并网变流器控制方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种并网变流器控制方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.近年来，以清洁能源为主的分布式发电得到了广泛的发展，越来越多储能装置和以光伏、风电为主的新能源发电装置并入电网。为应对新能源发电装置的灵活性以及保证供电可靠性，直流配电网技术作为解决方案被提出。
3.当直流配电网并网运行时，ac/dc并网变流器作为直流配电网与电网的接口电路，需通过功率控制，维持直流母线电压。对于一般的ac/dc并网变流器，其电压外环控制主要采用pi控制器。在进行pi参数设计时考虑其抗扰特性，需按典型ii型系统设计，将pi参数整定为欠阻尼状态。而按典型ii型系统设计的pi参数，其动态和抗扰特性受中频宽影响，二者在控制特性上会呈现对系统相反的作用。因此，系统跟随和抗扰特性之间设计存在一定的矛盾，工程设计上无法完全兼顾。一般工程设计上选取中频宽为5，但此时直流侧电压控制的阻尼特性仍然较差，直流侧电压超调量较大，系统稳定性差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种并网变流器控制方法、装置、电子设备及存储介质，以改善并网变流器直流侧阻尼特性，增强系统稳定性。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种并网变流器控制方法，包括：
6.获取并网变流器的直流侧电压；
7.根据直流侧电压和预设的直流侧电压给定值，计算外电压环输出值；
8.根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数，确定调整值；
9.基于调整值对外电压环输出值进行调整，得到内电流环的有功电流给定值，根据内电流环的有功电流给定值对并网变流器进行控制。
10.结合第一方面，作为第一方面的一种可能的实现方式，根据直流侧电压和预设的直流侧电压给定值，计算外电压环输出值，包括：
11.计算直流侧电压和预设的直流侧电压给定值的差值；
12.将差值输入至预设的外电压环的pi控制器中，得到外电压环输出值。
13.结合第一方面，作为第一方面的一种可能的实现方式，根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数，确定调整值，包括：
14.将直流侧电压乘以阻尼系数，得到调整值；
15.阻尼系数的计算公式为：
[0016][0017]
式中，kd为阻尼系数，k
vp
、k
vi
为电压外环pi参数，c为直流侧电容，s
de
为稳态占空
比，yg为直流侧等效电导，tc为电流内环系统等效时间常数。
[0018]
结合第一方面，作为第一方面的一种可能的实现方式，根据内电流环的有功电流给定值对并网变流器进行控制，包括：
[0019]
获取并网变流器交流侧的电流d轴分量和电流q轴分量；
[0020]
计算电流d轴分量与有功电流给定值的差值，并将该差值输入至内预设的电流环的第一pi控制器中，得到d轴电压信号；
[0021]
计算电流q轴分量与预设的无功电流给定值的差值，并将该差值输入至预设的内电流环的第二pi控制器中，得到q轴电压信号；
[0022]
对d轴电压信号进行前馈解耦得到d轴电压参考量，对q轴电压信号进行前馈解耦得到q轴电压参考量，基于d轴电压参考量和q轴电压参考量，对并网变流器的各个开关进行控制。
[0023]
本发明实施例的第二方面提供了一种并网变流器控制装置，包括：
[0024]
获取模块，用于获取并网变流器的直流侧电压；
[0025]
计算模块，用于根据直流侧电压和预设的直流侧电压给定值，计算外电压环输出值；根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数，确定调整值；
[0026]
控制模块，用于基于调整值对外电压环输出值进行调整，得到内电流环的有功电流给定值，根据内电流环的有功电流给定值对并网变流器进行控制。
[0027]
结合第二方面，作为第二方面的一种可能的实现方式，计算模块具体用于：
[0028]
计算直流侧电压和预设的直流侧电压给定值的差值；
[0029]
将差值输入至预设的外电压环的pi控制器中，得到外电压环输出值。
[0030]
结合第二方面，作为第二方面的一种可能的实现方式，计算模块具体用于：
[0031]
将直流侧电压乘以阻尼系数，得到调整值；
[0032]
阻尼系数的计算公式为：
[0033][0034]
式中，kd为阻尼系数，k
vp
、k
vi
为电压外环pi参数，c为直流侧电容，s
de
为稳态占空比，yg为直流侧等效电导，tc为电流内环系统等效时间常数。
[0035]
结合第二方面，作为第二方面的一种可能的实现方式，控制模块具体用于：
[0036]
获取并网变流器交流侧的电流d轴分量和电流q轴分量；
[0037]
计算电流d轴分量与有功电流给定值的差值，并将该差值输入至内预设的电流环的第一pi控制器中，得到d轴电压信号；
[0038]
计算电流q轴分量与预设的无功电流给定值的差值，并将该差值输入至预设的内电流环的第二pi控制器中，得到q轴电压信号；
[0039]
对d轴电压信号进行前馈解耦得到d轴电压参考量，对q轴电压信号进行前馈解耦得到q轴电压参考量，基于d轴电压参考量和q轴电压参考量，对并网变流器的各个开关进行控制。
[0040]
