基于同步整流器的下垂控制方法及低电压穿越方法技术

本发明专利技术公开了基于同步整流器的下垂控制方法及低电压穿越方法，包括频率—有功下垂、电压—无功下垂以及结合两种下垂策略的低电压穿越策略。在频率—有功下垂控制中，引入有功下垂系数，当电网频率偏离参考频率时，调节有功输入，通过PI调节器无静差跟随，改变输出的有功功率。在电压—无功下垂控制中，引入无功下垂系数，当电网电压偏离参考电压时，调节无功输入，进而改变系统输出的无功功率。在低电压穿越策略中，实时检测电网电压，当电网电压跌落到一定程度时进入低电压穿越模式，引入低电压下垂系数，降低系统输出的有功功率，从而抬高系统输出的无功功率，实现对电网电压的支撑作用。

Drop Control Method and Low Voltage Crossing Method Based on Synchronous Rectifier

The invention discloses a droop control method based on a synchronous rectifier and a low voltage traverse method, including a frequency-active droop, a voltage-reactive droop and a low voltage traverse strategy combining two droop strategies. In the frequency-active droop control, the active droop coefficient is introduced. When the grid frequency deviates from the reference frequency, the active input is adjusted, and the output active power is changed by PI regulator without static error. In the voltage-reactive sag control, the reactive sag coefficient is introduced. When the grid voltage deviates from the reference voltage, the reactive input is adjusted, and then the reactive power output of the system is changed. In the low voltage traversing strategy, the real-time detection of the grid voltage, when the grid voltage drops to a certain extent, enters the low voltage traversing mode, introduces the low voltage sag coefficient, reduces the active power output of the system, thus increases the reactive power output of the system, and realizes the supporting role of the grid voltage.

