一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法及系统与流程

文档序号:16846522发布日期:2019-02-12 22:21阅读:310来源:国知局
一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法及系统与流程

本发明涉及电力技术领域,更具体地,涉及一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法及系统。



背景技术:

风机变流器、光伏逆变器、柔性直流等电压源型换流器(voltagesourceconverter,vsc)接入弱交流电网时存在失稳风险,需要一套电压源型换流器vsc并网系统的建模与稳定性分析方法作为分析与解决问题的工具。目前,电压源型换流器vsc并网系统建模方法主要有状态空间建模法、输入阻抗法和复转矩法,应用这几种模型分析电压源型换流器vsc并网系统稳定性机理时存在的问题如下:状态空间建模法过于详细,只能利用特征根分析与参与因子分析,计算失稳模态的主要参与变量,不能准确解释失稳机理;输入阻抗法模型过于简化,只能通过计算等效输入阻抗判断系统是否失稳,但不能直观揭示失稳机理;复转矩法模型过于简化,只能把电压源型换流器vsc系统分为两个子系统,计算等效同步、阻尼转矩揭示失稳机理,也不能直观解释失稳机理。现有技术不能解释电压源型换流器vsc并网系统的失稳机理。

因此,需要一种技术,以实现电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法。



技术实现要素:

本发明技术方案提供一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法及系统,以解决如何控制电压源型换流器并网系统失稳的问题,以及如何指导电压源型换流器并网系统内环控制参数设计的问题。

为了解决上述问题,本发明提供了一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法,所述方法包括:

基于第一假设条件建立考虑电网强度和锁相环动态的电压源型换流器并网系统数学模型;

将所述电压源型换流器并网系统数学模型进行线性化处理;

基于第二假设条件,获取电流的内环控制的简化传递函数;根据所述简化传递函数,将锁相环动态的输出相位表达式具体化,建立考虑锁相环动态影响的电压源型换流器并网电流的内环控制解析传递函数;

基于所述内环控制解析传递函数分析电压源型换流器并网系统内环控制失稳机理并指导参数设计。

优选地,所述第一假设条件为:

只考虑电气联系的强弱,内环电流反馈值能实时跟踪内环电流参考值,忽略公共连接点的滤波电容,忽略调制过程延时和采样延时,忽略损耗。

优选地,所述并网系统数学模型包括:

主电路数学模型、锁相环动态数学模型、内环控制数学模型。

优选地,所述主电路数学模型为:

所述主电路部分数学模型在dq坐标系下为

其中,leq=lt+larm/2,req=rt+rarm/2,lac=leq+lg,rac=req+rg,s表示微分算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,lt为交流电网变压器的等效电感,larm为mmc桥臂电感,rt为为交流电网变压器的等效电阻,lac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电感,rac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电阻,icd为换流器输出电流d轴分量,icq为换流器输出电流q轴分量,ucd为换流器等效输出电压d轴分量,usd为pcc母线电压d轴分量,ω1为额定角频率,ucq为换流器等效输出电压q轴分量,usq为pcc母线电压q轴分量,lg为交流电网的等效电感,rg为交流电网的等效电阻,ugd为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量,ugq为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量。

优选地,所述锁相环动态数学模型为:

其中,

其中,θpll为锁相环动态输出相位,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差ω1t为初始相位为0以恒定角速度ω1转动的dq坐标系的相位,kp_pll为锁相环动态比例积分控制器比例系数,ti_pll为锁相环动态比例积分控制器积分时间常数,usq为pcc母线电压q轴分量,ω1为dq坐标系的额定角速度,s为拉普拉斯算子,gpll为锁相环比例积分控制器,为控制系统dq坐标系中换流器等效输出电压q轴分量。

优选地,所述锁相环动态数学模型设计成二阶响应特性的其参数计算公式为:

其中,ωpll为锁相环动态设计带宽,阻尼比ξ宽取0.707,usd0为pcc母线电压d轴分量稳态值。

优选地,所述内环控制数学模型为:

其中,

其中,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的值,ωf为电压滤波器带宽,tf为电压滤波器时间常数,ωcl为内环带宽,kp_cl为内环pi控制器比例系数,ti_cl内环控制器比例系数、积分时间常数,gf为pcc母线电压滤波器,gcl为内环比例积分控制器,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的值,ω1为额定角频率,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,s为拉普拉斯算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻。

