一种面向稳定性提升的直压同步型构网变流器参数设计方法及其系统

本发明涉及电力电子，具体涉及一种面向稳定性提升的直压同步型构网变流器参数设计方法及其系统。

背景技术：

1、为了促进清洁能源的高效利用，大力发展构建以新能源为主体的新型电力系统，在此背景下，构网型变流器成为近年来的研究热点，而近年来提出的直压同步控制构网型变流器直接采用直流母线电压生成同步相位，实现直流母线电压的动态可调，因此得到了广泛研究。

2、但是现有技术中，直压同步控制构网型变流器的系统参数对稳定性的影响以及不同参数的小扰动稳定边界尚未明确，首先，直压同步控制构网型变流器采用虚拟导纳控制策略，能够等效地引入虚拟电感与虚拟电阻，然而虚拟电感与虚拟电阻对系统稳定性的影响机理并不明确；虚拟导纳在设计合理的条件下可以实现低频振荡/同步振荡的有效抑制，然而在设计不合理的情况下，则十分容易引发低频振荡/同步振荡；同时，由于直压同步控制自身无法为系统提供阻尼，常见的阻尼控制方式是将直流母线电压的误差反馈至交流电压控制环节，然而，此种阻尼控制支路的比例系数对系统稳定性的影响尚未明确；另外，直压同步控制环节自身的比例系数和积分系数对系统稳定性的影响机理同样未得到揭示；因此综上所述，直压同步控制构网型变流器的虚拟电感、虚拟电阻、阻尼系数、同步环节比例系数和积分系数对系统的稳定性影响规律不明。

3、综上所述，研发一种面向稳定性提升的直压同步型构网变流器参数设计方法及其系统，仍是电力电子技术领域中急需解决的关键问题。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种面向稳定性提升的直压同步型构网变流器参数设计方法及其系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种面向稳定性提升的直压同步型构网变流器参数设计方法，包括以下步骤：

4、建立直压同步控制构网型变流器的全阶非线性数学模型；

5、对所述全阶非线性数学模型进行线性化，得到全阶小信号模型；

6、将所述全阶小信号模型等效为单输入单输出的闭环传递函数；

7、通过对所述闭环传递函数的闭环极点轨迹进行分析，得到不同参数对系统稳定性的影响规律，根据所述影响规律定性分析参数变化下系统稳定性的变化；

8、通过开环传递函数的波特图分析不同参数变化下系统的稳定裕度；

9、基于所述稳定裕度设计直同步型构网变流器参数。

10、进一步的，建立直压同步控制构网型变流器的全阶非线性数学模型，包括建立：直压同步控制环路的动态方程、无功控制环路的动态方程、解耦虚拟导纳环路的动态方程、电流内环的动态方程、线路阻抗的动态方程；

11、所述直压同步控制环节的动态方程为：

12、

13、δdc＝∫(ωdc-ω0)dt (2)

14、其中，δdc为变流器与电网之间的功角差，δdc＝θdc-θg，kpdc和kidc分别为直压同步控制的比例系数和积分系数，ω0为电网频率的标称值，vdc和vdcref分别为直流母线电压的实际值和基准值，系统同步相位θdc由ωdc积分产生；

15、所述无功控制环路的动态方程为：

16、

17、其中，qe和qref分别代表并网点无功功率的实际值与参考值，kq为下垂系数，kd代表阻尼系数，td代表高通滤波器的时间常数；

18、所述解耦虚拟导纳环路的动态方程为：

19、

20、其中，utd和utq分别代表并网点电压在d、q轴的分量，lv和rv分别代表虚拟电感与虚拟电阻，lf代表滤波电感，idref和iqref分别代表并网电流i在d、q轴分量的指令值，id和iq分别指代d、q轴电流的实际值；

21、进一步的，电流内环采用矢量解耦控制结构，且电流内环的动态方程为：

22、

23、其中，kpc、kic为电流环pi控制器的比例参数和积分参数，ucd和ucq代表变流器的出口电压；

24、滤波电感以及线路电感两侧的电压和电流的数学关系可分别表示为：

25、

26、考虑到风电/光伏新能源发电机组具有恒功率源的特性，因此将变流器直流侧等效为恒功率源，线路阻抗的动态方程为：

27、

28、其中，pin代表源侧输入的有功功率，pe代表变流器向电网输送的有功功率，cdc代表直流母线电容的容值；

29、(1)-(8)式共同构成了直压同步控制构网型变流器的全阶非线性数学模型。

30、进一步的，对所述全阶非线性数学模型进行线性化，得到全阶小信号模型，包括：

31、直压同步环节的线性化模型表示为：

32、

33、对内电势e进行线性化可得：

34、

35、虚拟导纳解耦控制环节的小信号模型为：

36、

37、根据(7)式得到utd与utq的线性化表达式为：

38、

39、结合(5)(6)式，推导得到电流内环的线性化表达式为：

40、

41、直流母线电容动态方程的线性化表达式为：

42、-δpe＝cdcvdc0sδvdc (14)

