弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析方法与流程

本发明属于并网电压源型换流器稳定性分析领域，尤其涉及弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术，由于其不存在换相失败，可进行电网黑启动等优势，被认为可替代现有基于电网换流器的传统常规直流输电技术的有效手段。然而，随着直流线路功率传输容量的增大，受端电网强度迅速下降。以我国华东地区为例，n-2运行方式下部分直流集中馈入节点的电网强度已下降至2以下，对应区域在该运行方式下已变为极弱电网。现有研究表明，当电网强度下降为极弱电网时，基于电压源型换流器的柔性直流系统已无法稳定运行，因此，非常有必要对影响其稳定运行的关键环节与主导因素进行有效分析。

电压前馈控制由于其能够提高扰动下电流输出动态特性的特点，被广泛应用于并网电压源型换流器的控制中。然而，现有研究表明，弱电网连接条件下电网电压前馈环节将会恶化并网系统的稳定性。

发明人在研究中发现，现有电压前馈环节对换流器稳定性的影响分析方法主要分为小信号分析方法与阻抗建模分析方法。然而，现有的基于小信号的分析方法依赖于状态空间矩阵的建立，模型阶数可高达数十阶且建模过程复杂，导致分析过程困难。

另一类基于阻抗的分析方法，在锁相环的作用下不同频率下的阻抗将会产生耦合，且其在考虑外环控制后建模难度进一步复杂，原有的单输入输出系统将转化为多输入输出系统，增加了整体分析的复杂程度与难度。上述两类方法均不能直接说明弱电网条件下电压前馈环节对并网换流器系统稳定性分析的影响，其分析仅通过数值计算给出了结果，不能够直接说明电压前馈环节的引入对并网换流器系统稳定性的直接影响。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析方法，该方法基于小信号模型，将高阶的多输入多输出小信号模型简化为单输入单输出的解析传递函数，将电压前馈环节对电压源型换流器控制稳定性的影响直接表达为单独的开环传递函数，更加准确、直接地分析出电压前馈环节对并网换流器系统的影响。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析方法，包括：

根据弱电网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型；

将数学模型线性化，得到弱电网连接条件下的电压源型换流器的小信号数学模型；

将小信号数学模型进行化简，得到能够表征电流环电流扰动与其输出电压扰动之间影响的单输入单输出的解析传递函数，即将电压前馈环节对电压源型换流器控制稳定性的影响直接表达为单独的开环传递函数；

根据得到的传递函数，分析电网电压前馈环节对弱网连接下电压源型换流器稳定影响。

进一步的技术方案，根据弱电网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型之前需要作如下假设，具体为：

电网电压前馈环节的滤波时间常数非常小，近似认为其传递函数gf≈1；

控制环节延时相对电流环时间常数可忽略，近似认为其传递函数gd≈1；

外环控制较慢，认为其对内环控制的扰动响应较慢，忽略外环控制动态影响，δudc≈0。

进一步的技术方案，根据电压源型换流器典型拓扑，建立dq坐标系下电压源型换流器的的主电路模型，主电路模型在dq坐标系下的表达方式为：

其中，rp,lp代表换流器滤波电阻与电感；rg,lg代表电网等效电阻与电感；rac＝rg+rp,lac＝lg+lp代表交流侧总等效电阻与电感。ucd,ucq代表换流器交流侧出口电压在dq坐标系下的分量；ud,uq代表pcc节点电压在dq坐标系下的分量；ugd,ugq代表交流电网等效电势在dq坐标系下的分量；id,iq代表电流在dq坐标系下的分量。其中电网强度由短路比scr(shortcircuitratio,scr)进行表征。

进一步的技术方案，建立控制系统在dq坐标系下的数学模型；

电流内环控制系统的数学模型分为锁相环数学模型与电流环数学模型。本发明中采用pcc节点电压定向方法，因此在稳态条件下，有θpll0＝θabc0＝0，即锁相环跟踪相角与pcc节点电压相角相同。而在负荷扰动等暂态过程中，锁相环跟踪相角在过渡过程中存在跟踪相角误差，即θpll≠θs，在小信号的分析过程中需要考虑这个相角误差造成的影响。因此本发明中将其分为控制坐标系与主电路坐标系。控制坐标系与主电路坐标系之间的关系为：

