一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法技术

本发明专利技术公开了一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法，包括小谐波阻抗型的电压电流控制、分频虚拟阻抗技术及快速鲁棒下垂控制方法。本发明专利技术方法针对海岛多大功率变流器并联系统，用于改善负荷突变下所引起交流母线电压的急剧跌落、高渗透非线性负荷所引起交流母线电压的严重畸变，实现在满足负荷功率精确分配的前提下变流器能够快速主动支撑交流母线电压，并抵消LCL滤波器的网侧电感所造成交流母线电压的畸变，从而保证并联系统交流母线的高精度、高品质控制，满足本地负荷的高使用要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海岛供电领域，特别是一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法。
技术介绍
我国海岸线漫长，海岛数量众多，安全可靠的电力供应是海岛开发建设、军队维护海洋权益的基础保障。而对于比较偏远小岛而言，由于铺设海下电缆需要在技术和经济上付出巨大代价，海岛上的本地负荷往往是由风/光/柴/储等微源所构成的多兆瓦级变流器并联系统来实现供电。以多微源和储能装置为支撑的恒压直流源经变流器接口变换成稳定工频的交流电压源并汇入交流母线。然而，公共连接处的母线电压质量易受本地负荷的影响，特别是在负荷急剧增大或高渗透率非线性负荷的工况下，交流母线电压将可能快速波动并出现电压跌落，或含有大量的谐波成分，难以满足本地负荷的使用要求，将制约海岛长期发展。目前，无互连线结构的下垂控制在策略上模拟同步发电机的下垂特性，是实现海岛中多兆瓦级变流器并联系统(“多个可控电压源”)的主要控制方法。尤其是鲁棒下垂控制策略，能够实现海岛本地负荷功率按容量比精确比例的分配，并抑制变流器间的环流。然而，传统的变流器并联系统控制却未根本上解决交流母线存在的电压质量问题，主要体现在三个方面：1)高渗透率的非线性负荷将给变流系统带来电能质量问题，尤其当变流器选择LCL型滤波器接入至公共母线，谐波电流将在网侧滤波电感出现大幅度的电压降落，使得交流母线电压在主要次谐波含有大量的谐波电压分量，这将严重影响交流母线的电压质量；2)海岛负荷突变下所引起交流母线电压的急剧跌落问题，传统R-型、L-型和RL-型变流器含有较大的基频输出阻抗，使得变流器在本地负荷急剧增加时出现较大的基波电压降，这不利于功率传输，甚至会引起交流母线电压的不稳定；3)传统鲁棒下垂控制使得变流器投入并联运行过程中，存在冲击电流大、过渡时间长的不足，不利于母线电压高品质控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法，适用于多兆瓦级变流并联系统，所述多兆瓦级变流并联系统包括依次连接的直流微源、直流储能电容、逆变电路、LCL滤波电路、锁相环电路；所述LCL滤波器接入交流母线；A/D采样电路输入端与所述LCL滤波电路连接；控制与驱动保护电路输入端、A/D采样电路输出端连接；所述驱动保护电路驱动所述逆变电路；该方法为：1)在每个采样周期的起始点，A/D采样电路分别对多兆瓦级变流并联系统的输出电压uo、输出电流io及逆变电路输出电流iL进行采样；2)将多兆瓦级变流并联系统的输出电压uo与输出电流io相乘得到多兆瓦级变流并联系统的瞬时有功功率p；将多兆瓦级变流并联系统输出电流滞后90°，并与多兆瓦级变流并联系统输出电压相乘得到多兆瓦级变流并联系统的瞬时无功功率q；3)计算得到多兆瓦级变流并联系统的平均输出有功功率P、无功功率Q，计算公式为：P=s(τLPFs+1)(τHPFs+1)pQ=1(τLPFs+1)q]]>其中，τLPF为低通滤波器的时间常数，τHPF为高通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯变化因子；4)设计快速鲁棒下垂控制器，得到多兆瓦级变流并联系统输出电压的幅值指令E、角频率指令ω；5)由多兆瓦级变流并联系统输出电压的幅值指令E、角频率指令ω合成多兆瓦级变流并联系统的参考电压指令udroop：其中，相角为预同步相