一种构网型三相变流器及其阻抗和导纳模型建模方法

本发明涉及新能源电力系统，尤其涉及一种构网型三相变流器及其阻抗和导纳模型建模方法。

背景技术：

1、可再生能源(主要是风能和太阳能)的开发利用迅猛发展，大量新能源并网，变流器作为新能源并网的关键组件广泛使用。高比例新能源决定了高比例电力电子设备，这大大增强了电力系统运行的经济性与灵活性，但也导致同步发电机在电力系统中的容量占比逐渐降低，电力系统的整体惯量大为减少，降低了电力系统的稳定性。

2、目前，用于连接可再生能源的现有变流器多采用跟网型控制，通过锁相环(pll)测量并网点(pcc)的相位信息与电网实现同步。跟网型变流器虽然具有快速的功率响应能力，但是无法在孤岛情况下正常运行，同时在可再生能源广泛分布的弱电网中也通常无法建立频率和电压，存在稳定问题，这抑制了其电网支持功能以及与其他发电机组的相互作用。因此，急需一种构网型三相变流器，代替跟网型变流器，能够在离网与并网情况下运行，减少跟网型变流器对系统稳定的影响。

3、对系统进行稳定性分析依赖于精确、简单、灵活的数学模型。目前主要的方法有状态空间法和阻抗分析法。但是状态空间法往往把系统电源和负载归为一体，建立整体模型，在负载拓扑变化时，不得不重新构建新的系统模型，大大增加了模型的建立与分析的复杂性。同时构建出来的状态方程往往由于阶次过高难以分析。阻抗分析法将单个变流器看成一个电压源或者电流源，只要求出了输出阻抗，就可以算出整个系统的阻抗模型，为研究不同变流器并联运行、多同类型变流器并联运行提供了简便灵活的建模思路。因此，在提出一种构网型三相变流器的基础上，提供一种构网型三相变流器阻抗和导纳模型建模方法，为研究系统稳定性、多变流器并联运行奠定模型基础。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种构网型三相变流器及其阻抗和导纳模型建模方法，代替跟网型变流器，能够在离网与并网情况下运行，减少跟网型变流器对系统稳定的影响，为研究系统稳定性、多变流器并联运行奠定模型基础。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种构网型三相变流器，包括主电路环节和控制环节；

4、所述主电路环节包括三相六臂逆变器以及与三相六臂逆变器电气连接的lc型滤波器；所述lc型滤波器包括电感lf和滤波电容cf，所述电感lf的一端连接三相六臂逆变器的输出端，电感lf的另一端连接滤波电容cf的一端和母线，电容cf的另一端接地；

5、所述控制环节包括abc/dq坐标变换模块一、abc/dq坐标变换模块二、abc/dq坐标变换模块三、abc/dq坐标变换模块四、功率计算模块、低通滤波器、功率控制环、电压控制外环、电流控制内环和pwm控制模块；

6、所述电感lf的电感电流il输入abc/dq坐标变换模块一，变流器经滤波的输出电压v输入abc/dq坐标变换模块二，所述lc型滤波器输出的注入电网电流i输入abc/dq坐标变换模块三，所述功率计算模块接收来自abc/dq坐标变换模块二输出的d轴分量电压值和q轴分量电压值以及来自abc/dq坐标变换模块三输出的d轴分量电流值和q轴分量电流值，所述功率计算模块输出瞬时有功功率pe和瞬时无功功率qe，所述低通滤波器过滤计算模块输出的瞬时有功功率pe和瞬时无功功率qe并输出平均有功功率和平均无功功率至功率控制环；功率控制环基于虚拟同步控制策略，接收有功功率参考值pref和无功功率参考值qref，输出主电路同步相位角θ至abc/dq坐标变换模块一、abc/dq坐标变换模块二、abc/dq坐标变换模块三和abc/dq坐标变换模块四，以及输出dq轴电压控制参考值vref至电压控制外环；电压控制外环输出dq轴电流控制参考值iref至电流控制内环，电压控制外环和电流控制内环在pi控制器的基础上采用前馈解耦方法，对主电路电压电流dq轴之间的耦合进行解耦，输出pwm调制电压er至abc/dq坐标变换模块四，abc/dq坐标变换模块四输出信号至pwm控制模块，pwm控制模块输出控制信号用于控制主电路逆变器。