本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述第一方
面的并网变流器控制方法的步骤。
[0041]
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面的并网变流器控制方法的步骤。
[0042]
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
[0043]
本发明实施例根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数确定调整值，通过该调整值对外电压环输出值进行调整，形成新的内环有功电流给定值，即通过在外电压环引入阻尼控制回路，从而实现系统的模型降阶，显著增强了直流侧电压控制的阻尼特性，增强了系统稳定性，且并不会减弱抗扰性，解决了现有技术中系统跟随和抗扰特性之间存在矛盾，设计上无法同时兼顾的问题。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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。
[0045]
图1是本发明实施例提供的并网变流器系统的结构框图；
[0046]
图2是本发明实施例提供的并网变流器控制框图；
[0047]
图3是本发明实施例提供的并网变流器控制方法的流程示意图；
[0048]
图4是本发明实施例提供的本方法在工况一下的仿真波形图；
[0049]
图5是本发明实施例提供的本方法在工况二下的仿真波形图；
[0050]
图6是本发明实施例提供的本方法在工况三下的实验波形图；
[0051]
图7是本发明实施例提供的本方法在工况四下的实验波形图；
[0052]
图8是本发明实施例提供的并网变流器控制装置的结构示意图；
[0053]
图9是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0054]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0055]
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0056]
本发明主要提供一种改善ac/dc并网变流器直流侧阻尼特性的全状态反馈控制策略，该控制策略应用于需进行直流电压控制的并网系统，系统可包括一台三相ac/dc并网变流器、交流侧电感、直流侧电容、交流电网等。
[0057]
首先对ac/dc并网变流器系统的结构进行简单介绍。图1是本发明提供的ac/dc并网变流器系统的结构框图，参见图1所示，ac/dc并网变流器系统包括ac/dc并网变流器和交流电网，并网变流器主电路包括直流侧储能电容 c、igbt三相桥电路、交流侧滤波电感l，交流电网考虑线路阻抗。系统中功率可以双向流动。u
dc
为并网变流器的直流侧电压，ej(j＝a,
b,c)为变流器交流侧端电压，u
jn
(j＝a,b,c)为交流电网电压，ij(j＝a,b,c)为三相并网电流。
[0058]
在本实施例中，为了更清楚的理解方案，还提供了并网变流器控制框图，如图2所示。图3是本实施例提供的并网变流器控制方法的流程图。
[0059]
请一并参见图2和图3所示，本发明实施例提供的并网变流器控制方法，具体包括以下步骤：
[0060]
步骤s101，获取并网变流器的直流侧电压u
dc
。
[0061]
步骤s102，根据直流侧电压u
dc
和预设的直流侧电压给定值计算外电压环输出值。
[0062]
步骤s103，根据直流侧电压u
dc
和预先计算的阻尼系数kd，确定调整值。
[0063]
步骤s104，基于调整值对外电压环输出值进行调整，得到内电流环的有功电流给定值根据内电流环的有功电流给定值对并网变流器进行控制。
[0064]
在本实施例中，传统的并网变流器控制方法直接将外电压环输出值作为内电流环的有功电流给定值。然而，由于并网变流器工作于配电网中考虑其抗扰特性，外电压环在进行设计时，往往按典型ii阶系统设计，其pi参数整定将为欠阻尼状态。而按典型ii型系统设计时，其动态和抗扰特性受中频宽影响，随着中频宽增大，二者在控制特性上会呈现对系统相反的作用，动态和抗扰特性之间设计存在一定的矛盾，工程设计上无法兼顾。同时，在进行中频宽选取时，兼顾二者特性，选择中频宽为5，阻尼较差，直流侧电压超调量较大。
[0065]
本实施例通过在电压外环引入阻尼控制回路，即根据直流侧电压u
dc
和预先计算的阻尼系数kd，对外电压环输出值进行调整，此方法通过对内环电流给定值的修正引入阻尼，相当于在直流侧电容两端并联电阻。不同于实际电阻损耗过大，因此可用虚拟电阻增强外电压环的阻尼特性。且能够将原系统的典型ii 型系统降阶为典型i型系统，增强了系统稳定性，但并不减弱其抗扰性，有效增强直流侧阻尼特性，使并网变流器达到了更为优异的性能指标。
[0066]
可见，本发明实施例根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数确定调整值，通过该调整值对外电压环输出值进行调整，形成新的内环有功电流给定值，即通过在外电压环引入阻尼控制回路，从而实现系统的模型降阶，显著增强了直流侧电压控制的阻尼特性，增强了系统稳定性，且并不会减弱抗扰性，解决了现有技术中系统跟随和抗扰特性之间存在矛盾，设计上无法同时兼顾的问题。
[0067]
