非同步旋转坐标变换应用于并网变换器的机理分析与关键技术研究

The dynamic response of the grid-tied converters is attracting wide research attentions for its key role in interfacing renewable energy power generation to the grid. The control system of the grid-tied converters starts from the coordinate transformation, which has decisive influence to the dynamic response of the control stages such as the symmetrical component extraction and current controller. However, the conventional methods based on stationary or synchronous coordinate transformation are hard to be further optimized and consequently limite the improvement to the dynamic response of the grid-tie converters. The recent research of the symmetrical component extraction based on asynchronous rotational coordinate transformation, whose mechanism is totally different from the conventional methods, has offered a new way for improving the important dynamic response. However, several issues should be further investigated before putting the new algorithm into real applications, including theoretical analysis, system configuration and definition of the stability boarder. Therefore, this project will research on the principle of asynchronous coordinate transformation and optimize the sampling process and coordinate transformation by fully taking the engineering restrictions into consideration and define the stability boarder of the convertor control system under various grid conditions for improving the system dynamic response. The expected research findings will provide the theoretical support and technical guidance for comprehensive utilization of the asynchronous rotational coordinate transformation scheme in real practice. And this project will definitely enhance the friendly integration capability of renewable energy generation systems.

随着新能源发电的大规模应用，并网变换器作为新能源接入电网的关键装备，其动态响应性能极其重要。而坐标系变换决定了对称分量提取速度和电流控制的动态响应性能，是并网变换器控制系统的关键环节。传统方法局限于静止/同步坐标变换和线性滤波，制约了动态响应能力的进一步提升。申请人于2018年提出的非同步旋转坐标变换及衍生的对称分量提取算法为提高并网变换器控制系统的响应速度提供了全新的技术手段，但在各类并网变换器的推广应用中尚需解决机理分析，设计整定和稳定控制等诸多关键理论与技术难题。为此，本项目将阐释非同步旋转坐标变换的行为特征；结合工程实际制约因素，研究采样与非同步旋转坐标变换的优化方案；计及电路参数及各种运行工况，定义算法的稳定性边界，研究增强控制系统动态响应性能的改进方法。本项目研究成果将为非同步旋转坐标变换的实际应用提供理论与技术支撑，对促进新能源更加友好的接入电网具有重要的理论和现实意义。

可再生能源如光伏风能发电需以电力电子变换器作为并网接口，电力电子变换器的性能直接决定了可再生能源发电在电力系统中的作用和可用性。随着可再生能源发电占比的提高，电力电子变换器在控制方面面临新的挑战，其中包括不平衡故障穿越和谐波抑制等问题。在以上问题中，并网变换器的控制算法通常基于电压电流的对称分量经一系列数学运算得出控制指令，传统的对称分量提取算法存在响应速度慢的问题，制约了并网变换器性能提升。.本项目研究进行了坐标系变换方法优化；采样与控制参数协同优化；所提对称分量提取方法在电流控制功率闭环中的应用以及系统参数整定三方面研究。在坐标系变换方法优化上，为应对存在谐波扰动的且三相不平衡的问题，本研究中首先提出了减少坐标系变换次数的非同步坐标变换对称分量提取算法，通过非同步坐标变换频率变化特性刻画的研究结果，正序提取与部分谐波的滤波整合到一个坐标变换中完成，再以较小延迟代价完成对其他谐波的滤除。在考虑典型谐波扰动时包括5，7，11，13次谐波，以4.2ms的延迟代价提取精确正序分量的效果，效果略优于传统算法。之后本项目提出新的改进算法，在采样与控制参数协同优化方面开展工作，利用特定控制参数下的频率变化特性，一次性提取负序分量，采用并行信号处理支路处理谐波信号，结合负序提取结果，取得精确正序分量，延迟代价为3.3ms，响应速度显著优于传统方法。此方法平衡了采样率需求，硬件运算负担和算法响应速度，同时，所提方法改变了传统滤波算法的普遍结构，是本研究的一个重要成果。另外，本研究开展了电网频率变化对算法响应方面的研究，研究发现，电网频率变化会造成对称分量提取结果误差，本研究提出了跟随电网频率调整控制参数的方法。在功率闭环控制参数整定上，开展了模型化简研究。将算法与功率控制系统联立建立数学模型，开展参数整定工作。

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