【技术实现步骤摘要】
基于同步整流器的下垂控制方法及低电压穿越方法
本专利技术属于虚拟同步机与PWM整流器
，特别涉及了基于同步整流器的下垂控制方法及低电压穿越方法。
技术介绍
三相PWM整流器是负荷接入电网的主要电力电子装置，具有能量双向流通、单位功率因数运行、输出电压和功率可调等优点，主要有直接功率控制和直流侧电压控制两种控制方案。然而这两种控制策略均无法实现对电网的支撑和提供辅助服务，难以与智能电网完美对接。并且传统的变换器下垂控制缺乏对电网的暂态支撑，且自主性较差，越来越多的电力电子变换器接入电网，从而对电网的安全稳定运行造成了巨大威胁。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供基于同步整流器的下垂控制方法及低电压穿越方法，实现对电网的支撑作用，提高电网运行的稳定性。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：基于同步整流器的有功功率下垂控制方法，在三相PWM整流器中引入虚拟同步机算法，根据电网频率的变化实现频率—有功功率的下垂控制，步骤如下：(a)根据虚拟同步机内在虚拟转速ω与电网基准频率ωr的偏移量确定有功功率下垂量ΔPω；(b)将有功功率下垂量ΔPω与原有功功率给定Pref相加，将相加值与实际有功功率P作差后送入PI环节，经调节产生新的机械转矩Tm；(c)将Tm代入同步电动机摇摆方程后，通过调节转矩，达到调节有功功率的目的。进一步地，在步骤(a)中，按照下式确定有功功率下垂量ΔPω：ΔPω＝Kd*(ω-ωr)上式中，Kd为有功下垂系数。基于同步整流器的无功功率下垂控制方法，在三相PWM整流器中引入虚拟同步机算法，根据电网电压的变化实现电压—无功功率的下垂控制，步骤如下：(A)检测电网电压幅值v，根据电压幅值与虚拟同步机基准定子电压幅值vr的偏移量确定无功功率下垂量ΔQv；(B)将无功功率下垂量ΔQv与原无功功率给定Qref相加，与实际无功功率Q作差后送入积分环节，产生新的电机励磁磁势Mfif；(C)将新的电机励磁磁势Mfif代入电磁转矩和调制波计算中，达到调节无功功率的目的。进一步地，在步骤(A)中，按照下式确定有功功率下垂量ΔQv：ΔQv＝Kv*(v-vr)上式中，Kv为无功下垂系数。进一步地，包括有功环节和无功环节，其中有功环节的步骤如下：(1)检测电网电压幅值v，根据电压幅值与虚拟同步机基准定子电压幅值vγ的偏移量确定有功功率的跌落量ΔPv；(2)将有功功率跌落量ΔPv与原有功功率给定Pref相加，将相加值与实际有功功率P作差后送入PI环节，经调节产生新的机械转矩Tm；(3)将Tm代入同步电动机摇摆方程后，通过调节转矩，达到降低有功功率的目的；无功环节的步骤如下：(ⅰ)检测电网电压幅值v，根据电压幅值与虚拟同步机基准定子电压幅值vr的偏移量确定无功功率支撑量ΔQv；(ⅱ)将无功功率支撑量ΔQv与原无功功率给定Qref相加，与实际无功功率Q作差后送入积分环节，产生新的电机励磁磁势Mfif；(ⅲ)将新的电机励磁磁势Mfif代入电磁转矩和调制波计算中，达到调节无功功率的目的。进一步地，在步骤(1)中，按照下式确定有功功率跌落量ΔPv：ΔPv＝Kvp*(v-vr)上式中，ΔPv为低电压下垂系数；在步骤(ⅰ)中，按照下述确定无功功率支撑量ΔQv：ΔQv＝Kv*(v-vr)上式中，Kv为无功下垂系数。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术使得PWM整流器具有传统同步机的同步机制，其虚拟转速可实时跟踪电网频率，也具备与同步机相似的输出特性，能提供一定的阻尼和惯量支撑。本专利技术基于三相全桥拓扑结构的PWM整流器，控制策略具有同步电机的下垂控制机制，当电网的频率和电压发生波动时，可以分别调整负载侧输出的有功功率与无功功率，实现对电网的支撑作用，并且当电网发生低电压故障时，具备一定的低电压穿越能力。附图说明图1是三相PWM整流器主电路拓扑结构图；图中采用了六个IGBT作为电力电子开关器件，三相交流电经过电感滤波后送入三相桥臂中点处作为输入，输出电压采用大电容C进行稳压。图2是不加下垂控制的同步整流器的控制框图；图中的Dp为阻尼系数，可依据实际需要进行设置。PLL为三相锁相环，可对电网电压进行锁相，采用正弦跟踪算法(STA)同样可以达到这样的效果。输出e为调制波信号，通过PWM发生器产生控制信号，从而控制IGBT的通断。图3是加入频率—有功下垂的控制框图；图中的ΔPω为有功下垂系数Kd和频率差的乘积，将它送入有功功率的输入处，可以使得负载侧输出的有功功率作出相应的调整。图4是加入电压—无功下垂的控制框图；图中的电网电压通过幅值计算环节计算得到实时的电网相电压峰值，与参考电压做差后与无功下垂系数Kv相乘，得到无功功率的调节值。图5是低电压穿越策略的控制框图；图中的ΔPv是低电压下垂系数和电压差的乘积，当PWM整流器进入低电压穿越模式时，降低有功功率ΔPv，抬高无功输出，实现对电网的支撑作用。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，三相PWM整流器采用三相全桥拓扑结构，整个系统由交流电网、交流输入阻抗、三相整流桥和负载四部分组成。va、vb、vc为三相电网电压，Rs和Ls分别是交流电网的等效电阻和电感，ia、ib、ic为整流器的输入电流，Q1～Q6为6个含反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，C为直流侧稳压电容，R为负载电阻，Vo为直流侧输出电压。根据同步机的物理模型，可以做如下等效：va、vb、vc可等效为同步电动机的端电压，Rs和Ls可等效为同步电动机定子绕组的电阻和电感，ea、eb、ec可等效为同步电动机由于转子转动产生的反电动势，这样便实现了三相PWM整流器与同步电动机的电气等效。根据同步电动机的电枢电压平衡式，端电压v＝[vavbvc]T可由式(1)得到：其中e＝[eaebec]T为同步电动机的反电动势，i＝[iaibic]T为同步电动机的三相输入电流，调制波即反电动势e可用式(2)表示：这里的θ指的是励磁绕组和定子绕组间的电角度，和分别如(3)和(4)表示：通过式(5)和式(6)可以计算出系统输出的有功功率和无功功率：P＝vaia+vbib+vcic(5)同时，电动机的机械部分遵循摇摆方程式(7)：式中的J是转动部分的转动惯量，Te是电磁转矩，Tm是机械转矩，Dp是阻尼系数。式子中的称作虚拟转速，可用ω表示，ω可以实时地跟踪电网频率。电磁转矩Te可由式(8)计算而得：<·，·>表示向量点积运算。图2是同步整流器的控制框图，控制框图主要由有功环、无功环和一个核心计算单元构成。有功环采用PI控制器，可实现对参考有功功率Pref的无静差跟随，参考功率与输出功率的反馈值的差值ΔP作为PI控制器的输入。无功环将参考无功功率Qref与检测到的系统输出无功功率Q做差，将差值ΔQ送入含有一个负增益的积分器来产生虚拟励磁磁势Mfif，这里的K是转动惯量J的对偶量。核心计算单元主要用于计算控制算法中所需的几个关键物理量：e、P、Q和Te，计算公式分别为上文(2)、(5)、(6)和(8)。图3是加入了频率—有功下垂的同步整流器的控制框图。对比无下垂策略的同步整流器的控制框图，有功功率增加了值为ΔPω的输入。这便是由于频率波动而引入的下垂有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于同步整流器的有功功率下垂控制方法，其特征在于，在三相PWM整流器中引入虚拟同步机算法，根据电网频率的变化实现频率—有功功率的下垂控制，步骤如下：(a)根据虚拟同步机内在虚拟转速ω与电网基准频率ωr的偏移量确定有功功率下垂量ΔPω；(b)将有功功率下垂量ΔPω与原有功功率给定Pref相加，将相加值与实际有功功率P作差后送入PI环节，经调节产生新的机械转矩Tm；(c)将新的机械转矩Tm代入同步电动机摇摆方程后，通过调节转矩，达到调节有功功率的目的。

