一种变流器的快速电压响应及暂态穿越控制方法及系统

技术领域

本发明属于变流器控制技术领域，具体涉及一种变流器的快速电压响应及暂态穿越控制策略。

背景技术

随着电力系统中风电、光伏等新能源渗透率的提高，同步发电机在系统中的占比逐渐降低，从而导致电网强度不断下降，对变流器控制技术的电压、频率稳定性提出了新的需求。

传统跟网型变流器通过锁相环来实现电网同步，为电网注入功率，其本质上被控制为电流源，不具备同步发电机的下垂特性，无法对电网提供电压、频率支撑。针对跟网型变流器的不足，学者提出了构网型变流器的概念，通过对变流器自身输出功率的控制来实现电网同步，其本质是电压源，能够在不依赖外界交流系统的情况下，自行构建交流输出电压，为电网电压、频率提供支撑。

构网型变流器的控制通常要求电压内环具有较大的带宽，目前常见的电压环控制方法虽然能实现满足控制需求的带宽，但其控制器设计较为复杂，且系统带宽还有待进一步提高。同时，现有的电压控制策略并未考虑滤波电感限流以及控制器饱和，在发生系统故障时的故障穿越能力较差，安全可靠性较低，无法实际应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种无隔离变压器的柔性互联装置及其环流抑制方法，充分抑制环流，提高无隔离变压器的柔性互联装置的电网适用性。

本发明采用以下技术方案以解决所提出的技术问题：

本发明提出一种变流器的快速电压响应及暂态穿越控制方法，包括以下步骤：

S1、基于坐标变换和复变量构造，建立交流侧滤波器的增广状态空间模型；具体包括以下子步骤：

步骤101、基于基尔霍夫定律建立变流器交流侧滤波器在三相静止坐标系下的微分方程组；

步骤102、通过Park变换将三相静止坐标系下的微分方程组转换到dq坐标系下，构造以d轴分量为实部、q轴分量为虚部的复变量，建立交流侧滤波器的复数状态空间模型；

步骤103、将复数状态空间模型离散化，考虑数字控制器一拍滞后建立交流侧滤波器的增广状态空间模型。

S2、通过开环通路状态反馈及输出复电压闭环控制建立系统闭环传递函数；具体包括以下子步骤：

步骤201、通过状态反馈配置增广状态空间模型极点；

步骤202、采用比例积分控制器对变流器输出复电压进行闭环控制，建立系统闭环传递函数。

S3、基于快速响应的期望性能设计目标闭环传递函数，与系统闭环传递函数比较反推开环通路状态反馈所配置极点的位置以及控制器参数；

S4、根据开环通路状态反馈所配置极点的位置计算状态反馈矩阵；

S5、根据过流保护和线性调制的需求，基于一拍电流预测和等比例限幅对变流器的调制信号进行调整；所述过流保护和线性调制需求为：滤波电感复电流的幅值不得超过滤波电感所能承受的最大电流限幅，调制信号必须小于直流母线电压的

步骤501、建立滤波电感复电流的差分方程，根据当前拍状态量预测下一拍滤波电感复电流值，并计算滤波电感复电流预测值模值；所述滤波电感复电流差分方程的表达式为：

其中，L

i

步骤502、若预测值模值小于滤波电感复电流最大限幅，则保持调制信号不变，反之，则将预测值等比例缩小至模等于最大限幅，并根据滤波电感复电流差分方程修正调制信号，使下一拍滤波电感复电流等于该预测值；其中，调制信号的输出规则为：

其中，u

步骤503、计算限流后调制信号模值，若调制信号模值小于线性调制限值，则保持调制信号不变，反之，则将调制信号等比例缩小至模等于线性调制限值。其中，调制信号的输出规则为：

其中，u

S6、通过积分抗饱和控制修正当前拍控制器输入误差，获得修正输入误差；具体包括以下子步骤：

步骤601、建立控制器输出关于控制器输入误差、控制器输出和状态量的差分方程，获得控制器差分方程；所述控制器包含比例积分控制器和状态反馈控制器，控制器的差分方程表达式为：

u'

