一种孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制方法与流程

本发明涉及分布式发电技术，具体涉及一种孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制方法，属于微电网技术领域。

背景技术：

随着能源危机以及环境污染的日益加剧，新能源的高效、合理开发利用势在必行，分布式发电系统应运而生。分布式发电系统一般以微网形式运行，可工作于并网以及孤岛两种模式。由于偏远海岛、边防地区、大型厂矿等特殊场合以及大电网故障等特殊时期的存在，孤岛模式将是微电网极为重要的一种运行方式，因此孤岛运行下的微网系统建模及其稳定性研究仍具有非常重要的意义。

微网多采用逆变器并联运行方式，各逆变器输出侧串接LC或LCL滤波器以抑制谐波输出，但同时也将谐振点引入系统，进而引发系统稳定性问题。孤岛模式下各逆变器多采用电压源电压控制方式，其等效输出阻抗小，即使各逆变器参数只存在微小差异，也会引起很大的系统环流。因此引入虚拟阻抗以重塑系统的等效输出阻抗，达到抑制环流，提高系统均流性能的目的。但虚拟阻抗的引入会改变系统阻尼，若其设置不当，便会引发系统谐振，针对系统谐振抑制诸多学者们已经纷纷展开了较为详细的研究。

目前，针对孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制策略已有下列公开文献：

[1]Timothy CY Wang,Ye Zhihong,GautamSinha,et al.Output Filter Design for a Grid-interconnected Three-phase Inverter[C].Power Electronics Specialist Conference,2003,2:779-784.

[2]郭小强,邬伟扬,顾和荣.并网逆变器LCL接口直接输出电流控制建模及稳定性分析[J].电工技术学报,2010,25(03):102-109.

[3]Zhang Chi,Tomislav Dragicevic,Juancho C,et al.Resonance Damping Techniques for Grid-Connected Voltage Source Converters with LCL filters–AReview[C].Energy Conference,2014:169-176.

[4]He Jinwei,Li Yunwei,Dubravko Bosnjak.Investigation and Active Damping of Multiple Resonances in a Parallel-Inverter-Based Microgrid[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(1):234-246.

[5]曾正,赵荣祥,吕志鹏等.光伏并网逆变器的阻抗重塑与谐波谐振抑制[J].中国电机工程学报,2014，27(34):4547-4557.

[6]He Jinwei,LiYunwei.Generalized Closed-Loop ControlSchemes with Embedded VirtualImpedances for Voltage Source Converters with LC or LCL Filters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,4(27):1850-1861.

[7]许津铭，谢少军，肖华锋等.LCL滤波器有源阻尼控制机制研究[J].中国电机工程学报,2012,9(32):27-33.

综合以上文献可知，目前谐振抑制策略大致可分为无源阻尼以及有源阻尼两种。无源阻尼即在电感电容支路串并联真实电阻以增加系统阻尼(如文献1和2)，但其会导致附加损耗以及硬件成本的增加。有源阻尼通过采用适当的改进控制措施来增加系统阻尼以达到抑制谐振目的(如文献3-7)，其克服了无源阻尼带来的附加问题，是目前较为通用的一种谐振抑制方案。但以上有源阻尼谐振抑制策略均可等效为虚拟电阻作用于输出滤波器以增加系统阻尼，其改变了输出滤波器的幅频特性，将可能降低系统的滤波性能。

技术实现要素：

针对现有系统谐振抑制技术存在的上述不足，本发明提出了一种孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制方法，提出通过合理选择虚拟电感L参数并引入一阶RC串联反馈数字滤波器以重塑系统网络阻抗，以达到谐振抑制的目的，有效提高了系统稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制方法，步骤如下，

A1)并联逆变器各单元分别采集各自的输出电流i_o，再经一阶RC数字滤波之后得到各自的反馈输出电流i_o'，其中滤波时间常数为T₄；

A2)各逆变器单元将各自的反馈输出电流i_o'与引入的虚拟阻抗Z_v相乘再经一阶RC串联反馈数字滤波之后得到各自的附加电压u₀，u₀的表达式如下所示；其中Z_v＝Ls+R，L为虚拟电感，R为虚拟电阻，T₅为附加电压u₀的滤波时间常数；

A3)各逆变器单元将各自的附加电压u₀叠加至初始电压给定u_ref得到最终的电压给定指令u^*，如下式所示；u^*与反馈电压u_o作差之后送入控制器进行调节得到各自的控制电压作用于各逆变器单元，实现孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制；