其中，f代表电气分量，如对应的电压，电流等。下标d,q代表对应分量在dq坐标系下的表示；上标cf代表对应分量在控制坐标系下的表示；θpll代表锁相环的跟踪相角。

锁相环控制系统的开环传递函数与pi环节可以表达为：

其中tpll(s)代表锁相环开环传递函数，kppll代表锁相环pi的比例系数，kipll代表锁相环pi环节的积分系数。其比例系数与积分系数的可由下式计算。

其中ξ代表阻尼比系数，一般取0.707；下标0代表其对应分量的稳态值；ud0即代表d轴电压稳态分量；ωpll代表锁相环带宽。

考虑电压前馈的电流环控制数学模型为：

不采用电压前馈的电流环控制为：

电流环pi环节的表示为：

其中上标“-ref”代表对应分量下的参考值。kpgsc代表电流环pi的比例系数；kigsc代表电流环pi的积分系数。电流环比例系数与积分系数的计算方法为：

其中，ωcl代表电流环的设计带宽

调制环节的表达式为：

其中θpll代表锁相环的跟踪相角，udc代表换流器的直流侧电压。综上即可得到并网换流器的主电路参数数学模型与控制系统数学模型。

进一步的技术方案，将并网换流器的主电路参数数学模型与控制系统数学模型线性化，应用前述假设，将上述各分量以f1＝f0+δf形式进行代入并消去稳态分量，得到电流dq轴分量δid、δiq与其参考值之间的关系；

对上式作进一步简化可得到dq轴电流扰动δid、δiq的表达式：

其中：

进一步的技术方案，根据电流环dq坐标系下各分量与其参考值之间的关系得出：

dq轴电流分量与其参考值之间的关系转化为典型的单位负反馈系统，则电流环的稳定性仅取决于开环增益g0，即将高维数的状态空间方程转化成简单的一维传递函数模型。

进一步的技术方案，考虑到并网电压源型换流器采用单位功率因数控制方法uq0＝0,iq0＝0则可进一步简化不采用电网前馈控制下的开环增益；

g0＝g1gcouple；

其中：

根据开环传递函数g0，使用控制理论中的稳定性分析方法，根据伯德图或奈奎斯特判据即可直接分析不含电压前馈环节并网电压源型换流器控制的稳定性。根据开环传递函数t0，即可直接分析电压前馈环节对电流环稳定性产生的影响。

进一步的，若电网强度无穷大，则可以认为lg≈0,rg≈0，则电流扰动δid、δiq的表达式变为：

即电网强度无穷大时，电流环的稳定性仅与其自身的控制以及vsc自身主电路参数有关，与锁相环参数以及电网强度无关。相应的，此时gcouple为0，即电网强度无穷大时电压前馈环节不会对电流环的稳定性造成影响。而随着电网强度的减弱，gcouple的影响逐渐增大，增强电流环稳定性。由于使用电压前馈时抵消了gcouple的辅助增强作用，因此在弱电网条件下的电压前馈环节恶化了电流环的稳定性。

本发明公开了弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析系统，包括：

模型建立模块，根据弱电网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型；

线性化处理模块，将数学模型线性化，得到弱电网连接条件下的电压源型换流器的小信号数学模型；

传递函数建立模块，将小信号数学模型进行化简，得到能够表征电流环电流扰动与其输出电压扰动之间影响的单输入单输出的解析传递函数，即将电压前馈环节对电压源型换流器控制稳定性的影响直接表达为单独的开环传递函数；

稳定性分析模块，根据得到的传递函数，分析电网电压前馈环节对弱网连接下电压源型换流器稳定影响。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