7、本发明还提出了一种构网型三相变流器阻抗导纳建模方法，包括以下步骤：

8、s1：构建变流器并网后主电路环节的复频域小信号dq模型，绘制lc主电路小信号模型的传递函数结构框图；

9、s2：构建变流器控制环节的复频域小信号dq模型，所述控制环节的复频域小信号dq模型包括变流器经滤波的输出电压v和pwm调制电压er的电压坐标转换dq模型、电感电流il和注入电网电流i的电流坐标转换dq模型、有功功率无功功率dq模型、采样低通滤波器dq模型、功率控制环相位角dq模型和电压参考值dq模型、电压控制外环dq模型、电流控制内环dq模型以及pwm控制延时的dq模型；

10、s3：在所述lc主电路小信号模型的传递函数结构框图基础上绘制控制环节传递函数结构框图，得到全系统小信号结构框图，将所述主电路环节的复频域小信号dq模型和变流器控制环节的复频域小信号dq模型整合汇总为与变流器经滤波的输出电压v、注入电网电流i、电感电流il以及各设定参考功率相关的小信号模型，绘制出简化后的全系统小信号结构框图，根据简化后的全系统小信号结构框图整理形成构网型三相变流器阻抗模型和构网型三相变流器导纳模型。

11、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

12、进一步地，s1中，所述主电路环节的复频域小信号dq模型具体为：

13、

14、式中，δed和δeq为变流器未经滤波的输出电压e在d轴上的分量的扰动量和q轴上的分量的扰动量，s为复频率，lf与rf分别是lc型滤波器的电感及其寄生电阻，w0为变流器额定角频率，δild和δilq分别为电感电流il在d轴上的分量的扰动量和q轴上的分量的扰动量，δvd和δvq分别为变流器经滤波器的输出电压v在d轴上的分量的扰动量和q轴上的分量的扰动量；δid和δiq分别为注入电网电流i在d轴上的分量的扰动量和q轴上的分量的扰动量，cf为滤波电容，zl是滤波器电感阻抗传递函数矩阵，表示为yc是滤波器电容导纳传递函数矩阵，表示为

15、进一步地，s2中，所述变流器经滤波的输出电压v和pwm调制电压er的电压坐标转换dq模型以及所述电感电流il和注入电网电流i的电流坐标转换dq模型分别为：

16、

17、式中，为变流器dq旋转坐标系下变流器经滤波的输出电压v在d轴上的小信号扰动分量；为变流器dq旋转坐标系下变流器经滤波的输出电压v在q轴上的小信号扰动分量；为系统dq旋转坐标系下变流器经滤波的输出电压v在d轴上的小信号扰动分量，为系统dq旋转坐标系下变流器经滤波的输出电压v在q轴上的小信号扰动分量；δθ为两坐标系的旋转角相位差，dv是变流器经滤波的输出电压v的坐标变换系数，表示为为系统dq旋转坐标系下变流器经滤波的输出电压v的稳态值在q轴上的分量，为系统dq旋转坐标系下变流器经滤波的输出电压v的稳态值在d轴上的分量；为变流器dq旋转坐标系下注入电网电流i在d轴上的小信号扰动分量，为变流器dq旋转坐标系下注入电网电流i在q轴上的小信号扰动分量；和分别为系统dq旋转坐标系下注入电网电流i在d轴和q轴上的小信号扰动分量；di是变流器注入电网的电流i的坐标变换系数，表示为和分别为系统dq旋转坐标系下注入电网电流i的稳态值在d轴和q轴上的分量；和分别为变流器dq旋转坐标系下电感电流il在d轴和q轴上的小信号扰动分量，和分别为系统dq旋转坐标系下电感电流il在d轴和q轴上的小信号扰动分量，dil是电感电流il的坐标变换系数，表示为和分别为系统dq旋转坐标系下电感电流il的稳态值在d轴和q轴上的分量；和分别为系统dq旋转坐标系下pwm调制电压er在d轴和q轴上的小信号扰动分量，和分别为变流器dq旋转坐标系下pwm调制电压er在d轴和q轴的小信号扰动分量，der是pwm调制电压er的坐标变换系数，表示为和分别为系统dq旋转坐标系下pwm调制电压er的稳态值在d轴和q轴上的分量。