优选地,调制过程数学模型为:

其中,gd=e-std,td为柔直控制系统等效延时,ucd为换流器交流侧等效输出电压d轴分量,ucq为换流器交流侧等效输出电压q轴分量,udc为直流侧电压,udc0为直流侧电压稳态值,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,gd为延时模拟环节。

基于本发明的另一方面,提供一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模系统,所述系统包括:

第一建立单元,用于基于第一假设条件建立考虑电网强度和锁相环动态的电压源型换流器并网系统数学模型;

处理单元,用于将所述电压源型换流器并网系统数学模型进行线性化处理;

第二建立单元,用于基于第二假设条件,获取电流的内环控制的简化传递函数;根据所述简化传递函数,将锁相环动态的输出相位表达式具体化,建立考虑锁相环动态影响的电压源型换流器并网电流的内环控制解析传递函数;

设计单元,用于基于所述内环控制解析传递函数分析电压源型换流器并网系统内环控制失稳机理并指导参数设计。

优选地,所述第一假设条件为:

只考虑电气联系的强弱,内环电流反馈值能实时跟踪内环电流参考值,忽略公共连接点的滤波电容,忽略调制过程延时和采样延时,忽略损耗。

优选地,所述并网系统数学模型包括:

主电路数学模型、锁相环动态数学模型、内环控制数学模型。

优选地,所述主电路数学模型为:

所述主电路部分数学模型在dq坐标系下为

其中,leq=lt+larm/2,req=rt+rarm/2,lac=leq+lg,rac=req+rg,s表示微分算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,lt为交流电网变压器的等效电感,larm为mmc桥臂电感,rt为为交流电网变压器的等效电阻,lac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电感,rac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电阻,icd为换流器输出电流d轴分量,icq为换流器输出电流q轴分量,ucd为换流器等效输出电压d轴分量,usd为pcc母线电压d轴分量,ω1为额定角频率,ucq为换流器等效输出电压q轴分量,usq为pcc母线电压q轴分量,lg为交流电网的等效电感,rg为交流电网的等效电阻,ugd为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量,ugq为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量。优选地,所述锁相环动态数学模型为:

其中,

其中,θpll为锁相环动态输出相位,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,ω1t为初始相位为0以恒定角速度ω1转动的dq坐标系的相位,kp_pll为锁相环动态比例积分控制器比例系数,ti_pll为锁相环动态比例积分控制器积分时间常数,usq为pcc母线电压q轴分量,ω1为dq坐标系的额定角速度,s为拉普拉斯算子,gpll为锁相环比例积分控制器,为控制系统dq坐标系中换流器等效输出电压q轴分量。

优选地,所述锁相环动态数学模型设计成二阶响应特性的其参数计算公式为:

其中,ωpll为锁相环动态设计带宽,阻尼比ξ宽取0.707,usd0为pcc母线电压d轴分量稳态值。

优选地,所述内环控制数学模型为:

其中,

其中,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的值,ωf为电压滤波器带宽,tf为电压滤波器时间常数,ωcl为内环带宽,kp_cl为内环pi控制器比例系数,ti_cl内环控制器比例系数、积分时间常数,gf为pcc母线电压滤波器,gcl为内环比例积分控制器,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的值,ω1为额定角频率,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,s为拉普拉斯算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻。

优选地,调制过程数学模型为:

其中,gd=e-std,td为柔直控制系统等效延时,ucd为换流器交流侧等效输出电压d轴分量,ucq为换流器交流侧等效输出电压q轴分量,udc为直流侧电压,udc0为直流侧电压稳态值,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,gd为延时模拟环节。

