外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统及抑制方法与流程

本发明涉及一种光伏发电集群谐振抑制方法。特别是涉及一种外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统及抑制方法。

背景技术：

近年来，我国分布式光伏呈现出连片开发，集群并网的特点。光伏发电的波动性、间歇性、随机性的特点，使得光伏集群系统的输出包含丰富的谐波频谱的电压电流。同时，分布式光伏发电集群系统中存在大量的LCL滤波器，与配网阻抗构成复杂的高阶电网络，使光伏集群系统存在大量的固有谐振点。因此，当分布式发电集群入网系统电压电流谐波频率与该系统固有谐振点频率相匹配时，将发生谐振。谐振问题将影响逆变器的控制回路，引起光伏并网发电系统失稳等问题，目前已有的分布式光伏并网工程中，已出现了多起逆变器并联运行产生谐振导致并网失败甚至损坏并网设备的案例，因此有必要研究合适的方案抑制光伏集群并网系统的谐振问题。

逆变器并联谐振的抑制主要采用虚拟阻抗等有源阻尼的方法，通过增加系统阻尼对系统谐振峰进行抑制。然而，上述有源阻尼方法着重从单个逆变器的谐振抑制出发，而实际中逆变器往往是并联运行的，逆变器与逆变器之间，逆变器与电网之间存在着复杂的谐振耦合关系。这些有源阻尼算法将受到其他逆变器以及电网阻抗的影响，其对并联逆变器系统谐振的抑制效果以及相互间的协调控制问题仍有待进一步的研究，同时有源阻尼方法需要重新升级并网逆变器中DSP的控制算法，实现起来具有一定难度，而且改变并网逆变器的运行模式，可能会降低逆变器的正常使用寿命。

近年来，有学者提出使用外部集中式谐振抑制装置对系统谐振进行抑制。将谐振抑制装置一般同其他的逆变器一起并联安装在公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)，这种方法无需升级原先已安装的逆变器的结构或控制算法，也不影响逆变器原有的工作模式，可提高逆变器的使用年限。按照控制方式的不同，谐振抑制装置可分为无源型和有源型。无源型谐振抑制装置中实际电阻的投入，将会增加系统的能量损耗，同时还将影响并网点的电压质量。有源型谐振抑制装置使用虚拟阻抗代替实际的电阻，因此不会增加额外的系统有功网损。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种简捷易于实现，对主动配电网运行工况适应性强，便于实际工程应用的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统及抑制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统，包括分布式光伏发电集群和换流器，所述分布式光伏发电集群和换流器共同通过配电网线路并入配电网，所述的换流器连接有用于控制换流器的输出电流，达到谐振抑制目的的中央控制单元，所述中央控制单元包括直流电压控制器、电流控制器和谐振控制器，其中，所述电流控制器的信号输出端连接换流器的输入端用于控制换流器的输出电流，电流控制器的输入端分别连接直流电压控制器与谐振控制器的信号输出端以及换流器的实际输出电流，所述直流电压控制器的信号输入端分别连接换流器直流侧电容电压参考值U_dcref和换流器直流侧电容实际电压值U_dc，所述谐振控制器的信号输入端连接配电网线路实际电压U_pcc。

所述的直流电压控制器包括有：第一减法器、PI控制器和第一坐标变换单元，其中，所述第一减法器的输入端分别连接换流器直流侧电容电压参考值U_dcref和换流器直流侧电容实际电压值U_dc，所述第一减法器的输出端连接PI控制器的输入端，所述第一坐标变换单元的输入端分别连接PI控制器的d轴电流参考值i_dref输出端和常数i_qref＝0，所述第一坐标变换单元的输出端输出基波电流参考值i_{αβref_1}连接电流控制器。

所述的谐振控制器包括有依次串联的谐振检测单元和第四乘法器，其中，所述谐振检测单元的信号输入端连接配电网线路实际电压U_pcc，所述第四乘法器的输出连接所述电流控制器的信号输入端。

