技术领域
[0001] 本
发明属于电气控制领域，尤其涉及弱电网下并网变换器的控制。
背景技术
[0002] 并网变换器是新
能源技术发展中的关键环节。在弱电网条件下，并网变换器的控制系统与电网阻抗相互耦合，导致系统
稳定性下降，产生振荡甚至失稳，进而对整个电
力系统的运行造成很大威胁。三相并网变换器的控制系统主要由
锁相环、电压环和
电流环组成。系统呈弱电网特性时，并网点电压扰动首先会影响
锁相环和电压外环，进而影响电流内环，从而对整个并网系统的稳定性产生不利影响。
[0003] 对于锁相环，在现有研究中大多采用改变锁相环和控制系统参数的方法来提高并网变换器在弱电网下的稳定性，但是这种方法都会在一定程度上影响锁相环性能。对于电压环，现有的改进控制方法中，并网变换器的控制系统与电网阻抗之间相互耦合，从而影响并网系统的稳定性。但是，在实际操作中，往往对弱电网情况、电压环与电网阻抗之间的耦合分析较少，而忽略了耦合的影响。
[0004] 综上所述，现在缺少一种完善的方法来提高并网变换器在弱电网下的稳定性。
发明内容
[0005] 本发明为了提高并网变换器在弱电网下的稳定性，提供弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器控制方法。
[0006] 弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器控制方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一：建立两相同步旋转
坐标系下三相并网变换器的小
信号模型，然后执行步骤二；
[0008] 步骤二：在小信号模型中加入锁相环的影响信号，使得电网电压出现扰动，获得两相同步旋转坐标系与控制系统坐标系之间的
角度差Δθ，利用Δθ获得两相同步旋转坐标系下扰动向量到控制系统坐标下系扰动向量的传递矩阵TΔθ，利用TΔθ分别获得两相同步旋转坐标系下电压向量到控制系统坐标系下电压向量的小信号扰动矩阵 两相同步旋转坐标系下电压向量到控制系统坐标系下占空比向量的小信号扰动矩阵 和两相同步旋转坐标系下电压向量到控制系统坐标系下电流向量的小信号扰动矩阵 然后执行步骤三；
[0009] 步骤三：在小信号模型中加入直流电压环的影响信号，使得直流电压出现扰动，获得两相同步旋转坐标系下电压向量到直流电压向量的小信号扰动矩阵Hve、两相同步旋转坐标系下占空比向量到网侧电流向量的小信号扰动矩阵Hid和两相同步旋转坐标系下占空比向量到直流电压向量的小信号扰动矩阵Hvd，然后执行步骤四；
[0010] 步骤四 ：根 据锁相环 、电 流 环和直流电 压环之 间的关 系 ，利 用Hve、Hid和Hvd建立三相并网变换器的输出阻抗模型，然后执行步骤五、步骤六或同时执行步骤五和六；
[0011] 步骤五：向电流环
控制器的
输出信号中加入补偿矩阵Hcomp_PLL，[0012]
[0013] 抵消输出阻抗模型中锁相环扰动通路中的
扰动信号，完成并网变换器的控制，[0014] 上式中，k1为锁相环补偿系数、Hci为电流环PI控制矩阵、Hfilter为高通
滤波器；
[0015] 步骤六：向电流环控制器的输出信号中加入补偿矩阵Hcomp_Udc，[0016] Hcomp_Udc＝k2HveHvdcHciHfilter
[0017] 抵消输出阻抗模型中直流电压环扰动通路中的扰动信号，完成并网变换器的控制，
[0018] 上式中，k2为电流环补偿系数、Hvdc为直流电压环的传递函数。
[0019] 本发明所述的弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器控制方法，首先在同步旋转坐标系下，建立了包含电流环、锁相环和直流电压环等环节的三相并网变换器阻抗模型；结合阻抗模型中各变量的传递关系，分析并网点电压对锁相环和直流电压环输出的扰动通道，推导出扰动分量对控制器输出影响的表达式。在此
基础上，将锁相环和直流电压环输出扰动补偿项添加到d轴和q轴电流环控制器，以实现并网电压扰动补偿。
[0020] 本发明的优点在于：
