根据步骤(1)确定的控制策略进行下垂功率控制的等效电路建模；
[0019]
(5)根据步骤(4)建立的下垂功率控制的等效电路模型以及步骤(3)建立的电压电流双闭环控制的等效电路模型建立下垂控制逆变器整体等效电路的数学建模；
[0020]
(6)根据步骤(5)建立的下垂控制逆变器整体等效电路的数学模型进行低频振荡机理分析；
[0021]
(7)根据步骤(6)的低频振荡机理分析结果进行振荡机理判别和验证。
[0022]
优选地，步骤(2)中的pi控制器包括电流跟踪型pi控制器、电压跟踪型pi控制器，所述电流跟踪型pi控制器用于将被控对象的输出电流i和指令电流i
ref
的偏差信号ie输入到pi控制器进行调节，得到输出控制电压信号ui，所述控制电压信号ui采用以下公式计算：
[0023][0024]
所述电压跟踪型pi控制器用于通过被控对象的输出电压u反馈，并跟踪其指令值u
ref
，由电压偏差信号ue来调节控制器的输出电流i，所述输出电流i采用以下公式计算：
[0025][0026]
优选地，所述电压电流双闭环控制的等效电路模型的双闭环控制的传递函数如下所示：
[0027][0028]
式中，u
*
和uo为逆变器双闭环控制的给定电压和输出电压。
[0029]
优选地，逆变器双闭环控制的给定电压u
*
和输出电压uo的幅值和相位差为：
[0030][0031]
优选地，所述下垂控制逆变器整体等效电路的数学模型化简后的三阶数学模型为：
[0032][0033]
式中：u
cf
为lc滤波器中滤波电容电压。
[0034]
本发明的有益效果在于：
[0035]
1、本发明建立完整的下垂控制逆变器系统的等效rlc电路，并应用所建等效电路获得系统数学模型，能够详细分析系统低频振荡机理。
[0036]
2、本发明能够突破特征值分析法和阻抗分析法物理意义不明确的局限性，等效电路可以直观地给出系统各个部分各个参数的实际物理意义，有利于分析低频振荡的内在机理。
[0037]
3、本发明能够为微电网情况下的低频振荡机理分析提供新思路，同时为低频振荡抑制措施的研究提供了理论支撑。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明的下垂控制逆变器系统框图；
[0040]
图2为本发明的电流跟踪型pi控制器的等效电路；
[0041]
图3为本发明的电压跟踪型pi控制器的等效电路；
[0042]
图4为本发明的电压源型逆变器的控制器等效电路模型；
[0043]
图5为本发明的电压电流双闭环的等效电路模型；
[0044]
图6为本发明的下垂功率控制的等效电路模型；
[0045]
图7为本发明的下垂控制逆变器系统的整体等效电路模型；
[0046]
图8为本发明的基本单元的等效电路模型；
[0047]
图9为本发明的简化后的下垂控制逆变器的等效电路模型；
[0048]
图10为本发明的不同类型低频振荡的曲线图；
[0049]
图11为本发明的m2＝5.5
×
10-5
时的逆变器系统的输出有功功率；
[0050]
图12为本发明的m2＝5.5
×
10-5
时的逆变器系统的输出电流最大值的波形；
[0051]
图13为本发明的m2＝5.5
×
10-5
时逆变器输出功率振荡的fft分析。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
[0053]
如图1至图13所示，本实施例提供一种基于等效电路的微电网低频振荡产生机理阻尼分析方法，包括以下步骤：
[0054]
(1)确定微电网中逆变器的控制策略：“下垂功率环-电压环-电流环”的下垂控制策略，建立三相电压源型逆变器的数学模型，系统框图如图1所示；下垂控制(droop control)策略通过模拟电力系统中同步发电机的一次调频和一次调压过程，实现对电压和频率的调节，为抑制输出功率的波动，采用低通滤波器滤除输出瞬时功率的高频分量，下垂控制方程为：
[0055][0056][0057]
式中，ω
*
和ω0分别为逆变器输出电压角频率和额定角频率，ωc为低通滤波器的截止频率，u
o*
和u0分别为逆变器输出电压幅值和额定电压幅值，p和q为逆变器输出有功功率和无功功率的瞬时值，p和p0分为滤波器输出有功功率和额定有功功率，q和q0分别为滤波器输出无功功率和额定无功功率，m和n分别为p～f和q～u的下垂系数；
[0058]
电压环和电流环组成双闭环控制器，其中逆变器输出电压跟踪下垂功率环输出电压的参考给定，电流环输出指令电压矢量给svpwm模块，提高系统的动态响应特性，增强系统的抗扰动能力，电压环-电流环控制方程为：
[0059][0060][0061]
式中，g
pi,v
和g
pi,c
为电压环和电流环的pi调节器，k
vp
和k
vi
为电压环pi控制的比例增益和积分增益，k
cp
和k
ci
为电流环pi控制的比例增益和积分增益；v
d,q
为逆变器输出电压的dq分量；i
d,q
为逆变器输出电流的dq分量；u
*d,q
为电压环pi调制输出的dq分量；v
*d,q
为电流环pi调制输出的dq分量；i
dref
和i
qref
为电压环的输出给定；u
*od,q
为无功下垂控制输出电压给定的dq分量；v
dref
和v
qref
为电流环的输出，cf和lf为lc滤波的电容值与电感值；
[0062]
(2)根据步骤(1)确定的控制策略进行pi控制器的等效电路建模；
