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  • 頭條弱電網(wǎng)情況下,如何抑制三相并網(wǎng)變流器的頻率耦合問(wèn)題
    2020-07-19 作者:張學(xué)廣、夏丹妮、陳文佳、陳烈、徐殿國(guó)  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院、上海建坤信息技術(shù)有限公司的研究人員張學(xué)廣、夏丹妮、陳文佳、陳烈、徐殿國(guó),在2019年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文(論文標(biāo)題為“三相并網(wǎng)變流器弱電網(wǎng)下頻率耦合抑制控制方法”),該文針對(duì)弱電網(wǎng)情況下三相并網(wǎng)變流器的頻率耦合現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法開(kāi)展了研究。 首先在靜止坐標(biāo)系下針對(duì)三相并網(wǎng)變流器進(jìn)行復(fù)矢量形式的導(dǎo)納建模,模型中考慮了控制器中電流環(huán)、鎖相環(huán)和直流電壓環(huán)的影響。然后在模型基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了鎖相環(huán)和直流電壓環(huán)對(duì)頻率耦合特性的影響,基于系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)框圖,分析了在弱電網(wǎng)條件下頻率耦合分量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 為了抑制頻率耦合特性,針對(duì)系統(tǒng)中由于鎖相環(huán)影響q軸電壓和直流電壓環(huán)影響d軸電流引起的dq軸不對(duì)稱的問(wèn)題,提出了補(bǔ)償鎖相環(huán)和電壓環(huán)不對(duì)稱影響的頻率耦合抑制控制方法,理論分析表明該改進(jìn)控制方法可以有效抑制頻率耦合現(xiàn)象,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提頻率耦合抑制方法的有效性。

    近年來(lái),弱電網(wǎng)運(yùn)行條件下的三相并網(wǎng)變流器穩(wěn)定性問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。弱電網(wǎng)條件下,電網(wǎng)阻抗與并網(wǎng)變流器相互耦合,會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,因此有必要針對(duì)并網(wǎng)變流器在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析,研究能夠提高并網(wǎng)變流器弱電網(wǎng)下適應(yīng)能力的控制方法。

    在各種并網(wǎng)變流器與電網(wǎng)交互作用的現(xiàn)象中,頻率耦合問(wèn)題逐漸得到關(guān)注。有學(xué)者在dq域和序域定義了鏡像頻率解耦系統(tǒng)(Mirror Frequency Decoupled, MFD),并指出在非鏡像頻率解耦系統(tǒng)中存在鏡像頻率耦合現(xiàn)象。引起鏡像頻率耦合的主要因素包括鎖相環(huán)、非對(duì)稱電流環(huán)及直流電壓外環(huán)等,從而為頻率耦合的分析奠定了基礎(chǔ)。

    有學(xué)者指出鎖相環(huán)對(duì)q軸的單獨(dú)控制和電壓環(huán)對(duì)d軸的單獨(dú)控制均會(huì)導(dǎo)致控制器結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。在這種dq非對(duì)稱系統(tǒng)中,經(jīng)坐標(biāo)變換后,在靜止坐標(biāo)系下存在兩個(gè)交互影響的擾動(dòng)頻率分量,即頻率耦合現(xiàn)象。

    當(dāng)電網(wǎng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特性時(shí),隨著電網(wǎng)阻抗的增大,控制器中鎖相環(huán)和直流電壓環(huán)與電網(wǎng)阻抗之間的交互影響加深,諧振頻率趨于低頻段,加劇了系統(tǒng)頻率之間的耦合,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

    • 有學(xué)者分析了弱電網(wǎng)條件下鎖相環(huán)與電網(wǎng)阻抗之間的耦合作用,指出電網(wǎng)阻抗與鎖相環(huán)帶寬的增大均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
    • 直流電壓環(huán)會(huì)在d軸引入負(fù)阻尼,有學(xué)者基于狀態(tài)空間模型分析了系統(tǒng)根軌跡隨直流電壓環(huán)增益的變化趨勢(shì),指出隨直流電壓環(huán)增益的增大,系統(tǒng)中出現(xiàn)中低頻段的振蕩。
    • 有學(xué)者指出dq軸不對(duì)稱諧振的出現(xiàn)取決于電網(wǎng)阻抗的強(qiáng)度,短路比越低越容易出現(xiàn)不對(duì)稱諧振,而不對(duì)稱諧振引起的頻率耦合特性在弱電網(wǎng)條件下會(huì)危害系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)變流器直流側(cè)與交流側(cè)之間的不對(duì)稱關(guān)系也使變流器主電路存在頻率耦合特性。
    • 有學(xué)者以背靠背變流器作為研究對(duì)象,通過(guò)推導(dǎo)頻率耦合分量的傳遞函數(shù),分析了鎖相環(huán)、電網(wǎng)阻抗直流電壓環(huán)等因素對(duì)頻率耦合的影響。