步骤A2)所述的各逆变器单元附加电压u₀加入了一阶RC串联反馈数字滤波器以及合理选取虚拟电感L参数以重塑整个逆变器并联系统的网络阻抗，达到谐振抑制的目的。

步骤A3)所述u^*与反馈电压u_o作差之后再依次经电压外环、电感电流内环双环调节后得到各自的控制电压，再经SPWM调制生成驱动信号作用于各逆变器单元，实现孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过合理选择虚拟电感L参数并引入一阶RC串联反馈数字滤波器实现了孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制，其实质是通过虚拟阻抗以及反馈滤波器重塑环流阻抗，以达到谐振抑制的目的。所提方案简单可行，不仅提高了系统稳定性，同时也使系统具有良好的均流性能，实现了系统稳定性与均流特性两者的平衡。相比已有的有源阻尼谐振抑制策略其不但不会导致系统附加损耗以及硬件成本的增加，而且也不会影响系统输出滤波器的性能，系统的输出特性得以较好的改善。

附图说明

图1–单台逆变器系统双闭环控制原理图。

图2–单台逆变器系统传递函数框图。

图3–本发明含谐振抑制策略的多逆变器并联系统方框图。

图4–孤岛逆变器并联系统谐振抑制实验效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明适用于孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制方法，其中各逆变器单元的控制原理如图1所示，DG为分布式发电机；C_dc为直流母线稳压电容；L₁、L₂、C₁分别为输出滤波电感1、电感2以及滤波电容；u_ref为电压给定；u_o，i_o分别为逆变器输出电压、电流；i_L为电感电流；Z_v为虚拟阻抗；S_i表示第i个功率管的驱动信号，本发明采用SPWM调制方式。由逆变器单元的双闭环控制原理图可得系统传递函数框图如图2所示。其中，G_v为电压环PI调节器；G_i为电流环PI调节器；G_pwm为数字控制延时环节；T₁、T₂、T₃、T₄分别为反馈输出电压u_o的数字滤波时间常数、反馈电感电流i_L的数字滤波时间常数、反馈输出电流i_o的数字滤波时间常数I(用于电流环控制)、反馈输出电流i_o的数字滤波时间常数II(用于虚拟阻抗的引入)。

以两台单相逆变器并联系统为例，各逆变器单元采用无互通信的方式实现各单元之间功率的合理分配。以下结合图3详细说明孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制方法具体实施步骤：图中虚线框为本方法新增构件。

A1)用电流霍尔传感器分别采集并联逆变器各单元输出电流i_oi(i＝1,2)，再经一阶RC数字滤波之后得到各自的反馈输出电流i_oi'(i＝1,2)，其中滤波时间常数为T₄。

A2)各逆变器单元将各自的反馈输出电流i_oi'与引入的虚拟阻抗Z_v相乘再经一阶RC数字滤波之后得到各自的附加电压u_0i(i＝1,2)，u_0i的表达式如式(2)所示。其中Z_v＝Ls+R，L为虚拟电感，R为虚拟电阻，T₅为u_0i的附加电压滤波时间常数。

A3)各逆变器单元将各自的附加电压u_0i叠加至电压给定信号u_refi(i＝1,2)得到最终的电压给定指令u_i^*(i＝1,2)，如式(3)所示，u_i^*再经电压外环，电感电流内环双环调节后得到各自的控制电压u_ci(i＝1,2)，再经SPWM调制生成驱动信号作用于各逆变器单元，实现孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制。

采用本发明孤岛模式下逆变器并联系统的谐振抑制策略实验结果如图4所示：引入一阶RC串联反馈数字滤波器T₅之后，逆变器输出电流在轻载时的谐振基本上得以消除，系统的稳定性相应改善，如图4(a)、(b)对比所示。但是随负载的增大逆变器输出电流的振荡又逐渐凸显，如图4(c)图所示。此时，为进一步消除重载下的环流谐振，增大虚拟电感由0.1mH至0.3mH，逆变器输出波形如图4(d)所示，电压电流的振荡得以完全消除。

由实验结果可见，经过合理选取虚拟电感L以及串联反馈滤波器T₅的引入，系统网络阻抗的谐振尖峰得以良好抑制，同时系统亦保持良好的均流性能，其并联运行稳定性得到显著提高。

本发明通过合理选择虚拟电感L参数并引入一阶RC串联反馈数字滤波器以重塑系统网络阻抗，达到了谐振抑制的目的，有效提高了系统稳定性。所提方案简单可行，在不增加系统附加损耗以及硬件成本的基础上进一步改善了系统的输出特性。此外其不仅提高了系统稳定性，同时也使系统具有良好的均流性能，实现了系统稳定性与均流特性两者的平衡。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。