18、进一步地，s2中，所述有功功率无功功率dq模型具体为：

19、

20、式中，δse是复功率矩阵，表示为δpe和δqe分别为功率计算模块计算得出的瞬时有功功率小信号值和瞬时无功功率小信号值；gs-v是功率电压系数，表示为gs-i是功率电流系数，表示为

21、进一步地，s2中，所述采样低通滤波器dq模型具体为：

22、

23、其中，glpf表示采样低通滤波器的dq模型；wc为低通滤波器的截止角频率。

24、进一步地，s2中，所述功率控制环相位角dq模型具体为：

25、

26、所述电压参考值dq模型具体为：

27、

28、其中，ga为相位差与功率之间的关系系数，表示w0是变流器运行额定角频率；j为有功功率环的虚拟惯量；δsref表示δpref和δqref分别表示有功功率输入参考值小信号变量和无功功率输入参考值小信号变量；δvdref和δvqref分别为参考电压小信号值δvref在dq轴上的分量k为无功功率环积分系数；vref为参考电压；gb和gc分别表示和分别为参考电压与功率之间的关系系数以及变流器经滤波器输出电压之间的关系系数；dp和dq分别为有功阻尼系数与无功阻尼系数。

29、进一步地，s2中，所述电压控制外环dq模型具体为：

30、

31、所述电流控制内环dq模型具体为：

32、

33、式中，δidref和δiqref分别为电压控制外环输出的参考电流小信号值δiref在d轴和q轴上的分量；表示为电压pi控制传递函数，和分别为电压控制外环的比例增益系数和积分增益系数；表示为电压控制外环解耦系数；表示为电流pi控制传递函数，和分别为电流控制内环的比例增益系数和积分增益系数；表示为电流控制内环解耦系数。

34、进一步地，s2中，所述pwm控制延时的dq模型具体为：

35、

36、式中，gd为pwm控制延时传递函数矩阵，表示矩阵kd为时延环节的传递函数，通过二阶pade近似为为延迟周期，fs为开关频率。

37、进一步地，s3中，所述与变流器经滤波的输出电压v、注入电网电流i、电感电流il以及各设定参考功率相关的小信号模型具体为：

38、

39、

40、式中，hv为系统坐标系下pwm调制电压与变流器经滤波器输出电压之间的关系；hi为为pwm调制电压与变流器注入电网电流之间的关系；hsref为pwm调制电压与变流器设定参考功率之间的关系；hil为pwm调制电压与主电路电感电流之间的关系；

41、所述构网型三相变流器阻抗模型为：

42、δvs＝m·δsref-z·δis

43、

44、所述构网型三相变流器导纳模型为：

45、δis＝n·δsref-y·δvs

46、

47、式中，m为系统坐标系下变流器输出电压与功率参考值之间小信号关系表达式；z为变流器输出阻抗表达式；n为系统坐标系下变流器输出电流与功率参考值之间小信号关系表达式；y为变流器输出导纳表达式。

48、本发明的有益效果是：

49、(1)本发明针对现有技术存在的技术问题提供了一种构网型三相变流器，能够在离网和并网情况下运行，相较于跟网型变流器具有更强的适用性；

50、(2)本发明通过对构网型三相变流器进行dq建模，构建的阻抗和导纳模型采用模块化计算，实现方法简单、精度较高，调取应用灵活，可用于构建多变流器并联的阻抗导纳模型，有利于为研究变流器的稳定性问题提供模型参考。