[0063]
(3)根据步骤(2)建立的pi控制器的等效电路模型进行电压电流双闭环控制的等效电路建模；
[0064]
(4)根据步骤(1)确定的控制策略进行下垂功率控制的等效电路建模；
[0065]
(5)根据步骤(4)建立的下垂功率控制的等效电路模型以及步骤(3)建立的电压电流双闭环控制的等效电路模型建立下垂控制逆变器整体等效电路的数学建模；
[0066]
(6)根据步骤(5)建立的下垂控制逆变器整体等效电路的数学模型进行低频振荡机理分析；
[0067]
(7)根据步骤(6)的低频振荡机理分析结果进行振荡机理判别和验证。
[0068]
针对电压环和电流环参考指令的不同，有两种pi控制器器，分别为电流跟踪型和电压跟踪型。对于电流跟踪型pi控制器，如图2(a)所示，控制器将被控对象的输出电流i和指令电流i
ref
的偏差信号ie输入到pi控制器进行调节，得到输出控制电压信号ui。如图2(b)所示，对于串联rc电路，若其流过各元件的电流为ie，那么支路的电压表达形式与电流跟踪型pi控制单元的数学模型表达形式相同，其表达式如式(5)所示，两者之间的参数存在对偶关系，即k
cp
＝r，k
ci
＝1/c。
[0069][0070]
对于电压跟踪型pi控制器，如图3(a)所示，通过被控对象的输出电压u反馈，并跟踪其指令值u
ref
，由电压偏差信号ue来调节控制器的输出电流i。利用gl并联支路来模拟，如图3(b)所示，其表达式如式(6)所示，两者之间的参数对偶关系为：k
vp
＝g，k
vi
＝1/l。
[0071][0072]
经典的电压电流双闭环控制框图如图4(a)所示，结合两种pi控制器，将三相两电平逆变器看一个受控电压源，其等效电路模型如图4(b)所示。考虑逆变器采用lc滤波器，可以得到步骤(2)中建立的电压电流双闭环控制的等效电路模型，如图5所示；双闭环控制的
传递函数如下所示：
[0073][0074]
式中，u
*
和uo为逆变器双闭环控制的给定电压和输出电压。对应工频基波电压，两者的幅值和相位差为：
[0075][0076]
因此，逆变器桥臂输出电压uo和u
*
之间相差不大，可以相互近似，其参数对偶关系为：gu＝k
vp
，lu＝1/k
cv
，rc＝k
cp
，ci＝1/k
ci
。
[0077]
根据步骤(1)中下垂控制方程，其中低通滤波器可以等效为rc电路，并满足rc＝1/ωc，假定r＝1,则c＝1/ωc，可得到下垂功率控制的等效电路模型，如图6所示。结合步骤(2)建立的双闭环控制的等效电路模型，可以获得下垂控制逆变器系统的整体等效电路模型，如图7所示。
[0078]
把步骤(3)中带双闭环控制器的逆变器等效电路看成一个基本单元，如图8所示，对其进行电路分析，根据基尔霍夫定律可得：
[0079][0080]
式中，u1为电压环等效电路的并联电压，等效电压u
lf
为lc滤波器中滤波电感电压。由上式化简可得基本单元的三阶数学模型，如下所示。
[0081][0082]
结合步骤1)的下垂功率控制方程和式(10)，可得：
[0083][0084]
由上式化简可得完整下垂控制逆变器系统的四阶数学模型，如下所示。
[0085][0086]
对式(10)和式(12)进行降阶处理；式(2)中提及的u
*o
为常数，根据电容“隔直通
交”、电感“通直阻交”的特性，电容开路、电感短路，化简可得完整下垂控制逆变器系统的三阶数学模型，如式(13)所示，其中u
cf
为lc滤波器中滤波电容电压。简化后的下垂控制逆变器系统的等效电路模型如图9所示。
[0087][0088]
式(13)可得其特征方程和特征根，分析特征根可知下垂控制策略导致的低频振荡现象主要与功率控制部分有关，其阻尼受到下垂参数影响。根据负阻尼机理和共振机理的不同特性，下垂控制策略导致的低频振荡并不符合共振机理，其并没有发生频率与系统固有振荡频率一致的持续周期性小扰动；符合负阻尼机理，随着下垂系数的取值变化，功率控制部分会影响系统的阻尼，直至发生振荡现象。
[0089]
利用负阻尼机理和共振机理引发的低频振荡曲线中上包络线及其频谱特征差异，对这两种机理进行判别，进一步确定下垂控制策略导致的低频振荡产生机理。图10为不同类型低频振荡的曲线图，其中图10(a)和图10(b)为负阻尼功率振荡，上包络线的形状主要为下凹曲线或者直线；图10(c)和图10(d)为强迫功率振荡，上包络线的形状主要为上凸曲线，不同振荡机理引起功率振荡的上包络曲线存在明显差异。
[0090]
在matlab/simulink中对本实施例进行仿真验证和分析，仿真系统中包含两台逆变器，一台逆变器的有功下垂参数固定，改变另一台逆变器的有功下垂参数，观察其低频失稳波形以分析其特性。图11和图12为m2＝5.5
×
10-5
时，两台逆变器的有功功率和输出电流最大值的波形。可以发现此时两台逆变器的有功功率波形均发生增幅振荡，振幅逐渐变大，此时系统不稳定，且有功功率振荡曲线的上包络线为下凹曲线，与图10(a)负阻尼功率振荡曲线中上包络线的形状特性一致。图13为m2＝5.5
×
10-5
时，功率振荡的fft分析，由功率频谱可知，有功功率在10hz以下存在大量谐波，且除去直流分量外以4hz为中心两边均匀递减分布，在低频振荡频率处取得最大值，此时存在低频负阻尼振荡。
[0091]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。