新能源发电技术 课件 第二章-网侧变流器控制技术

第二章网侧变流器控制技术网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院本章内容：网侧变流器数学模型网侧变流器控制策略锁相同步方式高精度电流跟踪控制方法

第二章网侧变流器控制技术网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型三相静止坐标系下

网侧变流器主电路以及电压、电流正方向如图所示：

图中，Lgabc为每相进线电感，Rgabc为每相进线电阻，C为直流母线电容。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型三相静止坐标系下

假设主电路的功率器件为理想开关，则其数学模型为：

式中Sga、Sgb、Sgc为三相变流器各相桥臂的开关函数，且定义上桥臂元件导通时为1，下桥臂元件导通时为0。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型三相静止坐标系下

当网侧变流器采用三相无中线的接线方式时，可得：

将上式代入变流器数学模型可得：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型三相静止坐标系下

网侧变流器三相交流侧输出的线电压与各相桥臂开关状态Sga、Sgb、Sgc间关系为：

转化为相电压的关系则为：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型三相静止坐标系下

将开关函数与相电压的关系式代入变流器数学模型，可得：

由于该式的推导过程对网侧变流器的运行条件未做任何假定，故在电网电压波动、三相不平衡等情况下均能有效适用。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型两相同步旋转坐标系

由三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换简称为3s/2s变换，其变换矩阵和矢量关系如下：

从两相静止αβ坐标系到两相同步速ω1旋转坐标系的变换简称为2s/2r变换，其变换矩阵和矢量关系如下：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型两相同步旋转坐标系下

若三相进线电抗器的电感、电阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，dq坐标系下变流器数学模型为：ugd、ugq:电网电压的d轴、q轴分量igd、igq:变流器输入电流的d轴、q轴分量vgd、vgq

:变流器中三相交流侧电压的d轴、q轴分量Sd、Sq:开关函数的d轴、q轴分量网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.1网侧变流器数学模型两相同步旋转坐标系下

令Ug=ugd+jugq为电网电压矢量，当坐标系的d轴定向于电网电压矢量时，则有ugd=|Ug|=Ug，ugq=0，其中Ug为电网相电压幅值。

变流器数学模型可改写为：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器功能

（1）保持直流母线电压的稳定：

取决于变流器交流侧与直流侧有功功率的平衡，因此需要控制交流侧输入的有功功率。在电网电压恒定的条件下，即控制输入电流的有功分量。

（2）控制输入功率因数：在电网电压恒定的条件下，实际上就是控制输入电流的无功分量。

（3）保持输入电流正弦：

主要与电流控制的有效性和调制方式有关。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

由网侧变流器功能可以得出变流器的控制系统需要包含电压外环控制和电流内环控制两个部分。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

变流器dq坐标系下数学模型：

此式表明，网侧变流器的d轴、q轴电流不仅受vgd、vgq的控制，还受到电流交叉耦合项ω1Lgigq、ω1Lgigd，电网电压ugd、ugq的影响。

为了实现对d轴、q轴电流的有效控制，需要消除d轴、q轴电流耦合以及电压扰动。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

设v`gd，v`gq如下：为了消除控制静差，通过比例积分调节器来设计如下电流控制器:

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

由此可得网侧变流器的电压指令：

上式表明，在网侧变流器的控制中引入了电流状态反馈量ω1Lgigq、ω1Lgigd来实现解耦，同时引入电网扰动电压项ugd、ugq进行前馈补偿。

从而实现d轴、q轴电流的独立控制，并提高系统的动态性能。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

根据2.1节所示三相输入电流iga、igb、igc的正方向规定和幅值守恒的坐标变换原则，网侧变流器向电网输出的有功功率和无功功率分别为：

在d轴定向于电网电压矢量的同步旋转坐标系中则有：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

在忽略各种损耗的前提下，网侧变流器直流侧与交流侧的功率平衡关系为：

当交流侧输入的功率大于直流侧负载消耗的功率时，多余的能量会使直流母线电压升高，反之，直流母线电压降低。

因此只要能控制交流侧输入的有功电流，就可以控制变流器有功功率的平衡，从而保持直流母线电压的稳定。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

