弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法及系统

1.本发明涉及电力电子设备并网系统控制技术领域，尤其涉及一种弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.弱电网是指交流系统等效阻抗过大的系统，通常采用短路比。一般认为短路比在2～3的交流系统为弱交流系统，亦称为弱电网；短路比低于2的交流系统为极弱交流系统，亦称为极弱电网。当电压源型换流器接入弱交流系统时，其典型控制环节与弱交流系统之间存在强交互作用，严重情况下将导致并网系统失稳，危及并网系统安全稳定运行。
4.锁相环是导致电压源型换流器接入交流系统失稳的关键控制环节，通过优化控制参数与控制结构削弱或补偿并网系统受扰后锁相环的输出误差可有效提升并网系统稳定性。现有研究一般从控制参数优化、锁相环结构优化及附加前馈补偿控制三个方面提出增强并网系统稳定性的控制参数与结构优化方法。
5.控制参数优化法的核心思想为通过优化控制环节参数重塑换流器输出特性，进而增强电压源型换流器系统并网稳定性，其优势在于无需改变电压源型换流器控制的经典双闭环控制策略及锁相环控制结构，但需要平衡控制系统响应速度与稳定性之间的关系且需要考虑换流器各控制环节之间关系；
6.控制结构优化法的核心思想为通过重塑锁相环控制环节阻抗特性或设计合理的附加控制以增强电压源型换流器系统并网稳定性。其中，重塑锁相环输出特性方法主要通过增强锁相环自稳定性以提升并网系统的整体稳定性，可通过在锁相环中加入有源阻尼、采用对称结构锁相环或采用虚拟同步控制等实现，其优势为仅需重新整定锁相环控制参数，无需改变双闭环控制整体结构；附加控制法则是通过在双闭环控制结构中加入虚拟阻抗或前馈补偿等结构，通过提升整个并网系统的稳定性来补偿锁相环动态，但由于附加控制环节改变了并网系统控制结构，需重新设计并网系统控制参数。
7.现有前馈补偿控制方法的问题主要为：控制设计复杂度高与参数设计较为复杂。现有的附加前馈补偿控制方法一般均改变了系统的控制结构，导致整个控制回路的幅频特性发生变化，增加了控制系统复杂度，需要重新设计并网系统的控制参数。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明提出了一种弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法及系统，通过在电流环参考值中加入前馈环节补偿锁相环动态误差，能够直接补偿由锁相环动态与交流系统阻抗带来的反馈支路误差，进而将电压源型换流器并网系统解耦为两个独立一阶系统，满足换流器联于弱交流系统时安全稳定运行需求。
9.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
10.弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法，包括：
11.根据电压源型换流器并网系统典型拓扑建立数学模型，对所述数学模型进行线性化并化简，得到电压源型换流器并网系统输出电流小信号数学模型；
12.对于所述输出电流小信号数学模型，提取控制电流参考值补偿回路增益；
13.在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，将电压源型换流器并网系统解耦成仅与电流环参数相关的一阶回路，实现电压源型换流器并网控制。
14.作为可选的实施方式，得到电压源型换流器并网系统输出电流小信号数学模型，具体为：
[0015][0016][0017]
其中，s代表拉普拉斯算子；上标“gf”、“cf”分别代表主电路坐标系与控制坐标系下电气信号；δi
cfsdref
、δi
cfsqref
、δi
gfsd
及δi
gfsq
分别代表参考坐标系下d、q轴电流参考值与d、q轴电流在主电路坐标系下响应；δθ
pll
为锁相环输出相角扰动；g
cl
代表电流环传递函数；i
d0
、i
q0
分别代表d轴电流与q轴电流稳态分量；r
eq
、l
eq
代表交流系统等效电阻与等效电感。
[0018]
作为可选的实施方式，对于所述输出电流小信号数学模型，提取控制电流参考值补偿回路增益，具体为：
[0019][0020]
其中，k
pgsc
与k
igsc
分别代表电流环比例系数与积分系数，s代表拉普拉斯算子；r
eq
代表交流系统等效电阻，i
d0
、i
q0
分别代表d轴电流与q轴电流稳态分量。
[0021]
作为可选的实施方式，在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，具体为：
[0022][0023][0024]
其中，s代表拉普拉斯算子；上标“gf”、“cf”分别代表主电路坐标系与控制坐标系下电气信号；δi
cfsdref
、δi
cfsqref
、δi
gfsd
及δi
gfsq
分别代表参考坐标系下d、q轴电流参考值与d、q轴电流在主电路坐标系下响应；δθ
pll
为锁相环输出相角扰动；g
cl
代表电流环传递函数；i
d0
、i
q0
分别代表d轴电流与q轴电流稳态分量；r
eq
、l
eq
代表交流系统等效电阻与等效电感，g
dcd
、g
dcq
分别为d轴和q轴的控制电流参考值补偿回路增益。
[0025]
作为可选的实施方式，根据电压源型换流器并网系统典型拓扑建立数学模型之
前，进行如下设定：
[0026]
电压前馈环节滤波时间常数及换流器控制环节等效延时非常小，近似认为其电压前馈滤波环节传递函数及换流器延时等效环节gf≈1、gd≈1；