其中，ε为控制器输入误差，x为状态向量，K

步骤602、类比控制器差分方程建立限压输出调制信号关于修正输入误差、控制器输入误差、控制器输出和状态量的差分方程，获得限幅差分方程；所述限幅差分方程的表达式为：

其中，

步骤603、根据控制器差分方程和限幅差分方程计算当前拍控制器输入误差修正量，将其叠加于当前拍控制器输入误差获得当前拍修正输入误差；

所述当前拍输入误差修正量Δε(k)的获取方法为：将限幅差分方程与控制器差分方程相减并整理，得到

所述当前拍修正输入误差

同时，本发明提出一种电子系统，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所述的环流抑制方法。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有的有益效果如下：

本发明提出一种变流器的快速电压响应及暂态穿越控制策略，在快速电压响应控制方面，本发明事先设计具有高带宽的目标闭环传递函数，基于此反推开环通路状态反馈所配置的极点，之后计算控制器参数，在简化控制器设计难度的同时，能够精确配置闭环极点，实现极高的系统带宽；在暂态穿越控制方面，本发明基于一拍电流预测以及等比例限幅对调制信号进行调整，实现对滤波电感电流以及调制信号幅值的限制，使系统在短路故障下也不会过流，具有优异的暂态穿越性能。同时，通过积分抗饱和控制避免控制器饱和，系统具有更加平缓的动态性能。实验表明，本发明能显著提高变流器的动态响应速度以及短路故障下的暂态穿越能力，对推动高可靠新型电力系统的建设具有重要意义。

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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是三相离网型LC逆变系统的控制框图；

图2是参考值阶跃时dq坐标系下负载输出电压的动态响应波形；

图3是参考值阶跃时三相静止坐标系下负载输出电压的动态响应波形；

图4是负载三相短路时dq坐标系下负载输出电压的动态响应波形；

图5是负载三相短路时三相静止坐标系下负载输出电压的动态响应波形；

图6是负载三相短路时dq坐标系下滤波电感电流的动态响应波形；

图7是负载三相短路时三相静止坐标系下滤波电感电流的动态响应波形。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本具体实施例基于三相离网型LC逆变系统，针对该控制方法中的各个步骤，并结合附图和附表，对该控制方法进行具体说明。三相离网型LC逆变系统的控制框图如图1所示。具体包括如下步骤：

步骤一、基于基尔霍夫定律建立变流器交流侧滤波器在三相静止坐标系下的微分方程组。

所述步骤一具体步骤如下：

基于基尔霍夫定律建立LC滤波器在三相静止坐标系下的微分方程组，即：

式(1)中，L

步骤二、通过Park变换将三相静止坐标系下的微分方程组转换到dq坐标系下，构造以d轴分量为实部、q轴分量为虚部的复变量，建立LC滤波器的复数状态空间模型。

所述步骤二具体步骤如下：

通过Park变换将三相静止坐标系下的交流电气量转化成dq坐标系下的直流电气量，获得dq坐标系下的两组微分方程：

式(2)中，w为系统角频率，x

以滤波电感复电流i

式(4)中，x＝[i

步骤三、将LC滤波器的复数状态空间模型离散化，并考虑数字控制器一拍滞后建立交流侧滤波器的增广状态空间模型。

所述步骤三具体步骤如下：

以T

式(6)中，k为离散时间，F为离散系统矩阵，H为离散输入矩阵，G为离散扰动矩阵，C为离散输出矩阵，四个矩阵的具体表达式如下：

由于数字控制器存在固有一拍滞后，逆变器实际输出复电压u

上式可简写为：

式(9)中，x

步骤四、通过开环通路状态反馈配置增广状态空间模型极点，之后对输出电压进行闭环控制建立系统闭环传递函数。

所述步骤四具体步骤如下：

在系统开环通路中，将状态反馈引入到增广状态模型的输入u

式(11)中，K

式(12)中，z为离散算子，NP(z)和DP(z)分别为P(z)的分子多项式和特征多项式。采用比例积分控制器对输出复电压进行闭环控制，建立系统闭环传递函数，所用比例积分控制器G

