一种提高并网变流器系统双向功率稳定性的功率补偿控制

摘要

本发明公开了一种提高DC/AC并网变流器系统在功率双向流动下的稳定性的功率补偿控制策略。利用滤波性能较好的二阶低通滤波器提取实际交流侧电压中的扰动分量，将其通过新增的补偿控制器后修正有功功率给定值，可实现根据实际交流电压的变化来相应地调节暂态下的传输功率大小，使得电压和电流的变化趋势相同，即表现出正阻抗特性，增强了系统的阻尼和抗扰动性。本发明能够有效的改善功率双向传输对传统功率控制下的并网系统造成的稳定性差异，最终提升了系统的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种提高功率双向流动下含功率控制变流器的并网系统稳定性的功率补偿控制策略。

背景技术

近年来，随着化石能源逐渐匮乏以及环境问题日益严峻，促进了新能源发电技术的迅速发展，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。此外，不同区域间能源供需不均衡，促进了多区域电网之间互联。这些都使得发电模式由传统单一集中式转变成集中式和分布式并存，电能输送也从传统单向传输转变成双向传输。

并网变流器作为直流系统和交流电网的并网接口单元，能有效控制直流系统和交流电网之间的能量交换。广泛应用于交直流微电网，交流低压微电网互联，直流输变电，电机驱动，交流电动机变频调速等场合。在功率双向传输下，含并网变流器的系统的稳定性会随着功率传输方向的变化而存在差异，即双向功率稳定性差异。近年来，国内外的学者们针对多种含并网变流器的系统中存在的双向功率稳定性差异问题进行研究，分析了其根本机理以及对系统稳定性造成的影响，并提出了多种解决办法。

已有研究通过阻抗分析和奈奎斯特图揭示了双端柔性直流输电系统中存在双向功率稳定性差异问题，具体表现为当功率从功率控制变流器向电压控制变流器传输时系统能稳定运行，当功率反向传输时系统会失稳。还有研究以双向全桥变换器(Dual ActiveBridge，DAB)和并网变流器构成的级联变流器系统为研究对象，分析了该问题的根本机理为功率控制变流器端口阻抗在双向功率下阻抗特性存在差异：并网变流器作为功率负载时，其直流侧输入阻抗为负阻尼特性，作为等效功率源时其直流侧输出阻抗呈正阻尼特性。该问题会造成直流母线电压波动，在大功率等级下会使系统失稳。针对该问题提出了两种不同的协调控制策略，都能有效增强系统在双向功率下的稳定性。除此之外，还有研究以交直流微网中控制母线电压的双向DC/DC变流器和控制功率的双向DC/AC变流器构成的级联系统为研究对象，揭示了负荷功率等级和功率传输方向会影响级联系统等效阻抗和稳定性。并提出了一种协同控制策略来抑制振荡，提升系统稳定性。

上述研究中主要针对采用传统功率控制时并网变流器直流侧系统在功率双向流动下的稳定性差异问题进行优化。与直流侧类似，当功率从交流电网向并网变流器传输时，并网变流器相对于交流电网作为恒功率负载，其交流侧输入阻抗呈负阻抗特性，因此交流侧系统也同样存在此问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高DC/AC并网变流器系统在功率双向流动下的稳定性的功率补偿控制策略，让反向输入阻抗从负阻抗特性转变成正阻抗特性，有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的阻尼，提升了系统功率传输能力和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种提高DC/AC并网变流器系统在功率双向流动下的稳定性的功率补偿控制策略，应用于功率双向流动下含功率控制变流器的并网系统，该系统包括一台三相并网变流器和交流电网，采用传统直接功率控制策略，该方法包括：

在DC/AC并网变流器系统中，并网逆变器和交流电网之间存在交互作用。在双向功率流动下，当功率从并网变流器向交流电网传输时，变流器交流侧输出阻抗表达式如下：

其中，式中：Z

同理，当功率从交流电网向变流器传输时，变流器交流侧输入阻抗表达式如下：

在传统功率控制下，电网电压和并网电流的变化趋势相反，所以当功率从并网变流器向交流电网传输时，并网变流器作为功率源表现为正阻抗特性。当功率从交流电网向变流器传输时，并网变流器作为功率负载表现为负阻抗特性。即在功率双向流动下，存在明显的阻抗特性差异。又因为正阻尼使得系统稳定，负阻尼会降低系统稳定性。因此并网系统的稳定性会随功率流动方向的变化而存在明显差异，这种稳定性差异容易引发系统振荡。

利用滤波性能较好的二阶低通滤波器提取实际交流侧电压中的扰动分量，将实际交流电压d轴分量u

u

其中，式中：G

其中，式中：ω

稳态下电压扰动分量几乎为零，即调节器输入信号为零。为了不改变稳态下的传输功率大小，仅修正暂态下的功率给定值，即让补偿调节器在稳态下输出信号为零，暂态下起作用。如果将补偿控制器设计为比例-积分控制器，其积分环节在稳态下的输出量可能不为零，即不满足上述要求。因此将补偿调节器设计为比例控制器。由于该调节器的输入信号为电压信号，输出信号为功率信号，因此调节器比例系数是和电流信号相关的，补偿调节器的表达式为：