所述的谐振检测单元包括：依次串联连接的第二减法器、第五乘法器、第三减法器、第六乘法器、第一积分器、第二积分器、第七乘法器、第八乘法器、第九乘法器和第三积分器，其中，所述第二减法器的信号输入端分别连接配电网线路实际电压U_pcc和谐振检测单元的谐振次谐波电压u_r输出端，所述第二减法器估计值误差U_error输出端还连接第八乘法器的输入端，所述第七乘法器的输出端还连接所述第三减法器的输入端，所述第三积分器的输出端分别连接所述第六乘法器和第七乘法器的输入端，所述第一积分器的输出端还构成谐振检测单元的谐振次谐波电压u_r输出端。

所述的电流控制器包括：加减法器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、加法器、第二坐标变换单元和脉宽调制单元，其中，所述加减法器的输入端分别连接直流电压控制器的基波电流参考值i_{αβref_1}输出端和谐振控制器的谐波电流参考值i_{αβref_r}输出端以及第二坐标变换单元的换流器实际αβ轴输出电流i_αβ输出端，所述第二坐标变换单元的输入端为换流器实际输出电流i_f，所述加减法器的输出端分别连接第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器的输入端，所述第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器的输出端全部连接加法器，所述加法器的输出端连接脉宽调制单元的输入端，所述脉宽调制单元的输出端连接换流器的输入端。

本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统的抑制方法，包括如下步骤：

1)使用电流互感器测量换流器的实际输出电流i_f，使用电压互感器测量换流器的直流侧实际电容电压U_dc和配电网线路实际电压U_pcc，并将所述的实际输出电流i_f、实际电容电压U_dc和实际电网线电压U_pcc送入中央控制单元；

2)将步骤1)得到的实际电容电压U_dc与设定的直流电压参考值U_dcref进行比较，将两者的差值送入PI控制器得到d轴电流参考值i_dref，将i_dref同i_qref＝0一同进行坐标变换得到基波电流参考值i_{αβref_1}；

3)将步骤1)得到的配电网线路实际电压U_pcc送入谐振控制器中的谐振检测单元得到谐振次谐波电压U_r，将谐振次谐波电压U_r乘以虚拟谐振电导Y_v，得到换流器的谐波电流参考值i_{abref_r}；

4)将步骤1)得到的实际输出电流i_f进行坐标变换，得到图2所示的换流器的实际αβ轴电流i_αβ；

5)将步骤2)得到基波电流参考值i_{αβref_1}和步骤3)得到谐波电流参考值i_{abref_r}同步骤4)得到的实际αβ轴电流i_αβ一起送入电流控制器，得到输出信号U_ref，

电流控制器由下式表示：

$G_{pr}\left(s\right)=K_p+\frac{2K_{f}s}{s^2+{w_f}^2}+\frac{2K_r{w}_{c}s}{s^2+2w_{c}s+{w_r}^2}$

式中，K_p为电流控制器的增益，w_f为基波频率，w_r为谐振检测环节得到的谐振频率，w_c为截止频率，s为拉普拉斯算子，K_f为基波增益，K_r为谐波增益。

6)将步骤5)得到的电流控制器的输出信号U_ref发送给换流器，控制换流器实际输出电流i_f。

本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统及抑制方法，通过对系统谐振频率的检测，只在谐振频率处添加一个并联阻尼电导，动态的增加系统阻尼，有效阻尼系统的谐波谐振。同时，还引入了准PR控制，克服了光伏集群接入对传统的PR控制器稳态误差和鲁棒性能带来的不利影响。本发明的方法简捷易于实现，对主动配电网运行工况适应性强，便于实际工程应用。