电压外环控制器采取与电流控制器类似的设计，即d轴电流参考值为：

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.2网侧变流器控制策略网侧变流器控制系统结构

由此可得带解耦和扰动补偿的网侧变流器直流电压、电流双闭环控制框图：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式锁相同步的作用及基本类型

电力电子设备的并网运行、矢量控制、解耦控制、对电网的动态支撑等均需要获取电网的频率和相位信息。因此通常在新能源并网设备中加入锁相环(Phase-LockedLoop，PLL)来实现锁相同步。PLL开环PLL基于过零鉴相器的PLL锁相稳态精度不高、动态响应时间长、不能适用于薄弱电网下电压不平衡和频率突变基于低通滤波器的PLL基于空间矢量滤波器的PLL基于扩展卡尔曼滤波器的PLL基于加权最小二乘法估计的PLL闭环PLL更高的动态响应速度和抗干扰能力网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式锁相同步的作用及基本类型

同步旋转坐标系下的PLL结构

鉴相器(phasedetector,PD)：将输入电压与输出电压作差后得到相位偏差量。

环路滤波器(loopfilter,LF)：滤除其中的谐波。

压控振荡器(voltage-controlledoscillator,VCO)：计算相位信息，通过负反馈调节缩小输入信号和输出信号的相位误差，从而实现锁相同步。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

理想的强电网没有谐波分量的干扰，采用基于同步坐标系的锁相环SRF-PLL(SynchronousReferenceFrame-PLL)

采用d轴电压定向，控制q轴电压ugq=0，即稳态时d轴分量与电压矢量重合，同步坐标系的旋转角度θ等于电网电压矢量的相位。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

当稳态相位误差较小时，可得：

其中，Δ代表小信号分量。由SRF-PLL结构图可得角度的闭环传递函数Hθ(s)和角度误差传递函数Eθ(s)可以分别表示为：

其中，截止频率，阻尼比，kp和ki分别为PI控制器的比例和积分系数。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

对角度闭环传递函数Hθ(s)的极点分布进行分析，其极点表示如下：

当ζ<1（欠阻尼）时，相位阶跃误差和频率阶跃的误差表达式分别为：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

当ζ>1（过阻尼）时，相位阶跃误差和频率阶跃的误差表达式分别为：

其中，。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

当极点负实部值越大时，暂态响应越快；虚部值越大时，系统超调越大。

对于电压相位阶跃而言，阻尼系数小时，响应速度快但是超调量大；阻尼系数大时，超调量小但系统响应速度慢。为兼顾快速的响应速度且合理的超调，一般选取阻尼系数为1，即临界阻尼。此时PI控制器参数满足：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

通过小信号模型研究在低短路比薄弱电网中SRF-PLL对新能源设备控制的影响。当电网电压产生扰动时，电网电压的小信号表达式为：

锁相环获得的相位角受到电压扰动的影响，可表示为：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

为了准确描述SRF-PLL在低短路比薄弱电网下对新能源机组的影响，建立电网电压通过PLL影响电流控制的阻抗模型。

通过阻抗建模的方法可以发现，SRF-PLL会通过引入2个电网电压前馈矩阵Gpni和Gpnu，从而改变系统的稳定裕度。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式常规锁相同步方式建模

设计合理的比例和积分参数会提高新能源系统在低短路比薄弱电网下的稳定性。

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（1）基于延时信号消除的锁相同步方式电网电压不平衡时，三相电压αβ分量可以表示如下：

其中，ϕ为相位；上标“+”和“-”分别表示正、负序分量。将系统延时四分之一工频周期可得：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（1）基于延时信号消除的锁相同步方式由前述两式可得正序基频电压矢量可表示为：