针对弱网连接下的电压源型换流器，将高阶的多输入多输出小信号模型简化为单输入单输出的解析传递函数。

该方法可直接分析弱网连接条件下电网电压前馈环节对电压源型并网换流器产生的影响，将电压前馈环节对电压源型换流器控制稳定性的影响直接表达为单独的开环传递函数，更加准确、直接地分析出电压前馈环节对并网换流器系统的影响。且具有良好的延伸特性，具有准确、快速的特点且方法简单实用，对于保证准确分析与评估电压前馈环节对电压源型换流器并网稳定性的影响由重大意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本公开实施例子的一种典型的并网电压源型换流器拓扑与控制示意图；

图2为本公开实施例子的坐标空间相对位置示意图；

图3(a)为本公开实施例子的d轴电流环的小信号模型控制框图；

图3(b)为本公开实施例子的q轴电流环的小信号模型控制框图；

图4(a)为本公开实施例子的弱电网条件下(scr＝1.2)采用电网电压前馈环节与不采用电网电压前馈环节d轴电流与其参考值之间的关系；

图4(b)为本公开实施例子的弱电网条件下(scr＝1.2)，采用本发明得到的解析函数计算后，采用电网电压前馈环节与不采用电网电压前馈环节的开环传递函数的伯德图；

图4(c)为本公开实施例子的弱电网条件下(scr＝1.2)，采用本发明得到的解析函数计算后，采用电网电压前馈环节与不采用电网电压前馈环节的开环传递函数的nyquist图；

图5为本公开实施例子的电网强度对不采用电网前馈环节引入的耦合项产生的影响。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

针对弱网连接下的电压源型换流器，将高阶的多输入多输出小信号模型简化为单输入单输出的解析传递函数，将电压前馈环节对电压源型换流器控制稳定性的影响直接表达为单独的开环传递函数，更加准确、直接地分析出电压前馈环节对并网换流器系统的影响。

实施例一

本实施例公开了弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析方法，包括：

(1)根据弱网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型与基础假设；

(2)将步骤(1)中的数学模型进行线性化，得到弱网连接条件下的并网换流器小信号数学模型；

(3)将步骤(2)中的小信号模型进行化简，得到能够表征电流环电流扰动与其电流参考值扰动之间影响的传递函数；

(4)根据步骤(3)中得到的传递函数，提取出仅包含电压前馈环节影响的传递函数gcouple；

(5)根据步骤(4)中得到的传递函数，根据幅值裕度与相位裕度以及奈奎斯特判据分析弱电网条件下，对比使用电压前馈控制与不使用电压前馈控制时并网换流器系统的稳定性；

(6)根据步骤(5)中得到的传递函数，根据幅值裕度与相位裕度以及奈奎斯特判据分析不同电网强度下电压前馈环节对耦合项gcouple的影响的机理，指导控制策略的设计。

具体实施例中，根据典型的电压源型并网换流器控制做合理假设：

如图1所示，为了考虑电网电压前馈环节对电压源型并网换流器稳定性的影响，采用合理的假设简化分析过程。

电网电压前馈环节的滤波时间常数非常小，近似认为其传递函数gf≈1。

控制环节延时相对电流环时间常数可以忽略，近似认为其传递函数gd≈1。

外环控制较慢，认为其对内环控制的扰动响应较慢，忽略外环控制动态影响，认为δudc≈0。

具体实施例中，建立电压源型并网换流器主电路模型。

其中，rp,lp代表换流器滤波电阻与电感；rg,lg代表电网等效电阻与电感；rac＝rg+rp,lac＝lg+lp代表交流侧总等效电阻与电感。ucd,ucq代表换流器交流侧出口电压在dq坐标系下的分量；ud,uq代表pcc节点电压在dq坐标系下的分量；ugd,ugq代表交流电网等效电势在dq坐标系下的分量；id,iq代表电流在dq坐标系下的分量。其中电网强度由短路比scr(shortcircuitratio,scr)进行表征。

