一种用于逆变器的直流侧电压稳定方法及装置

1.本发明涉及直流供电系统的技术领域，尤其涉及一种用于逆变器的直流侧电压稳定方法及装置。


背景技术：

2.近年来，直流供电系统在只能楼宇、船舶、供电中心等领域得到广泛应用，随着直流供电系统的功率等级不断提高，其稳定性问题也日益得到重视。在实际应用中，由于直流母线上引入的负载不断增加且波动性增强，逆变器与直流变换器的叠加使用，时常使得直流母线电压无法保持稳定甚至出现大幅振荡现象，严重威胁了直流供电系统的稳定运行。针对这一问题，对于小功率的直流供电系统，现有一些方法通过牺牲动态性能的方法来确保稳定性，如修改控制器参数等，也有通过引入外部设备的方法实现稳定，但引入了额外成本并降低了功率密度和效率。除此之外，也有通过引入外部控制器：利用各种滤波器进行输入电压前馈的方法，但其存在直流侧稳定和输出电能质量的矛盾，在大功率场合效果较差。
3.专利文献cn114421496a公开了基于双向功率变换器的直流配电网低频振荡抑制方法，包括获取直流配电网的运行参数；判断系统是否稳定；构建低频段振荡抑制模块并整定模块参数；获取双向功率变换器直流侧输出电流并输入到整定后的低频振荡抑制模块得到直流配电原始补偿电流，限幅后得到直流配电网补偿电流；将直流配电网补偿电流叠加至双向功率变换器的电流内环完成基于双向功率变换器的直流配电网低频振荡抑制。该方法在不增设外部硬件电路和不改变直流配电网稳态运行特性的情况下，实现了稳定直流配电网的直流电压，降低了直流配电网发生振荡失稳的风险。该方法针对交流侧失稳，采用一阶低通和一阶高通相结合的形式在d轴进行输出电流前馈。
4.专利文献cn111953251a公开了一种牵引变流器直流侧电压稳定控制方法，包括：牵引变流器获得直流侧电容电压；对直流侧电容电压进行滤波，获得直流侧电容电压的直流分量；计算直流侧电容电压的振荡分量，并计算振荡分量对电压的影响因素：在转矩控制中，计算电流环解耦部分输出的转矩分量电压对直流侧电压的影响因素；将直流侧电容电压振荡分量及输出转矩分量电压前馈到转矩控制指令处，实现前馈调节，得到修正后的转矩指令。该方法仅适用于牵引变流器。
5.由于用电需求越来越大，使得接入一个供电系统的负载种类也越俩越多，导致了供电系统的电路中出现了振荡现象，从而影响供电系统的稳定运行。现阶段，常见的解决方式是额外增设一个控制器到系统中进行调控，但是增设设备可以视为又接入了一个负载到电路中，会影响供电的功率密度和效率；也有通过前馈信号引入的方法进行电流补偿，来抵消当前电路中的振荡现象，但是这种直接引入前馈信号只适合小功率供电系统，而大功率供电系统中存在系统稳定性和输出电能质量之间的矛盾。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种用于逆变器的直流侧电压稳定方法，该方
法不需要引入额外控制器对逆变器进行控制，就能实现直流侧电压的稳定。
7.一种用于逆变器的直流侧电压稳定方法，所述逆变器电压控制环路的d轴与q轴上分别带有电压前馈环节，所述电压前馈环节包括可调节中心频率的滤波器与动态增益系数，所述d轴与q轴上的滤波器的滤波范围不同；所述电压前馈环节以逆变器输入电压存在振荡频率分量作为引入信号，根据逆变器输入电压通过滤波器输出的扰动分量，结合动态增益系数进行缩放调节获得对应的电压前馈信号，将所述电压前馈信号叠加至调制波处，对逆变器的输入阻抗进行重塑。
8.本发明针对电压控制环路的d轴与q轴分别设置了电压前馈环节，通过滤波器提取当前输入电压中的扰动分量，结合动态增益系数对扰动分量进行处理获得对应的电压前馈信号，通过该电压前馈信号叠加至调制波处，对逆变器的输入阻抗进行重塑。
9.具体的，所述滤波器包括设置在电压控制环路d轴上的带通滤波器和设置在电压控制环路q轴上的高通滤波器；
10.所述带通滤波器的中心频率与振荡频率分量一致；
11.所述高通滤波器的中心频率与振动频率分量的1/10～1/5。
12.具体的，所述带通滤波器为二阶滤波器，其表达式如下：
[0013][0014]
式中，gf(s)表示带通滤波器表达式，ωd表示带通滤波器的中心频率，ξ表示阻尼系数，s表示复频率。
[0015]
具体的，所述高通滤波器为二阶滤波器，其表达式如下：
[0016][0017]
式中，g
f1
(s)表示高通滤波器表达式，ωg表示高通滤波器的中心频率，ξ表示阻尼系数，s表示复频率。
[0018]
优选的，所述动态增益系数的缩放调节大小是基于输入电压等级，变换器功率等级以及输出侧电能质量共同决定，由于增益系数增大有利于改善直流侧稳定性，但会恶化输出电能质量，因此需要同时考虑输入电压等级，变换器功率等级以及输出侧电能质量来约束调节大小，从而在不影响输出电能质量的情况下，实现直流侧的稳定。
[0019]
具体的，所述动态增益系数的缩放调节大小设有上限值，所述上限值是选取缩放调节后输出电流thd值满足小于5％中最大的动态增益系数。
[0020]
具体的，所述直流侧电压稳定方法，具体过程如下：
[0021]
步骤1、采集逆变器的输入端电压，通过快速傅里叶变换对输入端电压进行分析：
[0022]
若输入端电压存在振荡，则提取输入电压中的振荡频率分量；
[0023]
若输入端电压不存在振动，则不执行后续步骤的调节；
[0024]
步骤2、根据步骤1提取获得振荡频率分量，通过滤波器对存在振荡的输入端电压进行分离，获得对应的扰动分量；
