一种对称锁相环电路、并网变流器系统及稳定性分析方法与流程

1.本发明涉及锁相环技术领域，特别是涉及一种基于反电动势观测器的对称锁相环电路、并网变流器系统及稳定性分析方法。


背景技术：

2.近年来，随着新能源应用规模的不断扩大，电压源变流器(vsc)作为新能源并网系统中的电网接口受到了广泛关注，且同步参考框架锁相环(srf-pll)对电网同步的稳定性起着重要作用，为提供可靠和高质量的电能提供了重要支撑。
3.然而，大量并网变流器设备接入电网不仅会改变传统电网结构，而且给电网的稳定运行带来新的挑战，特别是在交流电网相对较弱的情况下，并网变流器的自身动态及其与交流电网的相互作用更加明显，当从公共耦合点(pcc)引入电网电压扰动时，srf-pll动态将影响变流器输出阻抗，且较高的电网阻抗会加剧这种影响，导致srf-pll无法实现与交流电网的预期同步性能，无法实现弱网条件下的精确锁相，严重影响并网设备的稳定性，进而影响到电网系统运行的安全性和稳定性。此外，应用传统srf-pll的并网变流器系统的小信号稳定性分析中，不仅需要同时计算阻抗矩阵中两个特征值的特征轨迹，而且由于二阶阻抗矩阵的不对称性导致稳定性分析计算量较大、分析过程复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于反电动势观测器的对称锁相环电路、并网变流器系统及稳定性分析方法，有效解决上述技术缺陷，提高弱网同步稳定性的同时，简化小信号稳定性分析过程，提升变流器系统稳定性分析的效率和鲁棒性。
5.为了实现上述目的，有必要针对上述技术问题，提供了一种对称锁相环电路、并网变流器系统及稳定性分析方法。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种一种对称锁相环电路，包括对称锁相环、以及连接所述对称锁相环的输入端的反电动势观测器；所述对称锁相环包括：
7.电压转换单元，用于将所述反电动势观测器输出的观测器并网点电压转换为q轴分量值和d轴分量值；
8.第一锁相单元，用于根据电压转换单元输出的d轴分量值和交流电网电压，得到并网点电压q轴幅值，并将所述并网点电压q轴幅值输入所述电压转换单元；
9.第二锁相单元，用于根据电压转换单元输出的q轴分量值和并网点角频率，得到并网点电压d轴相位，并将所述并网点电压d轴相位输入所述电压转换单元；
10.pi控制单元，用于根据第一锁相单元输出的并网点电压q轴幅值和第二锁相单元输出的并网点电压d轴相位，产生并网点相位。
11.进一步地，所述第一锁相单元包括依次连接的第一计算单元和积分单元；所述第二锁相单元包括依次连接的积分单元和第二计算单元。
12.进一步地，所述对称锁相环电路的计算模型为：
[0013][0014]
其中，u
αβ
和i
gαβ
分别表示并网点的电压和电流；e
αβ
和分别表示等效内电势和电网电流；k
pmpll
和k
impll
表示反电动势观测器的pi控制参数；lg和rg表示等效电感和等效电阻；s表示频域。
[0015]
第二方面，本发明实施例提供了一种并网变流器系统，所述并网变流器系统包括主电路单元和vsc控制单元；所述vsc控制单元包括电流内环控制单元和如权利要求1所述的对称锁相环电路。
[0016]
进一步地，所述主电路单元的复阻抗模型为：
[0017][0018]
式中，
[0019][0020]
其中，u
dq
、u
dq
、v
dq
和e
dq
分别表示并网点电压、并联支路电容器电压、变流器输出电压和交流电网电压；i
dq
和i
gdq
分别表示并网点电流和交流电网电流；lg和rg表示等效电感和等效电阻；z
out
和ωs分别表示并网变流器等效输出阻抗和并网点角频率；δ表示变量小信号化处理；j表示复平面中的虚数单位；rc和cf分别表示并联支路的等效电阻和等效滤波器电容；
[0021]
所述对称锁相环电路的复阻抗模型为：
[0022][0023]
式中，
[0024]hpll
＝-jg
pll
/s
[0025][0026][0027]
其中，θ
dq
和e
dq
分别表示并网点的相位和反电动势；g
pll
表示与对称锁相环电路内pi控制单元的复阻抗；ω
t
表示反电动势参数。
[0028]
第三方面，本发明实施例还提供了一种并网变流器系统的稳定性分析方法，所述方法包括以下步骤：
[0029]
获取并网点的电压和电流，并通过反电动势观测器计算等效内电势；
[0030]
根据对称锁相环电路计算所述等效内电势的强网相位；
[0031]