本发明技术方案提供一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法及系统,其中方法包括:基于第一假设条件建立考虑电网强度和锁相环动态的电压源型换流器并网系统数学模型;将电压源型换流器并网系统数学模型进行线性化处理;基于第二假设条件,获取电流的内环控制的简化传递函数;根据简化传递函数,将锁相环动态的输出相位表达式具体化,建立考虑锁相环动态影响的电压源型换流器并网电流的内环控制解析传递函数;基于内环控制解析传递函数分析电压源型换流器并网系统内环控制失稳机理并指导参数设计。本发明技术方案建立的一种简化程度适当的电压源型换流器vsc并网系统解析传递函数模型,能够直观解释电压源型换流器vsc并网系统失稳机理,也能够指导电压源型换流器vsc并网系统内环控制参数设计,对指导控制策略设计具有积极意义。电压源型换流器vsc并网系统主要包括内环控制和外环控制,内环控制比外环控制快十倍以上,研究内环控制时可假设外环处于稳态,研究外环控制时可忽略内环控制动态过程。

附图说明

通过参考下面的附图,可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:

图1为根据本发明优选实施方式的电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法流程图;

图2为根据本发明优选实施方式的电压源型换流器vsc并网系统主电路及控制系统结构图;

图3为根据本发明优选实施方式的主电路与控制系统坐标系示意图;

图4为根据本发明优选实施方式的锁相环动态pll原理图;

图5为根据本发明优选实施方式的内环电流控制方框示意图;

图6为根据本发明优选实施方式的内环电流控制解析传递函数模型的方框示意图;

图7为根据本发明优选实施方式的内环电流控制解析传递函数模型的方框示意图;

图8为根据本发明优选实施方式的电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法流程图。本发明实施方式提供一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法,方法包括四个步骤:基于假设条件建立考虑电网强度和锁相环(phaselockedloop,pll)动态的电压源型换流器vsc并网系统数学模型,对电压源型换流器vsc并网系统数学模型进行线性化,求解得到内环控制解析传递函数模型,基于内环控制解析传递函数模型分析电压源型换流器vsc并网系统内环控制失稳机理并指导控制参数选择。如图1所示一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法,方法包括:

优选地,在步骤101:基于第一假设条件建立考虑电网强度和锁相环动态的电压源型换流器并网系统数学模型。优选地,第一假设条件为:只考虑电气联系的强弱,内环电流反馈值能实时跟踪内环电流参考值,忽略公共连接点的滤波电容,忽略调制过程延时和采样延时,忽略损耗。优选地,并网系统数学模型包括:主电路数学模型、锁相环动态数学模型、内环控制数学模型。

本申请建立电压源型换流器vsc并网系统数学模型的假设条件为,只考虑电气联系的强弱,内环电流反馈值能实时跟踪内环电流参考值,忽略公共连接点的滤波电容,忽略调制过程延时和采样延时,忽略损耗。功率、电流参考方向见图2。

vsc并网系统数学模型包括:主电路数学模型、pll数学模型、内环控制数学模型。

优选地,考虑第一假设条件后,主电路数学模型为:

主电路部分数学模型在dq坐标系下为

其中,leq=lt+larm/2,req=rt+rarm/2,lac=leq+lg,rac=req+rg,s表示微分算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,lt为交流电网变压器的等效电感,larm为mmc桥臂电感,rt为为交流电网变压器的等效电阻,lac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电感,rac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电阻,icd为换流器输出电流d轴分量,icq为换流器输出电流q轴分量,ucd为换流器等效输出电压d轴分量,usd为pcc母线电压d轴分量,ω1为额定角频率,ucq为换流器等效输出电压q轴分量,usq为pcc母线电压q轴分量,lg为交流电网的等效电感,rg为交流电网的等效电阻,ugd为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量,ugq为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量。采用pcc点电压us∠θs定向的控制系统坐标系及主电路坐标系如图3所示,其中由d轴、q轴确定的坐标系为主电路坐标系,由dcf、qcf确定的坐标系为控制系统坐标系,fd、fq为矢量f在主电路坐标系中的分量,为矢量f在控制系统坐标系中的分量。控制系统坐标系位置由pll输出决定,本申请采用us∠θs定向,稳态时控制系统坐标系d轴与us∠θs重合,θpll=θs,扰动后的暂态过程θpll≠θs。电压、电流矢量在两个坐标系下的投影分量间的关系为:

其中,f为变量us、uc、ug、ic等。

优选地,锁相环动态数学模型为:

其中,

其中,θpll为锁相环动态输出相位,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,ω1t为初始相位为0以恒定角速度ω1转动的dq坐标系的相位,kp_pll为锁相环动态比例积分控制器比例系数,ti_pll为锁相环动态比例积分控制器积分时间常数,usq为pcc母线电压q轴分量,ω1为dq坐标系的额定角速度,s为拉普拉斯算子,gpll为锁相环比例积分控制器,为控制系统dq坐标系中换流器等效输出电压q轴分量。

优选地,锁相环动态数学模型设计成二阶响应特性的其参数计算公式为:

其中,ωpll为锁相环动态设计带宽,阻尼比ξ宽取0.707,usd0为pcc母线电压d轴分量稳态值。

优选地,内环控制数学模型为:

其中,

其中,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的值,ωf为电压滤波器带宽,tf为电压滤波器时间常数,ωcl为内环带宽,kp_cl为内环pi控制器比例系数,ti_cl内环控制器比例系数、积分时间常数,gf为pcc母线电压滤波器,gcl为内环比例积分控制器,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的值,ω1为额定角频率,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,s为拉普拉斯算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻。本申请tf一般为300us。

优选地,调制过程数学模型为:

其中,gd=e-std,td为柔直控制系统等效延时,ucd为换流器交流侧等效输出电压d轴分量,ucq为换流器交流侧等效输出电压q轴分量,udc为直流侧电压,udc0为直流侧电压稳态值,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,gd为延时模拟环节。td为柔直控制系统等效延时,一般为400~500us。

优选地,在步骤102:将电压源型换流器并网系统数学模型进行线性化处理。

电压源型换流器vsc并网系统数学模型是典型的非线性模型,为研究并网系统稳定性需要将其线性化,将式(41)-(52)中各变量f以小扰动f=f0+δf形式代入消去稳态量后可得到其线性化模型。

为得到vsc并网电流详细表达式,联立式(41)-(52)的线性化模型,经整理可求得考虑pll、延时、电压滤波器、直流电压扰动影响的内环电流控制线性化闭环表达式如下:

忽略次要因素,做第二假设条件如下:

(1)由于整个换流器系统延时很小一般为400~500us,假设td≈0,则gd=1;

(2)电压采样滤波器延时很小一般取值300us,tf≈0,则gf=1;

(3)直流电压维持恒定值,δudc=0;

考虑到以上第二假设条件,整理可得电流内环控制的简化传递函数为:

式中zic=sleq+req+gcl,由式(54)可以看出并网vsc的d、q轴电流扰动主要受电流参考值扰动和pll输出扰动影响,分别代表了外环控制、pll对电流内环控制的影响。

优选地,在步骤103:基于第二假设条件,获取电流的内环控制的简化传递函数;根据简化传递函数,将锁相环动态的输出相位具体化,建立考虑锁相环动态影响的电压源型换流器并网电流的内环控制解析传递函数。

为得到考虑pll和交流电网强度影响的电流内环控制解析传递函数模型,需要将式(54)中pll输出相位扰动表达式具体化,消去δθpll,建立从控制系统到主电路的闭环。

由式(54)及ugd=0,ugq=0可得:

整理可得

附图5所示为式(56)的方框图,可直观的表示pll对内环电流控制的影响。

求解式(56)可得考虑pll影响的并网vsc电流内环控制解析表达式为

其中

并网vsc系统电流内环控制小信号解析传递函数表达式的方框图如图6所示。从式(57)(59)可以看出,体现交流电网强度的等效电感lg在pll与电流内环控制交互影响中起决定作用,lg的大小决定了二者之间交互影响的严重程度。当交流电网为无穷大系统时,rg≈0,lg≈0,gdd=gqq=0,gdq=gqd=0,b=c=0,pll与电流内环控制间无影响,电流内环控制d、q轴控制间无影响。当交流电网强度较小时,lg≠0,pll与电流内环之间的交互影响加强,且由式(59)可知表征有功、无功大小的icd0、icq0越大,交互影响越明显。

优选地,在步骤104:基于内环控制解析传递函数分析电压源型换流器并网系统内环控制失稳机理并指导参数设计。

由式(61)可知决定内环电流控制稳定性的特征方程为

g0由三部分构成,gcl/zic反映了不考虑pll和电网强度的理想情况下内环控制的作用,gpll反映了pll的影响,剩余部分反映的是电网强度、有功电流(有功功率)、无功电流(无功功率)的影响。在单位功率因数假设下:

利用式(61)结合图7所示bode图或nyquist图上的稳定判据即可分析电网强度、有功功率、pll带宽等因素对内环控制稳定性的影响,并指导pll带宽及内环控制带宽参数设计。电网等效电抗决定bode图初始位置,锁相环带宽决定幅值最大值的位置,内环带宽不影响幅值最大值。根据电网强弱和内环带宽可合理选择锁相环带宽参数,保证满足bode图幅值最大值小于0的稳定判据。

图2为根据本发明优选实施方式的电压源型换流器vsc并网系统主电路及控制系统结构图。图2中各变量的含义解释如表1所示。

表1vsc并网系统变量

本申请提供了一种弱电网下vsc并网系统内环控制解析传递函数建模分析方法,可用于分析弱电网下vsc并网系统内环控制的失稳机理,并指导控制参数选择。本申请提出的vsc并网系统内环控制解析建模方法因采用传递函数进行解析建模,能直观解释各因素对稳定性的影响,定位主要影响因素,模型解释力强。本申请提出的基于vsc并网系统内环控制解析模型的失稳机理分析方法,可直观揭示各影响因素对vsc并网系统内环控制稳定性的影响,指导风机变流器、光伏逆变器等vsc并网系统内环控制的控制参数设计,可创造明显的经济效益。

图8为根据本发明优选实施方式的电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模系统结构图。如图8所示,一种电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模系统,系统包括:

第一建立单元801,用于基于第一假设条件建立考虑电网强度和锁相环动态的电压源型换流器并网系统数学模型。优选地,第一假设条件为:只考虑电气联系的强弱,内环电流反馈值能实时跟踪内环电流参考值,忽略公共连接点的滤波电容,忽略调制过程延时和采样延时,忽略损耗。优选地,并网系统数学模型包括:主电路数学模型、锁相环动态数学模型、内环控制数学模型。

优选地,主电路数学模型为:

主电路部分数学模型在dq坐标系下为

其中,leq=lt+larm/2,req=rt+rarm/2,lac=leq+lg,rac=req+rg,s表示微分算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,lt为交流电网变压器的等效电感,larm为mmc桥臂电感,rt为为交流电网变压器的等效电阻,lac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电感,rac为从换流器到无穷大系统(理想电源)间的等效电阻,icd为换流器输出电流d轴分量,icq为换流器输出电流q轴分量,ucd为换流器等效输出电压d轴分量,usd为pcc母线电压d轴分量,ω1为额定角频率,ucq为换流器等效输出电压q轴分量,usq为pcc母线电压q轴分量,lg为交流电网的等效电感,rg为交流电网的等效电阻,ugd为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量,ugq为无穷大系统(理想电源)电压的d轴分量。优选地,锁相环动态数学模型为:

其中,

其中,θpll为锁相环动态输出相位,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,ω1t为初始相位为0以恒定角速度ω1转动的dq坐标系的相位,kp_pll为锁相环动态比例积分控制器比例系数,ti_pll为锁相环动态比例积分控制器积分时间常数,usq为pcc母线电压q轴分量,ω1为dq坐标系的额定角速度,s为拉普拉斯算子,gpll为锁相环比例积分控制器,为控制系统dq坐标系中换流器等效输出电压q轴分量。优选地,锁相环动态数学模型设计成二阶响应特性的其参数计算公式为:

其中,ωpll为锁相环动态设计带宽,阻尼比ξ宽取0.707,usd0为pcc母线电压d轴分量稳态值。

优选地,内环控制数学模型为:

其中,

其中,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的值,ωf为电压滤波器带宽,tf为电压滤波器时间常数,ωcl为内环带宽,kp_cl为内环pi控制器比例系数,ti_cl内环控制器比例系数、积分时间常数,gf为pcc母线电压滤波器,gcl为内环比例积分控制器,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电流d轴分量的值,为控制系统坐标系中换流器输出电流q轴分量的值,ω1为额定角频率,leq为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电感,s为拉普拉斯算子,req为pcc母线与换流器阀侧之间的等效电阻。