[0025]
步骤3、将步骤2获得的扰动分量通过动态增益系数进行缩放调节，获得对应的电压前馈信号；
[0026]
步骤4、将步骤3获得的电压前馈信号叠加至对应的dq轴上，与电压控制环节输出的调制波相结合，重塑逆变器的输入阻抗。
[0027]
本发明还提供一种直流侧电压稳定装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在所述计算机储存器中并可在所述计算机处理器上执行的计算机程序，所述计算机存储器执行上述的用于逆变器的直流侧电压稳定方法；所述计算机处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：采集当前逆变器的输入电压，通过直流侧电压稳定方法对电压控制环路进行调节，完成对逆变器的输入阻抗重塑。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0029]
(1)本发明为电压控制环路的dq轴同时引入不同的电压前馈，解决了大功率场景下添加单一前馈环节时，系统稳定性和输出电能质量之间的矛盾，从而实现了直流侧电压的稳定。
[0030]
(2)通过设定动态增益系数的放大倍数上限，可以同时满足系统稳定与输出电能质量的要求。
附图说明
[0031]
图1为本实施例提供的直流供电系统的结构示意图；
[0032]
图2为本发明提供的一种用于逆变器的直流侧电压稳定方法的流程示意图；
[0033]
图3为本实施例提供的直流侧电压稳定装置的前馈信号引入示意图。
具体实施方式
[0034]
如图1所示，为本实施例提供的直流供电系统。该系统包括用于提供电源电压的直流母线，其母线两侧分别并联有多个带有emi滤波器的逆变器和变换器，以及终端的直流负载，其中，逆变器电压控制环路的dq轴分别带有电压前馈环节，该电压前馈环节包括设置在电压控制环路d轴上的带通滤波器，设置在电压控制环路q轴上的高通滤波器，以及用于调节放大的动态增益系数。
[0035]
该电压前馈环节以逆变器输入电压存在振荡频率分量作为引入信号，根据逆变器输入电压通过滤波器输出的扰动分量，结合动态增益系数进行缩放调节获得对应的电压前馈信号，最终将电压前馈叠信号加至调制波处，对逆变器的输入阻抗进行重塑。
[0036]
如图2所示，基于上述的电压前馈环节，一种用于逆变器的直流侧电压稳定方法，包括：
[0037]
步骤1、采集逆变器的输入端电压，通过快速傅里叶变换对输入端电压进行分析：
[0038]
若输入端电压存在振荡，则提取输入电压中的振荡频率分量；
[0039]
若输入端电压不存在振动，则不执行后续步骤的调节；
[0040]
步骤2、当输入端电压存在振荡时，分别通过带通滤波器和高通滤波器进行分离：
[0041]
带通滤波器为二阶滤波器，其表达式如下：
[0042][0043]
式中，gf(s)表示带通滤波器表达式，ωd表示带通滤波器的中心频率，其中心频率等于振荡频率分量，ξ表示阻尼系数，s表示复频率，本实施例中ωd与振荡频率分量一致，ξ
选用0.707；
[0044]
高通滤波器为二阶滤波器，其表达式如下：
[0045][0046]
式中，g
f1
(s)表示高通滤波器表达式，ωg表示高通滤波器的中心频率，ξ表示阻尼系数，s表示复频率，本实施例中ωg选用振荡频率分量的1/10～1/5，ξ选用0.707。
[0047]
步骤3、将步骤2获得的扰动分量通过动态增益系数进行缩放调节：
[0048]
其中，动态增益系数的缩放调节大小是基于输入电压等级，变换器功率等级以及输出侧电能质量共同决定，动态增益系数增大有利于改善直流侧稳定性，但会恶化输出电能质量，因此在调整放大倍数时，应遵循由小到大的原则，在保证输出电能质量的情况下进行参数调整，具体为通过采输出电流信号可获取输出电流thd值，选取满足thd值《5％的最大电流thd值作为上限约束，由此作为约束判定此时放大倍数选取是否合理，其中放大倍数初值一般选取为1。
[0049]
若输出电能质量不达标，则说明此时放大倍数过大，应以步长0.5减小放大倍数，若母线电压振荡无变化，则以步长3增大放大倍数，若母线电压出现收敛趋势且输出电能质量达标，则保持放大倍数不变；
[0050]
若最终母线电压趋于稳定，电压纹波在正负0.5v以内，则认定该组参数有效，退出调整。
[0051]
步骤4、将通过带通滤波器生成的电压前馈引入d轴上，将通过高通滤波器生成的电压前馈引入q轴上，通过不同的电压前馈对逆变器的输入阻抗进行重塑。
[0052]
此外，对于单相逆变器结构的电网，可以采用构造虚拟dq轴以实现等效的前馈环节引入。
[0053]
本实施例还提供了一种直流侧电压稳定装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在该计算机存储中并可在该计算机处理器上执行的计算机程序，该计算机存储器执行上述的用于逆变器的直流侧电压稳定方法。
[0054]
如图3所示，对于d轴，桥臂输入电压v
in
首先经过一个二阶带通滤波器获取对应的扰动分量，随后利用动态增益系数k对扰动分量进行放缩，随后将得到的d轴输入电压前馈信号叠加至d轴的电压环输出上；
[0055]
对于q轴，桥臂输入电压v
in
首先经过一个二阶高通滤波器获取对应的扰动分量，随后利用动态增益系数k对扰动分量进行放缩，随后将得到的q轴输入电压前馈信号叠加至q轴的电压环输出上。