高渗透率下基于并网逆变器阻抗重塑的锁相环设计方法

针对锁相环、电网阻抗与并网逆变器相互耦合所引发的系统稳定性下降问题。首先,建立考虑电网阻抗的锁相环控制结构模型,通过分析锁相环闭环传递函数可知,电网阻抗会使锁相环系统产生右半平面闭环极点,严重影响锁相环与逆变器系统的稳定性。其次,通过分析逆变器系统输出阻抗,说明锁相环所引入的负阻抗是逆变器系统稳定裕度下降的主要原因。鉴于此,该文提出一种新型锁相环设计方法,理论分析表明,所提方法既能够保证高渗透率下锁相环具有高鲁棒性,又能够对逆变器系统输出阻抗进行重塑,有效拓宽系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提新型锁相环设计方法的有效性。

基于改进正交锁相环的永磁同步电机无位置传感器控制

针对传统正交锁相环(QPLL)应用于永磁同步电机无位置传感器控制中存在的反转失效与加、减速工况下出现显著的转子位置直流偏移误差问题,该文提出一种改进的正交锁相环(IQPLL)。其通过重构鉴相器环节,使得鉴相器的输出与永磁同步电机的转向不再相关,从而解决传统QPLL在电机反转时估算转子位置出现180°偏差的问题。此外,在新型鉴相器结构下,设计前馈环路以补偿加、减速工况下的位置直流偏移误差。并建立了IQPLL的小信号模型,根据系统的频率响应特性给出了IQPLL的参数设计方法。实验结果表明,相对于传统的QPLL,所提出的IQPLL可实现永磁同步电机无位置传感器控制正、反转稳定运行,并有效抑制了加、减速工况下的转子位置直流偏移误差。

并网逆变器非线性特性建模及稳定性研究综述

并网逆变器作为连接新能源分布式发电和电网之间的关键接口,发挥着将电能高效、高质量馈入电网的重要作用。随着新能源渗透率的持续提高,并网点处电网存在诸如高电网阻抗、丰富的低频谐波、电压幅值/频率波动甚至故障等复杂状况。鉴于并网逆变器本质上是一个多输入、强耦合的非线性系统,沿用传统的线性建模与分析方法已难以解释工程中的复杂谐波振荡现象,并网逆变器的稳定性分析及其稳定运行受到巨大挑战。为此,该文首先具体阐述了线性与非线性和系统受扰大小之间的关系,指出大干扰稳定性分析更依赖于非线性建模及分析方法的应用。在此基础上,对已见诸报道的并网逆变器稳定性分析方法进行了归纳和对比。然后,详细阐述了稳定性分析方法在并网逆变器特定非线性环节中的应用。最后,总结并讨论了现有研究的不足,以期进一步促进“双高”背景下并网装置非线性建模和稳定性分析的研究。

弱电网下光伏并网系统锁相环参数自适应控制

针对弱电网下PLL(phase-looked loop,PLL)会使并网逆变器的稳定性下降问题,提出一种锁相环带宽自适应控制策略来实现锁相环参数依据电网实时阻抗值来获得最优的控制参数,保证系统最佳控制性能和稳定运行,从而提升跟网型逆变器在弱电网下的对电网阻抗的适应能力。利用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,仿真结果证明自适应控制策略正确、有效。

弱电网下并网变流器相位裕度的分频段补偿方法

在弱电网条件下,针对并网变流器各控制环节与电网阻抗之间交互作用,容易引发系统振荡而造成失稳问题,文中提出一种分频段相位补偿控制策略。首先,建立dq坐标下的并网变流器输出导纳矩阵模型,针对在低频段由锁相环引起的变流器输出导纳的负阻尼特性,不改变锁相环动态特性而通过分析锁相环对控制系统的影响路径,加入含积分元素的补偿矩阵抵消锁相环的负阻尼影响,同时简化导纳模型;进而,引入仅含常数元素的补偿矩阵实现超前校正,对电流环带宽外的负阻尼进行相位补偿,使导纳矩阵元素在全频段为正实部,为并网控制系统提供正阻尼,从而增强并网变流器的稳定性。最后,通过仿真和实验在不同短路比条件下对文中提出的补偿方案进行验证,证明所提方案的有效性。