[0021] 在d-q坐标系下建立了包含锁相环与直流电压环的小信号阻抗模型，并找到了锁相环与直流电压环扰动通路，提出了一种直观的补偿方案。在弱电网条件下，能够有效减小电网阻抗与控制器耦合的影响，提高并网变换器的稳定性。
附图说明
[0022] 图1为三相并网变换器主
电路及其控制系统的结构
框图；
[0023] 其中，udc为直流电压、 为交流侧
三相电流、Xf为变换器侧滤波感抗、Cf为交流侧滤波电容、Xg为电网感抗、 为锁相环采集
三相电压、ug表示电网电压、θPLL为锁相环输出相角、 为三相电流、 为直流电压给定值、id和iq分别为三相电流的d轴和q轴分量、ud和uq分别为三相电压的d轴和q轴分量、 和 分别为PI控制器输出的d轴和q轴电压分量。
[0024] 图2为两相同步旋转坐标系下三相并网变换器的小信号模型图；
[0025] 其中， 和 分别为并网电压小信号扰动值d轴分量和q轴分量， 和 分别为并网电流小信号扰动值的d轴和q轴分量， 和 分别为变换器占空比小信号扰动值的d轴和q轴分量， 为直流侧电压的小信号扰动值， 和 分别为变换器占空比稳态值的d轴和q轴分量，和 分别为并网电流稳态值的d轴和q轴分量，Δidc为直流侧电流的小信号扰动值，Zout为小信号模型下变换器的输出阻抗。
具体实施方式
[0026] 具体实施方式一：如图1所示，为三相并网变换器主电路及其控制系统的结构框图，本实施方式意在提高这种三相并网变换器在弱电网下的稳定性，因此提出以下方法来对控制系统进行补偿，本实施方式所述的弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器控制方法，包括以下步骤：
[0027] 步骤一：建立两相同步旋转坐标系(d-q坐标系)下三相并网变换器的小信号模型(如图2所示)，然后执行步骤二。
[0028] 步骤二：在小信号模型中加入锁相环的影响信号，使得电网电压出现扰动，此时d-q坐标系与控制系统(三相并网变换器的控制系统)坐标系之间存在角度差Δθ，利用Δθ获得d-q坐标系下扰动向量到控制系统坐标下系扰动向量的传递矩阵TΔθ，[0029]
[0030] 根据TΔθ获得d-q坐标系下各扰动向量与控制系统坐标下系各扰动向量之间的关系式：
[0031]
[0032] 其中， 和 分别为两相同步旋转坐标系下电压扰动向量、电流扰动向量和占空比扰动向量， 和 分别为控制系统坐标系下电压扰动向量、电流扰动向量和占空比扰动向量；
[0033] 得到d-q坐标系稳态向量与控制系统坐标系稳态向量之间的关系式：
[0034]
[0035] 其中， 和 分别为d-q坐标系下电压稳态向量、电流稳态向量和占空比稳态向量， 和 分别为控制系统坐标下电压稳态向量、电流稳态向量和占空比稳态向量；
[0036] 以电压稳态向量为例，进而得到
[0037]
[0038] 向电压稳态向量中增加小信号扰动，得到：
[0039]
[0040] 其中， 和 分别为并网电压稳态值的d轴和q轴分量、 和 分别为考虑锁相环的直流电压的d轴和q轴分量、 和 分别为考虑锁相环后的并网电压小信号扰动值d轴分量和q轴分量、 和 分别为并网电压小信号扰动值d轴分量和q轴分量。
[0041] 对小信号模型在稳态值上
叠加的小信号扰动角度 近似得到：
[0042]
[0043] 结合扰动角度 得到锁相环输出角度与控制系统q轴电压的关系为：
[0044]
[0045] 上式中： kppll和kipll分别为锁相环的PI控制器的比例增益系数和积分增益系数，
[0046] 联立上(1)和(2)式获得：
[0047]
[0048] 定义 为两相同步旋转坐标系下电压向量到控制系统坐标系下电压向量的小信号扰动矩阵，则有：
[0049]
[0050] 同理求得：
[0051] 两相同步旋转坐标系下电压向量到控制系统坐标系下占空比向量的小信号扰动矩阵：
[0052]
[0053] 式中， 和 分别为变换器占空比稳态值的d轴和q轴分量，
[0054] 两相同步旋转坐标系下电压向量到控制系统坐标系下电流向量的小信号扰动矩阵：
[0055]
[0056] 式中，和 分别为并网电流稳态值的d轴和q轴分量，
[0057] 然后执行步骤三。