【技术特征摘要】
1.基于同步整流器的有功功率下垂控制方法，其特征在于，在三相PWM整流器中引入虚拟同步机算法，根据电网频率的变化实现频率—有功功率的下垂控制，步骤如下：(a)根据虚拟同步机内在虚拟转速ω与电网基准频率ωr的偏移量确定有功功率下垂量ΔPω；(b)将有功功率下垂量ΔPω与原有功功率给定Pref相加，将相加值与实际有功功率P作差后送入PI环节，经调节产生新的机械转矩Tm；(c)将新的机械转矩Tm代入同步电动机摇摆方程后，通过调节转矩，达到调节有功功率的目的。2.根据权利要求1所述基于同步整流器的有功功率下垂控制方法，其特征在于，在步骤(a)中，按照下式确定有功功率下垂量ΔPω：ΔPω＝Kd*(ω-ωr)上式中，Kd为有功下垂系数。3.基于同步整流器的无功功率下垂控制方法，其特征在于，在三相PWM整流器中引入虚拟同步机算法，根据电网电压的变化实现电压—无功功率的下垂控制，步骤如下：(A)检测电网电压幅值v，根据电压幅值与虚拟同步机基准定子电压幅值vr的偏移量确定无功功率下垂量ΔQv；(B)将无功功率下垂量ΔQv与原无功功率给定Qref相加，与实际无功功率Q作差后送入积分环节，产生新的电机励磁磁势Mfif；(C)将新的电机励磁磁势Mfif代入电磁转矩和调制波计算中，达到调节无功功率的目的。4.根据权利要求3所述基于同步整流器的无功功率下垂控制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹鑫，王雪瑞，郝振洋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32