    通常采用基于阻抗模型的方法對(duì)并網(wǎng)變流器穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq阻抗模型建模方法較為簡(jiǎn)單,但在面對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下控制器不對(duì)稱引起的頻率耦合問(wèn)題時(shí),該方法無(wú)法體現(xiàn)頻率耦合關(guān)系。傳統(tǒng)序阻抗模型可以用來(lái)分析正負(fù)序之間的耦合,但是無(wú)法對(duì)兩個(gè)正序分量之間的耦合進(jìn)行分析。

    • 有學(xué)者提出一種改進(jìn)的序阻抗模型,說(shuō)明了該改進(jìn)序阻抗模型中的頻率耦合現(xiàn)象與dq阻抗模型中d軸q軸耦合之間的聯(lián)系,拓展了序域阻抗的建模范圍及頻率耦合的研究范圍。
    • 有學(xué)者提出了改進(jìn)序阻抗與dq阻抗矩陣的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系以及改進(jìn)序阻抗模型降階為傳統(tǒng)序阻抗模型的方法,并給出了降階條件,通過(guò)該方法可以把dq阻抗模型建模簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)序阻抗穩(wěn)定性分析方便的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。
    • 有學(xué)者提出了一種將多輸入多輸出的dq阻抗模型轉(zhuǎn)換為單輸入單輸出的序阻抗模型的方法,該方法可以用來(lái)分析存在序域耦合的非對(duì)稱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    采用復(fù)矢量形式建立的靜止坐標(biāo)系下的阻抗模型因其凸顯系統(tǒng)中的頻率耦合關(guān)系,使其適用范圍最廣。

    • 有學(xué)者提出了一種基于復(fù)矢量的坐標(biāo)變換方法,適用于在不同坐標(biāo)系下的建模轉(zhuǎn)化,通過(guò)該方法可以將dq阻抗模型和序阻抗模型轉(zhuǎn)換成復(fù)矢量的表示形式。
    • 有學(xué)者應(yīng)用該方法把傳統(tǒng)的dq阻抗模型變換到靜止坐標(biāo)系下,建立了兩相靜止坐標(biāo)系下的三相并網(wǎng)變流器統(tǒng)一阻抗模型。
    • 有學(xué)者采用復(fù)矢量表示方法推導(dǎo)了考慮鎖相環(huán)影響的三相并網(wǎng)逆變器單輸入雙輸出的自導(dǎo)納和伴隨導(dǎo)納傳遞函數(shù),并在此基礎(chǔ)上分析了頻率耦合產(chǎn)生機(jī)理。

    目前,在變流器建模過(guò)程中,綜合考慮鎖相環(huán)和電壓環(huán)對(duì)頻率耦合分量影響的研究還有所不足;弱電網(wǎng)條件下,對(duì)三相并網(wǎng)變流器中存在的頻率耦合關(guān)系對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的分析相對(duì)較少;對(duì)如何抑制頻率耦合分量的研究還不夠充分。

    本文針對(duì)弱電網(wǎng)情況下三相并網(wǎng)變流器的頻率耦合現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法開(kāi)展了研究,旨在抑制系統(tǒng)中存在的頻率耦合,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。首先在靜止坐標(biāo)系下建立了考慮電流環(huán)、鎖相環(huán)和直流電壓環(huán)的三相并網(wǎng)變流器復(fù)矢量導(dǎo)納模型。分析了鎖相環(huán)和直流電壓環(huán)對(duì)頻率耦合特性的影響,及頻率耦合分量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。提出了補(bǔ)償鎖相環(huán)和電壓環(huán)的不對(duì)稱影響的頻率耦合抑制控制方法,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

    學(xué)術(shù)簡(jiǎn)報(bào)︱弱電網(wǎng)情況下,如何抑制三相并網(wǎng)變流器的頻率耦合問(wèn)題

    圖14 三相并網(wǎng)變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖

    結(jié)論

    本文在靜止坐標(biāo)系下采用復(fù)矢量表示形式建立了三相并網(wǎng)變流器等效導(dǎo)納模型。基于所建立模型,將三相并網(wǎng)變流器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為復(fù)矢量形式的等效電路,從中推導(dǎo)出系統(tǒng)的等效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),并基于開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖和奈奎斯特圖分析了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素。

    基于上述分析,在弱電網(wǎng)下分別提出了針對(duì)鎖相環(huán)和直流電壓環(huán)不對(duì)稱控制引起的頻率耦合現(xiàn)象的抑制控制方法。分析表明,綜合考慮直流電壓環(huán)和鎖相環(huán)的頻率耦合抑制控制方法可以降低頻率耦合分量,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    該方法對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)性能中上升時(shí)間有一定影響,但影響較小。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以上分析,證明了所提方法的正確性和有效性。本文所提方法重點(diǎn)解決了由頻率耦合引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題,為改善系統(tǒng)性能提供了一種新的思路。該方法可與增加阻尼的控制方法相結(jié)合,進(jìn)一步降低諧波畸變率,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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