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一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法

阅读:3发布:2020-05-15

专利汇可以提供一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及 高压直流输电 和联网 稳定性 方面,公开了一种降低 无功功率 波动 对系统稳定影响的控制方法,该方法主要从阻抗 角 度对背靠背直流系统进行分析及控制策略改进。所提出的补偿控制策略,与原方案相比通过改变DC/AC变流器输入阻抗的幅频特性、相频特性,从而提高背靠背变流器联网稳定性。该补偿控制不需要改变原系统的结构或者控制方案,只需在外部接入新的控制环节,对于系统升级十分方便。同时,该方法主要针对功率对并网系统稳定影响分析,根据阻抗稳定判据,在不影响原系统其他特性上,降低无功功率扰动对背靠背直流系统联网造成的影响,本发明能有效提高功率波动下背靠背变流器联网稳定特性。,下面是一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法专利的具体信息内容。

1.一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)根据背靠背直流系统中AC/DC变流器和DC/AC变流器拓扑结构和控制方式,计算各变流器模电路参数和控制器参数;
2)根据需求确定建模方式,建立不同控制方式下的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
3)根据阻抗稳定判据,绘制直流端输入/输出阻抗伯德图和阻抗比的奈奎斯特曲线,根据伯德图和奈奎斯特曲线判断所提出控制策略所采用的控制系数选择是否合适。
2.根据权利要求1所述的有效降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:步骤1)中,计算变流器主电路参数包括以下步骤:
变流器主电路参数是确定电感取值,当变流器工作在单位功率因数时对电感的约束条件为:
其中,Im为交流侧电流峰值;Usm电网电压峰值;ωn为基波电压频率
工程中限制电感纹波在10%~25%,在此分析时选取10%,
其中,fsw为开关频率,In为额定电流。
3.根据权利要求2所述的有效降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:所述控制器参数包括以下步骤:
背靠背直流系统是由AC/DC变流器和DC/AC变流器两个模块组成,二者采取的控制方式虽然不同,但是计算控制器参数的方法是一致的,以DC/AC变流器控制器参数计算步骤为例,根据DC/AC变流器整体结构简化图,绘制出加入控制环的DC/AC变流器控制结构框图,根据控制框图,写出系统的传递函数,根据开环传递函数的相角和幅值频率特性设计控制环PI参数,其中,将PI控制器的转折频率设置在滤波器的转折频率处,穿越频率为转折频率的
1/10,为了使系统稳定,所以设置参数时,需要选择合适的相角裕度后再进行PI参数设计,正常选择相角裕度γ≥45°。
4.根据权利要求1所述的降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:步骤2)中,建立背靠背直流系统直流端阻抗模型包括以下步骤:
①AC/DC变流器和DC/AC变流器主电路阻抗模型;
②考虑PLL影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
③考虑PLL和控制环路影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
④根据阻抗稳定判据,确定阻抗比表达式。
5.根据权利要求4所述的降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:步骤①AC/DC变流器和DC/AC变流器主电路阻抗模型:
1)AC/DC变流器主电路阻抗模型:
根据KVL和KCL得到三相静止坐标系下AC/DC变流器主电路状态空间方程:
根据幅值不变原理推导,Clark变换为:
经Clark变换后,得到在αβ坐标系下AC/DC变流器主电路状态空间方程:
Park变换为:
所以,经过Park变化后,在同步旋转坐标系下AC/DC变流器数学模型为:
经拉氏变化和小信号分析后,式(7)变为如下所示的d-q坐标系下AC/DC变流器小信号数学模型:
令,
2)DC/AC变流器主电路阻抗模型:
根据KVL和KCL得到三相静止坐标系下DC/AC变流器主电路状态空间方程:
根据幅值不变原理(线电压峰值)推导,Clark变换为:
经Clark变换后,得到在αβ坐标系下DC/AC变流器主电路状态空间方程:
Park变换为:
所以,经过Park变化和拉氏变化后,在同步旋转坐标系下DC/AC变流器数学模型为:
经小信号分析后,式(14)变为如下所示的d-q坐标系下DC/AC变流器小信号数学模型:
令,
6.根据权利要求4或5所述的降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:步骤②考虑PLL影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型包括以下步骤:
由于相环的存在,所以系统中存在两种坐标系,一个是电网电压定义的系统d-q系;
另一个是锁相环定义的控制环d-q系,稳态下,控制环d-q系与系统d-q系保持一致;当电网电压发生小扰动时,系统d-q系位置发生变化,由于锁相环中PI控制器的动态响应特性,所以控制环d-q系并未发生改变,不再与系统d-q系保持一致,两者之间存在角度误差,即Δθ,式(17)为系统d-q系变换到控制环d-q系的坐标变换,
稳态时,Δθ=0,得到式(18)所示的稳态情况下,系统和控制环中变量的关系;
式(18)中,xs(x=U、I、D)表示系统主电路中变量,而xc(x=U、I、D)表示控制环变量,对式(18)增加小信号扰动,如式(19)所示:
对式(19)进行三角函数近似处理,结合稳态情况,得到式(21)所示的控制环d-q系下电压表达式:
PLL输出角度Δθ,如式(22)所示:
式(22)中, 将式(21)带入式(22)得到式(23),由 表示的Δθ;
分别表示系统电压分别到控制环d-q轴电压、电流的传递函数矩阵,
表示系统电压到占空比传递函数,式(24-29)分别是传递函数 推
导过程:
7.根据权利要求4所述的降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:步骤③考虑PLL和控制环路影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型:
上述考虑了锁相环对扰动响应所对系统带来的影响,加入控制环路后的AC/DC变流器输出阻抗和DC/AC变流器输入阻抗就很容易得到,控制环路采用的控制方式正常包括PI控制、PR控制等,其中式(30)为PI控制方式传递函数;式(31)为PR控制方式传递函数,
8.根据权利要求4所述的降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于:步骤④根据阻抗稳定判据,确定阻抗比表达式:
式(32)是背靠背变流器系统的输入输出传递函数,
从背靠背直流系统的传递函数可以看出,在源变流器和负荷变流器稳定的前提下,满足 稳定,则整个并网系统就会稳定,根据自控原理可知,其相当于前馈通路为
1,反馈增益为Tm的闭环传递函数,其中Tm如式(33)所示,也为该闭环路的开环传递函数,开环传递函数是闭环传递函数的一部分,研究开环传递函数可以用来判断闭环系统是否稳定,所以判断背靠背直流系统的稳定,只需在上述两个稳定前提下,若阻抗比Tm满足Nyquist稳定判据,则系统可以稳定运行,否则系统失稳,
若源变流器表现为电流源特性,则阻抗比Tm则如式(34)所示,由此可见,背靠背直流系统的稳定性不仅与自身变流器稳定相关,还与其控制方式息息相关,
9.一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,其特征在于,所述方法具体包括步骤:
步骤1:根据背靠背直流系统中AC/DC变流器和DC/AC变流器的拓扑结构,建立两个变流器模块的输出/输入阻抗模型;
步骤2:分别绘制变流器模块伯德图以及阻抗比奈奎斯特曲线,判断阻抗的幅频和相频特性;判断原系统的稳定性;
步骤3:计算系统只有直流电压比例控制下的比例系数;
步骤4:在原系统中加入直流电压补偿控制,建立加入补偿控制后的变流器阻抗模型;
步骤5:绘制加入补偿后的变流器伯德图和阻抗比奈奎斯特曲线,与原系统阻抗伯德图相比,若AC/DC变流器输出阻抗增益低于原系统或DC/AC变流器输入阻抗增益大于原系统,则说明系统稳定性提高;绘制二者阻抗比的奈奎斯特曲线,若其更远离点(-1,0),则理论上系统稳定性更好;若是没有,则返回到步骤3,调节比例系数。

说明书全文

一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高压直流输电和联网稳定性方面,尤其涉及无功功率波动时,提高系统抗扰特性,增强系统稳定性的控制方法,具体是一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法。

背景技术

[0002] 背靠背直流系统由三部分组成,包括AC/DC变流器、直流输电线路和DC/AC变流器,由于直流线路长度较短,正常忽略。背靠背直流系统用于异步联网,较好地实现各电网之间的相互支援,减少备用容量,实现更大范围内的火电联合经济调度,且电网联络能够提高系统的供电可靠性,加快电源建设速度,有利于电工业的长期可持续发展。由于电网互联灵活、可靠、高效、可持续等优势,背靠背直流系统在国内外得到了广泛关注。国外工程包括,巴西和巴拉圭合作共建的伊泰普直流输电工程、扎伊尔英加-沙巴直流工程、魁北克-新英格兰直流工程等,背靠背直流系统在美国、加拿大、日本等均有应用。国内现有的工程包括,2012年1月投运的黑河背靠背工程;2016年6月投运的南电网与南方电网主网鲁西背靠背直流异步联网工程;在建的世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流背靠背输电工程—渝鄂直流背靠背联网工程。
[0003] 能量在电力系统的存在方式主要为有功功率和无功功率,有功主要转化为提供给用电设备的机械能、热能等,而无功功率是为了建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率,其对外不做功。在含有变流器的系统中,有功无功之间的相互耦合会影响系统稳定性能,甚至会导致系统振荡失稳。
[0004] 系统阻抗特性脆弱会使系统抗扰性降低,无法抵抗扰动更易造成系统失稳。面对这种情况,大多学者从两个度提高系统阻抗特性:一是,通过调优系统参数或有源阻尼来改变原先阻抗自身幅频或相频特性;二是,通过并联或串联虚拟阻抗,以此改变变流器阻抗,局部调整引起系统不稳定的阻抗特征。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
[0007] 一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,包括如下步骤:
[0008] 1)根据背靠背直流系统中AC/DC变流器和DC/AC变流器拓扑结构和控制方式,主要计算各变流器模控制器参数;
[0009] 2)根据需求确定建模方式,建立不同控制方式下的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC 变流器输入阻抗模型;
[0010] 3)根据阻抗稳定判据,绘制直流端输入/输出阻抗伯德图和阻抗比的奈奎斯特曲线,根据伯德图和奈奎斯特曲线判断所提出控制策略所采用的控制系数选择是否合适。
[0011] 作为本发明进一步的方案:步骤1)中,计算变流器主电路参数包括以下步骤:
[0012] 变流器主电路参数主要是确定电感取值,当变流器工作在单位功率因数时对电感的约束条件为:
[0013]
[0014] 其中,Im为交流侧电流峰值;Usm电网电压峰值;ωn为基波电压角频率
[0015] 工程中限制电感纹波在10%~25%,在此分析时选取10%,
