本發(fā)明屬于電氣工程領域，具體涉及一種利用直流電容動態(tài)實現自同步的三相并網變流器控制方法。

背景技術：

近年來，隨著以風電、光伏為主的可再生能源技術的發(fā)展，電網中三相變流器的滲透率逐漸增大。在未來以變流器為主導的電網中，變流器的特性決定了電網的特性，并對電網的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，因此，變流器的控制方法得到了廣泛的關注。

目前，三相變流器的控制主要采用基于鎖相環(huán)的矢量控制，但這種控制方法無法使變流器參與到電網的頻率調節(jié)中，也無法使變流器在電網頻率波動時為電網提供有功功率以支撐電網頻率。并且，已有研究指出，基于鎖相環(huán)控制的變流器不適應于弱電網下運行，因為弱電網下鎖相環(huán)的動態(tài)性能變差，并可能使變流器失去穩(wěn)定，危及電網的安全穩(wěn)定運行。

技術實現要素：

為了解決現有技術中采用鎖相環(huán)控制的三相變流器不適應于弱電網運行且無法支撐電網頻率的問題，本發(fā)明提出一種利用直流電容動態(tài)實現自同步的三相并網變流器控制方法。

本發(fā)明方法使變流器不需要通過鎖相環(huán)實現與電網的同步，因此可適應于低短路比(即短路比小于等于3)的弱電網運行，并且可以利用直流電容的儲能實現對電網的頻率支撐，提高變流器對電網的頻率支撐能力，改善了動態(tài)性能(動態(tài)性能主要是指小擾動分析下的穩(wěn)定性)。

如圖1所示，本發(fā)明的技術方案采用以下技術方案：

本發(fā)明以三相并網變流器內部的直流電容電壓控制器輸出帕克變換(parktransformation)角頻率，作為變流器的角頻率實際值，實現直流電容電壓與變流器輸出角頻率的動態(tài)耦合，達到以直流電容動態(tài)實現變流器并網自同步的目的。

帕克變換角頻率輸入到積分器中經積分計算生成變流器相位θ，變流器相位θ和lcl濾波器的采樣信號一起經帕克變換輸出電流和電壓的dq坐標分量，電流和電壓的dq坐標分量經控制運算后再和變流器相位θ(是由變流器相位θ經空間矢量調制解算還原)一起輸入到三相并網變流器中。

所述帕克變換角頻率通過以下公式生成：

其中，ω^*是帕克變換角頻率，作為變流器的角頻率實際值，ω0是變流器的角頻率設定值，s是拉普拉斯算子，vdc是直流電容電壓，是直流電容電壓參考值，f(s)為復數域下的傳遞函數表達式，可表示為：

其中，a0,a1,...,an分別表示傳遞函數f(s)的第一、第二、…、第n超前系數，b0,b1,...bm分別表示傳遞函數f(s)的第一、第二、…、第m滯后系數，s是拉普拉斯算子，m、n分別表示為復數域頻率下的分母分子階數，且an≠0，bm≠0，m≥0，n≥0。

優(yōu)選地，上式中特定的傳遞函數可以采用超前滯后環(huán)節(jié)(s+kt)/(kjs+kd)，使所述變流器的角頻率ω^*通過以下方式控制：

其中，ω^*是帕克變換角頻率，作為變流器的角頻率實際值，ω0是變流器的角頻率設定值，s是拉普拉斯算子，vdc是直流電容電壓，是直流電容電壓參考值，kt是直流電壓跟蹤系數，kj是慣量模擬系數，kd是阻尼系數。

所述的變流器的角頻率設定值ω0是用戶輸入的角頻率值或者檢測獲得的電網角頻率。

無論是采用超前滯后環(huán)節(jié)(s+kt)/(kjs+kd)或是采用傳遞函數，都可以實現直流電容電壓與變流器輸出角頻率的動態(tài)耦合，達到以直流電容動態(tài)實現變流器并網自同步的目的。本發(fā)明采用超前滯后環(huán)節(jié)(s+kt)/(kjs+kd)是出于進一步改善系統(tǒng)動態(tài)性能的考慮，能夠改善小擾動分析下的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明解決了傳統(tǒng)變流器無法適應弱電網運行的技術問題，提出一種利用直流電容動態(tài)實現自同步的三相并網變流器控制方法，通過直流電容電壓控制器輸出變流器帕克變換角頻率，實現直流電容電壓與變流器輸出角頻率的動態(tài)耦合，達到以直流電容動態(tài)實現變流器并網自同步的目的。