[0027]
由于外环控制带宽一般远小于内环控制带宽，故可认为在电流环带宽时间尺度内并网换流器外环控制尚未响应，故忽略外环动态对并网系统影响。
[0028]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0029]
弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制系统，包括：
[0030]
数学建模模块，用于根据电压源型换流器并网系统典型拓扑建立数学模型，对所述数学模型进行线性化并化简，得到电压源型换流器并网系统输出电流小信号数学模型；
[0031]
补偿回路增益计算模块，用于对于所述输出电流小信号数学模型，提取控制电流参考值补偿回路增益；
[0032]
并网控制模块，用于在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，将电压源型换流器并网系统解耦成仅与电流环参数相关的一阶回路，实现电压源型换流器并网控制。
[0033]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0034]
在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，具体为：
[0035][0036][0037]
其中，s代表拉普拉斯算子；上标“gf”、“cf”分别代表主电路坐标系与控制坐标系下电气信号；δi
cfsdref
、δi
cfsqref
、δi
gfsd
及δi
gfsq
分别代表参考坐标系下d、q轴电流参考值与d、q轴电流在主电路坐标系下响应；δθ
pll
为锁相环输出相角扰动；g
cl
代表电流环传递函数；i
d0
、i
q0
分别代表d轴电流与q轴电流稳态分量；r
eq
、l
eq
代表交流系统等效电阻与等效电感，g
dcd
、g
dcq
分别为d轴和q轴的控制电流参考值补偿回路增益。
[0038]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0039]
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法。
[0040]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0041]
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043]
(1)本发明通过在换流器并网系统电流环参考值中加入前馈控制，能够补偿由锁相环动态及交流系统阻抗引入的动态误差，进而实现换流器并网系统d轴控制与q轴控制的解耦，有效提高并网系统的稳定性。
[0044]
同时，电流参考值前馈补偿控制还具有无需参数设计，仅需添加补偿支路即可增强并网系统稳定性的优势，对于通过优化控制结构以保证换流器接入弱电网安全稳定运行
具有重大意义。
[0045]
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
[0046]
图1为典型的电压源型换流器并网系统示意图；
[0047]
图2为电流内环小信号框图；
[0048]
图3为本发明实施例中的前馈补偿解耦法并网系统小信号框图。
具体实施方式
[0049]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0050]
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技术的示例性实施方式。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。
[0051]
实施例一
[0052]
在一个或多个实施方式中，公开了一种弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法，针对电压源型换流器并网系统，建立解析传递函数模型与输出电流小信号模型，提取锁相环动态与交流系统阻抗耦合导致的反馈回路增益，在参考值中加入前馈补偿回路以增强并网系统稳定性。
[0053]
本实施例方法具体包括如下过程：
[0054]
(1)根据电压源型换流器并网系统典型拓扑建立数学模型，对数学模型进行线性化并化简，得到电压源型换流器并网系统输出电流小信号数学模型；
[0055]
典型的电压源型换流器并网系统如图1所示，电压源型换流器并网系统的典型结构分为主电路模块、锁相环模块、电流环模块以及调制模块。其中，锁相环模块用于提取交流系统频率；电流环用于生成实现并网系统的控制目标的调制信号；调制模块将调制信号生成触发脉冲，控制电压原型换流器输出交流电压。
[0056]
根据换流器并网系统典型拓扑建立数学模型之前需要作如下假设，具体为：
[0057]
电压前馈环节滤波时间常数及换流器控制环节等效延时非常小，近似认为其电压前馈滤波环节传递函数及换流器延时等效环节gf≈1、gd≈1；
[0058]
由于外环控制带宽一般远小于内环控制带宽，故可认为在电流环带宽时间尺度内并网换流器外环控制尚未响应，故忽略外环动态对并网系统影响。
[0059]
根据换流器并网系统典型拓扑结构数学模型，易得出换流器并网系统的输出电流小信号模型：
[0060][0061]
其中，s代表拉普拉斯算子；上标“gf”、“cf”分别代表主电路坐标系与控制坐标系下电气信号；δi
cfsdref
、δi
cfsqref
、δi
gfsd
及δi
gfsq