[0016]
[0017] 其中,fsw为开关频率,In为额定电流;
[0018] 作为本发明进一步的方案:步骤1)中,计算变流器控制器参数包括以下步骤:
[0019] 背靠背直流系统是由AC/DC变流器和DC/AC变流器两个模块组成,二者采取的控制方式虽然不同,但是计算控制器参数的方法是一致的,以DC/AC变流器控制器参数计算步骤为例,根据DC/AC变流器整体结构简化图,绘制出加入控制环的DC/AC变流器控制结构框图,根据控制框图,写出系统的传递函数,根据开环传递函数的相角和幅值频率特性设计控制环PI参数,其中,将PI控制器的转折频率设置在滤波器的转折频率处,穿越频率为转折频率的1/10,为了使系统稳定,所以设置参数时,需要选择合适的相角裕度后再进行 PI参数设计,正常选择相角裕度γ≥45°。
[0020] 作为本发明进一步的方案:步骤2)中,建立背靠背直流系统直流端阻抗模型包括以下步骤:
[0021] ①AC/DC变流器和DC/AC变流器主电路阻抗模型;
[0022] ②考虑PLL影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
[0023] ③考虑PLL和控制环路影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
[0024] ④根据阻抗稳定判据,确定阻抗比表达式。
[0025] 作为本发明进一步的方案:步骤①AC/DC变流器和DC/AC变流器主电路阻抗模型包括以下步骤:
[0026] 1)AC/DC变流器主电路阻抗模型:
[0027] 根据KVL和KCL得到三相静止坐标系下AC/DC变流器主电路状态空间方程:
[0028]
[0029] 根据幅值不变原理(线电压峰值)推导,Clark变换为:
[0030]
[0031] 经Clark变换后,得到在αβ坐标系下AC/DC变流器主电路状态空间方程:
[0032]
[0033] Park变换为:
[0034]
[0035] 所以,经过Park变化后,在同步旋转坐标系下AC/DC变流器数学模型为:
[0036]
[0037] 经拉氏变化和小信号分析后,式(7)变为如下所示的d-q坐标系下AC/DC变流器小信号数学模型:
[0038]
[0039] 令,
[0040]
[0041] 2)DC/AC变流器主电路阻抗模型:
[0042] 根据KVL和KCL得到三相静止坐标系下DC/AC变流器主电路状态空间方程:
[0043]
[0044] 根据幅值不变原理(线电压峰值)推导,Clark变换为:
[0045]
[0046] 经Clark变换后,得到在αβ坐标系下DC/AC变流器主电路状态空间方程:
[0047]
[0048] Park变换为:
[0049]
[0050] 所以,经过Park变化和拉氏变化后,在同步旋转坐标系下DC/AC变流器数学模型为:
[0051]
[0052] 经小信号分析后,式(14)变为如下所示的d-q坐标系下DC/AC变流器小信号数学模型:
[0053]
[0054] 令,
[0055]
[0056] 作为本发明进一步的方案:步骤②考虑PLL影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和 DC/AC变流器输入阻抗模型包括以下步骤:
[0057] 由于相环的存在,所以系统中存在两种坐标系,一个是电网电压定义的系统d-q系;另一个是锁相环定义的控制环d-q系,稳态下,控制环d-q系与系统d-q系保持一致;当电网电压发生小扰动时,系统d-q系位置发生变化,由于锁相环中PI控制器的动态响应特性,所以控制环d-q系并未发生改变,不再与系统d-q系保持一致,两者之间存在角度误差,即Δθ,式(14)为系统d-q系变换到控制环d-q系的坐标变换:
[0058]
[0059] 稳态时,Δθ=0,得到式(18)所示的稳态情况下,系统和控制环中变量的关系;
[0060]
[0061] 式(18)中,xs(x=U、I、D)表示系统主电路中变量,而xc(x=U、I、D)表示控制环变量,对式(18)增加小信号扰动,如式(19)所示:
[0062]
