一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法及系统与流程

本发明涉及电力系统稳定性分析术领域，特别是涉及一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法及系统。

背景技术：

传统的交直流配电系统由于拓扑结构以及控制手段的限制，无法对分布式电源出力与负荷的变化进行快速的跟踪响应，也不能对网络潮流分布进行精准连续的调节，很难满足源荷双端在不确定的条件下对配电系统灵活、快速、连续、精准的功率电压调控要求。电力电子变压器(powerelectronictransformer,pet)是通过电力电子技术及高频变压器(相对于工频变压器工作频率更高)实现的具有但不限于传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备。电力电子变压器一般至少包括传统交流变压器的电压等级交换和电气隔离功能，此外还包括交流侧无功功率补偿及谐波治理、可再生能源/储能设备直流接入、端口间的故障隔离功能以及其他智能设备的通讯功能。将pet应用于交直流微电网能够实现对其各端口传输功率与电压的独立、快速、准确控制，pet作为集成控制系统和信息系统可以有效对分布式电源和负荷进行能量管理。

为了实现直流输电、潮流控制和电能质量调节，有效隔离电压波动以及谐波传递，实现电网侧和负载侧的解耦等功能，必须通过对pet控制策略的合理设计，来进行不同电力特征电能之间的相互转换，实现高低压、中低压配电网能量的协调管理。

而电压波动等的电力系统的稳定问题则是重中之重，将pet应用到电网中，其对电力系统稳定性的影响则是必须考虑的问题，如若电力系统的稳定被其破坏，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统的瓦解，后果极为严重。pet由电子元件组成，其有着快速的响应速度，而电力系统中的传统设备响应速度相对较慢，在这一快一慢的响应速度之间存在着一定的时间差，而这时间差将会使两者不能同步运行，这一状态可能会造成电力系统的不稳定。

怎样判断设计出的电力电子变压器应用于系统中是否会产生不稳定的情况则成了严峻的问题。目前国内外对于电力电子变压器的研究还不够完全，其结构复杂，对电力电子变压器应用于电网中所导致的电力系统不稳定问题还没有明确的检测方法。由于电力电子变压器普遍使用的三级式结构，所以不能简单的用传统的分析方法去分析应用了电力电子变压器的电力系统的稳定性问题，故提出一种使用电力电子变压器的电力系统的稳定性检测方法，成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法及系统，以实现电力电子变压器的电力系统的稳定性的检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法，所述检测方法包括如下步骤：

基于黑盒理论将电力电子变压器的三级拓扑结构转化为输入级控制模型、隔离级控制模型和输出级控制模型；

分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数；

确定电力电子变压器的控制系统的控制算法；

根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性。

可选的，所述分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数，具体包括：

建立输入级闭环传递函数为：其中，il1为输入级电感的电流，k为输入级pwm增益，c(s)为控制算法的传递函数，l1为输入级电感，ir1(s)为输入级参考电流，ug1(s)为电源电压，s表示拉普拉斯变换的复变量；

建立隔离级闭环传递函数为：其中，ucd为隔离级输出电压，ur2为隔离级参考电压，l2为隔离级电感，c1为dc-dc变换输出侧电容，r为隔离级损耗的等效电阻；

建立输出级闭环控制传递函数为：其中，il4为第二输出级电感的电流，ir3为输出级参考电流，ug2表示电网电压，l3、l4分别为第一输出级电感、第二输出级电感，c2输出级电容。

可选的，所述根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性，具体包括：

确定所述控制算法的传递函数；

将所述控制算法的传递函数分别带入输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数，获得输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程；

分别根据输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程建立输入级劳斯阵列表、隔离级劳斯阵列表和输出级劳斯阵列表；

分别根据所述输入级劳斯阵列表、所述隔离级劳斯阵列表和所述输出级劳斯阵列表，确定输入级、隔离级和输出级的稳定性。

可选的，所述控制算法为pi控制算法，所述pi控制的控制算法的传递函数为：c(s)＝kp+ki/s，其中，c(s)为控制算法的传递函数，kp和ki分别为pi控制的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯变换的复变量。