分别代表参考坐标系下d、q轴电流参考值与d、q轴电流在主电路坐标系下响应；δθ
pll
为锁相环输出相角扰动；g
cl
代表电流环传递函数；i
d0
、i
q0
分别代表d轴电流与q轴电流稳态分量；r
eq
、l
eq
代表交流系统等效电阻与等效电感。
[0062]
根据换流器并网系统的输出电流小信号模型，可得出其对应的电流闭环小信号框图，如图2所示。
[0063]
由图2可知，若电流环参考值存在波动δi
cfsdref
、δi
cfsqref
时，其扰动信号经过电流环传递函数环节与主电路参数的共同作用下，在交流系统阻抗与锁相环分别通过a回路与b回路反馈与输入信号环节。
[0064]
这是由于系统经受扰动后锁相环将存在相角跟踪误差，由锁相环输出相角建立的控制坐标系与并网点实际电压相角建立的主电路坐标系之间将存在相对相角误差。并网系统输出电流在交流系统等值阻抗的作用下，由锁相环相角输出误差导致的坐标系偏移将通过dq轴反馈回路a与反馈回路b分别作用于对应的电流控制回路中。交流电网强度越小，对应交流电网等值阻抗越大。故相同控制参数下电流反馈支路对输出电流影响越大，这也是交流系统阻抗较大情况下易于锁相环控制环节产生交互作用导致系统失稳的原因。
[0065]
(2)对于输出电流小信号数学模型，提取控制电流参考值补偿回路增益；
[0066]
本实施例中，根据并网换流器输出电流模型，分别计算换流器并网系统dq轴控制电流参考值补偿回路增益g
dcd
与g
dcq
，得到弱电网连接条件下电压源型换流器前馈补偿控制模型：
[0067][0068]
其中，k
pgsc
与k
igsc
分别代表电流环比例系数与积分系数。
[0069]
(4)结合图3，在输入的d轴电流参考值与q轴电流参考值中分别加入电流参考值补偿回路增益g
dcd
与g
dcq
，直接补偿由交流系统与锁相环交互作用导致的耦合作用，进而将电压源型换流器并网系统控制环节解耦成仅由电流环传递函数g
cl
与换流器等效电阻、电感r
eq
、l
eq
相关的一阶解耦回路。
[0070]
具体地，在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，具体为：
[0071]
[0072][0073]
由于上面两个等式中的后两项实质相同，因此可以抵消掉。在电流环参考值中加入电流参考值补偿回路增益后变为：
[0074][0075]
当并网系统运行状态已知时，通过在dq轴控制回路中分别加入前馈补偿支路，可将电压源型换流器并网系统解耦成仅与电流环参数相关的一阶回路。进
[0076]
而在无需重新设计控制系统参数的同时，有效提升并网系统稳定性。
[0077]
实施例二
[0078]
在一个或多个实施方式中，公开了一种弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制系统，包括：
[0079]
数学建模模块，用于根据电压源型换流器并网系统典型拓扑建立数学模型，对所述数学模型进行线性化并化简，得到电压源型换流器并网系统输出电流小信号数学模型；
[0080]
补偿回路增益计算模块，用于对于所述输出电流小信号数学模型，提取控制电流参考值补偿回路增益；
[0081]
并网控制模块，用于在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，将电压源型换流器并网系统解耦成仅与电流环参数相关的一阶回路，实现电压源型换流器并网控制。
[0082]
本实施例中，在电流环参考值中加入所述电流参考值补偿回路增益，具体为：
[0083][0084][0085]
其中，s代表拉普拉斯算子；上标“gf”、“cf”分别代表主电路坐标系与控制坐标系下电气信号；δi
cfsdref
、δi
cfsqref
、δi
gfsd
及δi
gfsq
分别代表参考坐标系下d、q轴电流参考值与d、q轴电流在主电路坐标系下响应；δθ
pll
为锁相环输出相角扰动；g
cl
代表电流环传递函数；i
d0
、i
q0
分别代表d轴电流与q轴电流稳态分量；r
eq
、l
eq
代表交流系统等效电阻与等效电感，g
dcd
、g
dcq
分别为d轴和q轴的控制电流参考值补偿回路增益。
[0086]
实施例三
[0087]
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、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实施例一中的弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法。为了简洁，在此不再赘述。
[0088]
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用
处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0089]
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
[0090]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0091]
实施例四
[0092]
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的弱电网连接条件下的电压源型换流器并网控制方法。
[0093]
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。