一种自适应锁相环结构、并网系统及结构改变方法与流程

1.本发明涉及一种自适应锁相环结构、并网系统及结构改变方法。


背景技术：

2.为实现“碳达峰、碳中和”，风光电源数量迅速增加，新能源电源在电力系统的比重越来越大。作为风光电源的并网接口，变流器在电网发生短路、断线等故障后能否恢复同步，成为研究热点。由于电网跟踪型并网变流器通过并网点电压控制变流器同步运行，响应速度快，得到了广泛应用。
3.电网跟踪型变流器的核心控制环节是锁相环，锁相环通过检测并网点电压得到锁相角，利用锁相角对电压/电流进行解耦，控制电流环的输出信号。其特点是控制简单，易于实现。但在暂态过程中，电网电压剧烈波动，容易造成锁相失败，严重影响电网的供电安全，容易造成严重的电网事故。电网发生故障时，调整锁相环参数以提高变流器的暂态同步稳定性，或直接锁闭变流器，是目前广泛采用的手段。
4.由于风光电源并网数量多，为了电网安全可靠地运行，变流器不能任意直接锁闭。如果采用调整锁相环参数的手段，面对不同的故障需要重新调整参数，过程繁琐，甚至不能找到合适的参数进行调整，导致系统锁相失败。


技术实现要素：

5.本发明在此的目的提供一种自适应锁相环结构，该锁相环结构能够改变自身结构，实现准确轨迹跟踪的同时能够在扰动过大时，提高锁相环的暂态同步稳定性。
6.在此，本发明提供的自适应锁相环结构被配置包括：
7.pi调节器，用于同步坐标系下直流分量的无静差跟踪，被配置包括增益调节器k
p
和积分调节器ki/s；以及
8.控制模块，用于根据功角δ、电网电压vg和变流器的并网电流ig产生等效阻尼系数d，并判断等效阻尼系数d的符号；当等效阻尼系数d≥0时产生第一控制信号作用于所述pi调节器，使所述增益调节器k
p
和所述积分调节器ki/s均处于工作状态，锁相环为二阶结构；当等效阻尼系数d＜0时产生第二控制信号作用于所述pi调节器，使所述增益调节器k
p
处于工作状态，所述积分调节器ki/s处于关闭状态，锁相环为一阶结构。
9.在一些实施方式中，所述控制模块产生的等效阻尼系数d满足以下关系：
10.d＝k
pvg cosδ-kiiglg11.式中：k
p
为锁相环pi调节器中的比例增益系数；vg为电网电压；δ为功角；ki为锁相环pi调节器中的积分增益系数；ig为变流器的并网电流；lg为电网电感。
12.在一些实施方式中，所述功角δ、所述电网电压vg和所述变流器的并网电流ig实时检测得到。
13.本发明在此的第二方面，提供一种变流器并网系统，该系统被配置包括本发明所提供的自适应锁相环结构。
14.本发明在此的第三方面，提供一种锁相环结构改变方法，该方法通过功角δ、电网电压vg和变流器的并网电流ig产生等效阻尼系数d，基于等效阻尼系数d的大小改变锁相环结构，当所述等效阻尼系数d≥0时，锁相环pi调节器正常工作，锁相环为二阶结构；当所述等效阻尼系数d＜0时，锁相环pi调节器中的积分环节关闭，锁相环为一阶结构。
15.在一些实施方式中，本锁相环结构改变方法中所述功角δ、所述电网电压vg和所述变流器的并网电流ig实时检测得到。
16.采用本发明的技术方案，所能达到的技术效果至少包括：
17.1)本技术方案在等效阻尼系数d≥0(扰动较小)时使锁相环为二阶锁相环结构，锁相环结构中的pi调节器正常工作，实现了准确地轨迹跟踪；当扰动过大，出现等效阻尼系数d＜0时，锁相环关闭pi调节器中的积分环节，切换到一阶锁相环，提高了锁相环的暂态同步稳定性。
18.2)通过实时检测得到的功角δ、电网电压vg和变流器的并网电流ig对等效阻尼系数进行获取，得到实时的等效阻尼系数，提升了自适应性。
19.3)本发明并网系统引入的自适应锁相环结构，根据等效阻尼系数d的符号性质自动切换锁相环的工作模式，解决了负阻尼影响并网变流器暂态稳定域的问题，提升了系统的抗干扰能力，提高了系统的同步稳定性。
附图说明
20.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：
21.图1为本发明记载的现有的锁相环结构示意图；
22.图2为本发明记载的现有的并网系统原理简图；
