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专利号: 202010808219X
申请人: 北方工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2025-11-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种微电网系统并网变流器控制参数设计方法,其特征在于:它包括以下步骤:S1、通过坐标变换得到旋转坐标系下典型系统的直流系统拓扑;

典型微电网系统包括储能单元、并网变流器、直流侧恒功率负载和LC滤波装置;

Vabc表示交流母线电压幅值,Iabc表示交流侧三相电流,θ代表电网电压相位,vdc代表直流母线电压,vs为交流母线电压,P1为直流恒功率负载功率,Pb1为电池充电功率,Ls为交流侧滤波电感,Rs为电感Ls的等效电阻,Cdc为直流侧稳压电容,ib代表电池充放电电流,vdcref代表直流母线电压参考值,ud、uq为交流三相电压经过Park坐标变换后得到的dq轴电压分量的实际值;id、iq为交流侧滤波电感电流经过Park变换后得到dq轴电流分量实际值,idref、iqref是电流给定值,kip为并网变流器电流内环比例控制参数,kvp为电压外环比例控制参数;

首先对并网变流器在abc静止坐标系进行建模,定义开关函数sk为:应用基尔霍夫电压定律可得:

由三相系统对称性可得:

可得出:

其中,vNo为N、O两参考点间电势差;

对直流侧电容及负载节点应用基尔霍夫电流定律可得:为了简化分析,将两相旋转dq坐标系的d轴方向与电网电动势E同轴,且初始条件下d轴与abc坐标系下的a轴同轴;

需进行等功率坐标变换,即变换前后功率相等;首先利用C32变换矩阵将abc三相静止坐标下的量转化到两相静止αβ坐标系下;再利用C2s2r变换矩阵将αβ坐标系下的量转化到两相旋转dq坐标系下;得到三相静止坐标系abc到同步旋转坐标系dq的变换矩阵为:应用上式对并网变流器模型式

进行变换,得到并网变流器在dq旋转坐标系下的数学模型:根据上式,并网变流器可以等效为一个两端口输入、单端口输出的三端口网络,且符合功率守恒原理;考虑直流侧储能单元充电、放电模式呈现不同特性,分别得到储能单元充电、放电时微电网直流等效模型;

受控电流源i0与并网变流器输出端口电压Vd有关,满足关系式:其中,i1为电感电流,vdc为直流母线电压;

S2、建立系统的非线性能量函数模型;

S2-1、在储能单元充电模式下,建立系统非线性能量函数模型;

基于S1中,储能单元充电模式时微电网直流等效模型,选取状态变量电感电流i1和直流母线电压vdc为状态变量,对网侧等效电压源Vs、并网变流器交流侧输出端口电压Vd、电阻Rs+R1、储能单元、恒功率负载和电容列出非线性能量函数模型:其中,定义 为系统的电流能量函数, 为系统的电压能量函数,分别为S2-2、在储能单元放电模式下,建立系统非线性能量函数模型;

基于S1中,储能单元放电模式时微电网直流等效模型,选取状态变量电感电流i1和直流母线电压vdc为状态变量,对网侧等效电压源Vs、并网变流器交流侧输出端口Vd、电阻Rs+R1、储能单元、恒功率负载和电容列出非线性能量函数模型:S3、推导并网变流器控制参数的稳定约束条件;

S3-1、储能单元充电模式的稳定约束条件

基于电流能量函数 和电压能量函数

,可以求得电流能量函数对电流变量i1的二阶偏导和电压能量函数对电压变量vdc的二阶偏导,分别为:由式 可知,电流能量函数对电流变量i1的二阶偏导与变量Vd有关,而双闭环控制的并网变流器控制参数也有变量Vd有关;并网变流器电流内环控制方程可表示为:电压外环控制方程为:

由式 和

式 ,可用并网变流器控制参数列出变量Vd表达式:基于上式对电流变量i1求导,最终可以得到:

基于上式,可将式 进行改写,得到电流能量函数对电流变量i1的二阶偏导与变流器控制参数的关系式为:

接着寻找 与控制参数的关系,基于端口等效关系式 和式可得:

根据上式,可将电压变量vdc的二阶偏导式 转化为:根据能量函数定理,基于式 和

式 ,可推得并网变流器控制参数稳定约束条件

为:

上式定量给出了储能单元充电模式

下,并网变流器电流内环比例控制参数kip、电压内环比例控制参数kvp的最大取值范围;

S3-2、储能单元放电模式的稳定约束条件

与S3-1同理,可得到储能单元放电模式的并网变流器电流内环比例控制参数kip、电压内环比例控制参数kvp的稳定约束条件:上式定量给出了储能单元放电模式下,并网变流器电流内环比例控制参数kip、电压内环比例控制参数kvp的最大取值范围。

2.根据权利要求1所述的一种微电网系统并网变流器控制参数设计方法,其特征在于:并网变流器是双向AC-DC变流器,可以运行在整流和逆变两种模式,应用直流母线电压外环、交流侧滤波电感电流内环的双闭环控制;该控制策略可维持直流母线电压恒定,为直流侧储能单元、恒功率负载正常接入提供直流电压支撑;直流母线电压vdc与母线电压给定值vdcref进行比较,经过PI调节得到有功电流给定值idref;由于系统工作在单位功率因数下,因此无功电流给定值iqref=0;可将三相电流实际值通过abc-dq变换,得到有功电流、无功电流实际值id、iq,将电流给定值idref、iqref分别与实际值id、iq进行比较,经过PI调节,即可得到DC-AC变换器交流输出电压参考分量,再与电网电压dq轴分量ud、uq和电感的耦合分量ωLid和ωLiq叠加计算后,进行abc-dq反变换,输入到PWM模块,最终产生DC-AC并网变流器的驱动信号。

3.根据权利要求1所述的一种微电网系统并网变流器控制参数设计方法,其特征在于:S1中在进行等功率坐标变换时,可以直接应用C32变换矩阵和C2s2r变换矩阵得到三相静止坐标系abc到同步旋转坐标系dq的变换矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种微电网系统并网变流器控制参数设计方法,其特征在于:当储能单元由充电模式变为放电模式,并网变流器电流内环比例控制参数kip、电压内环比例控制参数kvp的最大取值范围会显著变大,并网变流器速度会变快。

5.一种用于验证并网变流器控制参数稳定取值范围正确性的方法,其特征在于:包括以下步骤:S1、应用Simulink软件搭建微电网系统仿真平台;

S2、取两组微电网系统仿真参数,包括交流母线电压Vs、直流母线电压vdc、交流侧滤波电感Ls、直流侧稳压电容Cdc、电压环比例控制参数kvp、电压环积分控制参数kvi、电流环比例控制参数kip、电流环积分控制参数kii、蓄电池充电功率Pb1、恒功率负载初始功率P0、恒功率负载初始功率P1;

稳态工作点表达式为: ,根据上式和仿真参数可以计算出此时微电网系统的稳态工作点;将Vdc和i1,ref代入稳定控制参数取值范围:可以求得在储能单元充电模式下,并网变流器电压、电流双闭环控制参数满足的具体值;从而得出两组微电网系统控制参数是否满足稳定要求;

S3、将不满足条件的一组微电网系统参数进行仿真应用,得出恒功率负载功率阶跃、直流母线电压和交流侧三相电流波形,此步骤验证了,当微电网并网变流器控制参数不满足式 时,微电网系统在大扰动条件下不能稳定运行;

S4、将满足条件的一组微电网系统参数进行仿真应用,得出恒功率负载功率阶跃、直流母线电压和交流侧三相电流波形,此步骤验证了,当微电网系统并网变流器控制参数满足式 时,微电网系统在大扰动条件下能够稳定运行。