本發(fā)明方法使變流器不需要通過鎖相環(huán)實現與電網的同步，因此可適應于弱電網運行，并且可以利用直流電容的儲能實現對電網的頻率支撐。

本發(fā)明方法可應用于雙饋或直驅風機的網側三相變流器、光伏的并網三相逆變器以及柔性直流輸電的三相變流站，實現電網中三相變流器的無鎖相環(huán)自同步并網，提高電網中三相變流器對弱電網的適應性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中利用直流電容動態(tài)實現自同步的三相并網變流器控制方法基本框圖。

圖2為本發(fā)明中三相變流器的并網示意圖。

圖3為本發(fā)明中三相變流器的虛擬功角曲線。

圖4為實施例仿真驗證中采用本發(fā)明控制方法時變流器的虛擬功角軌跡。

圖5為實施例仿真驗證中采用本發(fā)明控制方法時變流器的時域響應曲線。

圖6為實施例仿真驗證中電網頻率跌落時采用本發(fā)明控制方法的變流器的時域響應曲線。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

本發(fā)明的原理如下：

三相并網變流器常采用“虛擬阻抗-電壓控制-電流控制”的三環(huán)控制結構，以提高變流器的動態(tài)性能，并應用無功-電壓下垂控制實現無通訊的無功功率均分以及對電網的電壓支撐。交流電壓電流控制采用基于帕克變換的矢量控制，其中，電壓外環(huán)設定電壓q軸分量vq的給定值為零，使逆變器的輸出電壓綜合矢量定位在d軸上。典型控制結構1所示，iabc是lcl的變流器側電感電流，id與iq是iabc在dq坐標下的分量，vabc是lcl的電容電壓，vd與vq是vabc在dq坐標下的分量，ioabc是lcl的網側電感電流，iod與ioq是ioabc在dq坐標下的分量，v0是無功-電壓下垂的電壓設定值，kq是下垂系數，qe是變流器的輸出無功功率，q0是無功功率的設定值。

圖2給出了三相變流器的并網示意圖，可以看到，在交流側三相變流器經過lcl濾波器再經過線路連接到電網，在直流側三相變流器經過直流電容與功率源連接，功率源可以是光伏面板等。其中，lf是lcl的變流器側電感值，cf是lcl的電容值，lg是lcl的網側電感值，ll是線路電感值，rl是線路電阻值，uabc是電網電壓矢量。

本發(fā)明通過直流電容電壓控制器輸出特定的角頻率，其控制計算方式表示為：

其中，ω^*是變流器的角頻率實際值，ω0是變流器的角頻率設定值，s是拉普拉斯算子，vdc是直流電容電壓，是直流電容電壓參考值，kt是直流電壓跟蹤系數，kj是慣量模擬系數，kd是阻尼系數。

通過積分ω^*可以得到變流器的相位θ。

直流電容的動態(tài)方程可以表示為：

其中，cdc是直流電容值，vdc是直流電壓，is與ps是直流側功率源的輸出電流與功率，ie與pe是變流器側的電流與功率。

式(2)可進一步寫為：

其中，t表示時間。

將式(3)代入式(1)可得：

其中，j＝cdckj/2是等效的慣量時間常數，d＝cdckd/2是等效的阻尼系數。

式(4)可分為兩項，即電網同步項和直流電壓跟蹤項，在這里，我們主要關注本發(fā)明所提出的控制方法如何實現變流器的無鎖相環(huán)自同步，因此我們忽略式(4)中的直流電壓跟蹤項，從而式(4)可以進一步表示為：

jsω^*+d(ω^*-ω0)-(ps-pe)＝0(5)

令δ＝θ-θg為變流器相角與電網相角之差，定義為變流器的虛擬功角，考慮到sθ＝ω^*與sθg＝ω0，結合式(5)可得：

js²δ+dsδ＝ps-pe(6)