23.图3为本发明所提供的自适应锁相环结构的结构示意图；
24.图4为本发明所提供的自适应锁相环的模式切换逻辑图；
25.图5为本发明提供的并网系统的结构示意图；
26.图6为本发明记载的电流环结构示意图；
27.图7为各种工况下现有锁相环与本发明自适应锁相环的对比仿真结果图，图中(a)为工况1，(b)为工况2，(c)为工况3，(d)为工况4。
28.附图符号说明：v
pcc
—并网点处的电压；v
pccd
/vd—并网点处在同步旋转坐标系的d轴电压分量；v
pccq
/vq—并网点处在同步旋转坐标系的q轴电压分量；k
p
—锁相环pi调节器中的比例增益系数；ki—锁相环pi调节器中的积分增益系数；ωg—电网电压角频率；θ
pll
—锁相角；δ—锁相角与电网相位之间的差角，即功角；ig—从变流器流入电网的电流，即并网电流；—并网电流与锁相角之间的差角；θ
pcc
—在并网点处的电压相位；zg—电网阻抗；θz—电网阻抗角；vg—电网电压；θg—电网电压相位；d—等效阻尼系数；iq—并网点处在同步旋转坐标系的q轴电流分量，id—并网点处在同步旋转坐标系的d轴电流分量；i
qref
—q轴参考电流；i
dref
—d轴参考电流。
具体实施方式
29.现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能会夸大部分元件的尺寸或加以变形。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
30.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、元件等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法或者操作以避免模糊本公开的各方面。
31.本公开所表述的等效阻尼系数d为锁相环的等效阻尼系数，经功角δ、电网电压vg和变流器的并网电流ig得到，用于改变锁相环结构，使锁相环在扰动较小，自适应锁相环结构中的pi调节器正常工作，实现准确的轨迹跟踪；在扰动过大，自适应锁相环自动关闭pi调节器中的积分环节，切换到一阶锁相环，从而提高锁相环的暂态同步稳定性。
32.首先阐述传统锁相环，其结构如图1所示，坐标变换模块adc/dq将并网点处的三相电压变为两相坐标系下的电压vd和vq，控制dq坐标系下的q轴电压分量vq为零，实现锁相环电压与电网电压同步，因此需控制vq经过pi调节器，实现无静差跟踪。经pi调节器中增益器和积分器处理的信号是一致的，均为vq。pi调节器的比例增益输出的是k
pvq
，积分增益输出的是k
ivq
/s,这两项共同构成功角δ的变化频率δω。δω与电网电压角频率ωg相加后再积分，可得到锁相角θ
pll
。与本文提出的自适应锁相环相比，现有锁相环不能调整pi调节器的参数，抗干扰能力较弱。
33.对传统锁相环动态特性方程进行分析，并由此方程构建的锁相环的能量函数，根据能量函数的性质对传统锁相环结构进行改进，从而提高系统的暂态同步稳定性。
34.传统锁相环的结构，如图1所示，锁相角θ
pll
可以表示为：
35.θ
pll
＝∫(ωg (k
p
ki∫)v
pccq
)\*mergeformat(1)
36.在图2所示并网系统的并网点处同步旋转坐标系的q轴电压分量v
pccq
可以表示为：
[0037][0038]
锁相角θ
pll
与电网电压相位θg的差角为功角δ，根据公式(1)和(2)，功角δ表示为：
[0039][0040]
对公式(3)进行求导、微分，得到锁相环的动态方程：
[0041][0042]
由于电网电阻远小于电网电抗，因此电网阻抗zg主要取决于电网电抗，可以忽略电网电阻。在锁相环处于暂态过程中，电网阻抗zg可以表示为：
[0043][0044]
其中，lg表示电网电感。
[0045]
基于公式(4)和(5)，可以得到：
[0046][0047]
其中，
[0048][0049]
根据公式(6)，构建锁相环的动能e
k1
、势能e
p1
和能量函数v1：
[0050][0051]
其中，e1是任意常数。
[0052]