因此可以通过在SRF-PLL前加入基于鉴相器的延时信号消除DSC(DelayedSignalCancellation)控制器来消除输出的2倍频波动量，获得只含有基波正序矢量的相位误差信息，消除了电网不平衡对SRF-PLL的影响。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（1）基于延时信号消除的锁相同步方式

DSC-PLL结构图如下所示：

前置DSC环节增加相位延迟，系统动态响应减慢。电网频率变化时会出现延时偏差导致正负序分离误差。

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（2）基于直接解耦法的锁相同步方式基于双二阶广义积分DDSOGI(DecoupledDoubleSecond-OrderGeneralizedIntegrator)的锁相同步结构如下所示：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（2）基于直接解耦法的锁相同步方式

DDSOGI包含正交信号发生器，在αβ静止坐标系下，其正序分量和负序分量的传递函数分别为：其中，D(s)为正交信号传递函数。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（2）基于直接解耦法的锁相同步方式经过DDSOGI后，正序分量等效于经过一个中心频率为基波频率的带通滤波器，负序分量则等效于经过一个基波频率的陷波器，而谐波信号可以被低通滤波滤除，因此可以获得正序基波信号。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（2）基于直接解耦法的锁相同步方式另一种直接解耦法基于双同步坐标系DDSRF(DecoupledDoubleSynchronousReferenceFrame)的锁相同步方式：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（2）基于直接解耦法的锁相同步方式

DDSRF-PLL中包含2个旋转坐标系，利用正负序之间的角速度和相位关系，实现正负序之间的分离。基于正负序计算的同步旋转坐标系下的电压矢量分别表示为：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（2）基于直接解耦法的锁相同步方式

负序分量在正转同步坐标系中为2倍频分量，而正序分量在反转同步坐标系也表现为2倍频分量。因此解耦步骤如下：(a)由负序直流分量经过2倍基频的旋转坐标矩阵得到负序电压在正转同步坐标系下的交流分量。(b)在正转同步坐标系下的电压分量减去负序电压分量在正转同步坐标系上的分量。(c)经过低通滤波器滤除高次谐波和噪声，可以得到正转同步坐标系上的电压正序分量。(d)同理可得反转坐标系上的负序分量，从而实现正负序分量分离。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（3）基于正负序计算的锁相同步方式

该方式利用瞬时对称分量消除电压正负序分量之间的相互影响，从而实现正负序的分离。将不平衡三相电压分解为瞬时正序分量、负序分量和零序分量之和：其中，上标+表示正序分量，上标-表示负序分量，上标0表示零序分量。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（3）基于正负序计算的锁相同步方式

其中，a=e-j2π/3，为120°相移信号。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（3）基于正负序计算的锁相同步方式为实现静止坐标系下正序分量和负序分量的分离，需要利用正交信号发生器得到Ugαβ及其90°相位滞后的正交信号。

对于交流信号的提取，可以在静止坐标系下采用带通滤波器，也可以在旋转坐标系下采用低通滤波器。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（4）基于复系数滤波器的锁相同步方式

复系数滤波器CCF(ComplexCoefficientFilter)同时具有频率选择和极性选择的功能。典型一阶CCF可表示为：

其中，ωc为带通频率，一般设为电网频率或n次谐波频率。CCF在选择频率处保持单位增益和零相位偏移，在其他频率处的增益大幅衰减。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（4）基于复系数滤波器的锁相同步方式

CCF的具体实现结构图如下，通过在静止坐标下对相对相位差90°的信号进行反馈来实现复数信号j：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（5）基于滑动平均滤波的锁相同步方式

滑动平均滤波MAF(MovingAverageFilter)是一种线性相位滤波器，可以用作理想的低通滤波器：

其中，Tw为MAF的窗口长度。MAF-PLL在实际应用中很容易实现，并且计算量小。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（5）基于滑动平均滤波的锁相同步方式

MAF在SRF-PLL中等效为一个前置滤波器，可有效阻止干扰分量，并且对于锁相同步的动态性能影响小。MAF-PLL结构如图所示：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（6）基于陷波器的锁相同步方式