基于一种新型正弦幅值积分器的谐波检测方法

针对基于瞬时无功理论的ip-iq谐波检测法结构复杂、响应速度慢等问题,提出了一种采用改进正弦幅值积分器结构的谐波电流检测方法。首先,利用二阶广义积分器的输出滤波特性及正弦幅值积分器的极性选择特性,使其相结合构造出了一种滤波性能更强,同时具有频率及极性选择作用的新型积分器。然后,利用该积分器快速准确地提取基波正序分量,并有效应用于谐波检测环节中。当电网电压存在直流偏置问题时,该积分器所构造的锁相环也能准确锁定电网频率及相位信息。最后,理论分析及仿真实验结果表明:该方法无需进行瞬时对称分量分离,就可提取出电网电压及负载电流基波的正负序分量,计算量小,谐波检测更精确。

对称故障下变流器控制对差动保护影响及优化策略

变流器输出故障特征的强可控性给交流系统继电保护带来了严峻挑战。该文分析并网线路发生对称故障时跟网型变流器的控制响应过程,从故障期间变流器电流控制目标不能自动匹配故障回路功率需求的角度,分析推导变流器网侧电压相位发生跳变并不断旋转的变化特征。受故障回路阻抗约束,变流器输出短路电流相位与网侧电压相位同步变化,造成并网线路差动保护性能严重下降。基于变流器网侧电压相位变化机理,从电流控制目标与锁相环控制两个维度,提出兼顾保护需求和供电需求的变流器控制优化策略。仿真结果表明,并网线路对称故障时所提策略能有效抑制两侧电流相位差,显著提升了差动保护动作性能。

计及锁相环非线性特性的跟网型逆变器暂态稳定性分析

锁相环作为跟网型逆变器实现相位同步的关键环节,由于其本身所固有的非线性特性,在弱电网情况下,传统小信号模型可能存在不能准确预测锁相环暂态稳定性的问题。为保证受扰后锁相环的稳定运行,提出了一种基于非线性数学模型的稳定性分析方法。首先,根据锁相环工作原理,建立其二阶非线性微分方程,通过相平面法对锁相环输出特性进行定性分析,评估不同参数对锁相环暂态特性的影响;然后,基于等面积法则分析锁相环暂态失稳机理,鉴于传统等面积法则可能导致稳定性的误判,采用非线性动力学多尺度法对锁相环受扰后的暂态时域表达式进行求解,明确锁相环暂态稳定边界;最后,通过Matlab仿真和RT⁃LAB半实物平台验证了所得解析解和锁相环暂态稳定域的准确性,为弱电网条件下锁相环控制参数及电路参数选取提供一定参考。

风储锁相弹性耦合下的系统次同步振荡抑制技术

通过虚拟刚度建立储能与风电机组锁相间的弹性连接关系是高效抑制锁相环诱发次同步振荡的关键。以机械振动力学为基础,该文首先在风电机组锁相与储能虚拟同步机之间建立相位弹性耦合关系,并定义虚拟锁相刚度。其次,引入虚拟锁相刚度,建立风储弹性系统的两自由度运动模型,分析风电机组相位的幅频响应特性,并基于固定点理论,优化设计风储间整体刚度和阻尼。再次,提出虚拟锁相刚度控制策略,将其嵌入储能虚拟同步机控制系统中,并与虚拟惯量、阻尼环节构建风储弹性耦合控制系统结构。最后,搭建风储高渗透并网仿真系统,验证增设虚拟锁相刚度后,风电机组锁相环诱发的次同步振荡能够得到有效抑制,显著提升系统的稳定性。

弱电网下基于电网电压前馈的并网逆变器阻抗重塑控制策略

弱电网下,锁相环在基波以上频段引入的负阻特性,会降低系统输出阻抗的相位,严重影响系统稳定性。鉴于此,该文通过系统控制框图等效变换,推导得到可以消除锁相环负阻特性的电网电压前馈函数,进而提出一种基于电网电压前馈控制的并网逆变器阻抗重塑控制策略。同时,为了提高该策略的普适性,该文利用函数近似和多目标约束为电网电压前馈函数的优化提供两种设计方法,并从系统基波电流跟踪性能、并网功率因数等方面进行误差分析,从而证明其函数优化设计方法的可行性。理论分析表明,优化后的电网电压前馈控制策略,可以有效地对系统输出阻抗相位特性进行重塑,很大程度上拓宽了系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