根据所述强网相位的系数复阻抗模型，建立所述并网变流器系统的复阻抗小信号
模型；
[0032]
根据所述复阻抗小信号模型，对所述并网变流器系统进行稳定性分析。
[0033]
进一步地，所述通过反电动势观测器计算等效内电势的计算模型为：
[0034][0035]
其中，u
αβ
和i
gαβ
分别表示并网点的电压和电流；e
αβ
和分别表示等效内电势和电网电流；k
pmpll
和k
impll
表示反电动势观测器的pi控制参数；lg和rg表示等效电感和等效电阻；s表示频域。
[0036]
进一步地，所述复阻抗小信号模型表示为：
[0037][0038]
式中，
[0039][0040]
其中，表示vsc变流器等效阻抗；z
out
表示并网变流器等效输出阻抗；g
ci
和g
dei
表示数模转换；g
del
表示vsc系统延时；u
dq
,i
dq
,v
dq
分别表示在dq坐标系下变流器出口电压稳态值、并网点电压稳态值和并网点电流稳态值；δ表示变量小信号化处理。
[0041]
所述根据所述复阻抗小信号模型，对所述并网变流器系统进行稳定性分析的步骤包括：
[0042]
进一步地，根据所述复阻抗小信号模型，采用改进的广义奈奎斯特判据对所述并网变流器系统进行稳定性分析。
[0043]
进一步地，所述改进的广义奈奎斯特判据表示为：
[0044][0045]
其中，zs和分别表示并网点等效阻抗和vsc变流器等效阻抗；z
sd
和z
sq
分别表示并网点等效阻抗zs在dq坐标系下的d分量和q分量；和分别表示vsc变流器等效阻抗在dq坐标系下的d分量和q分量。
[0046]
基于本技术提供的对称锁相环电路，电压转换单元将反电动势观测器输出的观测器并网点电压转换为q轴分量值和d轴分量值；第一锁相单元根据电压转换单元输出的d轴分量值和交流电网电压得到并网点电压q轴幅值，并将并网点电压q轴幅值输入电压转换单元；第二锁相单元根据电压转换单元输出的q轴分量值和并网点角频率得到并网点电压d轴
相位，并将并网点电压d轴相位输入电压转换单元；pi控制单元根据第一锁相单元输出的并网点电压q轴幅值和第二锁相单元输出的并网点电压d轴相位产生并网点相位；相比现有技术，本发明能有效提高弱网同步稳定性，且能简化变流器系统稳定性分析的过程，提升小信号模型稳定性分析的效率，具有较强的鲁棒性。
附图说明
[0047]
图1是本发明实施例中提供的对称锁相环电路的结构框图；
[0048]
图2是本发明实施例中提供的对称锁相环电路的结构示意图；
[0049]
图3是本发明实施例中提供的并网变流器系统的结构示意图；
[0050]
图4是本发明实施例中提供的复阻抗小信号模型示意图；
[0051]
图5是本发明实施例中提供的并网变流器系统的稳定性分析方法的流程示意图；
[0052]
图6是本发明实施例中提供的改进的广义奈奎斯特判据与传统广义奈奎斯特判据的稳定性分析对比示意图；
[0053]
图7是本发明实施例中提供的在弱网条件下传统锁相环和本发明提出的反电动势对称锁相环电路间的同步性能对比图。
具体实施方式
[0054]
为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0055]
如图1所示，本发明实施例提供的对称锁相环电路，包括对称锁相环1(modified symmetrical pll)、以及连接所述对称锁相环1的输入端的反电动势观测器2(bemf-obsever)；所述对称锁相环1包括：
[0056]
电压转换单元11，用于将所述反电动势观测器2输出的观测器并网点电压转换为q轴分量值和d轴分量值；
[0057]
具体的，如图2所示，电压转换单元将反电动势观测器2输出的观测器并网点电压e
αβ
由
αβ
坐标系转为dq坐标系，得到对应的d轴分量值ed和q轴分量值eq分别输入下述对应的第一锁相单元12和第二锁相单元13进行锁相处理；
[0058]
第一锁相单元12，用于根据电压转换单元11输出的d轴分量值和交流电网电压，得到并网点电压q轴幅值，并将所述并网点电压q轴幅值输入所述电压转换单元11；
[0059]
具体的，如图2所示，所述第一锁相单元包括依次连接的第一计算单元和积分单元，电压转换单元11输出的d轴分量值和交流电网电压经过第一计算单元处理得到e
m-ed输入积分单元进行处理(k
pmpll
和k
impll
表示反电动势观测器的pi控制参数)后，得到并网点电压q轴幅值θq输入电压转换单元11；
[0060]