陷波器NF(NotchFilter)是一种带阻滤波器，它可以显著衰减目标频段内的信号，而其他频段的信号不会受到影响。加入NF后可以提升谐波电网下PLL的工作性能，NF可以分为自适应型和非自适应型。NF-PLL的结构与标准MAF-PLL类似，只是MAF被一个或多个NF取代。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：不平衡及谐波电网

（7）各方法性能比较

基于延时信号消除的锁相同步方式只能提取不平衡电网下的负序分量基于直接解耦法的锁相同步方式基于正负序计算的锁相同步方式基于复系数滤波器的锁相同步方式可以提取其他低次谐波基于滑动平均滤波的锁相同步方式基于陷波器的锁相同步方式网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：电网频率相位突变

（1）3型PLL

3型PLL是在其控制环路中加入三阶积分器，由此实现零误差稳态追踪斜坡输入的频率信号。其控制结构如下所示：

特点：负增益裕度，在低环路增益下有不稳定的风险。

因此，在3型PLL中使用幅值归一化策略非常重要。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：电网频率相位突变

（1）3型PLL

准2型PLL(Quasi-Type-2PLL)也是3型控制系统。该结构不受电压骤降的不稳定影响，因此并不强制使用幅值归一化策略。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：电网频率相位突变

（2）改进型锁频环

锁频环FLL(Frequency-lockedLoop)是根据频率进行直接定向控制，其相位角是由环路外部计算得到的。相位突变时FLL所得到的频率分量不会受到相位变化的干扰。单相DDSOGI-FLL结构网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：低短路比电网

（1）基于电网电压调制型的锁相同步方式电网电压调制型GVM(GridVoltageModulated)的锁相同步方式可以利用电网电压信息进行锁相同步。基于GVM的逆变器输出电流控制结构图如下：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：低短路比电网

（1）基于电网电压调制型的锁相同步方式

GVM方法有许多优点：(a)使系统成为线性时不变系统，便于控制器参数设计。(b)大幅降低有功功率和无功功率的纹波，并且对电网电压和线路阻抗有良好的鲁棒性。(c)保证收敛速度和快速的动态响应能力，还可以减小SRF-PLL带来的失稳风险。(d)在低短路比薄弱电网下具有良好的稳定裕度。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：低短路比电网

（2）基于虚拟坐标系的直接功率锁相同步方式

该方法是在固定角速度的同步参考系中实现的。其典型结构图如下所示：由于直接功率控制环带宽较大，易导致高频的稳定性问题。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.3锁相同步方式薄弱电网下的改进型锁相同步方式：低短路比电网

（3）对称PLL

参数或结构不对称的设备在低短路比电网下会出现频率耦合现象。对称PLL同时对d轴和q轴电网电压信号进行调制，使系统成为一个单输入单输出系统。其结构如下所示：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法电流跟踪控制环节概述高精度电流跟踪控制环节在新能源机组控制中起到至关重要的作用，所选取的电流跟踪控制精度的高低将对新能源机组控制方案的有效性产生决定性影响。作用：实施对多运行目标所配置的正、负序指令电流的高精度跟踪控制。

分类：调节器可分为线性调节器、非线性调节器两大类。网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器（1）比例积分控制器：采用实施于多同步旋转坐标系多PI调节器的跟踪控制方案提高PI调节器跟踪正弦电流指令的能力，结构如下：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器旋转变换过程对比例调节器不产生任何影响，对于积分调节器，将其从同步旋转坐标系变换到静止坐标系，可得到等效传递函数为：

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器同理可得复系数积分器的等效传递函数：将复系数因子消去得到的等效传递函数：网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器为便于区分，给出上述几种积分器的对比表格：

广义积分器矢量积分器降阶环节二阶环节网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器

网侧变流器控制技术©浙江大学电气工程学院2.4高精度电流跟踪控制方法线性调节器（2）重复控制器(RC):解决多频谐振控制器的不足。

基于内模控制原理，对即时输入误差信号经过恰当的延时再叠加即时输入误差信号，获取RC控制