變流器的有功功率輸出可以表示為：

其中，v是逆變器的輸出電壓幅值，u是電網電壓幅值，x＝(lg+ll+lv)ω0是等效電抗值，lv是虛擬電感。

由式(6)可以得到變流器的虛擬功角曲線，聯立式(6)與式(7)可得系統(tǒng)有兩個靜態(tài)平衡點，即圖3中虛擬功角曲線上的點a與點b，對其進行小擾動分析可以確定：a點是穩(wěn)定的靜態(tài)平衡點，b點是不穩(wěn)定的靜態(tài)平衡點。因此穩(wěn)態(tài)時變流器將工作于a點，且只要虛擬功角曲線與ps有交點，變流器即可實現與電網的自同步。

由上述分析可知，本發(fā)明所提出的控制方法使直流電容電壓控制器輸出變流器角頻率ω^*，實現直流電容電壓與變流器輸出角頻率的動態(tài)耦合，如式(1)所示，從而達到以直流電容動態(tài)實現變流器并網自同步的目的。該自同步機理可以由式(6)與式(7)確定的等效模型分析得出，即采用本發(fā)明提出的利用直流電容動態(tài)實現自同步的三相并網變流器控制方法時，三相變流器并網系統(tǒng)存在穩(wěn)定的靜態(tài)虛擬功角平衡點，因此變流器相位可以與電網相位保持同步，且該同步關系的建立不需依靠傳統(tǒng)控制中的鎖相環(huán)，即變流器在本發(fā)明提出的控制方法下可以實現并網自同步。

本發(fā)明的具體實施例如下：

實施例以單變流器并入無窮大系統(tǒng)(如圖2所示)為例，對單機無窮大系統(tǒng)進行仿真，變流器采用本發(fā)明提出的控制方法，如圖1所示，可以看出圖1的控制結構中不含傳統(tǒng)鎖相環(huán)。系統(tǒng)標幺化處理時，變流器容量的基準值為50kva，交流線電壓基準值為380v，交流頻率基準值是50hz，直流母線電壓基準值為700v。當圖2中直流母線上功率源的有功功率輸出從ps＝0階躍到ps＝0.6p.u.(其中p.u.表示標幺值)且等效電抗x＝0.2p.u.時，變流器的虛擬功角軌跡如圖4(a)所示?？梢钥闯?，變流器經過暫態(tài)過程后重新到達虛擬功角曲線上的穩(wěn)定平衡點，即變流器可以實現無鎖相環(huán)地與電網自同步，驗證了上述分析。當x＝0.4p.u.時，變流器運行于弱電網(此時電網短路比為2.5)，此時變流器的虛擬功角軌跡如圖4(b)所示，可以看出，當x取值不同時，虛擬功角曲線發(fā)生變化，但變流器經過暫態(tài)過程后仍可以到達虛擬功角曲線上的穩(wěn)定平衡點，驗證了本發(fā)明所提出的控制方法對于弱電網的適應性。

圖5給出了當t＝2s直流母線上功率源的有功功率輸出從ps＝0.3p.u.階躍到ps＝0.6p.u.時變流器的時域響應曲線。可以看出，變流器的有功功率輸出pe(p.u.)，無功功率輸出qe(p.u.)，直流電容電壓vdc(p.u.)與輸出頻率f^*(hz)(這里f^*＝ω^*/2π)均具有快速響應特性以及良好的動態(tài)特性。逆變器經過暫態(tài)過程后可以到達新的平衡點，即變流器可以實現無鎖相環(huán)地與電網自同步，驗證了上述原理分析。

圖6給出了當t＝0.5s電網頻率跌落0.5hz時變流器的時域響應曲線，可以看出，電網頻率跌落時，變流器直流電壓下降并釋放響應的儲能用于支持電網頻率，變流器有功功率輸出短時間內由0.6p.u.上升到0.8p.u.，且直流電壓從1.0p.u.下降到0.9p.u.，仍處于合理范圍之內，驗證了本發(fā)明方法在實現變流器自同步的同時可以實現對電網的頻率支撐。

上述具體實施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。