位信号；6)在小谐波阻抗的环境下，通过分频虚拟阻抗技术将多兆瓦级变流并联系统的等效输出阻抗Zeq在基频处设计成容性、在谐波频率处设计成阻性，并得到电压外环指令uref的表达式为：uref=udroop-i0f1sCv-i0hRh]]>其中，iof和ioh分别为多兆瓦级变流并联系统输出电流的基波分量和谐波分量；1/sCv和Rh分别为基波频率和谐波频率处的虚拟阻抗值；7)将uref与多兆瓦级变流并联系统输出电压uo进行比例+重复控制，并得到多兆瓦级变流并联系统输出电流的指令值iref；8)将逆变电路输出电流的指令值iref与输出电流采样值iL进行比例调节，得到SPWM调制载波信号D；9)将SPWM调制波信号D和三角载波进行双极性调制，得到全控型功率器件的占空比信号，经驱动保护电路，驱动逆变电路全控型功率器件的开通与关断。步骤4)中，下垂控制器的表达式为：E=E0+1s[ke(E*-Uo)+nQ]kqω=ω*+mP;]]>其中，U0为多兆瓦级变流并联系统输出电压的有效值；ke为电压反馈系数；E*为空载输出电压的幅值指令；ω*为空载输出电压的角频率指令；m和n分别为无功-电压、有功-频率控制的下垂系数；E0为电压初始设定值，用于降低并机过程所产生的冲击电流；kq为所构造的积分系数。所构造的积分系数kq表达式为kq=110τLPF·ZeqnUo|ΔE|≥0.5%E*1|ΔE|≤0.5%E*;]]>其中，ΔE＝ke(E*-Uo)+nQ。步骤6)中，iof和ioh的表达式为：i0f=2ωrss2+2ωrs+ω02ioi0h=io-i0f;]]>式中：ωr为基波频率的带宽，取值为π。步骤7)中，电压外环所采用比例+重复控制的传递函数GPRC(s)在等效连续域的表达式为：GPRC(s)≈Kp+KrcJe-s2πω01-Je-s2πω0;]]>其中，Kp为电压外环的比例调节系数；Krc为重复控制的增益系数；J为重复控制的内模系数；ω0为工频角频率。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术一方面实现了LCL型变流器输出电压在基波频率及谐波频率处的零稳态控制，并削弱了网侧滤波电感对交流母线电压的不利影响，解决了高渗透非线性负荷所引起交流母线电压严重畸变的难题。另一方面解决了负荷突变下所引起交流母线电压急剧跌落的难题，实现了并联系统在公共母线处的电压主动支撑。同时还克服了传统鲁棒下垂控制在变流器投入并联运行过程中，存在冲击电流大、过渡时间长的问题。附图说明图1为本专利技术一实施例多兆瓦级LCL型变流器并联结构框图；图2为本专利技术一实施例改善交流母线电压质量的兆瓦级变流器并联控制总框图；图3(a)为本专利技术一实施例兆瓦级LCL型变流器输出电压直接控制框图；图3(b)为本专利技术一实施例输出电压直接控制策略下兆瓦级LCL型变流器的等效控制框图；图3(c)为本专利技术一实施例输出电压直接控制策略下兆瓦级LCL型变流器的等效电路模型；图3(d)为本专利技术一实施例等效连续域下基于比例+重复控制的电压电流双闭环直接控制框图；图4为本专利技术一实施例分频虚拟阻抗技术控制框图；图5为本专利技术一实施例为快速鲁棒下垂控制框图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一实施例多兆瓦级LCL型变流器并联系统包括n(n＝2,3,4,5…)个LCL型变流器、若干个阻感性线性负荷及高渗透率的非线性负荷。所述变流器包括直流储能电容、变流器电路、LCL滤波电路、A/D采样电路、控制器DSP2812、驱动保护电路；所述直流储能电容连接DG和储能装置所构成的直流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法，适用于多兆瓦级变流并联系统，所述多兆瓦级变流并联系统包括依次连接的直流微源、直流储能电容、逆变电路、LCL滤波电路、锁相环电路；所述LCL滤波器接入交流母线；A/D采样电路输入端与所述LCL滤波电路连接；控制与驱动保护电路输入端、A/D采样电路输出端连接；所述驱动保护电路驱动所述逆变电路；其特征在于，该方法为：1)在每个采样周期的起始点，A/D采样电路分别对多兆瓦级变流并联系统的输出电压uo、输出电流io及逆变电路输出电流