一种基于直流侧电压反馈的并网变换器控制方法与流程

本发明属于并网控制技术领域，涉及一种基于直流侧电压反馈的并网变换器控制方法。

背景技术：

再生能源发电技术为解决传统能源日益枯竭与能源需求持续增长的矛盾提供了条件。从以化石燃料为基础的火力发电到利用功率变换器并网的可再生能源发电的过渡导致同步电机(sms,synchronousmachines)的惯性和电网电压频率稳定控制机制逐渐削弱。为了解决这一问题，并网变换器(gfcs,grid-formingconverters)技术被认为是未来电力系统的基石。根据同步电机的特性和功能，并网变换器必须支持负载共享/下垂特性、黑启动、惯性响应和分级频率/电压调节功能。这些功能可使sms和gfcs在相互作用中确保电力系统的稳定性。

近年来提出的并网变换器控制策略包括如下几种：下垂控制(droopcontrol)模仿了同步发电机中存在的频率下垂调节机制，是一个被广泛接受并应用的并网控制方案。为了进一步模拟sm的外特性，提出了虚拟同步机(vsg,virtualsynchronousgenerator)控制策略，使并网变换器具有同步机外特性。虚拟振荡器控制(voc,virtualoscillatorcontrol)模拟liénard型振荡器的同步行为，voc有利于实现基于变换器并网的新能源电力系统全局同步，但是需要确定额定功率给定。可调度虚拟振荡器控制(dvoc,dispatchablevirtualoscillatorcontrol)可确保同步的同时，计算并控制交流功率到达预先计算的工作点，从而克服了voc的局限。

然而现有并网变换器控制方法主要针对交流侧状态量进行反馈控制，不关注直流侧工作状态，这样可能导致在系统出现较大负载扰动的情况下，直流侧电流过限引起直流侧电压崩溃问题，进而造成电力系统其他状态，如功率，电压，频率等不稳定。现有文献提出交流电压控制和交流电流限幅并网变换器，但无法解决直流电流限幅引起的直流电压崩溃问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于直流侧电压反馈的并网变换器控制方法，解决了现有技术下在系统出现较大负载扰动的情况下，直流电流限幅可能引起直流电压崩溃的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于直流侧电压反馈的并网变换器控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1，确定原并网控制策略，针对三种并网控制策略分别给出控制系统的表达式；

步骤2，计算直流侧电压反馈量；

步骤3，将直流侧电压反馈量通过加权后加入角速度控制系统，或者对直流侧电压反馈量求微分后加权加入角加速度控制系统。

本发明的有益效果是，在并网变换控制器中加入直流侧电压反馈控制，可以保证直流侧电流电压均控制在稳定范围内，其他状态也能在较短时间内回到设定值，解决了直流电压崩溃问题，提升了系统稳定性。本发明考虑电网稳定性的新型并网变换器控制策略，包括下垂控制、虚拟同步机控制和可调度虚拟振荡器控制，在大负载扰动时可能出现的直流侧电压崩溃问题，提出了基于直流侧电压反馈的并网变换器控制方法，在保证并网同步特性的同时，解决了在大负载扰动的情况下直流侧电压崩溃问题。与不考虑直流侧电压的并网控制器方法相比，本发明方法改善了电网频率控制效果。