[0058] 步骤三：在小信号模型中加入直流电压环的影响信号，由于其动态特性，使得直流电压出现扰动，导致直流电压扰动不为零，
[0059]
[0060] 式中，Dd和Dq分别为考虑直流电压环后的变换器占空比的d轴和q轴分量，Id和Iq分别为考虑直流电压环后的并网电流的d轴分量和q轴分量，Δid和Δiq分别为考虑直流电压环后的并网电流小信号扰动值d轴分量和q轴分量， 和 分别为分别为变换器占空比小信号扰动值的d轴和q轴分量，Δudc为考虑直流电压后的直流侧电压的小信号扰动值，Rdc和Cdc分别为三相并网变换器主电路的直流侧负载
电阻值和电容值、s为拉普拉斯算子；
[0061] 使变换器占空比小信号扰动值d、q轴分量为零，获得：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，Δud和Δuq分别为考虑直流电压环后的并网电压小信号扰动值d轴分量和q轴分量、L为滤波器电感，R为滤波器电感寄生电阻、ω为角
频率，联立上(3)和(4)式得到并网变换器开环输出阻抗为：
[0065]
[0066] 进而求得两相同步旋转坐标系下电压向量到直流电压向量的小信号扰动矩阵：
[0067] Hve＝HidcZ-1odc，
[0068] 式中， Z-1odc为考虑直流电压环的变换器开环阻抗矩阵的逆矩阵；
[0069] 假设变换器并网电压小信号扰动值d轴分量和q轴分量为零，获得：
[0070]
[0071] 式中，Δdd和Δdq分别为考虑直流电压环后的变换器占空比小信号扰动值的d轴和q轴分量，Udc为直流电压的稳态值，
[0072] 联立公式(4)和(5)可以得到，
[0073]
[0074] 式中，和 分别为并网电流稳态值的d轴和q轴分量，
[0075] 进而求得两相同步旋转坐标系下占空比向量到网侧电流向量的小信号扰动矩阵Hid：
[0076]
[0077] 联立式(a)和式(d)可以得到两相同步旋转坐标系下占空比向量到直流电压向量的小信号扰动矩阵Hvd：
[0078] Hvd＝HidcHid+Hrefdc
[0079] 式中，
[0080] 然后执行步骤四。
[0081] 步骤四 ：根 据锁相环 、电 流 环和直流电 压环之 间的关 系 ，利 用Hve、Hid和Hvd建立三相并网变换器的输出阻抗模型，输出阻抗模型中，Hdel为考虑延时的传递矩阵，Hdec为解耦项矩阵，Hci为电流环PI控制矩阵：
[0082]
[0083]
[0084]
[0086] 然后执行步骤五。
[0087] 步骤五：向电流环控制器的输出信号中加入补偿矩阵Hcomp_PLL，[0088]
[0089] 抵消输出阻抗模型中锁相环扰动通路中的扰动信号，完成并网变换器的控制，[0090] 上式中，k1为锁相环补偿系数(取值为0.14～1)、Hci为电流环PI控制矩阵、Hfilter为
高通滤波器。
[0091] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器控制方法的区别在于，本实施方式中，步骤一至步骤四与具体实施方式一相同，步骤四之后执行步骤六：
[0092] 步骤六：向电流环控制器的输出信号中加入补偿矩阵Hcomp_Udc，[0093] Hcomp_Udc＝k2HveHvdcHciHfilter
[0094] 抵消输出阻抗模型中直流电压环扰动通路中的扰动信号，完成并网变换器的控制。
[0095] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器控制方法的区别在于，本实施方式中，步骤一至步骤四与具体实施方式一相同，步骤四之后执行步骤七：
[0096] 步骤七：
[0097] 向电流环控制器的输出信号中加入补偿矩阵Hcomp_PLL，
[0098]
[0099] 抵消输出阻抗模型中锁相环扰动通路中的扰动信号，完成并网变换器的控制；
[0100] 向电流环控制器的输出信号中加入补偿矩阵Hcomp_Udc，
[0101] Hcomp_Udc＝k2HveHvdcHciHfilter
[0102] 抵消输出阻抗模型中直流电压环扰动通路中的扰动信号，完成并网变换器的控制。