第二锁相单元13，用于根据电压转换单元11输出的q轴分量值和并网点角频率，得到并网点电压d轴相位，并将所述并网点电压d轴相位输入所述电压转换单元11；
[0061]
具体的，如图2所示，所述第二锁相单元包括依次连接的积分单元和第二计算单元，
电压转换单元11输出的q轴分量值eq输入积分单元进行处理(k
pmpll
和k
impll
表示反电动势观测器的pi控制参数)后输入第二计算单元处理与并网点角频率ωs合并得到并网点电压d轴相位θd输入电压转换单元11；
[0062]
pi控制单元14，用于根据第一锁相单元12输出的并网点电压q轴幅值和第二锁相单元输出23的并网点电压d轴相位，产生并网点相位；
[0063]
具体的，根据得到的并网点电压q轴幅值θq和并网点电压d轴相位θd，采用下面矩阵式的计算方法，得到并网点相位θ
dq
，实现以相位θd和幅值θq来进行对称锁相环节：
[0064][0065]
其中，e表示自然对数的底数；j表示复平面中的虚数单位。
[0066]
综上，根据上述对称锁相环电路，列写kvl方程可以得到：
[0067][0068]
由于在控制器中微分环节的设计较为困难，本实施例优选采用积分环节代替微分环节，即：
[0069][0070]
结合式(1)-(2)，设计基于反电动势观测器的对称锁相环电路的计算模型为：
[0071][0072]
其中，u
αβ
和i
gαβ
分别表示并网点的电压和电流；e
αβ
和分别表示等效内电势和电网电流；k
pmpll
和k
impll
表示反电动势观测器的pi控制参数；lg和rg表示等效电感和等效电阻；s表示频域。
[0073]
如图3所示，本发明实施例提供的基于上述反电动势观测器的对称锁相环电路的并网变流器系统，包括主电路单元(main circuit)和vsc控制单元(control system)；所述vsc控制单元(control system)包括电流内环控制单元(pi of inner current loop)和图2所示的上述对称锁相环电路(befs-pll)
[0074]
具体的，所述主电路单元的复阻抗模型为：
[0075][0076]
式中，系数复阻抗表示为：
[0077]
[0078]
其中，u
dq
、u
dq
、v
dq
和e
dq
分别表示并网点电压、并联支路电容器电压、变流器输出电压和交流电网电压；i
dq
和i
gdq
分别表示并网点电流和交流电网电流；lg和rg表示等效电感和等效电阻；z
out
和ωs分别表示并网变流器等效输出阻抗和并网点角频率；δ表示变量小信号化处理；j表示复平面中的虚数单位；rc和cf分别表示并联支路的等效电阻和等效滤波器电容；
[0079]
基于图3-4所示的并网变流器系统的结构图，控制系统中反电动势和主电路中的反电动势δe
dq
之间的关系为：
[0080][0081]
综上可得，对称锁相环电路的复阻抗模型为：
[0082][0083]
式中，
[0084]hpll
＝-jg
pll
/s
[0085][0086][0087]
其中，θ
dq
和e
dq
分别表示并网点的相位和反电动势；g
pll
表示与对称锁相环电路内pi控制单元的复阻抗；ω
t
表示反电动势参数。
[0088]
电流内环控制单元(inner current loop)的复阻抗模型为：
[0089][0090]
则可得并网变流器系统的电流内环部分的复阻抗表达式为：
[0091][0092]
其中，g
ci
和g
dei
表示相关的数模转换；分别表示在dq坐标系下变流器出口电压、并网点电压和并网点电流；
[0093]
如图5所示，本发明实施例提供的一种基于反电动势观测器的对称锁相环电路的并网变流器系统的稳定性分析方法，包括以下步骤：
[0094]
s11、获取并网点的电压和电流，并通过反电动势观测器计算等效内电势；
[0095]
具体的，基于(3)式可得到，通过反电动势观测器计算等效内电势的计算模型为：
[0096]
[0097]
其中，u
αβ
和i
gαβ
分别表示并网点的电压和电流；e
αβ
和分别表示等效内电势和电网电流；k
pmpll
和k
impll
表示反电动势观测器的pi控制参数；lg和rg表示等效电感和等效电阻；s表示频域；
[0098]
本实施例优选地，对pi控制单元参数进行设计，通过引入定量ω
t
，可以化简(4)式为：
[0099][0100]
其中，pi控制参数定义为：
[0101]kpmpll
＝ω
t
lg，k
impll
＝ω
t
rg[0102]