附图说明

图1是本发明外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统的示意简图；

图2是本发明中的中央控制单元的控制框图；

图3是中央控制单元中直流电压控制器的控制原理图；

图4是中央控制单元的谐振控制器中谐振检测单元的原理图；

图5是中央控制单元中电流控制器的控制原理图；

图6是使用本发明谐振抑制方法前后入网电流示意图；

图7是未使用本发明谐振抑制方法时入网电流THD；

图8是使用本发明谐振抑制方法时入网电流THD；

图9是换流器输出电流示意图；

图10是换流器输出电流THD。

图中

1：分布式光伏发电集群 2：换流器

3：中央控制单元 4：直流电压控制器

5：电流控制器 6：谐振控制器

7：配电网线路 11：光伏电池

12：光伏逆变器 13：LCL滤波器

41：第一减法器 42：PI控制器

43：第一坐标变换单元 51：加减法器

52：第一乘法器 53：第二乘法器

54：第三乘法器 55：加法器

56：第二坐标变换单元 57：脉宽调制单元

61：谐振检测单元 62：第四乘法器

63：第二减法器 64：第五乘法器

65：第三减法器 66：第六乘法器

67：第七乘法器 68：第一积分器

69：第二积分器 70：第八乘法器

71：第九乘法器 72：第三积分器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统及抑制方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统，包括分布式光伏发电集群1和换流器2，所述分布式光伏发电集群1和换流器2共同通过配电网线路7并入配电网，所述的换流器2连接有用于控制换流器2的输出电流，达到谐振抑制目的的中央控制单元3，即，通过中央控制单元3控制换流器2的输出电流，达到谐振抑制的目的。其中，所述换流器2可以选择型号：XDSVG-380/100；上海思源电气/SVG100Kvar千乏；DBL-SVG100-4L-400V。

所述的中央控制单元3可以选择德州仪器公司TMS320C24x/F24x产品。如图2所示，所述中央控制单元3包括直流电压控制器4、电流控制器5和谐振控制器6，其中，所述电流控制器5的信号输出端连接换流器2的输入端用于控制换流器2的输出电流，电流控制器5的输入端分别连接直流电压控制器4与谐振控制器6的信号输出端以及换流器2的实际输出电流，所述直流电压控制器4的信号输入端分别连接换流器2直流侧电容电压参考值U_dcref和换流器2直流侧电容实际电压值U_dc，所述谐振控制器6的信号输入端连接配电网线路实际电压U_pcc。

所述直流电压控制器4用于减小换流器2的功率损耗和优化换流器2补偿性能。如图3所示，所述的直流电压控制器4包括有：第一减法器41、PI控制器42和第一坐标变换单元43，其中，所述第一减法器41的输入端分别连接换流器2直流侧电容电压参考值U_dcref和换流器2直流侧电容实际电压值U_dc，所述第一减法器41的输出端连接PI控制器42的输入端，所述第一坐标变换单元43的输入端分别连接PI控制器42的d轴电流参考值i_dref输出端和常数i_qref＝0，所述第一坐标变换单元43的输出端输出基波电流参考值i_{αβref_1}连接电流控制器5。所述第一坐标变换单元43为dq坐标系到αβ坐标系的变换。

谐振控制器6为谐振抑制方法的核心，所述谐振控制器主要作用是通过谐振检测单元提取谐振次谐波电压，再将其乘以虚拟谐振电导Y_v，即得到换流器2的谐波电流参考值i_{αβref_r}，在谐振频率处添加一个阻尼电导，增加系统的阻尼，进而有效避免谐振的发生。由于谐波电导只工作在谐振频率处，对基波不产生影响，因此换流器2的功率等级更低。

如图2所示，所述的谐振控制器6包括有依次串联的谐振检测单元61和第四乘法器62，其中，所述谐振检测单元61的信号输入端连接配电网线路实际电压U_pcc，所述第四乘法器62的输出连接所述电流控制器5的信号输入端。