[0063] 对式(19)进行三角函数近似处理,结合稳态情况,得到式(21)所示的控制环d-q 系下电压表达式:
[0064]
[0065]
[0066] PLL输出角度Δθ,如式(22)所示:
[0067]
[0068] 式(22)中, 将式(21)带入式(22)得到式(23),由 表示的Δθ;
[0069]
[0070] 分别表示系统电压分别到控制环d-q轴电压、电流的传递函数矩阵,表示系统电压到占空比传递函数,式(24-29)分别是传递函数 推导过程:
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 作为本发明进一步的方案:步骤③考虑PLL和控制环路影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型包括以下步骤:
[0078] 上述考虑了锁相环对扰动响应所对系统带来的影响,加入控制环路后的AC/DC变流器输出阻抗和DC/AC变流器输入阻抗就很容易得到,控制环路采用的控制方式正常包括PI 控制、PR控制等,其中式(30)为PI控制方式传递函数;式(31)为PR控制方式传递函数,[0079]
[0080]
[0081] 作为本发明进一步的方案:步骤④根据阻抗稳定判据,确定阻抗比表达式包括以下步骤:
[0082] 式(32)是背靠背变流器系统的输入输出传递函数,
[0083]
[0084] 从背靠背直流系统的传递函数可以看出,在源变流器和负荷变流器稳定的前提下,满足 稳定,则整个并网系统就会稳定,根据自控原理可知,其相当于前馈通路为1,反馈增益为Tm的闭环传递函数,其中Tm如式(33)所示,也为该闭环路的开环传递函数,开环传递函数是闭环传递函数的一部分,研究开环传递函数可以用来判断闭环系统是否稳定,所以判断背靠背直流系统的稳定,只需在上述两个稳定前提下,若阻抗比Tm满足 Nyquist稳定判据,则系统可以稳定运行,否则系统失稳,
[0085]
[0086] 若源变流器表现为电流源特性,则阻抗比Tm则如式(34)所示,由此可见,背靠背直流系统的稳定性不仅与自身变流器稳定相关,还与其控制方式息息相关,[0087]
[0088] 一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,所述方法具体包括步骤:
[0089] 步骤1:根据背靠背直流系统中AC/DC变流器和DC/AC变流器的拓扑结构,建立两个变流器模块的输出/输入阻抗模型;
[0090] 步骤2:分别绘制变流器模块伯德图以及阻抗比奈奎斯特曲线,判断阻抗的幅频和相频特性;判断原系统的稳定性;
[0091] 步骤3:计算系统只有直流电压比例控制下的比例系数;
[0092] 步骤4:在原系统中加入直流电压补偿控制,建立加入补偿控制后的变流器阻抗模型;
[0093] 步骤5:绘制加入补偿后的变流器伯德图和阻抗比奈奎斯特曲线,与原系统阻抗伯德图相比,若AC/DC变流器输出阻抗增益低于原系统或DC/AC变流器输入阻抗增益大于原系统,则说明系统稳定性提高;绘制二者阻抗比的奈奎斯特曲线,若其更远离点(-1,0),则理论上系统稳定性更好;若是没有,则返回到步骤3,调节比例系数。
[0094] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:该发明采用的方法主要从阻抗角度对背靠背直流系统进行分析及控制策略改进。所提出的补偿控制策略,与原方案相比通过改变背靠背直流系统中DC/AC变流器输入阻抗的幅频特性、相频特性,从而提高背靠背直流系统联网稳定性。该补偿控制不需要改变原系统的结构或者控制方案,只需在外部接入新的控制环节,对于系统升级十分方便。同时,该方法主要针对无功功率对系统稳定影响分析,根据阻抗稳定判据,在不影响原系统其他特性上,降低无功功率扰动对造成的影响,本发明能有效提高无功功率波动下背靠背变流器联网稳定特性。本文选择了小信号建模方式,将系统变换到d-q坐标系下,分别在稳态点处进行线性化得到AC/DC变流器和DC/AC变流器小信号模型。其既克服了平均模型无法分析时周期系统的不足,又能够避免HSS模型不能够分析某一工作点处系统特性的缺点,小信号建模是针对分析功率对变流器阻抗影响的较优方法。附图说明