式(13)中，K

系统闭环传递函数G

由式(14)可知，比例积分控制器给系统引入了一个极点，极点的存在会对期望的动态性能造成影响，考虑零极点对消，消除G

DP(z)＝(z-Z

式(15)中，D

由于Z

步骤五、基于快速响应的期望性能设计目标闭环传递函数，与系统闭环传递函数比较反推开环通路状态反馈所配置极点的位置以及控制器参数。

所述步骤五具体步骤如下：

为了使系统具有快速无超调的动态响应性能，闭环传递函数G

式(17)中，n为G

比较系统闭环传递函数G

当D

步骤六、基于开环通路状态反馈所配置极点的位置，通过Matlab/Place函数计算状态反馈矩阵K

步骤七、建立滤波电感复电流的差分方程，根据当前拍状态量预测下一拍滤波电感复电流值，并计算滤波电感复电流预测值模值。

所述步骤七具体步骤如下：

用差分替代式(3)中第一个方程的微分，建立滤波电感复电流i

式(19)中，u'

i

获得下一拍滤波电感复电流的预测值i

步骤八、若预测值模值小于滤波电感复电流最大限幅，则保持调制信号不变，反之，则将预测值等比例缩小至模等于最大限幅，并根据滤波电感复电流差分方程修正调制信号，使下一拍滤波电感复电流等于该预测值。

所述步骤八具体步骤如下：

调制信号的输出规则为：

式(21)中，u

步骤九、计算限流后调制信号模值，若调制信号模值小于线性调制限值，则保持调制信号不变，反之，则将调制信号等比例缩小至模等于线性调制限值。

所述步骤九具体步骤如下：

调制信号的输出规则为：

式(22)中，u

步骤十、建立控制器输出关于控制器输入误差、控制器输出和状态量的差分方程，获得控制器差分方程；

步骤十具体包括以下步骤：

此步骤所述控制器为比例积分控制器和状态反馈控制器的总和，根据图一所示的控制框图建立控制器的差分方程，如式(23)所示：

u'

式(23)中，ε为控制器输入误差，x

步骤十一、类比控制器差分方程建立限压输出调制信号关于修正输入误差、控制器输入误差、控制器输出和状态量的差分方程，获得限幅差分方程。

步骤十一具体包括以下步骤：

由于经过电压和电流限幅后输出的调制信号为u

式(24)中，

步骤十二、根据控制器差分方程和限幅差分方程计算当前拍控制器输入误差修正量，将其叠加于当前拍控制器输入误差获得当前拍修正输入误差。

步骤十二具体包括以下步骤：

将式(23)的限幅差分方程与式(24)的控制器差分方程相减并整理，可得当前拍输入误差修正量Δε(k)，其表达式如下：

将当前拍控制器输入误差ε(k)与当前拍输入误差修正量Δε(k)相加得到当前拍修正输入误差

表1给出了三相离网型LC逆变系统的关键仿真参数。

表1

图2给出了采用本发明所提控制策略后参考值阶跃时dq坐标系下负载输出电压的动态响应波形，图3是参考值阶跃时三相静止坐标系下负载输出电压的动态响应波形。在30ms时刻，输出负载电压d轴参考值从-300V阶跃到300V，q轴参考值恒等于0，由图2可见，输出负载电压d轴分量的阶跃响应无任何超调，动态响应迅速，响应时间为1ms。在70ms时刻，负载发生三相短路，短路处的接触电阻为1Ω。

图4是负载三相短路时dq坐标系下负载输出电压的动态响应波形，图5是负载三相短路时dq坐标系下负载输出电压的动态响应波形，图6是负载三相短路时dq坐标系下滤波电感电流的动态响应波形，图7是负载三相短路时三相静止坐标系下滤波电感电流的动态响应波形。当发生负载三相短路时，滤波电感电流将大于滤波电感电流最大限幅，限电流起作用，由图6、7可见，在短路发生后4ms，滤波电感电流的幅值被限制在50A。由图4、5可见，由于限电流的原因，输出电压跌落，其幅值稳定在45.5V。以上结果说明本发明所提控制策略方法具有快速的电压响应速度以及优异的暂态穿越性能。

实施例2：

本实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤，在此不再赘述。本实施例处理流程对应本发明实施例所提供的方法的具体步骤，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

用于实施本申请的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本申请的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。