具体实施例中，建立控制系统在dq坐标系下的数学模型。本发明中采用pcc节点电压定向方法，因此在稳态条件下，有θpll0＝θabc0＝0，即锁相环跟踪相角与pcc节点电压相角相同。而在负荷扰动等暂态过程中，锁相环跟踪相角在过渡过程中存在跟踪相角误差，即θpll≠θabc，在小信号的分析过程中需要考虑这个相角误差造成的影响。因此本发明中将其分为控制坐标系与主电路坐标系。控制坐标系与主电路坐标系之间的关系示于图2中，坐标系之间的转换关系为：

其中，f代表电气分量，如对应的电压，电流等。下标d,q代表对应分量在dq坐标系下的表示；上标cf代表对应分量在控制坐标系下的表示；θpll代表锁相环的跟踪相角。

锁相环控制系统的开环传递函数与pi环节可以表达为：

其中tpll(s)代表锁相环开环传递函数，kppll代表锁相环pi的比例系数，kipll代表锁相环pi环节的积分系数。其比例系数与积分系数的可由下式计算。

其中ξ代表阻尼比系数，一般取0.707；下标0代表其对应分量的稳态值；ud0即代表d轴电压稳态分量；ωpll代表锁相环带宽。

考虑电压前馈的电流环控制数学模型为：

不采用电压前馈的电流环控制为：

电流环pi环节的表示为：

其中上标“-ref”代表对应分量下的参考值。kpgsc代表电流环pi的比例系数；kigsc代表电流环pi的积分系数。电流环比例系数与积分系数的计算为：

其中，ωcl代表电流环的设计带宽

调制环节的表达式为：

具体实施例中，建立电压源型并网换流器的电流环小信号模型：

将并网换流器的主电路参数数学模型与控制系统数学模型线性化，应用前述假设，将上述各分量以f1＝f0+δf形式进行代入并消去稳态分量，得到电流dq轴分量δid、δiq与其参考值之间的关系：

对上式作进一步简化可得到dq轴电流扰动δid、δiq的表达式：

其中：

其中，下标0代表各个变量在的运行点稳态值。δ代表小信号分量；上标-ref代表对应分量的参考值；hpll代表锁相环闭环传递函数；lac代表交流侧总电感值；lg代表等效电网强度电感值；ω代表工频角速度；gcl代表电流环pi；

上述电流小信号分量与其参考值之间的关系可以得到如图3所示的框图，基于上述电流小信号分量与其参考值之间的关系可看出，采用本发明中的小信号模型后，电流环可以抽象为典型的单位反馈系统，其稳定性仅取决于开环增益g0，即将高维数的状态空间方程转化成简单的一维传递函数模型。因此，在分析过程中仅需要考虑g0的稳定性即可。考虑到并网电压源型换流器一般采用单位功率因数控制方法，有uq0＝0,iq0＝0，则不采用电网前馈控制下的开环增益为：

g0＝g1gcouple(16)

其中：

上式中，gcouple即代表由不加入电网电压前馈环节导致的耦合项。

根据开环传递函数g0与gcouple，使用控制理论中的稳定性分析方法，根据伯德图或奈奎斯特判据即可直接分析不含电压前馈环节并网电压源型换流器控制的稳定性，以及电压前馈环节对产生的影响。

抽象出电压前馈环节影响的表达式。具体为：

由上可以看出，当电网强度比较弱的时候，电压前馈环节对电流环稳定性的影响分别由锁相环，电流环，以及电网等效阻抗等共同作用产生。借助数学工具计算计算分析可以发现，gcouple对电流环的稳定性主要体现在中频段截止频率附近起到了相位与幅值的补偿作用，主要是相位的补偿作用。采用电压前馈环节时，gcouple的补偿作用被抵消，同时相对于不采用电压前馈环节时采用电压环节在截止频率附近产生较大的相位滞后现象。

具体实施例中，若电网强度无穷大，则可以认为lg≈0,rg≈0，则式(15)变为：

即电网强度无穷大时，电流环的稳定性仅与其自身的控制以及vsc自身主电路参数有关，与锁相环参数以及电网强度无关。相应的，此时gcouple为0，即电网强度无穷大时电压前馈环节不会对电流环的稳定性造成影响。而随着电网强度的减弱，gcouple的影响逐渐增大，增强电流环稳定性。由于使用电压前馈时抵消了gcouple的辅助增强作用，因此在弱电网条件下的电压前馈环节恶化了电流环的稳定性。