其中，式中：I

补偿后有功功率支路满足下式：

将提取得到的扰动分量通过新增的补偿控制器后修正有功功率给定值，可实现根据实际交流电压的变化来相应地调节暂态下的传输功率大小，使得电压和电流的变化趋势相同，即表现出正阻抗特性，增强了系统的阻尼和抗扰动性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种提高DC/AC并网变流器系统在功率双向流动下的稳定性的功率补偿控制策略，在传统直接功率控制策略的基础上，通过滤波性能较好的二阶低通滤波器提取实际交流侧电压中的扰动分量，将其通过新增的补偿控制器后修正有功功率给定值，可实现根据实际交流电压的变化来相应地调节暂态下的传输功率大小，使得电压和电流的变化趋势相同，即表现出正阻抗特性，增强了系统的阻尼和抗扰动性，有效地改善双向功率流动对含功率控制变流器的并网系统造成的稳定性差异问题，最终提升了系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。

图1是本发明DC/AC并网变流器系统的结构框图；

图2是本发明DC/AC并网变流器采用的传统功率控制框图；

图3是本发明有锁相环恒功率控制闭环的逆变器小信号模型；

图4是本发明并网变流器功率补偿控制策略框图；

图5是本发明采用功率补偿控制策略后的小信号模型；

图6是本发明优化前在工况一下的仿真波形；

图7是本发明优化后在工况一下的仿真波形；

图8是本发明优化前在工况二下的仿真波形；

图9是本发明优化后在工况二下的仿真波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种提高DC/AC并网变流器系统在功率双向流动下的稳定性的功率补偿控制策略，让反向输入阻抗从负阻抗特性转变成正阻抗特性，有效的改善双向功率流动对恒功率控制的并网系统造成的稳定性差异，最终增强了系统的阻尼，提升了系统功率传输能力和稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明DC/AC并网变流器系统的结构框图，如图1所示，包括DC/AC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。图中：U

图2是本发明DC/AC并网变流器采用的传统功率控制框图，如图2所示，传统功率控制的内环为d-q坐标系下电流控制。图中：H

图3为本发明在功率正向流动时并网逆变器采用传统功率控制，其交流侧在d-q轴下的小信号模型：

功率正向流动时逆变器交流侧输出阻抗Z

其中，式中：Z

同理，当功率从交流电网向变流器传输时，变流器交流侧输入阻抗表达式如下：

在传统功率控制下，电网电压和并网电流的变化趋势相反，所以当功率从并网变流器向交流电网传输时，并网变流器作为功率源表现为正阻抗特性。当功率从交流电网向变流器传输时，并网变流器作为功率负载表现为负阻抗特性。即在功率双向流动下，存在明显的阻抗特性差异。又因为正阻尼使得系统稳定，负阻尼会降低系统稳定性。因此并网系统的稳定性会随功率流动方向的变化而存在明显差异，这种稳定性差异容易引发系统振荡。

选定功率从并网变流器向交流电网传输方向为正方向；反方向为功率从交流电网向变流器传输方向。先建立功率正向传输时的阻抗小信号模型，得到阻抗表达式；功率值与电流值为负值表示功率反向传输。

假定直流侧电压恒定，即Δu

式中：Z

令Δu

式中：U

图中：上标“

经公式推导得并网电流给定值的扰动矩阵为：

Δi

式中：常数表达式C

式中：P

图4为本发明并网变流器功率补偿控制策略框图。

将实际交流电压d轴分量u

u

其中，式中：G

其中，式中：ω

补偿调节器H

其中，式中：I

补偿后有功功率支路满足下式：

补偿后并网电流给定值的扰动矩阵为：

上式可以简化表示为：

Δi

其中，式中：C

其中，式中：K

图5为本发明采用功率补偿控制策略后的小信号模型。

搭建如图1所示的DC/AC并网变流器系统的仿真模型，直流母线侧电压为800V；无功功率给定值为0kW；基波频率为50Hz；开关频率为10kHz；交流电网线电压的有效值为380V；线路电感值为1.5mH。

工况一：±10kW功率双向流动。

图6为本发明优化前在工况一下的仿真波形。从仿真波形可以看出，当功率流向从正向切换到反向时系统波动幅度较大，当功率流向从反向切换到正向时系统波动幅度较小，存在明显的稳定性差异。

图7是本发明优化后在工况一下的仿真波形。从仿真波形可以看出，在采用提出的功率补偿控制后，功率和电压波动幅度大大减小，阶跃响应调节时间约为12ms，动能性能较好；三相电流接近正弦波，在功率流向切换的暂态不会有较大波动和冲击。对比两种控制方法下的交流侧波形可知，在功率双向流动下采用所提补偿控制时系统稳定性更优，不同功率流向之间稳定性差异较小；且响应速度较快，说明滤波器对系统动态性能影响较小。

工况二：不同功率流向下功率等级从10kW逐渐提升到30kW。

图8为本发明优化前在工况二下的仿真波形。从仿真波形可以看出，当功率反向流动时在功率等级提升到30kW后，交流侧功率出现剧烈波动，并网系统失去失稳；当功率正向流动时在功率等级提升到30kW后，交流侧功率波动幅度较小，并网系统能维持稳定。说明采用功率控制时在大功率等级下系统存在明显的稳定性差异。

图9是本发明优化后在工况二下的仿真波形。从仿真波形可以看出，补偿后在功率等级提升到30kW后，功率正向和反向流动下交流侧功率波动大幅度减小，且稳定性大幅度提高，说明大大提高了稳定裕度。

本发明提供的一种提高DC/AC并网变流器系统在功率双向流动下的稳定性的功率补偿控制策略，利用滤波性能较好的二阶低通滤波器提取实际交流侧电压中的扰动分量，将其通过新增的补偿控制器后修正有功功率给定值，可实现根据实际交流电压的变化来相应地调节暂态下的传输功率大小，使得电压和电流的变化趋势相同，即表现出正阻抗特性，增强了系统的阻尼和抗扰动性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。