一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测系统，所述检测系统具体包括：

结构划分模块，用于基于黑盒理论将电力电子变压器的三级拓扑结构转化为输入级控制模型、隔离级控制模型和输出级控制模型；

传递函数建立模块，用于分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数；

控制算法确定模块，用于确定电力电子变压器的控制系统的控制算法；

稳定性确定模块，用于根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性。

可选的，所述传递函数建立模块，具体包括：

输入级闭环传递函数建立子模块，用于建立输入级闭环传递函数为：其中，il1为输入级电感的电流，k为输入级pwm增益，c(s)为控制算法的传递函数，l1为输入级电感，ir1(s)为输入级参考电流，ug1(s)为电源电压，s表示拉普拉斯变换的复变量；

隔离级闭环传递函数建立子模块，用于建立隔离级闭环传递函数为：其中，ucd为隔离级输出电压，ur2为隔离级参考电压，l2为隔离级电感，c1为dc-dc变换输出侧电容，r为隔离级损耗的等效电阻；

输出级闭环传递函数建立子模块，用于建立输出级闭环控制传递函数为：其中，il4为第二输出级电感的电流，ir3为输出级参考电流，ug2表示电网电压，l3、l4分别为第一输出级电感、第二输出级电感，c2输出级电容。

可选的，稳定性确定模块，具体包括：

控制算法的传递函数确定子模块，用于确定所述控制算法的传递函数；

特征方程建立子模块，用于将所述控制算法的传递函数分别带入输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数，获得输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程；

劳斯阵列表建立子模块，用于分别根据输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程建立输入级劳斯阵列表、隔离级劳斯阵列表和输出级劳斯阵列表；

稳定性确定子模块，用于分别根据所述输入级劳斯阵列表、所述隔离级劳斯阵列表和所述输出级劳斯阵列表，确定输入级、隔离级和输出级的稳定性。

可选的，所述控制算法为pi控制算法，所述pi控制的控制算法的传递函数为：c(s)＝kp+ki/s，其中，c(s)为控制算法的传递函数，kp和ki分别为pi控制的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯变换的复变量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出了一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法及系统，所述检测方法包括：首先，将电力电子变压器的三级拓扑结构转化为输入级控制模型、隔离级控制模型和输出级控制模型；然后，分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数；最后，确定电力电子变压器的控制系统的控制算法；根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性。本发明分别将电力电子变压器的三级简化为三个模型，并以传递函数的方式体现，对传递函数进行分析，把控制算法作为输入，得出三个对应的特征方程，对特征方程用劳斯判据，判断在该控制方式下的电力电子变压器在系统中的稳定情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法的流程图；

图2为本发明提供的电力电子变压器的拓扑结构图；

图3为本发明提供的输入级闭环控制系统方框图；

图4为本发明提供的隔离级闭环控制系统方框图；

图5为本发明提供的输出级闭环控制系统方框图；

图6为本发明提供的输出级简化闭环控制系统方框图。

具体实施方式

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法及系统，以实现电力电子变压器的电力系统的稳定性的检测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了实现上述目的本发明提供一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法，如图1所示，所述检测方法包括如下步骤：

步骤101，将电力电子变压器的三级拓扑结构转化为输入级控制模型、隔离级控制模型和输出级控制模型。

本发明将电力电子变压器分成输入级、隔离级、输出级三个模块来进行分析，拓扑结构如图2所示。输入级由三相桥式整流电路来表示整流模块；隔离级由dc-dc电路来改变电压等级；输出级由三相桥式逆变电路表示逆变模块。现假设pet各相电路间参数保持一致，并以单相电路为例进行建模分析。输入级控制模型如图3所示，隔离级控制模型如图4所示，输出级控制模型如图5所示。