作为一种可能的实现方式，步骤s102中，根据直流侧电压和预设的直流侧电压给定值，计算外电压环输出值，可以详述为：
[0068]
计算直流侧电压和预设的直流侧电压给定值的差值；
[0069]
将差值输入至预设的外电压环的pi控制器中，得到外电压环输出值。
[0070]
在本实施例中，参见图2所示，直流侧电压u
dc
和直流侧电压给定值进行比较，差值通过外电压环的pi控制器进行控制，得到外电压环输出值。
[0071]
作为一种可能的实现方式，步骤s103中，根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数，确定调整值，可以详述为：
[0072]
将直流侧电压乘以阻尼系数，得到调整值。
[0073]
阻尼系数的计算公式为：
[0074][0075]
式中，kd为阻尼系数，k
vp
、k
vi
为电压外环pi参数，c为直流侧电容，s
de
为稳态占空比，yg为直流侧等效电导，tc为电流内环系统等效时间常数。
[0076]
在本实施例中，还提供了最优阻尼系数的计算方法。
[0077]
分析电压外环时可将内环系统简化为一阶系统，电流环带宽常设计为开关频率的1/20，电流环系统可简化为：
[0078][0079]
式中，fs为开关频率，s为复频域变量，tc为电流内环系统等效时间常数。
[0080]
引入阻尼后的外电压环开环传递函数为：
[0081][0082]
从上述公式可以看出，其中存在一个零点，若通过调整阻尼系数kd，使其零极点对消，则可使外环系统降阶，kd的计算方法如下：
[0083][0084]
式中，kd为阻尼系数，k
vp
、k
vi
为电压外环pi参数，c为直流侧电容，s
de
为稳态占空比，yg为直流侧等效电导，tc为电流内环系统等效时间常数。
[0085]
引入最优阻尼系数，可将原系统的典型ii型系统降阶为典型i型系统，阻尼将显著增强。原系统的电压外环控制特性主要由外环pi参数决定，其积分调节引起的超调只能通过比例进行抑制，当引入阻尼后，积分引起的超调可通过阻尼进行抑制，增添了一个调节自由度，使控制系统的调节更加灵活。
[0086]
作为一种可能的实现方式，步骤s104中，根据内电流环的有功电流给定值对并网变流器进行控制，可以详述为：
[0087]
获取并网变流器交流侧的电流d轴分量和电流q轴分量；
[0088]
计算电流d轴分量与有功电流给定值的差值，并将该差值输入至内预设的电流环的第一pi控制器中，得到d轴电压信号；
[0089]
计算电流q轴分量与预设的无功电流给定值的差值，并将该差值输入至预设的内电流环的第二pi控制器中，得到q轴电压信号；
[0090]
对d轴电压信号进行前馈解耦得到d轴电压参考量，对q轴电压信号进行前馈解耦得到q轴电压参考量，基于d轴电压参考量和q轴电压参考量，对并网变流器的各个开关进行控制。
[0091]
在本实施例中，参见图1和图2所示，将有功电流给定值与网侧采样电流经过abc/ab/dq坐标变换后得到的同步旋转坐标系dq下的有功电流id进行比较，其差值再通过pi调节器控制，输出d轴电压信号u
sd
；同时，经过坐标变换的网侧电流q轴分量iq与预设的无功电
流参考量iq*进行比较，差值经pi调节器控制，输出q轴电压信号u
sq
。经过pi调节器调节的d轴电压信号u
sd
和q轴电压信号u
sq
，再通过前馈解耦控制得到d轴电压参考量ud和q轴电压参考量uq，最后，ud与uq经过dq/ap逆变换后，就得到了pwm的开关信号。
[0092]
以下对本实施提供的并网变流器控制方法的有效性进行验证。
[0093]
在工况一下(电压阶跃，0.2s直流电压由400v阶跃至450v)：本实施例的仿真波形如图4所示，从仿真波形可以看出，当阻尼系数取最优系数时，加入阻尼的响应曲线基本实现了无超调，且快速性较好。
[0094]
在工况二下(负载扰动下直流电压波动情况，0.2s恒功率负载吸收功率 2000w，0.3s恒功率负载释放功率2000w)：本实施例的仿真波形如图5所示，从仿真波形可以看出，当面对功率扰动时，加入阻尼的系统稳定性较好，面对功率扰动时不会失稳，且直流电压恢复较快，抵抗功率扰动能力较强。
[0095]
在工况三下(电压阶跃，直流电压由350v阶跃至450v)：本实施例的实验波形如图6所示，从实验波形可以看出基本与仿真相对应，加入阻尼的直流电压响应曲线基本实现了无超调，且快速性较好，系统直流侧阻尼特性较好。
[0096]
在工况四下(负载扰动，当直流侧负载吸收功率突增时，直流侧电压变化情况)：本实施例的实验波形如图7所示，从实验波形可以看出当面对功率扰动时，与仿真基本相同，电压恢复较快，具备较强的抗功率扰动能力。
[0097]
本发明提供的改善ac/dc并网变流器直流侧阻尼特性的控制策略，通过在电压外环控制环引入阻尼控制回路，结合最优阻尼系数计算，可实现系统的模型降阶，将原系统的典型ii型系统降阶为典型i型系统，有效增强了系统稳定性，但并不减弱抗扰性，显著增强了直流侧电压控制的阻尼特性。
[0098]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0099]
参见图8所示，本发明实施例提供了一种并网变流器控制装置，该装置80 包括：
[0100]
获取模块81，用于获取并网变流器的直流侧电压。
[0101]
计算模块82，用于根据直流侧电压和预设的直流侧电压给定值，计算外电压环输出值；根据直流侧电压和预先计算的阻尼系数，确定调整值。