43、变流器输出有功功率pe和无功功率qe的线性化表达式为：

44、

45、式(9)-(15)共同组成了直压同步控制构网型变流器的全阶线性化小信号模型。

46、进一步的，将所述全阶小信号模型等效为单输入单输出的闭环传递函数，包括：

47、基于全阶线性化小信号模型，设直压同步控制pi的传递函数为gdc(s)，设gp(s)为直压同步环节输出频率δωdc至δpe的传递函数，设直流母线电容动态方程代表的线性化传递函数为gc(s)，则得到如下表达式：

48、

49、gp(s)＝gp1(s)+gp2(s)+gp2(s) (17)

50、

51、其中：

52、

53、x,y,z,l,m,n的详细表达式如下：

54、

55、系统开环传递函数topen(s)的表达式如下：

56、topen(s)＝gdc(s)gp(s)gc(s) (21)

57、系统闭环传递函数tclosed(s)的表达式如下：

58、

59、式(22)代表直压同步控制构网型变流器的闭环传递函数。

60、进一步的，通过对所述闭环传递函数的闭环极点轨迹进行分析，得到不同参数对系统稳定性的影响规律，根据所述影响规律定性分析参数变化下系统稳定性的变化，包括：

61、闭环传递函数在频域的表达式为tclosed(jω)，式22中tclosed(s)的表达式可知，闭环极点即闭环传递函数的分母为0所对应的ω的解，即闭环极点为1+gdc(jω)gp(jω)gc(jω)＝0时所对应的ω的解；

62、若闭环极点ω全部位于虚轴左侧，则系统稳定，且ω的实部距离虚轴距离越远，对应频段的收敛速度越快，若存在解ω位于虚轴右侧，则系统不稳定，即ω的实部反映了系统的稳定裕度；

63、ω的虚部代表此模态对应的振荡频率，因此通过对闭环传递函数的闭环极点轨迹进行分析，能够得到不同参数对系统稳定性的影响规律。

64、进一步的，通过开环传递函数的波特图分析不同参数变化下系统的稳定裕度，包括：首先确定直压同步控制参数的稳定边界，再确定kpdc的稳定上界，分析虚拟导纳参数的稳定边界，最终确定kd的稳定边界。

65、进一步的，基于所述稳定裕度设计直同步型构网变流器参数，包括，通过设计直压同步控制比例系数kpdc和积分系数kidc，以kpdc和kidc的范围为前提设计虚拟导纳参数，包括xv/rv和|zv|，最后基于kpdc、kidc、xv/rv和|zv|的范围为前提设计出阻尼系数kd。

66、一种面向稳定性提升的直压同步型构网变流器参数设计系统，包括：

67、模型建立模块，用于建立直压同步控制构网型变流器的全阶非线性数学模型；

68、线性化模块，用于对所述全阶非线性数学模型进行线性化，得到全阶小信号模型；

69、等效模块，用于将所述全阶小信号模型等效为单输入单输出的闭环传递函数；

70、轨迹分析模块，用于对所述闭环传递函数的闭环极点轨迹进行分析，得到不同参数对系统稳定性的影响规律，根据所述影响规律定性分析参数变化下系统稳定性的变化；

71、参数分析模块，通过开环传递函数的波特图分析不同参数变化下系统的稳定裕度；

72、设计模块，用于基于所述稳定裕度设计直同步型构网变流器参数。

73、有益效果

74、采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：

75、本发明中，通过构建每个控制环节以及网络动态的小信号模型，将整体控制系统等效为一个单输入单输出的闭环传递函数，分析虚拟电感、虚拟电阻、阻尼系数、同步环节比例系数和积分系数对闭环极点轨迹的影响，揭示不同参数对稳定性的影响规律，进而通过绘制波特图，量化分析不同参数的稳定边界，并通过相位裕度和幅值裕度整定不同参数的设计范围，为直压同步控制构网型变流器的参数设计提供指导，本发明通过分析，明确了虚拟电感、虚拟电阻、阻尼系数、同步环节比例系数和积分系数对闭环极点轨迹的影响，揭示不同参数对系统稳定性的影响规律，同时通过参数整定保证了系统的稳定裕度，有助于降低直压同步构网型变流器的小扰动失稳风险。