优选地,调制过程数学模型为:

其中,gd=e-std,td为柔直控制系统等效延时,ucd为换流器交流侧等效输出电压d轴分量,ucq为换流器交流侧等效输出电压q轴分量,udc为直流侧电压,udc0为直流侧电压稳态值,θpll为锁相环输出相位θpll与ω1t之差,为控制系统坐标系中换流器输出电压d轴分量的参考值,为控制系统坐标系中换流器输出电压q轴分量的参考值,gd为延时模拟环节。

处理单元802,用于将电压源型换流器并网系统数学模型进行线性化处理。电压源型换流器vsc并网系统数学模型是典型的非线性模型,为研究并网系统稳定性需要将其线性化,将式(62)-(71)中各变量f以小扰动f=f0+δf形式代入消去稳态量后可得到其线性化模型。

为得到vsc并网电流详细表达式,联立式(62)-(71)的线性化模型,经整理可求得考虑pll、延时、电压滤波器、直流电压扰动影响的内环电流控制线性化闭环表达式如下:

忽略次要因素,做第二假设条件如下:

(1)由于整个换流器系统延时很小一般为400~500us,假设td≈0,则gd=1;

(2)电压采样滤波器延时很小一般取值300us,tf≈0,则gf=1;

(3)直流电压维持恒定值,δudc=0;

考虑到以上第二假设条件,整理可得电流内环控制的简化传递函数为:

式中zic=sleq+req+gcl,由式(73)可以看出并网vsc的d、q轴电流扰动主要受pll输出扰动和电流参考值扰动影响,分别代表了pll、外环控制对电流内环控制的影响。

第二建立单元803,用于基于第二假设条件,获取电流的内环控制的简化传递函数;根据简化传递函数,将锁相环动态的输出相位表达式具体化,建立考虑锁相环动态影响的电压源型换流器并网电流的内环控制解析传递函数。为得到考虑pll和交流电网强度影响的电流内环控制解析传递函数模型,需要将式(73)中pll输出相位扰动表达式具体化,消去δθpll,构建从控制系统到主电路的闭环。

由式(73)及ugd=0,ugq=0可得:

整理可得:

附图5所示为式(75)的方框图,可直观的表示pll对内环电流控制的影响。

求解式(75)可得考虑pll影响的并网vsc电流内环控制解析表达式为

其中,

并网vsc系统电流内环控制小信号解析传递函数表达式的方框图如图6所示。从式(76)(78)可以看出,体现交流电网强度的等效电感lg在pll与电流内环控制交互影响中起决定作用,lg的大小决定了二者之间交互影响的严重程度。当交流电网为无穷大系统时,rg≈0,lg≈0,gdd=gqq=0,gdq=gqd=0,b=c=0,pll与电流内环控制间无影响,电流内环控制d、q轴控制间无影响。当交流电网强度较小时,lg≠0,pll与电流内环之间的交互影响加强,且由式(78)可知表征有功、无功大小的icd0、icq0越大,交互影响越明显。

设计单元804,用于基于内环控制解析传递函数分析电压源型换流器并网系统内环控制失稳机理并指导参数设计。

由式(80)可知决定内环电流控制稳定性的特征方程为

g0由三部分组成,gcl/zic反映了不考虑pll和电网强度的理想情况下内环控制的作用,gpll反映了pll的影响,剩余部分反映的是电网强度、有功电流(有功功率)、无功电流(无功功率)的影响。在单位功率因数假设下:

利用式(80)结合图7所示bode图或nyquist图上的稳定判据即可分析电网强度、有功功率、pll带宽等因素对内环控制稳定性的影响,并指导pll带宽及内环控制带宽参数设计。电网等效电抗决定bode图初始位置,锁相环带宽决定幅值最大值的位置,内环带宽不影响幅值最大值。根据电网强弱和内环带宽可合理选择锁相环带宽参数,保证满足bode图幅值最大值小于0的稳定判据。

本发明实施方式的电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模系统800与本发明另一实施方式的电压源型换流器并网系统内环控制解析传递函数建模方法100相对应,在此不再进行赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而,本领域技术人员所公知的,正如附带的专利权利要求所限定的,除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地,在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释,除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例,除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行,除非明确地说明。

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