附图说明

图1为本发明针对的并网变换器模型简图；

图2为测试本发明的ieee-9节点系统非线性仿真模型简图；

图3为增加直流电压反馈控制后的vsg控制器的模型简图；

图4为增加直流电压反馈后的下垂控制器的模型简图；

图5为增加直流电压反馈后的dvoc控制器的模型简图；

图6a是传统虚拟同步机(vsg)控制策略下，在1s时加入小负载扰动，直流电流变化曲线，图6b是同样条件下的电压变化曲线；

图7a是大负载扰动引起的直流电流变化曲线，图7b是同样条件下的电压变化曲线；

图8a为大负载扰动下交流侧频率变化曲线，图8b是同样条件下的有功功率变化曲线；

图9为带有交流电流限幅的双闭环控制框图；

图10a为带有交流电流限幅控制的直流电流曲线，图10b是同样条件下的电压曲线；

图11a为加入直流侧电压反馈的下垂控制的直流电流曲线，图11b是同样条件下的电压曲线；

图12a为对应图11a实验条件下的交流侧频率，图12b为同样条件下的有功功率，图12c为同样条件下的输出电压幅值；

图13a为加入直流侧电压反馈的vsg控制的直流电流，图13b是同样条件下的电压曲线；

图14a为对应图13a实验条件下的交流侧频率，图14b为同样条件下的有功功率，图14c为同样条件下的输出电压幅值；

图15a为加入直流侧电压反馈的dvoc控制的直流电流，图15b为同样条件下的电压曲线；

图16a为对应图15a实验条件下的交流侧频率，图16b为同样条件下的有功功率，图16c为同样条件下的输出电压幅值；

图17a为ieee-9节点交流侧频率，图17b是同样条件下的有功功率，图17c是同样条件下的输出电压幅值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，是本发明控制对象的并网变换控制器模型，本发明提出在并网变换控制器中加入直流侧电压反馈控制，能够保证直流侧电流电压均控制在稳定范围内，其他状态也能在较短时间内回到设定值，解决了直流电压崩溃问题，提升了系统稳定性。

参照图2，是评价本发明有效性的ieee-9节点系统非线性仿真模型。

参照以下三个实施例对象(vsg控制器，下垂控制器，dvoc控制器)的设计过程，本发明的基于直流侧电压反馈的并网变换器控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1，确定原并网控制策略，

针对三种并网控制策略分别给出控制系统的表达式：

方式1，对于vsg控制器：

方式2，对于下垂控制器：

方式3，对于dvoc控制器：

其中，ω为电网频率，ω^*为额定频率，j为虚拟转动惯量；θ为相角，p为有功功率，p^*为有功功率设定值，dp为阻尼系数，dω为下垂增益；其中q为无功功率，q^*为无功功率设定值，η、μ为控制增益，vi为控制器输出，vi^*为控制器输出的期望幅值，vi²表示控制器输出的平方，vi^*2表示期望输出幅值的平方；||·||表示取模操作。

步骤2，计算直流侧电压反馈量其中vdc为直流侧电压测量值，为直流侧电压设定值；

步骤3，将直流侧电压反馈量通过加权后加入角速度控制系统，或者对直流侧电压反馈量求微分后加权加入角加速度控制系统，加权系数为1-α，α为控制权重，

针对步骤1所述的三种控制方式，反馈增加后的表达式是：

方式1，增加直流电压反馈的vsg控制：

此种情况反馈量的微分加权后加入角加速度控制系统，增加反馈后vsg系统控制框图见图3，图中表示积分操作，图4和图5中相关符号含义与图3中的对应一致。

方式2，增加直流电压反馈的下垂控制：

增加反馈后下垂控制框图见图4。

方式3，增加直流电压反馈的dvoc控制：

增加反馈后控制框图见图5，其中vdc为直流侧电压，为直流侧电压设定值，即成。

验证本发明方法的效果

对于传统并网变换器(gfc)，为防止由于负载扰动引起的直流侧电流过大，一般采用表达式(7)对直流侧电流进行限幅：

其中为最大直流电流限幅值。

图6a、图6b分别是在传统虚拟同步机控制策略下直流侧电压、电流变化曲线。图6a为在1s时并联负载由0p.u.增到0.78p.u.直流侧电流的变化情况，图6b为对应的直流侧电压的变化情况。图6a中虚线代表负载的电流期望值，实线代表实际直流电流，点划线代表电流限值；图6b为直流侧电压变化情况。从图6a、图6b中可见，在小负载扰动情况下不影响直流电压稳定性。但当负载扰动由0p.u.增加到0.9p.u.时，图7a、图7b为采用传统vsg控制策略下的直流侧各状态变化曲线。图7a、图7b中不同线型代表含义与图6a、图6b相同。图7a为直流侧电流的变化情况，在4s后，直流侧电流一直处于饱和状态，图7b为直流侧电压的变化情况，可见直流链路电容器不断放电以弥补缺额电流。长时间的直流电源饱和会导致直流侧电压崩溃。

