弱电网下双向并网变流器虚拟正阻尼重塑控制_姚敏东.pdf

第 49 卷 第 3 期：1294-1303 高电压技术 Vol.49,No.3:1294-1303 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20211861 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 弱电网下双向并网变流器虚拟正阻尼重塑控制 姚敏东1，李 飞2，李 靖2（1.国网黑龙江省电力有限公司电力调度控制中心，哈尔滨 150090；2.国网电力科学研究院北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192）摘 要：针对弱电网下恒功率控制模式中双向并网变流器系统稳定性会因功率传输方向的不同而产生差异进而引发系统振荡甚至失稳的问题，提出了一种虚拟正阻尼重塑控制策略，将负阻抗重塑为正阻抗，增强系统阻尼进而提升稳定性。首先，详细地建立了双向并网变流器交流侧端口阻抗在 d-q 坐标系下的小信号模型，分析了不同功率方向下阻抗特性的差异。其次，结合系统最小环路比表达式和电网等值阻抗表达式，基于奈奎斯特稳定判据，分析了电网等值阻抗大小和功率传输方向两个因素对系统稳定性的影响。然后，分析了弱电网下双向逆变器虚拟正阻尼重塑控制策略，并对其进行建模与分析。结果表明：虚拟正阻尼重塑控制可以实现将负阻抗重塑为正阻抗，并增强系统阻尼。并且，即使在电网等值阻抗较大的弱电网下，系统也能保持较好的双向功率稳定性。最后，基于 MATLAB/Simulink 和小功率实验平台验证所提策略的有效性。关键词：弱电网；并网变流器；功率控制；小信号建模；阻抗分析；稳定性分析；正阻尼重塑 Virtual Positive-damping Reshaped Control for Bidirectional Grid-connected Converter in Weak Grid YAO Mindong1,LI Fei2,LI Jing2(1.Power Dispatching Control Center of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150090,China;2.Beijing Kedong Power Control System Co.,Ltd.,State Grid Power Research Institute,Beijing 100192,China)Abstract：Aiming at the problem that the system stability of bidirectional grid connected converter in constant power control mode under weak current network will vary due to different power transmission directions,resulting in system os-cillation and even instability,this paper proposes a virtual positive damping remodeling control strategy,which reshapes the negative impedance into positive impedance,enhances the system damping,and improves the stability.Firstly,the small signal model of AC side port impedance of bidirectional grid connected converter in d-q coordinate system is estab-lished in detail,and the differences of impedance characteristics in different power directions are analyzed.Secondly,combined with the expression of system minimum loop ratio and grid equivalent impedance,based on the Nyquist stabil-ity criterion,the effects of grid equivalent impedance and power transmission direction on system stability are analyzed.Then,the virtual positive damping remodeling control strategy of bidirectional inverter under weak current network is an-alyzed,modeled and analyzed.The results show that the virtual positive damping reshaping control can reshape the negative impedance into positive impedance and enhance the system damping.Moreover,even in the weak current net-work with large equivalent impedance,the system can maintain good bidirectional power stability.Finally,the effectiveness of the