一种构网型变流器直流侧电压混合控制方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及电力领域，具体涉及一种构网型变流器直流侧电压混合控制方法、系统及装置。


背景技术：

2.大量的可再生能源通过变流器接入电网，极大降低了电网的惯量和抗扰动能力，给大规模新能源消纳和电力系统安全稳定运行带来挑战。电力电子变流器具有控制灵活等特征，通过控制变流器使其在电网发生扰动时具备主动支撑和稳压稳频能力，称之为构网型变流器。通过构网型变流器的大量接入，一方面可以解决低惯量电力系统带来的抗扰动能力弱的问题，另一方面可极大降低电力系统火力、水力等旋转备用容量的需求。
3.然而电力电子变流器过流能力弱，适应复杂电网条件的鲁棒性较差。由于构网型变流器直流侧容量有限，难以实现快速功率支撑。当电网发生短路故障等极端工况时，直流侧电压波动导致构网型变流器稳定域度降低，易出现暂态失步等稳定问题，亟需提出具有强稳定能力的直流侧电压控制策略并开展暂态稳定优化设计方法研究，为工程设计提供理论指导。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种构网型变流器直流侧电压混合控制方法、系统及装置。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种构网型变流器直流侧电压混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.基于构网型变流器的拓扑结构及系统参数建立直流侧电压混合控制策略；
8.基于直流侧电容电路的动态特性构建构网型变流器的直流侧等值动态方程；基于拓扑结构中输出的各项角频率，构建构网型变流器的功率控制环；基于二端口网络传输特性，建立变流器输出有功与无功功率方程；结合直流侧等值动态方程、构网型变流器的功率控制环和变流器输出有功与无功功率方程构建在同步稳定尺度下的构网型变流器暂态数学模型；
9.通过构网型变流器暂态数学模型确定参考有功功率的变化曲线，基于等面积定则分析变化曲线确定参数对构网型变流器暂态稳定的影响；
10.通过数值积分方法计算不同参数摄动下的变流器临界故障切除时间；
11.以提高变流器的暂态稳定能力为目标，基于各参数对构网型变流器暂态稳定的影响和变流器临界故障切除时间来调整直流侧电压混合控制策略。
12.进一步地，所述直流侧电压混合控制策略对直流侧电压偏差值采用无差控制，输出值分别反馈至参考角频率值和参考有功功率值，参考角频率值为输出值乘以比例系数1-k(0≤k≤1)，参考有功功率值为输出值乘以比例系数k和参考直流侧电压值。
13.进一步地，所述构网型变流器的直流侧等值动态方程的构建包括以下步骤：
14.直流侧电压混合控制环节的数学模型如下式所示：
[0015][0016]
其中，和u
dc
分别是参考直流侧电压和实测电压，k
p1
和k
i1
代表直流侧pi控制环比例和积分系数，k为混合系数，p0为直流侧电压控制环输出的参考有功功率；
[0017]
考虑到直流侧电容电路的动态特性，其数学模型可以建立如下：
[0018][0019]
其中ic为直流侧电容电流，i
in
和i
out
分别代表直流侧输入和输出电流；id是流过直流侧撬棒电路的电流，c
dc
是直流侧电容值；
[0020]
基于公式(2)可以得到构网型变流器的直流侧等值动态方程：
[0021][0022]
其中，p
in
和p
out
代表输入有功功率和输出有功功率，pd是撬棒功率损耗，一般不考虑撬棒功率损耗，即pd＝0；j
dc
定义为变流器的等值惯量系数，其值等于c
dc
u2 dc/p
rated
，与直流侧电容u
dc
及其额定容量p
rated
相关；忽略变流器开关管的功率损耗，变流器直流侧输入有功与交流侧输出有功功率相等，即p
out
＝p
em
＝t
em
ω0。
[0023]
进一步地，所述构网型变流器的功率控制环可表示为：
[0024][0025]
其中ω0是参考角频率值，ω1是vsg功率环输出的角频率，ω2是vsg直流侧电压混合控制输出的角频率，ω
ii
是vsg的总角频率，θ代表相角，t0为参考转矩t
em
是电磁转矩，j和d
p
分别代表惯量和阻尼系数。
[0026]
进一步地，所述变流器输出有功与无功功率方程的构建包括以下步骤：