iL进行采样；2)将多兆瓦级变流并联系统的输出电压uo与输出电流io相乘得到多兆瓦级变流并联系统的瞬时有功功率p；将多兆瓦级变流并联系统输出电流滞后90°，并与多兆瓦级变流并联系统输出电压相乘得到多兆瓦级变流并联系统的瞬时无功功率q；3)计算得到多兆瓦级变流并联系统的平均输出有功功率P、无功功率Q，计算公式为：P=s(τLPFs+1)(τHPFs+1)pQ=1(τLPFs+1)q]]>其中，τLPF为低通滤波器的时间常数，τHPF为高通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯变化因子；4)设计快速鲁棒下垂控制器，得到多兆瓦级变流并联系统输出电压的幅值指令E、角频率指令ω；5)由多兆瓦级变流并联系统输出电压的幅值指令E、角频率指令ω合成多兆瓦级变流并联系统的参考电压指令udroop：其中，相角为预同步相位信号；t为时间量；6)在小谐波阻抗的环境下，通过分频虚拟阻抗技术将多兆瓦级变流并联系统的等效输出阻抗Zeq在基频处设计成容性、在谐波频率处设计成阻性，并得到电压外环指令uref的表达式为：uref=udroop-i0f1sCv-i0hRh]]>其中，iof和ioh分别为多兆瓦级变流并联系统输出电流的基波分量和谐波分量；1/sCv和Rh分别为基波频率和谐波频率处的虚拟阻抗值；7)将uref与多兆瓦级变流并联系统输出电压uo进行比例+重复控制，并得到多兆瓦级变流并联系统输出电流的指令值iref；8)将逆变电路输出电流的指令值iref与输出电流采样值iL进行比例调节，得到SPWM调制载波信号D；9)将SPWM调制波信号D和三角载波进行双极性调制，得到全控型功率器件的占空比信号，经驱动保护电路，驱动逆变电路全控型功率器件的开通与关断。...

【技术特征摘要】
1.一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法，适用于多兆瓦级变流并联系统，所述多兆瓦级变流并联系统包括依次连接的直流微源、直流储能电容、逆变电路、LCL滤波电路、锁相环电路；所述LCL滤波器接入交流母线；A/D采样电路输入端与所述LCL滤波电路连接；控制与驱动保护电路输入端、A/D采样电路输出端连接；所述驱动保护电路驱动所述逆变电路；其特征在于，该方法为：1)在每个采样周期的起始点，A/D采样电路分别对多兆瓦级变流并联系统的输出电压uo、输出电流io及逆变电路输出电流iL进行采样；2)将多兆瓦级变流并联系统的输出电压uo与输出电流io相乘得到多兆瓦级变流并联系统的瞬时有功功率p；将多兆瓦级变流并联系统输出电流滞后90°，并与多兆瓦级变流并联系统输出电压相乘得到多兆瓦级变流并联系统的瞬时无功功率q；3)计算得到多兆瓦级变流并联系统的平均输出有功功率P、无功功率Q，计算公式为：P=s(τLPFs+1)(τHPFs+1)pQ=1(τLPFs+1)q]]>其中，τLPF为低通滤波器的时间常数，τHPF为高通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯变化因子；4)设计快速鲁棒下垂控制器，得到多兆瓦级变流并联系统输出电压的幅值指令E、角频率指令ω；5)由多兆瓦级变流并联系统输出电压的幅值指令E、角频率指令ω合成多兆瓦级变流并联系统的参考电压指令udroop：其中，相角为预同步相位信号；t为时间量；6)在小谐波阻抗的环境下，通过分频虚拟阻抗技术将多兆瓦级变流并联系统的等效输出阻抗Zeq在基频处设计成容性、在谐波频率处设计成阻性，并得到电压外环指令uref的表达式为：uref=udroop-i0f1sCv-i0hRh]]>其中，iof和ioh分别为多兆瓦级变流并联系统输出电流的基波分量和谐波分量；1/sCv和Rh分别为基波频率和谐波频率处的虚拟阻抗值；7)将uref与多兆瓦级变流并联系统输出电压uo进行比例+重复控制，并得到多兆瓦级变流并联系统输出电流的指令值...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，周乐明，陈燕东，周小平，伍文华，杨苓，戴瑜兴，王自力，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43