proposed strategy is verified by using the MATLAB/Simulink and low-power experimental platform.Key words：weak current network;grid-connected converter;power control;small signal modeling;impedance analysis;stability analysis;positive-damping reshaped 0 引言1 能源与环境危机的问题日益凸显促使着大量新能源发电装置并入电网，包括光伏、风电和储能 基金资助项目：国家自然科学基金(51677066)；国家电网公司科技项目(52573015000J)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(51677066),Science and Technology Project of SGCC(52573015000J).装置等1-2。使得系统中的电能输送从传统单一方向传输转变成双向传输3。并网变流器被广泛应用于诸多场合，包括交直流微电网，交流低压微电网互联，直流输变电等4-5。随着功率方向切换，并网变流器端口阻抗特性会存在一定差异，进而造成并网系统的稳定性存在一定差异，即双向功率稳定性差异6。针对此问题，文姚敏东，李 飞，李 靖：弱电网下双向并网变流器虚拟正阻尼重塑控制 1295 献7和文献8分别考虑了功率载荷大小变化和电网等值阻抗，详细分析了其对并网系统稳定性的影响。但上述文献均只针对功率单向传输的情况进行分析，缺少在不同功率传输方向下对系统的稳定性进行分析。文献9分析了锁相环对系统稳定性的影响，并针对该问题提出了一种优化控制策略。文献10通过绘制阻抗波特图，展现了不同功率传输方向下，系统的阻抗特性存在较大差异。文献11分析了不同功率传输方向下并网系统的稳定性差异问题，但参数较为固定，缺少分析其他参数对系统稳定性的影响。上述研究并没有针对并网变流器系统在功率双向传输下，电网等值阻抗增大对系统稳定性差异的影响进行分析。即分析弱电网下并网系统在功率双向传输下的稳定性差异问题。因此，本文以双向并网变流器系统为研究对象，首先，详细地建立了双向并网变流器交流侧端口阻抗在 d-q 坐标系下的小信号模型，分析了不同功率方向下阻抗特性的差异。其次，结合系统最小环路比表达式和电网等值阻抗表达式，基于奈奎斯特稳定判据，分析系统稳定性的影响因素。然后，分析了弱电网下双向逆变器虚拟正阻尼重塑控制策略，并对其进行建模与分析。最后，基于 MATLAB/Simulink 和小功率实验平台验证所提策略的有效性。1 双向并网变流器阻抗小信号建模 1.1 系统拓扑和控制结构 双向并网变流器系统通过逆变器将直流功率源与交流电网连接，其拓扑结构如图 1 所示，系统内功率为双向传输。其中：Lg和 rg为电网等值电抗和电阻；L 和 rL为换流器交流侧电抗和电阻，C 为换流器直流侧滤波电容；ug(a,b,c)和 ig(a,b,c)分别是电网三相电压和三相电流；eabc为换流器交流侧电压，Udc为换流器直流侧电压。双向并网变流器采用传统功率控制，如图 2 所示 12。内环为 d-q 坐标系下电流控制，外环直接采用有功(无功)功率除以交流电压d轴分量并乘以2/3得到 d 轴(q 轴)电流给定值，省略功率外环能提升控制的响应速度13。其中：P*和 Q*分别是有功功率和无功功率的参考值；ugd和 ugq为交流电压 d 轴和q 轴分量；igd和 igq为交流电流 d 轴和 q 轴分量；Dd和 Dq分别是 d 轴和 q 轴的输出占空比；Gpi为比例积分控制器；g为电网角频率。1.2 双向并网变流器阻抗小信号建模及分析 设定功率值为正(逆变器到网侧为“正”)时为正向传输，反之为反向传输。为简化分析，建立 d-q坐标系下，正向功率传输小信号模型如图 3 所示。其中：udc是直流侧电压变化量；dd和 dq为 d轴和 q 轴的输出占空比变化量；ugd和 ugq为交流电压 d 轴和 q 轴分量的变化量；igd和 igq为交流电流 d 轴和 q 轴分量的变化量；Zop为变流器正向等效阻抗。图 1 双向并网变流器系统结构示意图 Fig.1 Diagram of bidirectional grid-connected converter system 图 2 传统功率控制结构框图 Fig.2 Block diagram of conventional power control 图 3 d-q 坐标系下并网变流器交流侧小信号电路模型 Fig.3 Small-signal circuit model of AC side of grid-connected converter in d-q coordinate system 1296 高电压技术 2023,49(3)对交流侧进行分析时，忽略直流侧电压的变化，即 udc=0，进而 dd=dq=0，由电路原理可以得到如下等式 ()()ggLggggLddqquiLsrLuiLLsr+=|+(1)定义开环阻抗矩阵 Zop为 ()()LgopgLLsrLLLsr+=|+Z(2)令 ugd=ugq=0，可得小信号建模下占空比和并网电流之间的表达式 ()()Lgdcid22g2LLgLsrLULL srLsrL+=|+G (3)逆变器基于锁相环(phase locked loop，PLL)跟踪电网相角，稳态下满足下式 s=0 (4)式中：s为电网相角；为 PLL 输出相角；为相角差。受到扰动后，电网电压与逆变器之间发生偏差，在 d-q 坐标系下，式(4)不再满足8。此时，dq坐标系下的 PLL 跟踪电网三相交流电压，能够得到PLL 输出相角。其控制器设计如下 ()ipllpi_pllppllKGsKs=+(5)式中：Gpi_pll(s)为控制器输出；Kppll和 Kipll分别为