为了验证本发明所提计算方法，使用本发明中建立的开环传递函数模型利用经典控制理论分析并网逆变器系统的稳定性。控制参数设置为，scr＝1.2，电流环带宽为150hz，锁相环带宽为40hz与50hz。实验结果如图3(a)-3(b)所示。由实验结果可以看出，当锁相环带宽为40hz时，不采用电压前馈环节时与采用电压环节均能保持稳定，其幅值裕度分别为1.6db与1.39db，且其奈氏图均不包围(-1j,0)；当锁相环为50hz时，不采用电压前馈环节时能够稳定，而采用电压环节后系统失稳，也即验证了电压前馈环节在弱电网连接的条件下恶化了系统稳定性的结论。两者幅值裕度分别为1.34db与-0.225db。在奈氏图中表示为采用电压前馈时，锁相环带宽变为50hz后其nquist曲线顺时针穿过(-1j,0)点两次，亦对应该运行情况下换流器已经失稳。上述结果的一致性表明了本文所提分析方法的有效性。

图4给出了电网强度对不采用电网电压前馈引入的耦合项产生的影响进行分析。由图中可以看出，耦合项作用区域基本在中低频段，在高频段衰减为0。而随着电网强度的下降，耦合项在采用电压前馈环节对应的剪切频率附近产生的幅值衰减作用以及相位补偿作用增强，直接增加了并网换流器系统在弱网连接下的稳定性。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤，包括：

(1)根据弱网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型与基础假设；

(2)将步骤(1)中的数学模型进行线性化，得到弱网连接条件下的并网换流器小信号数学模型；

(3)将步骤(2)中的小信号模型进行化简，得到能够表征电流环电流扰动与其电流参考值扰动之间影响的传递函数；

(4)根据步骤(3)中得到的传递函数，提取出仅包含电压前馈环节影响的传递函数gcouple

(5)根据步骤(4)中得到的传递函数，根据幅值裕度与相位裕度以及奈奎斯特判据分析弱电网条件下，对比使用电压前馈控制与不使用电压前馈控制时并网换流器系统的稳定性。

(6)根据步骤(5)中得到的传递函数，根据幅值裕度与相位裕度以及奈奎斯特判据分析不同电网强度下电压前馈环节对耦合项gcouple的影响。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：

(1)根据弱网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型与基础假设；

(2)将步骤(1)中的数学模型进行线性化，得到弱网连接条件下的并网换流器小信号数学模型；

(3)将步骤(2)中的小信号模型进行化简，得到能够表征电流环电流扰动与其电流参考值扰动之间影响的传递函数；

(4)根据步骤(3)中得到的传递函数，提取出仅包含电压前馈环节影响的传递函数gcouple

(5)根据步骤(4)中得到的传递函数，根据幅值裕度与相位裕度以及奈奎斯特判据分析弱电网条件下，对比使用电压前馈控制与不使用电压前馈控制时并网换流器系统的稳定性。

(6)根据步骤(5)中得到的传递函数，根据幅值裕度与相位裕度以及奈奎斯特判据分析不同电网强度下电压前馈环节对耦合项gcouple的影响。

实施例子四

本发明公开了弱电网连接下电压源型换流器电压前馈环节作用分析系统，包括：

模型建立模块，根据弱电网连接下的电压源型换流器典型拓扑建立数学模型；

线性化处理模块，将数学模型线性化，得到弱电网连接条件下的电压源型换流器的小信号数学模型；

传递函数建立模块，将小信号数学模型进行化简，得到能够表征电流环电流扰动与其输出电压扰动之间影响的单输入单输出的解析传递函数，即将电压前馈环节对电压源型换流器控制稳定性的影响直接表达为单独的开环传递函数；

稳定性分析模块，根据得到的传递函数，分析电网电压前馈环节对弱网连接下电压源型换流器稳定影响。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。