电网不对称故障时并网变流器的PSCAD建模及仿真方法

摘要

本发明电网不对称故障时并网变流器的PSCAD建模及仿真方法，属于PSCAD建模及仿真方法技术领域；解决的技术问题为：提供一种实现并网变流器在正负双序独立控制策略下的PSCAD建模及仿真方法；采用的技术方案为：首先将并网变流器交流侧的三相电压电流通正负序电压电流的分离，将三相正序和负序电压电流变换到αβ轴，得到正负序电流dq轴的参考值，算出电流内环与电压外环的PI参数；适用于电力系统。

说明书

技术领域

本发明电网不对称故障时并网变流器的PSCAD建模及仿真方法，属于PSCAD建模及仿 真方法技术领域。

背景技术

目前众多输出频率非工频的元件的都要通过PWM变流器实现并网，比如光伏发电系统、 直驱风机等，当电网发生不对称故障时，根据瞬时功率理论，并网变流器的交流侧的有功和 无功功率含有二次谐波分量，同时直流侧母线电压也会存在二次纹波，当纹波足够大时，将 会影响变流器的正常运行，甚至损害变流器，为了限制变流器直流母线电压的纹波，一种正 负序独立控制的双电流环控制策略得到大量应用，为了更好地分析此种控制策略下并网变流 器的特性，有必要对其建模方法进行研究。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种实现并网变流器在 正负双序独立控制策略下的PSCAD建模及仿真方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：电网不对称故障时并网变流器的 PSCAD建模及仿真方法，包括以下步骤：

将并网变流器交流侧的三相电压电流进行正负序分离；

将正序和负序电压电流通过Clark变换变换到αβ轴，通过三相锁相环锁住正负序电压的 相位，再通过park变换将αβ轴的电压电流变换到dq旋转坐标轴；

根据限制直流侧母线电压纹波的控制目标，结合变流器单位功率运行的要求，求得正负 序电流dq轴的参考值；

通过求得电压外环和电流内环的传递函数，给出5个PI调节器的参数整定方法；通过卸 荷电路限制直流母线的过电压；最终实现并网变流器的正负序独立控制和限制直流母线电压 纹波。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤S1：将并网变流器交流侧的三相电压电流通过相位平移实现正负序电压电流的分 离：

$\left(\begin{array}{c}{F}_a^P\\ F_b^P\\ F_c^P\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& \alpha & {\alpha }^2\\ {\alpha }^2& 1& \alpha \\ \alpha & {\alpha }^2& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_a\\ F_b\\ F_c\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{F}_a^N\\ F_b^N\\ F_c^N\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& {\alpha }^2& \alpha \\ \alpha & 1& {\alpha }^2\\ {\alpha }^2& \alpha & 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_a\\ F_b\\ F_c\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中：P代表正序、N代表负序；a、b、c分别表示A、B、B三相；F代表电压或 电流；α为转子，其中α＝e^j2π/3；

步骤S2：通过clark变换将三相正序和负序电压电流变换到αβ轴，得到并通过锁相环锁住正负序电压的相位；再通过park变换将αβ轴的正负序电压变换到dq 旋转坐标轴：

$\left(\begin{array}{c}{F}_d^P\\ F_q^P\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}cos\theta & -sin\theta \\ sin\theta & \cos \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_{\alpha }^P\\ F_{\beta }^P\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{F}_d^N\\ F_q^N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}cos\theta & sin\theta \\ -sin\theta & cos\theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_{\alpha }^N\\ F_{\beta }^N\end{array}\right)---\left(2\right)$

由此可实现：$\left(\begin{array}{c}{u}_d^P=u_m^P\\ u_q^P=0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{u}_d^N=u_m^N\\ u_d^N=0\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(2)中，表示α轴正序的电压或电流、表示β轴正序的电压或电流、表示α 轴负序的电压或电流、表示β轴负序的电压或电流；θ为锁相环得到的正序电压的相角； 为交流侧正序电压幅值，为交流侧负序电压幅值；