[0027]
以电网相角为参考坐标系，定义δ为构网型变流器与电网间的相角差
[0028][0029]
考虑到电压电流内环响应速度较快，因此可以假设电压电流内环的动态过程可以忽略，得到构网型变流器端口电压与输出电流的关系如下式所示
[0030]vabc
＝g(s)e
abc-z(s)i
abc (6)
[0031]
其中v
abc
是滤波器后的电压，g(s)e
abc
是变流器等值内电势，i
abc
是变流器输出电流值，z(s)为考虑了内环控制与线路阻抗的等值阻抗；
[0032]
根据二端口网络传输特性，变流器输出有功与无功功率为
[0033][0034]
其中，g
eq
＝r
eq
/(r2 eq+x2 eq)，b
eq
＝-x
eq
/(r2 eq+x2 eq)；x
eq
和r
eq
是等值阻抗z
eq
的电导和电纳。
[0035]
进一步地，所述参考有功功率的可表示为：
[0036][0037]
进一步地，所述通过数值积分方法计算不同参数摄动下的变流器临界故障切除时间，包括以下步骤：
[0038]
临界故障切除时间的计算的条件为
[0039][0040]
将式(9)代入式(10)可得
[0041][0042]
上述方程可通过数值计算的方法进行求解；当δ
max
＝δu时，所求得得变流器的δc为临界故障切除角δ
cr
；将临界故障切除角代入式(4)即可求得临界故障切除时间t
cr
，如下式所示：
[0043][0044]
本技术还提出一种构网型变流器直流侧电压混合控制系统，包括以下模块：
[0045]
控制模块：基于构网型变流器的拓扑结构及系统参数建立直流侧电压混合控制策略；
[0046]
构网型变流器暂态数学模型建立模块：基于直流侧电容电路的动态特性构建构网型变流器的直流侧等值动态方程；基于拓扑结构中输出各项角频率，构建构网型变流器的功率控制环；基于二端口网络传输特性，建立变流器输出有功与无功功率方程；结合直流侧等值动态方程、构网型变流器的功率控制环和变流器输出有功与无功功率方程构建在同步稳定尺度下的构网型变流器暂态数学模型；
[0047]
参数分析模块：通过构网型变流器暂态数学模型确定参考有功功率的变化曲线，基于等面积定则分析变化曲线确定参数对构网型变流器暂态稳定的影响；
[0048]
故障分析模块：通过数值积分方法计算不同参数摄动下的变流器临界故障切除时间；
[0049]
反馈模块：基于参数分析模块和故障分析模块的参数分析结果调整控制模块中的直流侧电压混合控制策略。
[0050]
本技术还提出一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如上述任一项所述的构网型变流器直流侧电压混合控制方法。
[0051]
本技术还提出一种控制装置,包括：
[0052]
至少一个存储器，用于存储程序；
[0053]
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如上述任一项所述的构网型变流器直流侧电压混合控制方法。
[0054]
本发明的有益效果：
[0055]
本发明通过将直流侧电压偏差反馈至参考有功功率和，建立同步稳定尺度下含直流侧电压控制环节的构网型变流器暂态数学模型，定性分析直流侧电压控制对变流器的稳定影响机制；之后利用临界故障切除时间定量分析不同参数的影响规律，为直流侧电压控制参数优化设计提供参考。优化设计后的构网型变流器具有较强的稳定能力，保证变流器的安全稳定运行。
附图说明
[0056]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0057]
图1为构网型变流器直流侧控制拓扑结构图；
[0058]
图2为构网型变流器直流侧电压混合控制框图；
[0059]
图3为基于等面积定则的直流侧电压混合控制对构网型变流器暂态稳定影响机理分析图；
[0060]
图4为构网型变流器关键参数摄动影响定量分析结果；
[0061]
图5为本公开方法的实施步骤流程图；
[0062]
图6为控制参数优化设计前后构网型变流器仿真结果对比图。
具体实施方式
[0063]
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作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。