[0095] 图1为本发明的背靠背直流系统控制结构框图;
[0096] 图2为本发明的背靠背直流系统小信号模型图;
[0097] 图3为本发明的背靠背直流系统等效电路图;
[0098] 图4是本发明运用前后,变流器输出阻抗伯德图;
[0099] 图5是本发明运用前后,变流器输入阻抗伯德图;
[0100] 图6是本发明运用前后,阻抗比奈奎斯特曲线对比图;
[0101] 图7是直流电压波形图;
[0102] 图8是AC/DC变流器功率波形图;
[0103] 图9是DC/AC变流器功率波形图;
[0104] 图10是本发明实施例所述方法的流程图

具体实施方式

[0105] 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它实施例,都属于本发明保护的范围。
[0106] 对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0107] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0108] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0109] 实施例一
[0110] 参阅图1~6,本发明实施例中,一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,包括如下步骤:
[0111] 1)根据背靠背直流系统中AC/DC变流器和DC/AC变流器拓扑结构和控制方式,主要计算各变流器模块中控制器参数;
[0112] 2)根据需求确定建模方式,建立不同控制方式下的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC 变流器输入阻抗模型;
[0113] 3)根据阻抗稳定判据,绘制直流端输入/输出阻抗伯德图和阻抗比的奈奎斯特曲线,根据伯德图和奈奎斯特曲线判断所提出控制策略所采用的控制系数选择是否合适。
[0114] 作为本发明进一步的方案:步骤1)中,计算变流器主电路参数包括以下步骤:
[0115] 变流器主电路参数主要是确定电感取值,当变流器工作在单位功率因数时对电感的约束条件为:
[0116]
[0117] 其中,Im为交流侧电流峰值;Usm电网电压峰值;ωn为基波电压角频率;
[0118] 工程中限制电感纹波在10%~25%,在此分析时选取10%,
[0119]
[0120] 其中,fsw为开关频率,In为额定电流;
[0121] 作为本发明进一步的方案:步骤1)中,计算变流器控制器参数包括以下步骤:
[0122] 背靠背直流系统是由AC/DC变流器和DC/AC变流器两个模块组成,二者采取的控制方式虽然不同,但是计算控制器参数的方法是一致的,所以以DC/AC变流器控制器参数计算步骤为例。根据DC/AC变流器整体结构简化图,绘制出加入控制环的DC/AC变流器控制结构框图,根据控制框图,写出系统的传递函数,根据开环传递函数的相角和幅值频率特性设计控制环PI参数,其中,将PI控制器的转折频率设置在滤波器的转折频率处,穿越频率为转折频率的1/10,为了使系统稳定,所以设置参数时,需要选择合适的相角裕度后再进行PI参数设计,正常选择相角裕度γ≥45°。
[0123] 步骤2)中,建立背靠背直流系统直流端阻抗模型包括以下步骤:
[0124] ①AC/DC变流器和DC/AC变流器主电路阻抗模型;
[0125] ②考虑PLL影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
[0126] ③考虑PLL和控制环路影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型;
[0127] ④根据阻抗稳定判据,确定阻抗比表达式。
[0128] 步骤①AC/DC变流器和DC/AC变流器主电路阻抗模型:
[0129] 1)AC/DC变流器主电路阻抗模型:
[0130] 根据KVL和KCL得到三相静止坐标系下AC/DC变流器主电路状态空间方程:
[0131]
[0132] 根据幅值不变原理(线电压峰值)推导,Clark变换为:
[0133]
[0134] 经Clark变换后,得到在αβ坐标系下AC/DC变流器主电路状态空间方程:
[0135]
[0136] Park变换为:
[0137]
[0138] 所以,经过Park变化后,在同步旋转坐标系下AC/DC变流器数学模型为:
[0139]
[0140] 经拉氏变化和小信号分析后,式(7)变为如下所示的d-q坐标系下AC/DC变流器小信号数学模型:
[0141]
[0142] 令,
[0143]
[0144] 2)DC/AC变流器主电路阻抗模型:
[0145] 根据KVL和KCL得到三相静止坐标系下DC/AC变流器主电路状态空间方程:
[0146]
[0147] 根据幅值不变原理(线电压峰值)推导,Clark变换为:
[0148]
[0149] 经Clark变换后,得到在αβ坐标系下DC/AC变流器主电路状态空间方程:
[0150]
[0151] Park变换为:
[0152]
[0153] 所以,经过Park变化和拉氏变化后,在同步旋转坐标系下DC/AC变流器数学模型为:
[0154]
[0155] 经小信号分析后,式(14)变为如下所示的d-q坐标系下DC/AC变流器小信号数学模型:
[0156]
[0157] 令,
[0158]
[0159] 步骤②考虑PLL影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型包括以下步骤:
[0160] 由于锁相环的存在,所以系统中存在两种坐标系,一个是电网电压定义的系统d-q系;另一个是锁相环定义的控制环d-q系,稳态下,控制环d-q系与系统d-q系保持一致;当电网电压发生小扰动时,系统d-q系位置发生变化,由于锁相环中PI控制器的动态响应特性,所以控制环d-q系并未发生改变,不再与系统d-q系保持一致,两者之间存在角度误差,即Δθ,式(17)为系统d-q系变换到控制环d-q系的坐标变换,
[0161]
[0162] 稳态时,Δθ=0,得到式(18)所示的稳态情况下,系统和控制环中变量的关系;
[0163]
[0164] 式(18)中,xs(x=U、I、D)表示系统主电路中变量,而xc(x=U、I、D)表示控制环变量,对式(18)增加小信号扰动,如式(19)所示:
[0165]
[0166] 对式(19)进行三角函数近似处理,结合稳态情况,得到式(21)所示的控制环d-q 系下电压表达式:
[0167]
[0168]
[0169] PLL输出角度Δθ,如式(22)所示:
[0170]
[0171] 式(22)中, 将式(21)带入式(22)得到式(23),由 表示的Δθ;
[0172]
[0173] 分别表示系统电压分别到控制环d-q轴电压、电流的传递函数矩阵,表示系统电压到占空比传递函数,式(24-29)分别是传递函数 推导过程:
[0174]
[0175]
[0176]
[0177]
[0178]
[0179]
[0180] 步骤③考虑PLL和控制环路影响的AC/DC变流器输出阻抗模型和DC/AC变流器输入阻抗模型包括以下步骤:
[0181] 上述考虑了锁相环对扰动响应所对系统带来的影响,加入控制环路后的AC/DC变流器输出阻抗和DC/AC变流器输入阻抗就很容易得到,控制环路采用的控制方式正常包括PI 控制、PR控制等,其中式(30)为PI控制方式传递函数;式(31)为PR控制方式传递函数,[0182]
[0183]
[0184] 步骤④根据阻抗稳定判据,确定阻抗比表达式包括以下步骤:
[0185] 式(32)是背靠背变流器系统的输入输出传递函数。
[0186]
[0187] 从背靠背直流系统的传递函数可以看出,在源变流器和负荷变流器稳定的前提下,满足 稳定,则整个并网系统就会稳定。根据自控原理可知,其相当于前馈通路为1,反馈增益为Tm的闭环传递函数,其中Tm如式(33)所示,也为该闭环路的开环传递函数。开环传递函数是闭环传递函数的一部分,研究开环传递函数可以用来判断闭环系统是否稳定。所以判断背靠背直流系统的稳定,只需在上述两个稳定前提下,若阻抗比Tm满足 Nyquist稳定判据,则系统可以稳定运行,否则系统失稳。
