一种交直流混合配电网的电压稳定分岔分析方法

摘要

本发明公开了一种交直流混合配电网的电压稳定分岔分析方法，该方法将交直流混合配电网等效为三部分，基于微分代数方程设计相应的控制器，包括电压环、电流环和稳定器；通过设定系统参数和控制参数，实现基于有功功率参考值变化的电压稳定分岔分析；并可基于所得到的分岔图，确定出电压稳定的分岔拐点和极限功率，从而选出系统的稳定器最优参数，找出系统稳定裕度最大时对应的带宽数值，并可实现系统的渐进稳定分析、静态稳定分析、动态稳定分析和暂态稳定分析，得出稳定器参数与系统极限功率之间的对应关系，最终设定稳定器的反馈控制信号，控制系统运行在最大的稳定裕度范围内。

主权项

一种交直流混合配电网的电压稳定分岔分析方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：将交直流混合配电网等效为三部分，分别为：buck型dc‑dc变换器单元、LC滤波器单元、boost型dc‑dc变换器单元；其中，buck型dc‑dc变换器单元与LC滤波器单元通过电缆线连接，用于向直流母线提供稳定的电压；LC滤波器单元与boost型dc‑dc变换器单元通过电缆线连接，作为boost型dc‑dc变换器单元的输入滤波器，同时作为电缆线的漏感；步骤2：确定交直流混合配电网的微分代数方程，其计算公式为：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L_1}}{dt}=\frac{1}{L_1}(u_s·V_e-V_s-R_1·i_{L_1})\\ \frac{{\mathrm{dV}}_s}{dt}=\frac{1}{C}(i_{L_1}-i_{dc})\\ \frac{{\mathrm{di}}_{dc}}{dt}=\frac{1}{L_f}(V_s-V_{cf}-R_f·i_{dc})\\ \frac{{\mathrm{dV}}_{cf}}{dt}=\frac{1}{C_f}(i_{dc}-i_{L_2})\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L_2}}{dt}=\frac{1}{L_2}(V_{cf}-R_2·i_{L_2}-(1-u_l\left)V_0\right)\\ \frac{{\mathrm{dV}}_0}{dt}=\frac{1}{C_0}\left(\right(1-u_l)i_{L_2}-\frac{V_0}{R_0})\end{array}\right.$其中，t表示时间变量，d表示求导；u_s表示buck型dc‑dc变换器单元中电力电子开关器件的脉冲指令；u_l表示boost型dc‑dc变换器单元中电力电子开关器件的脉冲指令；R_f、L_f和C_f分别表示LC滤波器单元的电阻、电感和电容；C表示直流母线的电容；L₁、R₁分别表示buck型dc‑dc变换器单元的串联电感和电阻；L₂、R₂分别表示boost型dc‑dc变换器单元的电感和电阻；V_e表示buck型dc‑dc变换器单元的等效电源电压；和i_dc分别表示buck型dc‑dc变换器单元电流、boost型dc‑dc变换器单元电流和LC滤波器单元电流；V_s、V_cf和V₀分别表示直流母线电压、LC滤波器单元电压和负载的输出电压；C₀、R₀分别表示负载的电容和电阻；步骤3：设计buck型dc‑dc变换器单元的控制器，包括电压环、电流环和稳定器；其中，电压环采用线性的分数阶PI控制器进行校正；电流环采用间接的滑膜控制方法，其控制语句由等效控制规则生成；步骤4：设计boost型dc‑dc变换器单元的控制器，其由RT‑Lab的数字控制卡实现，用于调整系统输出的有功功率P；其中，有功功率参考值P_ref的计算公式为：P_ref＝I_ref·V_ref其中，I_ref、V_ref分别表示系统测量到的电流、电压的参考值；I_ref由电压环确定；步骤5：确定控制变量的采样速率周期T，其计算公式为：$T=\frac{1}{f_s}$其中，f_s表示变换器的开关频率；步骤6：电压环表达式C_v(s)的计算公式为：$C_v\left(s\right)=K_{pv}+\frac{K_{iv}}{s^{\lambda }}$其中，s表示自变量，K_pv表示比例增益，K_iv表示积分系数，λ表示积分阶次；步骤7：设计稳定器，其由基于比例校正环节的高通滤波器构成，该高通滤波器在系统电压发生波动时，通过产生占空比信号，阻尼系统的振荡；步骤8：设定系统参数和控制参数，包括直流输入电压、buck型dc‑dc变换器单元的电阻和电感、直流母线的电容、滤波器的电阻、滤波器的电容和电感、boost型dc‑dc变换器单元的电阻和电感、输出电容、参考电压、开关频率、稳定器的截止频率、电压和电流的分数阶比例增益和积分系数；步骤9：基于有功功率参考值P_ref变化的电压稳定分岔分析；首先设定buck型dc‑dc变换器单元控制器的控制参数，接着初始化稳定器，得出V_s、V_cf的分岔图；根据分岔图，并确定出电压稳定的分岔拐点，得出此时的极限功率P₀；在P₀点，系统失去电压的稳定性；当有功功率继续增大、以致超过P₀时，观察极限环振荡的情况，确定是否出现Hopf分岔；步骤10：调整稳定器的参数，观察极限功率点随有功功率参考值P_ref变化的轨迹，找出最大的极限功率P_0max；并选定系统出现P_0max时所对应的稳定器参数为最优参数；步骤11：基于带宽控制的电压稳定分岔分析；首先设定有功功率参考值P_ref，接着初始化稳定器，通过调整buck型dc‑dc变换器单元控制器的控制参数，设定电流环控制信号的带宽，使其高于电压环控制信号的带宽，基于电流环控制的系统动态特性分析，得出系统的分岔图，最后观察系统稳定裕度随着带宽改变而发生的变化轨迹，找出系统稳定裕度最大时对应的带宽数值；步骤12：渐进稳定性分析，通过计算系统雅可比矩阵的特征根，判断系统的不稳定状态，识别出系统的稳定运行点和不稳定运行点，并观察buck型dc‑dc变换器单元和boost型dc‑dc变换器单元中控制信号的带宽发生变化时，电源经直流网络向负载传输的有功功率变化情况；步骤13：基于稳定器的不同参数设置，观察系统的静态稳定情况、动态稳定情况和暂态稳定情况，得出稳定器参数与系统极限功率之间的对应关系，最终设定稳定器的反馈控制信号，控制系统运行在最大的稳定裕度范围内。