能量函数v1的导数表示为：
[0053][0054]
若不考虑等效阻尼系数d＜0的情况，在系统受到扰动时，保证扰动切除时系统的总能量v
c1
小于最大势能e
pu1
，系统可以恢复稳定。然而在暂态过程中，会出现等效阻尼系数d＜0的情况，导致系统的稳定域变小。
[0055]
因此，本公开了一种自适应锁相环结构，该锁相环结构示例性结构如图3所示，包括pi调节器，用于同步坐标系下直流分量的无静差跟踪，被配置包括增益调节器k
p
和积分调节器ki/s；以及控制模块，用于根据功角δ、电网电压vg和变流器的并网电流ig产生等效阻尼系数d，并判断等效阻尼系数d的符号，根据等效阻尼系数d的符号改变锁相环结构。
[0056]
请参照图4，该锁相环结构的模式切换逻辑是这样的：当等效阻尼系数d≥0时产生第一控制信号作用于pi调节器，使增益调节器k
p
和积分调节器ki/s均处于工作状态，锁相环为二阶结构；当等效阻尼系数d＜0时产生第二控制信号作用于pi调节器，使增益调节器k
p
处于工作状态，积分调节器ki/s处于关闭状态，锁相环为一阶结构。
[0057]
本公开中，等效阻尼系数d满足以下关系：
[0058]
d＝k
pvg cosδ-kiiglg[0059]
式中：k
p
为锁相环pi调节器中的比例增益系数；vg为电网电压；δ为功角；ki为锁相环pi调节器中的积分增益系数；ig为变流器的并网电流；lg为电网电感。
[0060]
本公开中，vg为电网电压、δ为功角和并网电流ig被定时检测得到，以实现定时检测；或者被实时检测得到，以实现实时检测，提高了锁相环结构的适应性。
[0061]
通过实时检测功角δ，电网电压vg和变流器的并网电流ig，实时判断等效阻尼系数d
的符号性质，决定锁相环的工作模式，在系统受到一般扰动时，等效阻尼系数d≥0，自适应锁相环工作模式与传统锁相环一致，pi调节器的比例增益系数ki保持不变；系统受到严重扰动时，出现等效阻尼系数d＜0的情况，此时自适应锁相环的工作模式发生变化，将pi调节器的比例环节关闭，此时二阶锁相环将切换到一阶锁相环。
[0062]
结合图3所示，本自适应锁相环结构中控制模块中配置包括增益项k
pvg
cos，实现功角的非线性增益，形成等效阻尼系数的一部分；增益项kilg，实现对并网电流的增益，形成等效阻尼系数的一部分；以及等效阻尼系数符号判断d≥0？，实时控制是否锁闭积分调节器。
[0063]
本公开的锁相环结构根据阻尼系数d的符号性质改变其结构，使其存在两种不同的动态方程，分别为：
[0064][0065]
式(10)的二阶微分方程为：
[0066][0067]
其中
[0068][0069]
构造的自适应锁相环的能量函数为：
[0070][0071]
由公式(11)和(13)可以得到自适应锁相环能量函数的导数为：
[0072][0073]
可见，本公开的自适应锁相环，在最大势能内的工作域不会出现负阻尼的情况，由此提高并网变流器的暂态同步稳定性。
[0074]
通过推导锁相环的动态方程，构建能量函数，根据能量函数导数的符号性质，改变锁相环结构，保证构造的能量函数在最大势能边界范围内的工作域都满足其导数小于等于零，提高了锁相环抗干扰能力，从而提高并网变流器的抗干扰能力。
[0075]
本公开中，该锁相环结构还被配置包括：
[0076]
第一坐标变换模块abc/dq，将三相静止坐标系(abc)转换为两相同步旋转坐标系(dq)；
[0077]
积分器1/s，增益调节器k
p
和积分调节器ki/s输出相加后与电网电压角频率ωg相加后经积分器积分输出对应的锁相角。
[0078]
积分器对输入进行积分，得到对应的角度。与电网电压角频率ωg相加后经过积分器是为了得到锁相角；不与电网电压角频率ωg相加后，直接经过积分器是为了得到功角。
[0079]
本公开自适应锁相环：坐标变换模块将并网点处的三相电压变为两相坐标系下的电压vd和vq，控制dq坐标系下的q轴电压分量vq为零，实现锁相环电压与电网电压同步，因此需控制vq经过pi调节器，实现无静差跟踪。经pi调节器中增益器和积分器处理的信号是一致的，均为vq。pi调节器的比例增益输出的是k