式(3)中，分别为正负序电压的d轴和q轴分量；

步骤S3：根据式(4)得到正负序电流dq轴的参考值：

$\left(\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}{u}_d^p& u_q^p& u_d^N& u_q^N\\ u_q^p& -u_d^p& u_q^N& -u_d^N\\ u_q^N& -u_d^N& -u_q^p& u_d^p\\ u_d^N& u_q^N& u_d^p& u_q^p\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\frac{2}{3}{p}_0^{*}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\frac{2p_0^{*}}{3D}\left(\begin{array}{c}{u}_d^p\\ u_q^p\\ -u_d^N\\ -u_q^N\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，分别表示正、负序电流d轴和q轴分量的参考值； $D={\left(u_d^p\right)}^2-{\left(u_d^N\right)}^2;$

为直流电压外环得到的有功功率参考值，具体为：

$p_0^{*}=u_{dc}^{*}[k_{vp}(u_{dc}^{*}-u_{dc})+k_{vi}\int (u_{dc}^{*}-u_{dc})dt]---\left(5\right)$

式(5)中，为直流母线电压参考值，u_dc为直流母线电压，k_vp为电压环的比例系数、 k_vi为电压环的积分系数。

步骤S4：通过公式(6)得到电流内环中4个PI参数，通过公式(7)得到电压外环中1 个PI参数：

$\left(\begin{array}{c}{k}_{ii}=L/\left(3K_{PWM}{T}_s\right)\\ k_{ip}=R/\left(3K_{PWM}{T}_s\right)\end{array}\right)---\left(6\right)$

$\left(\begin{array}{c}{k}_{vi}=3C/528T_s^2\\ k_{vp}=60C/528T_s\end{array}\right)---\left(7\right)$

式(6)中，k_ip为电流环的比例系数、k_ii为电流环的积分系数；R、L为网侧滤波电感 的等效电电阻和电感；K_PWM为PWM变流器的等效增益；T_S仿真模型的采样周期；

式(7)中，C为直流母线的电容。

步骤S1中通过PSCAD中的延时元件实现转子的延时，步骤S2中，锁相环在PSCAD中 用PLL元件实现。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明电网不对称故障时并网变流器的PSCAD建模及仿真方法，为了限制二次纹波 对变流器的影响，本发明不但能够有效地限制有功功率和直流母线电压的二次纹波，从而提 高变流器的运行效率，而且可以提高逆变型分布式电源的低电压穿越能力。

2、本发明，运用PSCAD仿真软件，PSCAD仿真软件具有直观易用的图形界面和精确 高效的模拟，既可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子器件仿真及非线性控制， 本发明通过PSCAD仿真软件，给出了正序双序独立控制中正负序的分离及定向、正负序电 压参考值的计算、PI参数的调节等重要步骤的实现方法，最终实现了并网变流器的在正负双 序独立控制策略下的仿真，有效的抑制了直流侧母线电压和交流侧有功功率的纹波，本发明 的方法为电网不对称条件下的新能源发电系统的建模与仿真提供了理论基础。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1为并网变流器的拓扑结构示意图；

图2为并网变流器的正负序独立控制策略框图；

图3为限制直流母线过电压的附加控制电路示意图；

图4为交流侧三相正序电压示意图；

图5为交流侧三相负序电压示意图；

图6为交流侧三相正序电流示意图；

图7为交流侧三相负序电流示意图；

图8为交流侧正负序电压dq轴分量示意图；

图9为交流侧正负序电流dq轴分量示意图；

图10为交流侧有功功率和无功功率示意图；

图11为直流侧母线电压示意图。

具体实施方式

如图1至图11所示，电网不对称故障时并网变流器的PSCAD建模及仿真方法，包括以 下步骤：

首先将并网变流器交流侧的三相电压电流通过相位平移实现正负序电压电流的分离；

将正序和负序电压电流通过Clark变换变换到αβ轴，通过三相锁相环锁住正负序电压的 相位，再通过park变换将αβ轴的电压电流变换到dq旋转坐标轴；

根据限制直流侧母线电压纹波的控制目标，结合变流器单位功率运行的要求，求得正负 序电流dq轴的参考值；

通过求得电压外环和电流内环的传递函数，给出5个PI调节器的参数整定方法；通过卸 荷电路限制直流母线的过电压；最终实现并网变流器的正负序独立控制和限制直流母线电压 纹波。