[0064]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0065]
为了便于理解，本公开建立以下电力电子变流器控制结构进行阐述本公开的构思，电所涉及的变流器硬件结构与控制结构如图1所示。变流器硬件结构包含直流微源以及进行电能变换的dc/ac变流器。其中直流微源包括但不限于储能电池、光伏板等直流形式电源。直流电输入经过dc/ac变流器变换为交流电接入公共母线。dc/ac变流器输出端接lc滤波电感电容；电力电子变流器控制结构主要包含直流侧电压控制模块、功率控制模块、电压控制模块、电流控制模块和脉冲宽度调制/驱动模块。通过采集变流器直流侧电压输入电压控制环实现直流侧稳压控制；采集变流器端口电压和输出电流计算得到输入有功和无功功率，经过有功功率环和无功控制环分别得到控制相角和参考电压幅值；电压控制模块经过pi控制环对参考电压实现无差跟踪输出参考电流值；电流控制模块控制变流器的输出电流
幅值，通过给定电流参考值经过pi控制环实现无差跟踪；脉冲宽度调制和/或驱动模块产生调制信号驱动igbt等开关器件。
[0066]
步骤1：本公开实施例首先获取构网型变流器的拓扑结构及系统参数，构网型变流器控制结构如图1所示。针对直流侧电压动态控制问题，提出直流侧电压混合控制策略，其控制框图与功率控制环的拓扑结构如图2所示。其中，直流侧电压混合控制策略包括以下步骤：
[0067]
将直流侧电压偏差值经过pi控制实现无差控制，输出值分别反馈至参考角频率值和参考有功功率值。参考角频率值为输出值乘以比例系数1-k(0≤k≤1)，参考有功功率值为输出值乘以比例系数k和参考直流侧电压值，从而实现直流侧电压混合控制。
[0068]
步骤2：在建立同步稳定尺度下的构网型变流器暂态模型前，考虑到构网型变流器暂态响应主要由功率控制环动态决定，电压电流控制环能够快速达到稳定状态，即变流器端口电压v
abc
的幅值等于参考电压值eq，输出电流i
dq
等于变流器参考电流值i
dq
。直流侧电压混合控制环节的数学模型如下式所示：
[0069][0070]
其中，p0为直流侧电压控制环输出的参考有功功率；和u
dc
分别是参考直流侧电压和实测电压，k
p1
和k
i1
代表直流侧pi控制环比例和积分系数，k为混合系数。考虑到直流侧电容电路的动态特性，其数学模型可以建立如下：
[0071][0072]
其中ic为直流侧电容电流，i
in
和i
out
分别代表直流侧输入和输出电流，c
dc
是直流侧电容值。id是流过直流侧撬棒电路的电流。基于公式(2)可以得到构网型变流器的直流侧等值动态方程：
[0073][0074]
其中，p
in
和p
out
代表输入有功功率和输出有功功率，pd是撬棒功率损耗，一般不考虑撬棒功率损耗，即pd＝0。j
dc
定义为变流器的等值惯量系数，其值等于c
dc
u2 dc/p
rated
，与直流侧电容u
dc
及其额定容量p
rated
相关。忽略变流器开关管的功率损耗，变流器直流侧输入有功与交流侧输出有功功率相等，即p
out
＝p
em
＝t
em
ω0。
[0075]
构网型变流器的功率控制环可表示为：
[0076][0077]
其中ω0是参考角频率值，ω1是vsg功率环输出的角频率，ω2是vsg直流侧电压混合控制输出的角频率，ω
ii
是vsg的总角频率，θ代表相角，t
em
是电磁转矩，t0为参考转矩。j和d
p
分别代表惯量和阻尼系数。以电网相角为参考坐标系，定义δ为构网型变流器与电网间的相角差
[0078][0079]
考虑到电压电流内环响应速度较快，因此可以假设电压电流内环的动态过程可以忽略，得到构网型变流器端口电压与输出电流的关系如下式所示
[0080]vabc
＝g(s)e
abc-z(s)i
abc (6)
[0081]
其中v
abc
是滤波器后的电压，g(s)e
abc
是变流器等值内电势，i
abc
是变流器输出电流值，z(s)为考虑了内环控制与线路阻抗的等值阻抗。根据二端口网络传输特性，变流器输出有功与无功功率为
[0082][0083]
其中，g
eq
＝r
eq
/(r2 eq+x2 eq)，b
eq
＝-x
eq
/(r2 eq+x2 eq)。e是变流器端口电压有效值，vg是电网等值电压值。x
eq
和r
eq
是等值阻抗z
eq