基于电容电压全前馈的并网逆变器高鲁棒性稳定控制策略

虽然并网逆变器采用电容电压全前馈控制策略,能够有效抑制电网电压背景谐波对并网电流的影响。但是在弱电网工况环境下,由于锁相环、数字控制延时等因素与电网阻抗相互耦合,导致逆变器稳定较差、在阻抗交截频域中呈现弱无源性,易引发系统谐波振荡甚至失稳问题。鉴于此,该文借助无源性理论和阻抗分析方法,深度揭示了影响系统各频带阻抗特性的主导因素,进而提出了一种基于电容电压全前馈的并网逆变器高鲁棒性稳定控制策略。理论分析表明:所提控制策略不仅能有效地拓宽系统输出阻抗稳定范围,还可以保证改进后的系统输出阻抗具有较高的幅值增益。最后,通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。

一种适用于复杂电网下的高精度锁相环

针对现有并网逆变器在电网电压谐波复杂的情况下难以精确锁定电压频率和相位的问题,结合传统锁相环结构与自适应算法的理论提出一种高精度的锁相方法。依据对传统锁相环在复杂电网下的弊端分析,确定了锁相环采用传统低通滤波器、带通滤波器时的滤波效果与延时的矛盾关系。根据最小均方算法的高自适应特性与快速跟踪特点,结合锁相环中坐标变换公式,确定算法的输入输出以及权重矩阵,构建基于派克变换的最小均方算法矩阵模型。通过将所需的电压正序分量设置为不断更新的权重矩阵来进行高精度的滤波,同时通过引入均方瞬时误差和自相关估计均值来进行变步长控制,提高滤波更新速度,以适用于复杂程度不确定的电网电压进行自适应滤波锁相。对仿真和样机实验的结果表明:采用基于派克变换的最小均方算法的改进型双二阶广义积分锁相方法,可以在不降低动态响应速度的前提下,提高锁相环的滤波效果,进而提高并网逆变器在电网畸变严重场景下锁定电压频率和相位的跟踪精度。

电网故障下含直驱风电机组的电力系统频率动态响应分析

电网受扰后基于模型解析的频率响应分析对电力系统安全评估与紧急控制具有重要意义。电网发生故障时,直驱风电机组(DDWT)并网点电压幅值跌落引发控制器暂态响应,同时电压相位突变引发锁相暂态响应,锁相暂态响应又通过变流器控制传导产生功率控制误差,可能导致现有以负荷突变场景为对象的频率特性分析产生较大偏差。为此,提出了电网故障下DDWT锁相偏差的量化方法;解析了锁相偏差经DDWT变流器控制的传导路径,提出了锁相暂态响应导致DDWT功率控制误差的机理及其计算方法;建立了电网故障下含DDWT的电力系统频率响应模型,提出了锁相暂态响应影响下系统频率变化率和最大频率偏差的计算方法,解析了电网故障下考虑DDWT功率控制误差的电力系统频率动态响应特性,并通过算例分析验证了所提方法的有效性。

基于SSO多扰动输入机理分析的DFIG-GSC功率振荡抑制策略研究

电网次同步振荡(SSO)已成为桎梏新能源发展的主要问题之一,针对SSO下双馈感应发电机(DFIG)中网侧变流器(GSC)的功率振荡问题展开研究。首先,建立SSO对GSC的多扰动输入数学模型,探究不同扰动输入的性质以及其对GSC系统的影响,明确了针对物理量扰动以及信号扰动分别采用补偿与滤除两种不同的抑制方法。其次,针对锁相环(PLL)输出误差经过坐标变换产生耦合振荡的问题,建立PLL输出误差角度的频域数学模型,并通过设计一种改进PLL消除其输出误差对GSC的信号扰动影响。同时,设计一种准谐振控制器的自适应算法,并提出基于自适应准谐振控制器的DFIG-GSC功率振荡抑制策略,消除SSO对GSC的物理扰动影响;最后,通过搭建具有SSO模拟环境的DFIG实验平台,验证本文所提控制策略的有效性。

基于新型自适应滑模观测器的PMSM无传感器控制

为了实现无位置传感器控制策略在永磁同步电机中的应用,在传统滑模观测器的基础上提出了一种改进型的自适应滑模观测器算法。提出的改进型自适应滑模观测器中使用更平滑的sigmoid函数取代了传统的符号函数,并结合反电动势的自适应律有效地减少了提取的反电动势中包含的高频分量,避免了低通滤波器在使用过程中带来的抖振和相位延迟现象。最后反电动势中包含的转子位置信息与速度信息通过锁相环提取。为了验证模型的可行性,基于MATLAB/Simulink搭建了仿真模型进行了仿真分析,并以TMS320F28377芯片为核心搭建了永磁同步电机硬件实验平台进行实验验证,仿真与实验结果验证了该方法的有效性和实用性。