基于式(5)，即可以通过pcc点的电压和电流计算出反电动势，输入到锁相环中就可以计算出反电动势的相位，从而作为变流器控制的关键。
[0103]
s12、根据对称锁相环电路计算所述等效内电势的强网相位；
[0104]
具体的，通过并网变流器的基于反电动势的对称锁相环电路计算等效内电势的强网相位的数学模型为：
[0105][0106]
其中，表示控制系统dq坐标系下的反电动势；
[0107]
上述(6)式对应的系数复阻抗模型为：
[0108][0109][0110][0111]
其中，θ
dq
和分别表示并网点的相位和pi控制单元的反电动势；g
pll
表示与对称锁相环电路内pi控制单元的复阻抗；ω
t
表示反电动势参数，是一个固有常数。
[0112]
s13、根据所述强网相位的系数复阻抗模型，建立所述并网变流器系统的复阻抗小信号模型；其中，复阻抗小信号模型可理解为基于将并网点电压和电流的比值作为vsc输出的频域下的复阻抗的建模思想构建的小信号模型；
[0113]
具体的，如图4所示的复阻抗小信号模型表示为：
[0114][0115]
式中，
[0116][0117]
其中，表示vsc变流器等效阻抗；z
out
表示并网变流器等效输出阻抗；g
ci
和g
dei
表示数模转换；g
del
表示vsc系统延时；u
dq
,i
dq
,v
dq
分别表示在dq坐标系下变流器出口电压稳态值、并网点电压稳态值和并网点电流稳态值；δ表示变量小信号化处理；
[0118]
s14、根据所述复阻抗小信号模型，对所述并网变流器系统进行稳定性分析；其中，所述根据所述复阻抗小信号模型，对所述并网变流器系统进行稳定性分析的步骤包括：
[0119]
根据所述复阻抗小信号模型，采用改进的广义奈奎斯特判据对所述并网变流器系统进行稳定性分析；
[0120]
具体的，所述改进的广义奈奎斯特判据表示为：
[0121][0122]
其中，zs和分别表示并网点等效阻抗和vsc变流器等效阻抗；z
sd
和z
sq
分别表示并网点等效阻抗zs在dq坐标系下的d分量和q分量；和分别表示vsc变流器等效阻抗在dq坐标系下的d分量和q分量；
[0123]
基于上述改进的广义奈奎斯特判据进行稳定分析时，当且仅当复阻抗l的其中一个特征值的特征轨迹不包围临界点(-1，0)时，即可判断分析的并网变流器系统是稳定的，而传统的广义奈奎斯特稳定判据是当且仅当系统阻抗矩阵特征值的特征轨迹不包围临界点(-1，0)时，所研究的系统是稳定的；即，传统广义奈奎斯特判据需要同时计算阻抗矩阵中两个特征值的特征轨迹，并且在计算的时候由于二阶矩阵的不对称性，导致计算量较大，分析过程复杂；如图6所示，相较于采用传统广义奈奎斯特判据进行稳定性分析，本发明提出的改进的奈奎斯特判据，只需要计算复阻抗中两个共轭特征值轨迹的一部分，就能够通过共轭对称绘制出整体的特征曲线，仅需要计算一半的特征值轨迹，减小了计算量，实现了复杂阻抗矩阵特征值分析的有效简化，进而简化稳定性分析和判定的过程；
[0124]
此外，如图7所示，在短路比为0.96的极弱网条件下，对现有的s-pll(不加反电动势观测器的普通锁相环)和本发明提出的befs-pll(基于反电动势观测器的改进对称锁相环)之间进行切换对比，在误差条件od＝1.5进行短路比的切换，发现在弱网条件下，改进的对称锁相环能够保持较好的稳定性，而传统锁相环则出现了振荡情况，并且在od＝0.5,1,1.5三种不同的估计误差条件下，并网变流器系统的稳定性裕度都提升较大，具有较强的鲁棒性，实际应用优势较大。
[0125]
本发明提供的基于对称锁相环电路的并网变流器系统，通过在vsc控制单元引入对称锁相环电路进行锁相控制，有效提升并网变流器在弱网条件下的同步性能，为并网变流器系统的稳定运行提供可靠保障；此外，基于改进的并网变流器系统提供的稳定性分析
方法，通过获取并网点的电压和电流，并通过反电动势观测器计算等效内电势，根据对称锁相环电路计算等效内电势的强网相位，再根据所述强网相位的系数复阻抗模型，建立并网变流器系统的复阻抗小信号模型，并根据复阻抗小信号模型，对并网变流器系统采用改进的广义奈奎斯特判据进行稳定性分析，能够有效简化变流器系统稳定性分析的过程，提升小信号模型稳定性分析的效率，且具有较强的鲁棒性，实际应用优势较大。
[0126]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0127]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。