[0102]
控制模块83，用于基于调整值对外电压环输出值进行调整，得到内电流环的有功电流给定值，根据内电流环的有功电流给定值对并网变流器进行控制。
[0103]
作为一种可能的实现方式，计算模块82具体用于：
[0104]
计算直流侧电压和预设的直流侧电压给定值的差值；
[0105]
将差值输入至预设的外电压环的pi控制器中，得到外电压环输出值。
[0106]
作为一种可能的实现方式，计算模块82具体用于：
[0107]
将直流侧电压乘以阻尼系数，得到调整值；
[0108]
阻尼系数的计算公式为：
[0109][0110]
式中，kd为阻尼系数，k
vp
、k
vi
为电压外环pi参数，c为直流侧电容，s
de
为稳态占空
比，yg为直流侧等效电导，tc为电流内环系统等效时间常数。
[0111]
作为一种可能的实现方式，控制模块83具体用于：
[0112]
获取并网变流器交流侧的电流d轴分量和电流q轴分量；
[0113]
计算电流d轴分量与有功电流给定值的差值，并将该差值输入至内预设的电流环的第一pi控制器中，得到d轴电压信号；
[0114]
计算电流q轴分量与预设的无功电流给定值的差值，并将该差值输入至预设的内电流环的第二pi控制器中，得到q轴电压信号；
[0115]
对d轴电压信号进行前馈解耦得到d轴电压参考量，对q轴电压信号进行前馈解耦得到q轴电压参考量，基于d轴电压参考量和q轴电压参考量，对并网变流器的各个开关进行控制。
[0116]
图9是本发明实施例提供的电子设备90的示意图。如图9所示，该实施例的电子设备90包括：处理器91、存储器92以及存储在存储器92中并可在处理器91上运行的计算机程序93，例如并网变流器控制程序。处理器91执行计算机程序93时实现上述各个并网变流器控制方法实施例中的步骤，例如图3 所示的步骤s101至s104。或者，处理器91执行计算机程序93时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图8所示模块81至83的功能。
[0117]
示例性的，计算机程序93可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器92中，并由处理器91执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序93在电子设备90中的执行过程。
[0118]
电子设备90可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。电子设备90可包括，但不仅限于，处理器91、存储器92。本领域技术人员可以理解，图9仅仅是电子设备90的示例，并不构成对电子设备90的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如电子设备90还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0119]
所称处理器91可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列 (field-programmable gate array，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。
[0120]
存储器92可以是电子设备90的内部存储单元，例如电子设备90的硬盘或内存。存储器92也可以是电子设备90的外部存储设备，例如电子设备90上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器92还可以既包括电子设备90的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器92用于存储计算机程序以及电子设备90所需的其他程序和数据。存储器92还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0121]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述
的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0122]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0123]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0124]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0125]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0126]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0127]
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram， random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0128]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含
在本发明的保护范围之内。