pvq
，积分增益输出的是k
ivq
/s，这两项共同构成功角δ的变化频率δω。对δω直接积分，可得到功角δ；若δω与电网电压角频率ωg相加后再积分，可得到锁相角θ
pll
。
[0080]
参照图5所示，一种变流器并网系统被配置包括：
[0081]
直流电源u
dc
，为电网提供能量；
[0082]
变流器vsc，将直流逆变成交流，提供并网电流ig和并网点电压v
pcc
；
[0083]
滤波电感lf，实现滤波功能；
[0084]
电网阻抗zg；
[0085]
锁相环pll，根据并网点的电压输出相位，实现相位跟踪，该锁相环为本公开的自适应锁相环结构；
[0086]
第二坐标变换模块abc/dq，将三相静止坐标系下的并网电流转换成两相同步旋转坐标系下的并网电流，分别作为实际有功电流和实际无功电流，便于控制；
[0087]
电流环结构是电流环控制结构，根据有功参考电流和无功参考电流，实际有功电流和无功电流，进行前馈控制，最终得到脉宽调制信号，控制变流器。
[0088]
请参照图6，本公开的电流环结构被配置包括坐标变换模块abc/dq、pi调节器、增益项ωlg、调制系数和spwm。坐标变换模块abc/dq将三相坐标系下的电压和电流之间的关系经第二坐标变换可得到dq坐标系下的电压和电流之间的关系。通过给定参考有功电流和参考无功电流，控制并网电流ig。此电流环中的pi调节器是为了处理电感产生的微分项，通过前馈控制，实现dq坐标系下的解耦，得到变流器的控制电压，经过dq/abc坐标变换，将两相控制电压转换为三相控制电压，再经过调制系数k
pwm
，得到调制波信号，通过spwm得到控制信号，控制变流器的工作。
[0089]
本公开的并网系统，直流侧电源经过变流器控制，输出三相交流电，经过滤波器lf，得到高质量的并网电流ig，直流侧向电网提供电能，实现并网功能。通过采集并网电流ig和并网点处的电压v
pcc
信号，实现控制环节的闭环控制，控制环节的具体工作原理，前文已经详细阐述，在此不再赘述。
[0090]
为进一步阐释本发明中模型的实用性，在matlab/simulink仿真平台中，分别用图1所示的传统锁相环和本自适应锁相环搭建如图5所示的并网系统，当用传统锁相环搭建时，图5中所示pll为传统锁相环；当用本自适应锁相环搭建时，图5中所示pll为本自适应锁相环，仿真参数如表1所示。为了验证自适应锁相环的性能，基于表1参数，设置了电网电压跌落，并网电流扰动，电网电感扰动和电网频率扰动四种仿真工况，如表2所示。面对相同的电网扰动，将本发明中的自适应锁相环与传统锁相环的仿真结果进行对比，比较结果如图7所示。图7的工况4中，锁相环多次改变轨迹，系统重新恢复稳定后，没有回归初始稳定工作点δ0，是由于电网频率发生改变，导致电网电压相位发生变化。与工频电网相比，在0.02s内，系统滞后0.314rad，因此δ增加0.314rad，新的稳定工作点发生改变。
[0091]
表1系统参数
[0092][0093]
表2仿真工况
[0094][0095][0096]
注：
“→”
表示各种工况下从正常值跃变到异常值。
[0097]
由图7可看出，面对相同的扰动，传统锁相环不能恢复稳定，但是本发明中的自适应锁相环可以恢复稳定，说明自适应锁相环可以提升系统的抗干扰能力，提高系统的同步稳定性。
[0098]
本公开通过改变锁相环的结构，防止因锁相环出现等效阻尼系数d小于零的问题而导致系统暂态失稳，本发明有效地提高了并网变流器的暂态同步稳定性。具体控制步骤为：通过实时检测功角δ，电网电压vg和变流器的并网电流ig，计算实时等效阻尼系数d。当扰动较小，等效阻尼系数d≥0时采用二阶锁相环，自适应锁相环结构中的pi调节器正常工作，可以实现准确的轨迹跟踪；当扰动过大，出现等效阻尼系数d＜0时，自适应锁相环自动关闭pi调节器中的积分环节，切换到一阶锁相环，从而提高系统的暂态同步稳定性。这种自适应锁相环实施简单方便，提升系统的暂态同步稳定性效果明显。
[0099]
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。