的电导和电纳。根据式(3)、(4)、(7)可得到同步稳定尺度下构网型变流器的暂态数学模型
[0084][0085]
步骤3：由步骤2建立的构网型变流器暂态数学模型可知，变流器的暂态同步稳定主要由直流侧电压控制环与功率控制环决定。根据式(8)可知，直流侧电压控制环将输出参考有功功率p0。因此，直流侧电压控制环对构网型变流器的影响主要体现在参考有功功率的改变，其数学关系满足式(9)。
[0086][0087]
当电网发生故障时，变流器输出有功功率曲线从曲线i变为曲线ii，如图3所示。有功功率p
em
的减小将导致直流侧电容输入输出功率不平衡，进而引起参考有功功率p0增加，如图3中虚线所示。与恒定参考有功相比，参考有功的增加将导致加速面积从s1增加为s1+s3。当电网故障清楚后，变流器的有功输出曲线由曲线ii变为曲线iii。此时变流器输出有功大于额定有功功率，变流器进入减速状态，其减速面积为s2+s4。通过上述分析可知，直流侧电压控制将导致构网型变流器在电网发生故障时加速面积增加，从而恶化变流器稳定性，并且恶化程度与具体参数影响主要由式(9)决定。通过数值积分法可对式(9)中的关键参数c
dc
、k
p1
和k
i1
的影响进行分析，分析结果如表1所示。
[0088]
表1关键参数对构网型变流器暂态稳定的影响
[0089][0090]
步骤4：根据步骤2中定性分析得到的结论利用数值积分方法计算不同参数摄动下的变流器临界故障切除时间。临界故障切除时间的计算的条件为
[0091][0092]
将式(9)代入式(10)可得
[0093][0094]
上述方程可通过数值计算的方法进行求解。当δ
max
＝δu时，所求得得变流器的δc为临界故障切除角δ
cr
。将临界故障切除角代入式(4)即可求得临界故障切除时间t
cr
，如下式所示。
[0095][0096]
步骤5：根据步骤3基于临界故障切除时间的定量分析结果可知，k
p
和ki参数的增加将会恶化系统稳定性，而增加直流侧电容大小有利于系统的稳定性。根据上述分析结果对构网型变流器直流侧电压控制参数进行优化设计，增强变流器的暂态稳定能力。
[0097]
图6给出了实施例在1s电网电压跌落至30％时，在1.3s切除故障时构网型变流器不同控制参数下的相平面仿真结果对比图。从图中观察可知，经过参数优化后的构网型变流器在故障切除后能够回归稳定运行状态，而直流侧电压反馈有功功率或反馈参考角频率控制下的变流器将出现暂态同步失稳问题，结果验证了所提直流侧电压混合控制策略及其优化设计方法的有效性和准确性。
[0098]
本发明实施例还公开了一种构网型变流器直流侧电压混合控制系统，包括以下模块：
[0099]
控制模块：基于构网型变流器的拓扑结构及系统参数建立直流侧电压混合控制策略；
[0100]
构网型变流器暂态数学模型建立模块：基于直流侧电容电路的动态特性构建构网型变流器的直流侧等值动态方程；基于拓扑结构中输出各项角频率，构建构网型变流器的功率控制环；基于二端口网络传输特性，建立变流器输出有功与无功功率方程；结合直流侧等值动态方程、构网型变流器的功率控制环和变流器输出有功与无功功率方程构建在同步
稳定尺度下的构网型变流器暂态数学模型；
[0101]
参数分析模块：通过构网型变流器暂态数学模型确定参考有功功率的变化曲线，基于等面积定则分析变化曲线确定参数对构网型变流器暂态稳定的影响；
[0102]
故障分析模块：通过数值积分方法计算不同参数摄动下的变流器临界故障切除时间；
[0103]
反馈模块：基于参数分析模块和故障分析模块的参数分析结果调整控制模块中的直流侧电压混合控制策略。
[0104]
本发明实施例还公开了一种控制装置，该控制装置用于运行数据库存储过程，其中，所述运行数据库存储过程时执行如上述公开的一种构网型变流器直流侧电压混合控制方法。
[0105]
本发明实施例还公开了一种计算机存储介质，所述存储介质包括存储数据库存储过程，其中，在所述数据库存储过程运行时控制所述存储介质所在设备执行如上述公开的一种构网型变流器直流侧电压混合控制方法。
[0106]
在本公开的上下文中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0107]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。