多端口的pet通常具有多种电能形式或电压等级的电气端口，可接入不同类型的电源、储能和负荷设备，在微网、交直流混合电网、智能电网等领域具有广泛的应用前景。对于多端口pet，采用基于三级型方案实现或者拓展。

步骤102，分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数。

根据图2所示，其中输入级模块可以容纳ac-dc拓扑，把每个拓扑结构都看作是一个黑盒，实际上就是各种开关器件的集合，不同的工作模式对应着开关打开关断时占空比的不同，也就是输入输出间电流在电路中流动路径不同。因此，电桥两端电压可以通过占空比来表示。

具体的，图2中的输入模块可以等效为图3所示的输入级控制模型，其中，ir1为输入级参考电流，d1为输入级占空比，uab为输入级输出电压，ul1为输入级电感两端的电压，il1为通过输入级电感的电流，ug1为电源电压。

根据图3可得输入级输出电流闭环传递函数为

为了方便分析，将隔离级中绕组的匝数比设为1:1，在此条件下，图2中的隔离模块可以等效为图4所示的隔离级控制模型，其中，il1为输入级电感的电流，k为输入级pwm增益，c(s)为控制算法的传递函数，l1为输入级电感，ir1(s)为输入级参考电流，ug1(s)为电源电压，s表示拉普拉斯变换的复变量。

根据图4可得隔离级输出电压闭环传递函数为

图2中的输出模块可以等效为图5所示的输出级控制模型，其中，ucd为隔离级输出电压，ur2为隔离级参考电压，l2为隔离级电感，c1为dc-dc变换输出侧电容，r为隔离级损耗的等效电阻。

忽略直流母线电压波动、开关死区等因素的影响，当开关频率fs>>50hz且逆变器pwm工作在线性调制区时，图2中的输出级拓扑结构可以转化为图5的输出级控制模型。

根据图5可知

ic2(s)＝uc2(s)c2s(4)

uc2(s)-ug2(s)＝il4(s)l4s(5)

根据线性叠加定理，将式(3)～(5)联立得

将式(6)、式(7)带入图5可得输出级简化模型如图6所示，可得出输出级输出电流闭环传递函数为

其中，il4为第二输出级电感的电流，ir3为输出级参考电流，ug2表示电网电压，l3、l4分别为第一输出级电感、第二输出级电感，c2输出级电容。

步骤103，确定电力电子变压器的控制系统的控制算法。本发明的控制系统的控制算法可以为pi控制算法，但不限于pi控制算法，本发明可以应用于任何的控制系统的控制算法，只要给出相应的传递函数即可。例如pi控制算法的传递函数为：c(s)＝kp+ki/s，其中，c(s)为控制算法的传递函数，kp和ki分别为pi控制的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯变换的复变量。

步骤104，根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性。

具体包括：确定所述控制算法的传递函数；将所述控制算法的传递函数分别带入输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数，获得输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程；分别根据输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程建立输入级劳斯阵列表、隔离级劳斯阵列表和输出级劳斯阵列表；分别根据所述输入级劳斯阵列表、所述隔离级劳斯阵列表和所述输出级劳斯阵列表，确定输入级、隔离级和输出级的稳定性。

控制理论中的劳斯–赫尔维茨稳定性判据(劳斯判据)，可以判断系统特征多项式的根是否有负的实部。也就是特征根是否在复平面的左侧，如果在左侧，那就可以说系统是稳定的。在控制理论中，系统的极点在复平面的左半平面的充分必要条件特征方程的各项系数全为正值，并且劳斯表的第一列元素都具有正号。

例如，ds＝a0s³+a1s²+a2s+a3＝0

其劳斯阵列表如表1所所示。

表1通用形式的劳斯阵列表

那么，系统稳定的充分必要条件为

a0>0，a1>0，a2>0，a3>0

(a1a2-a0a3)＞0

根据劳斯–赫尔维茨判据，即可判断输入级、隔离级、输出级在不同的控制统中的稳定条件。从而应用到生产生活中，通过稳定条件判断使用的电力电子变压器在系统中是否会造成系统的不稳定现象。