应用于TDC电路的低相噪电荷泵锁相环

基于SMIC 0.18μm CMOS工艺实现了一种低相位噪声的四级差分延迟振荡器结构锁相环。通过增加额外的充、放电支路和单位增益放大器优化电荷泵结构,有效减少锁相环电路中的时钟馈通、电荷共享等非理想因素,同时采用重定时结构的反馈回路消除了电路中噪声的积累。测试结果表明,当输入参考频率为40 MHz时,锁相环的输出中心频率在5μs内稳定到960 MHz,相位噪声为-125 dBc/Hz@1 MHz,较好解决了传统锁相环结构由于噪声抑制性能差而无法满足高精度时间-数字转换(Time-to-digital conversion,TDC)电路要求的问题。

多谐振控制的同步磁阻电机鲁棒预测电流控制系统转矩脉动抑制方法

为抑制同步磁阻电机的转矩脉动并提高系统的鲁棒性,文中提出了一种基于多谐振速度环控制与自抗扰电流环的复合控制策略。由于同步磁阻电机的磁阻变化不均匀,从而导致电机电感随着磁饱和与交叉耦合效应变化,一方面,电感参数的变化会给电流环控制带来影响;另一方面,电感参数的变化还会引起转矩的脉动。因此提出基于多比例谐振的速度环控制策略,以抑制同步磁阻电机的转矩谐波。基于超局部模型的无差拍电流预测控制,利用改进的锁相环观测器对下一拍的电流和扰动进行预测,在电机参数变化时可以很好地实现电流的跟踪,从而提高系统的抗干扰能力。

考虑MAF延时和前馈补偿的高压直流快速锁相环

同步参考坐标系锁相环是高压直流(high voltage direct current,HVDC)同步触发控制系统中广泛应用的一种窄带宽锁相环,在交流系统故障引起相位跳变情况下,其动态响应缓慢。为增大锁相环的带宽,一种滑动平均滤波器(moving average filter,MAF)被前置于锁相环路,然而MAF本身存在响应延迟,制约了锁相环的同步速度。为了缓解响应延迟问题,文中提出一种考虑MAF延时和前馈补偿的HVDC快速锁相环。首先,利用MAF线性暂态特征预测相位变化,并分别针对故障接入和切除引起的相位跳变问题提出不同的补偿策略;接着,利用不变性原理对锁相环路进行前馈补偿,在负反馈控制和前馈补偿共同构成的复合校正控制系统的作用下,锁相环能够在较小PI参数下实现快速响应;最后,将所提快速锁相环在CIGRE HVDC标准模型和三峡—上海直流工程模型中进行仿真验证。结果表明,该快速锁相环能够有效缓解滤波器响应延迟的制约,缩短失锁时间,进而提高高压直流逆变侧抵御换相失败的能力。

计及风电PSS与PLL耦合对功角振荡影响的DFIG控制参数协调优化

双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)装设电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS),有助于抑制同步发电机间功角振荡,但抑制效果受DFIG锁相环(phase-locked loop,PLL)跟踪误差影响。考虑PSS与PLL耦合特性对功角振荡的影响,提出改善振荡抑制效果的DFIG控制参数协调优化算法。首先基于DFIG有功控制的分解等效结构绘制DFIG-PSS与锁相误差的耦合路径,提出耦合特性解析表达。然后建立耦合解析表达对控制参数的轨迹灵敏度向量,以向量2-范数之比定义耦合强度,量化耦合特性对功角振荡的影响程度。最后基于耦合强度指标,提出带有PLL参数动态不等式约束的多步优化模型,以协调DFIG控制参数取值,提高并网系统对功角振荡的抑制效果。仿真结果证实了耦合特性对功角振荡的影响,验证了所提协调优化算法的有效性。

带残余频偏的软扩频信号伪码序列盲估计

针对带残余频偏的软扩频信号伪码序列盲估计难的问题,提出一种奇异值分解(singular value decomposition,SVD)结合全数字锁相环(digital phase locked loop,DPLL)的方法。所提方法首先对待处理信号通过不重叠分段生成数据矩阵,每段信号长度为一倍伪码周期;然后利用其自相关矩阵的右上角元素估计失步点进行同步,并且在重新计算自相关矩阵后根据较大特征值个数估计进制数;最后通过多次快速SVD算法结合DPLL最终实现伪码序列的盲估计。仿真结果显示,所提方法在低信噪比条件下可以有效估计出带残余频偏的软扩频信号的伪码序列,并且性能优于其他对比方法。