具体包括以下步骤：

步骤S1：将并网变流器交流侧的三相电压电流通过相位平移实现正负序电压电流的分 离：

$\left(\begin{array}{c}{F}_a^P\\ F_b^P\\ F_c^P\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& \alpha & {\alpha }^2\\ {\alpha }^2& 1& \alpha \\ \alpha & {\alpha }^2& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_a\\ F_b\\ F_c\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{F}_a^N\\ F_b^N\\ F_c^N\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& {\alpha }^2& \alpha \\ \alpha & 1& {\alpha }^2\\ {\alpha }^2& \alpha & 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_a\\ F_b\\ F_c\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中：P代表正序、N代表负序；a、b、c分别表示A、B、B三相；F代表电压或 电流；α为转子，其中α＝e^j2π/3，一个向量乘以转子可认为是其延时120°，一个向量乘以α²表 示其延时240°，具体可通过PSCAD中的延时元件实现；

步骤S2：通过clark变换将三相正序和负序电压电流变换到αβ轴，得到并通过锁相环锁住正负序电压的相位，锁相环在PSCAD中用PLL元件实现；再通过 park变换将αβ轴的正负序电压变换到dq旋转坐标轴：

$\left(\begin{array}{c}{F}_d^P\\ F_q^P\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}cos\theta & -sin\theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_{\alpha }^P\\ F_{\beta }^P\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{F}_d^N\\ F_q^N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}cos\theta & sin\theta \\ -sin\theta & cos\theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_{\alpha }^N\\ F_{\beta }^N\end{array}\right)---\left(2\right)$

由此可实现：$\left(\begin{array}{c}{u}_d^P=u_m^P\\ u_q^P=0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{u}_d^N=u_m^N\\ u_d^N=0\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(2)中，表示α轴正序的电压或电流、表示β轴正序的电压或电流、表示α 轴负序的电压或电流、表示β轴负序的电压或电流；θ为锁相环得到的正序电压的相角； 为交流侧正序电压幅值，为交流侧负序电压幅值；

式(3)中，分别为正负序电压的d轴和q轴分量；

步骤S3：根据式(4)得到正负序电流dq轴的参考值：

$\left(\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}{u}_d^p& u_q^p& u_d^N& u_q^N\\ u_q^p& -u_d^p& u_q^N& -u_d^N\\ u_q^N& -u_d^N& -u_q^p& u_d^p\\ u_d^N& u_q^N& u_d^p& u_q^p\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\frac{2}{3}{p}_0^{*}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\frac{2p_0^{*}}{3D}\left(\begin{array}{c}{u}_d^p\\ u_q^p\\ -u_d^N\\ -u_q^N\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，分别表示正、负序电流d轴和q轴分量的参考值； $D={\left(u_d^p\right)}^2-{\left(u_d^N\right)}^2;$

为直流电压外环得到的有功功率参考值，具体为：

$p_0^{*}=u_{dc}^{*}[k_{vp}(u_{dc}^{*}-u_{dc})+k_{vi}\int (u_{dc}^{*}-u_{dc})dt]---\left(5\right)$

式(5)中，为直流母线电压参考值，u_dc为直流母线电压，k_vp为电压环的比例系数、 k_vi为电压环的积分系数。

步骤S4：通过公式(6)得到电流内环中4个PI参数，通过公式(7)得到电压外环中1 个PI参数：

$\left(\begin{array}{c}{k}_{ii}=L/\left(3K_{PWM}{T}_s\right)\\ k_{ip}=R/\left(3K_{PWM}{T}_s\right)\end{array}\right)---\left(6\right)$

$\left(\begin{array}{c}{k}_{vi}=3C/528T_s^2\\ k_{vp}=60C/528T_s\end{array}\right)---\left(7\right)$

式(6)中，k_ip为电流环的比例系数、k_ii为电流环的积分系数；R、L为网侧滤波电感 的等效电电阻和电感；K_PWM为PWM变流器的等效增益；T_S仿真模型的采样周期；式(7) 中，C为直流母线的电容。

本发明通过PSCAD仿真软件，给出了正序双序独立控制中正负序的分离及定向、正负 序电压参考值的计算、PI参数的调节等重要步骤的实现方法，最终实现了并网变流器的在正 负双序独立控制策略下的仿真，有效的抑制了直流侧母线电压和交流侧有功功率的纹波，本 发明的方法为电网不对称条件下的新能源发电系统的建模与仿真提供了理论基础；具有突出 的实质性特点和显著的进步；上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并 不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗 旨的前提下作出各种变化。