[發明專利]構網型電壓源換流器雙環控制參數優化設計方法

在審

• 申請號: 202111258246.5
• 申請日: 2021-10-27
• 公開（公告）號: CN113962181A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 王金玉;陳露;毛曉東;黃晶晶
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/373
• 分類號: G06F30/373;G06F113/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了構網型電壓源換流器雙環控制參數優化設計方法，本發明采用相同的優化設計方法來設計內環比例參數k_c和外環諧振參數k_r，包括以下步驟：繪制閉環傳遞函數隨參數變化的極點圖，找到最靠近原點的主導極點對應的參數值；繪制波特圖，判斷該參數值是否滿足預先定義的穩定裕度，如果滿足，則該參數是控制環的優化控制參數；否則應在一定程度上增加或減少參數值，以滿足要求。本發明將內環和外環的控制參數獨立優化，同時具有各自的期望穩定裕度和最快的動態性能；直接借助極點圖和波特圖，無需復雜的公式求解；與傳統比例諧振控制器相比，僅在外環應用諧振控制器，能夠在降低控制系統結構和設計復雜度的同時，顯著提升系統動態性能。

技術領域

本發明屬于電力換流器控制方法與參數設計領域，涉及帶LC濾波器的構網型電壓源換流器雙環控制參數設計方法。

背景技術

構網型電壓源換流器(Grid-Forming VSC)廣泛應用于需要交流電壓支撐能力的場合，例如孤島微電網、分布式發電系統、動態電壓恢復器、不間斷電源等。為了提高供電質量，通常需要在其后安裝LC型低通濾波器，以衰減換流器產生的開關諧波。然而，LC濾波器會在換流器的控制環中引入諧振。因此，如何設計控制系統，保障此類換流器足夠的穩定裕度、快速的動態響應和較小的穩態誤差，成為其面對的關鍵挑戰。

構網型電壓源換流器雙環控制結構應用廣泛，它由外部電容電壓環和內部電感(或電容)電流環組成。內部電流環實際上起到可變有源阻尼的作用，可以將其視為與濾波電感串聯(或與濾波電容并聯)的虛擬阻抗。在過去的幾十年中，雙環控制結構的參數優化設計方法一直是研究人員關注的話題。大多數現有雙環控制結構參數優化設計方法主要關注外部電壓環，而內部電流環僅被認為是輔助外環獲得期望性能的設計。由于這兩個環路之間存在固有的深度耦合，現有設計方法使得設計過程極其復雜且導致整體控制系統動態性能十分有限，甚至無法找到控制系統的有效解。

綜上所述，構網型電壓源換流器用途廣泛，但是現有的雙環控制參數設計方法多存在控制效果不理想且設計過程復雜等問題，因此亟需一種簡便有效的構網型電壓源換流器雙環控制結構參數優化設計方法。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種構網型電壓源換流器雙環控制結構參數優化設計方法，將控制系統的內環和外環視為同等重要，并采用相同的解耦設計過程，與傳統比例諧振控制器相比，僅在外環應用諧振控制器，能夠在降低控制系統結構和設計復雜度的同時，顯著提升系統動態性能。

本發明所采用的技術方案是：

構網型電壓源換流器雙環控制參數設計方法，采用帶LC濾波器的三相構網型電壓源換流器的電路拓撲圖，優化內環比例參數k_c和外環諧振參數k_r，對于雙環結構，優化的控制系統性能由電壓外環和電流內環共同決定，電流內環的設計完全獨立于電壓外環的設計；直接借助極點圖和波特圖進行設計；與傳統比例諧振控制器相比，僅在外環應用諧振控制器，能夠在降低控制系統結構和設計復雜度的同時，顯著提升系統動態性能。

電流內環采用比例控制器，電壓外環采用諧振控制器，參數優化設計過程如下。從零階保持器(ZOH)輸出到交流電流i和電容電壓u_C的傳遞函數可以分別在s域中表示為：

其中，L_f和C_f分別是濾波電感和電容。

經過零階保持器ZOH變換，(1)和(2)在z域可以被寫為：

其中，T_s是采樣周期，ω_r表示LC濾波器的諧振角頻率，

帶LC濾波器的構網型電壓源換流器雙環控制參數優化設計方法具體按以下步驟實施：