一种T型三电平通用等效受控源模型建模方法

本发明属于新能源发电与并网领域，具体涉及一种t型三电平通用等效受控源模型建模方法。

背景技术：

1、随着新型电力系统概念的提出，风电、光伏等新能源大量接入电网，电力电子装备在整个电力系统中的数量也日趋增多。目前电力系统中的变流器可分为跟网型变流器和构网型变流器[5]。在新能源大量接入的背景下，由于同步发电机提供的转动惯量大量减少，传统的跟网型控制在稳定性方面已逐渐不能满足系统要求，构网型变流器摒弃了传统变流器依赖锁相环跟踪电网相位的方式，通过模拟同步发电机的运行特性，通过引入虚拟惯量提高新能源电网的稳定性。学者liy,guy在2022年详细分析了跟网型和构网型两种变流器的相似和不同并阐述了两种变流器的对偶特性，2022年武汉大学针对两种变流器在电网中的混联和交互进行了详细的建模分析，为低惯量微电网中2类逆变器的容量规划、参数设计和控制器优化提供了理论支撑。上世纪80年代，日本长冈科技大学在ieee工业应用上首次提出提出如图所示的二极管箝位型(npc)三电平逆变器结构，自此之后多电平逆变器的发展十分迅速。相对于传统的双电平变流器，三电平变流器谐波小、开关损耗小，输出能够得到很好的正弦波，并且本身的电磁干扰问题得到极大的减轻。

2、目前针对电力电子拓扑的建模主要可以分为：(1)状态空间平均法。(2)电路平均法。前者由20世纪70年代美国caltech等教授提出，前者针对电力电子系统稳态工作点附近进行线性化分析，通过引入开关周期平均算子定义，将一个开关周期中电感电容中的电流电压用其开关周期中的平均值代替，但该方法计算繁琐，且物理意义不明确；后者针对电力电子系统中的开关器件进行平均化处理，对于原电路中的阻感元件不做处理，物理意义清晰明确。针对t型三电平的建模，国外学者peraltaj、saadh在2013年将桥臂电压建模为受控电压源，该方法只能仿真模块化多电平电路的外特性，不能计算子模块电容电压，不能反映模型的内部特性与原先模型是否等效。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种t型三电平通用等效受控源模型建模方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种t型三电平通用等效受控源模型建模方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据调制方式确定t型三电平电路中开关管的开关顺序，并根据开关顺序和工作方式确定各开关管之间的开关关系；

5、步骤2：根据开关管之间的开关关系确定各开关管所受平均电压和流经平均电流，并将t型三电平电路中开关管用受控源代替，得到等效受控源电路模型；

6、步骤3：将等效受控源电路模型的输出经滤波器和等效线路阻抗后进行等效受控源电路模型功率计算，求得参考电压，

7、步骤4：将参考电压经pi控制后生成参考调制波反馈到等效受控源电路模型中实现等效受控源电路模型输出电压的闭环控制；进而得到具有输出电压的闭环控制的t型三电平通用等效受控源模型。

8、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

9、步骤1中，根据调制方式确定t型三电平电路中开关管的开关顺序，并根据开关顺序和工作方式确定各开关管之间的开关关系的具体方法如下：t型三电平电路包括三相t型电路，每相t型电路均包括反向并联二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，分别记为sx1、sx2、sx3和sx4，其中，x＝a或b或c，a、b、c的含义为t型三电平电路的相，所述的第一开关管与正直流母线连接，所述第四开关管与负直流母线连接，所述的第一开关管和第四开关管连接处具有节点，所述的第二开关管与节点连接，所述第三开关管连接在所述的第二开关管和节点之间，开关管sx1、sx3互补导通，开关管sx2、sx4互补导通，同时控制一相桥臂在特定时间内开关不动作，工作模式分为三种：模式一：开关管sx1、sx2导通；模式二：开关管sx2、sx3导通；模式三：开关管sx3、sx4导通。

10、步骤2中，得到等效受控源电路模型的具体方法如下：

11、将t型三电平电路中的开关管根据pdpwm调制策略进行平均化处理，最终各开关管转化为依据平均占空比和光伏输出端电压的受控源，进而得到等效受控源电路模型，各受控源详细关系式如下：