以隔离级控制模型、pi控制系统的控制算法为例，c(s)＝kp+ki/s，带入隔离级闭环传递函数，得到pi控制系统的隔离级特征方程为：

d(s)＝l2c1s³+rc1s²+(kkp+1)s+kki＝0

隔离级特征方程的劳斯阵列表如表2所示。

表2隔离级特征方程的劳斯阵列表

用劳斯判据对同一种控制输入对应的输入、隔离级、输出级分别作出判定，如果判据皆成立，那该种电力电子变压器应用到系统中依然稳定；反之，判据如果在任何一个模块不成立，那就会造成系统的失稳。

一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测系统，所述检测系统具体包括：

结构划分模块，用于基于黑盒理论将电力电子变压器的三级拓扑结构转化为输入级控制模型、隔离级控制模型和输出级控制模型；

传递函数建立模块，用于分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数；

所述传递函数建立模块，具体包括：

输入级闭环传递函数建立子模块，用于建立输入级闭环传递函数为：其中，il1为输入级电感的电流，k为输入级pwm增益，c(s)为控制算法的传递函数，l1为输入级电感，ir1(s)为输入级参考电流，ug1(s)为电源电压，s表示拉普拉斯变换的复变量；

隔离级闭环传递函数建立子模块，用于建立隔离级闭环传递函数为：其中，ucd为隔离级输出电压，ur2为隔离级参考电压，l2为隔离级电感，c1为dc-dc变换输出侧电容，r为隔离级损耗的等效电阻；

输出级闭环传递函数建立子模块，用于建立输出级闭环控制传递函数为：其中，il4为第二输出级电感的电流，ir3为输出级参考电流，ug2表示电网电压，l3、l4分别为第一输出级电感、第二输出级电感，c2输出级电容。

控制算法确定模块，用于确定电力电子变压器的控制系统的控制算法。

所述控制算法为pi控制算法，所述pi控制的控制算法的传递函数为：c(s)＝kp+ki/s，其中，c(s)为控制算法的传递函数，kp和ki分别为pi控制的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯变换的复变量。

稳定性确定模块，用于根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性。

稳定性确定模块，具体包括：控制算法的传递函数确定子模块，用于确定所述控制算法的传递函数；特征方程建立子模块，用于将所述控制算法的传递函数分别带入输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数，获得输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程；劳斯阵列表建立子模块，用于分别根据输入级特征方程、隔离级特征方程和输出级特征方程建立输入级劳斯阵列表、隔离级劳斯阵列表和输出级劳斯阵列表；稳定性确定子模块，用于分别根据所述输入级劳斯阵列表、所述隔离级劳斯阵列表和所述输出级劳斯阵列表，确定输入级、隔离级和输出级的稳定性。

本发明提出了一种电力电子变压器的电力系统稳定性检测方法及系统，所述检测方法包括：首先，基于黑盒理论将电力电子变压器的三级拓扑结构转化为输入级控制模型、隔离级控制模型和输出级控制模型；然后，分别建立输入级控制模型的输入级闭环传递函数、隔离级控制模型的隔离级闭环传递函数和输出级控制模型的输出级闭环传递函数；最后，确定电力电子变压器的控制系统的控制算法；根据劳斯判据，分别确定在所述控制算法下的输入级闭环传递函数、隔离级闭环传递函数和输出级闭环传递函数的稳定性。本发明采用黑盒的方法分别将电力电子变压器的三级简化为三个模型，并以传递函数的方式体现，对传递函数进行分析，把控制算法作为输入，得出三个对应的特征方程，对特征方程用劳斯判据，判断在该控制方式下的电力电子变压器在系统中的稳定情况。

本说明书中等效实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，等效实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。