图8a、图8b为传统虚拟同步机控制策略下图7对应扰动情况下，交流侧采用虚拟同步机控制策略时各状态变化曲线。图8a为交流侧频率，图8b为有功功率。可见虚拟同步机控制的gfc，在面对负载扰动过大的情况时，直流侧电流与电压可能会变得不稳定，进而导致交流侧频率，功率等其他电气量的大幅波动。采用其他gfc控制方法，如下垂控制、dvoc，对应的直交流侧曲线变化情况与图7a、图7b，图8a、图8b情况类似，此处不再给出。

对于上述由于负载大幅扰动造成的直流侧电压崩溃，已有文献提出一种限制交流电流方案，即在电流电压双闭环控制中加入交流限制模块，以防止gfc直流链路电容器过放电，其双闭环控制框图见图9。图9中在交流电压控制环、电流控制环的基础上增加了交流电流限制环节，电流限幅如下：

其中表示保持的有限幅参考电流；通过在交流侧电流限幅的方式可以减小直流侧电流变化。图10a、图10b为增加了交流电流限幅时对应图8a、图8b情况下直流侧电流与电压变化曲线。

本实施例采用图2所示的ieee-9节点系统进行仿真验证，其中sm为发电机，gfc1与gfc2分别为两个并网变换器，通过三个变压器接入母线。增加本发明提出的直流侧电压反馈控制，得到的控制结果如下：

1)下垂控制仿真结果

图11a、图11b为系统经过过渡过程后在1s时负载扰动由0p.u.增加到0.9p.u.时，加入直流电压反馈的下垂控制方法仿真结果，直流侧电流与电压的变化曲线，分别如子图11a和图11b所示。可以看到，直流侧电流能在短时间内稳定到额定值。

图12a、图12b、图12c为图11a实验条件对应的交流侧频率，有功功率及输出电压幅值的变化情况。可以看到，加入直流电压反馈的下垂控制方法可以有效的保证整个系统的稳定性。

2)vsg控制仿真结果

图13a、图13b为在稳态1s时负载扰动由0p.u.增加到0.9p.u.时，采用具有直流电压反馈的vsg控制方法得到的直流侧电流与直流电压的波形。

图14a、图14b、图14c为图13a实验条件对应的交流侧频率，有功功率及输出电压幅值的变化情况。可见，增加了直流电压反馈的vsg控制可以有效保证直流和交流侧的稳定性。

3)dvoc控制仿真结果

图15a和图15b分别为在稳态1s时负载扰动由0p.u.增加到0.9p.u.时，在dvoc控制方法控制下直流侧电流与电压的变化情况。由图14a、图14b、图14c，图13a、图13b以及图15a和图15b可以看出，在传统并网控制方式上加入直流电压反馈控制项，可以解决由于负载扰动过大而引起的直流侧电流超限，直流电压崩溃的问题。

图16a、图16b、图16c为图15a实验条件对应交流侧频率、有功功率及输出电压幅值的变化曲线。由图12a、图12b、图12c，图14a、图14b、图14c以及图16a、图16b、图16c可以看出，在传统并网控制策略基础上加入直流分量控制项，可以在大负载扰动的情况下，将系统各电气量在短时间内稳定到稳定值。

图17a、图17b、图17c为sm，gfc1，gfc2在基于直流电压反馈的vsg控制方法下，当负载扰动由0p.u.增加到0.9p.u.时的频率、有功功率、输出电压幅值随时间的变化曲线，可以看到系统在受到扰动后，各电气量都出现不同程度的波动，在1.5s左右，各电气量都趋于稳定且与系统其他节点的相应电气量达到同步。

综上所述，为了弥补传统并网控制器设计方法的缺陷，本发明提出在现有逆变器控制方法上加入直流侧电压反馈，仿真结果表明了本发明方法的有效性，值得推广应用。