12、

13、式中字母上方横线表示经过电路平均法处理过的平均值，式中：

14、表示受控电压源，代替第一开关管sx1，

15、表示第一受控电流源，代替第二开关管sx2和第三开关管sx3的组合，

16、表示第二受控电流源，代替第四开关管sx4，

17、e表示光伏输出电压，

18、表示等效受控源模块单相输出电流，

19、d1为开关管sx1、sx2导通时的导通占空比，

20、d2为d1与开关管sx2、sx3导通时的导通占空比之和。

21、pdpwm调制策略为：

22、根据开关管的开通顺序向t型三电平电路输出调制信号，控制开关管开断，

23、根据上述开关策略，设开关管sx1、sx2、sx3、sx4的占空比分别为dx1、dx2、dx3、dx4，可得各开关管之间的开关关系如式(2)所示：

24、

25、其值为：

26、

27、式中uxm为开关管调制波。

28、设模式一、二、三的导通占空比分别为p1，p2、p3，则开关管各部分电压电流的表达式为：

29、

30、同时由开关模式可得：

31、

32、将式(4)、(5)整理合并可得：

33、

34、由此可将式(4)中的变量p转化为单个开关管的占空比d的数学方程，整理可得式(1)。

35、步骤3中，将等效受控源电路模型输出经滤波器和等效线路阻抗后进行等效受控源电路模型功率计算，求得参考电压的具体步骤为：根据滤波器和等效线路阻抗的结构制作滤波器和等效线路阻抗模型，如式7所示，

36、

37、其中，lf、rf、cf分别为滤波器电感及其寄生电阻和滤波电容，ud、uq分别为滤波器侧输出的d轴电压和q轴电压，id、iq分别为滤波器侧输出的d轴电流和q轴电流，ild和ilq是d轴等效受控源电路模型输出电流和q轴等效受控源电路模型输出电流,ω为系统实际角速度，le、re分别为线路等效电感和电阻，ed和eq分别为d轴等效受控源电路模型输出电压和q轴等效受控源电路模型输出电压，upd和upq分别为d轴并网点电压和q轴并网点电压，对式(7)进行线性化，得到滤波器和等效线路阻抗模型为：

38、

39、其中，为ild的微分，为ilq的微分，为ud的微分，为uq的微分，为id的微分，为iq的微分，

40、

41、

42、

43、根据式(8)计算出的滤波器侧输出电压和电流u、i，计算出等效受控源电路模型中虚拟同步机的功率p、q，如式(12)所示，

44、

45、式中：p为等效受控源电路模型中虚拟同步机的有功功率，q为等效受控源电路模型中虚拟同步机的无功功率，为等效受控源电路模型中虚拟同步机电压电流夹角，

46、虚拟同步机功率环的表达式为：

47、

48、式中：j为虚拟转动惯量；pref为有功功率参考值；kw为有功下垂系数；d为阻尼系数；kq为无功下垂系数；uref为电压参考值；ωn为系统额定角速度；un：系统额定电压，

49、将式(13)线性化得出虚拟同步机功率环模型为：

50、

51、为系统实际角速度的微分，pe为线路等效受控源模块输出的实际功率。

52、根据式(14)求得dq轴坐标下的d轴电压参考值和q轴电压参考值urefd、urefq，将d轴电压参考值和q轴电压参考值urefd、urefq通过dq转abc坐标变换转换到abc坐标轴下，得到参考电压uref。

53、参考电压uref经pi控制后生成t型三电平调制波，将调制波进行pdpwm调制策略调制后进行平均化运算，得到受控源的受控信号，实现具有输出电压的闭环控制的t型三电平通用等效受控源模型的闭环控制。

54、与现有技术相比，本发明针对新能源系统，首先基于电路平均法，将原变流器拓扑中的开关元件用受控源代替，完成t型三电平的数学模型建立，之后利用数学模型形成构网型vsg(虚拟同步机)控制的状态空间模型。通过该方法，有效地将多电平应用到构网型vsg控制中，摆脱了传统两电平三相pwm逆变的光伏系统存在谐波大、效率低等问题。并很好地避免了t型三电平分析中开关管过多，分析困难等问题，且等效后的受控源系统，与原t型三电平拓扑具有相同的输出特性，具有很好的代表性。