[0188]
[0189] 若源变流器表现为电流源特性,则阻抗比Tm则如式(34)所示。由此可见,背靠背直流系统的稳定性不仅与自身变流器稳定相关,还与其控制方式息息相关。
[0190]
[0191] 实施例二
[0192] 一种降低无功功率波动对系统稳定影响的补偿控制方法,所述方法具体包括步骤:
[0193] 步骤1:根据背靠背直流系统中AC/DC变流器和DC/AC变流器的拓扑结构,建立两个变流器模块的输出/输入阻抗模型;
[0194] 步骤2:分别绘制变流器模块伯德图以及阻抗比奈奎斯特曲线,判断阻抗的幅频和相频特性;判断原系统的稳定性;
[0195] 步骤3:计算系统只有直流电压比例控制下的比例系数;
[0196] 步骤4:在原系统中加入直流电压补偿控制,建立加入补偿控制后的变流器阻抗模型;
[0197] 步骤5:绘制加入补偿后的变流器伯德图和阻抗比奈奎斯特曲线,与原系统阻抗伯德图相比,若AC/DC变流器输出阻抗增益低于原系统或DC/AC变流器输入阻抗增益大于原系统,则说明系统稳定性提高;绘制二者阻抗比的奈奎斯特曲线,若其更远离点(-1,0),则理论上系统稳定性更好;若是没有,则返回到步骤3,调节比例系数。
[0198] 本发明实施例的控制框图如图1所示,图2为其对应的小信号模型。根据模型可以推导出背靠背直流系统中AC/DC变流器输出阻抗和DC/AC变流器输入阻抗,根据图3所示的背靠背直流系统等效电路,可以得到背靠背变流器系统的输入输出传递函数,根据自控原理,定义系统阻抗比,绘制阻抗比的奈奎斯特曲线,根据奈奎斯特曲线可以判断系统的稳定性。式(32)为背靠背变流器系统的输入输出传递函数,定义阻抗比Tm=ZA_out/ZB_in,通过阻抗比的奈奎斯特曲线判断系统并网稳定性是否得到改善。
[0199] 图4、图5和图6,为引入直流电压比例补偿控制前后,AC/DC变流器输出阻抗和DC/AC 变流器输入阻抗波德图和阻抗比奈奎斯特曲线。其中图4是AC/DC变流器输出阻抗波德图;图5是DC/AC变流器输入阻抗波德图;图6是阻抗比奈奎斯特曲线。DC/AC变流器输入阻抗特性可以看出,加入补偿控制方式后,虽然阻抗增益降低了,但是从相频特性看出,输入阻抗由原来的负阻抗特性变为阻性,是利于系统稳定的,而奈奎斯特曲线也显示加入直流电压补偿后的系统稳定性得到了提升,说明了所提出的补偿控制方式的有效性。
[0200] 图7、图8和图9为引入直流电压补偿控制前后,仿真输出电压和功率对比图。其中图7是直流电压波形;图8是AC/DC变流器功率波形;图9是DC/AC变流器功率波形。图 5看出,加入补偿后,无功功率变化时对直流电压产生的波动减小了,从5.4V的电压波动变为4.1V。而AC/DC变流器中由于无功变化对有功产生的不利影响也由于加入了直流电压补偿后而有所缓减。可以说明使用直流电压比例补偿控制下的系统稳定性更优越,在针对无功功率波动时,可以有效提高系统联网稳定性,能提高系统联网功率。
[0201] 该发明采用的方法主要从阻抗角度对背靠背变流器进行分析及控制策略改进。所提出的补偿控制策略,与原方案相比通过改变背靠背直流系统中DC/AC变流器输入阻抗的幅频特性、相频特性,从而提高背靠背变流器联网稳定性。该补偿控制不需要改变原系统的结构或者控制方案,只需在外部接入新的控制环节,对于系统升级十分方便。同时,该方法主要针对无功功率对背靠背直流系统稳定影响分析,根据阻抗稳定判据,在不影响原系统其他特性上,降低无功功率扰动对背靠背变流器联网造成的影响。本发明能有效提高无功功率波动下背靠背变流器联网稳定特性。本文选择了小信号建模方式,将系统变换到d-q 坐标系下,在稳态点处进行线性化得到变流器小信号模型。其既克服了平均模型无法分析时周期系统的不足,又能够避免HSS模型不能够分析某一工作点处系统特性的缺点,小信号建模是针对分析功率对变流器阻抗影响的较优方法。
[0202] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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