如图4所示，所述的谐振检测单元61包括：依次串联连接的第二减法器63、第五乘法器64、第三减法器65、第六乘法器66、第一积分器68、第二积分器69、第七乘法器67、第八乘法器70、第九乘法器71和第三积分器72，所述第二减法器63的信号输入端分别连接配电网线路实际电压U_pcc和谐振检测单元61的谐振次谐波电压u_r输出端，所述第二减法器63估计值误差U_error输出端还连接第八乘法器70的输入端，所述第七乘法器67的输出端为正交信号qu'输出端还连接所述第三减法器65的输入端，所述第三积分器72的输出端分别连接所述第六乘法器66和第七乘法器67的输入端，所述第一积分器68的输出端还构成谐振检测单元61的谐振次谐波电压u_r输出端。其中的第八乘法器70的输出端为频率误差变量E_f输出端连接第九乘法器71的输入端，第三积分器72的输出端为角频率w输出端连接第九乘法器71的输入端。

电流控制器用于跟踪电流参考值，三相逆变器电流环主要采用PR控制器，但PR控制器增益在谐振频率处的一个无穷大增益在数字或模拟形式下不可能实现，在非谐振频率处增益非常小。因此，当谐振频率变化时，为使换流器能有效地跟踪谐波电流，本发明采用一种准PR控制方法，其传递函数如下式所示，

$G_{pr}\left(s\right)=K_p+\frac{2K_{f}s}{s^2+{w_f}^2}+\frac{2K_r{w}_{c}s}{s^2+2w_{c}s+{w_r}^2}$

式中，K_p为准PR控制器增益，w_f为基波频率，w_r为谐振检测环节得到的谐振频率，w_c为截止频率，s为拉普拉斯算子，K_f为基波增益，K_r为谐波增益。

如图5所示，本发明所述的电流控制器5包括：加减法器51、第一乘法器52、第二乘法器53、第三乘法器54、加法器55、第二坐标变换单元56和脉宽调制单元57，其中，所述加减法器51的输入端分别连接直流电压控制器4的基波电流参考值i_{αβref_1}输出端和谐振控制器6的谐波电流参考值i_{αβref_r}输出端以及第二坐标变换单元56的换流器实际αβ轴输出电流i_αβ输出端，所述第二坐标变换单元56的输入端为换流器2实际输出电流i_f，所述加减法器51的输出端分别连接第一乘法器52、第二乘法器53和第三乘法器54的输入端，所述第一乘法器52、第二乘法器53和第三乘法器54的输出端全部连接加法器55，所述加法器55的输出端连接脉宽调制单元57的输入端，所述脉宽调制单元57的输出端连接换流器2的输入端。所述第二坐标变换单元56为abc坐标系到αβ坐标系的变换。

本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统的抑制方法，包括如下步骤：

1)使用电流互感器测量换流器的实际输出电流i_f，使用电压互感器测量换流器的直流侧实际电容电压U_dc和配电网线路实际电压U_pcc，并将所述的实际输出电流i_f、实际电容电压U_dc和实际电网线电压U_pcc送入中央控制单元；

2)将步骤1)得到的实际电容电压U_dc与设定的直流电压参考值U_dcref进行比较，将两者的差值送入PI控制器得到d轴电流参考值i_dref，将i_dref同i_qref＝0一同进行坐标变换得到基波电流参考值i_{αβref_1}；

3)将步骤1)得到的配电网线路实际电压U_pcc送入谐振控制器中的谐振检测单元得到谐振次谐波电压U_r，将谐振次谐波电压U_r乘以虚拟谐振电导Y_v，得到换流器的谐波电流参考值i_{abref_r}；

4)将步骤1)得到的实际输出电流i_f进行坐标变换，得到图2所示的换流器的实际αβ轴电流i_αβ；

5)将步骤2)得到基波电流参考值i_{αβref_1}和步骤3)得到谐波电流参考值i_{abref_r}同步骤4)得到的实际αβ轴电流i_αβ一起送入电流控制器，得到输出信号U_ref，

电流控制器由下式表示：

$G_{pr}\left(s\right)=K_p+\frac{2K_{f}s}{s^2+{w_f}^2}+\frac{2K_r{w}_{c}s}{s^2+2w_{c}s+{w_r}^2}$

式中，K_p为电流控制器的增益，w_f为基波频率，w_r为谐振检测环节得到的谐振频率，w_c为截止频率，s为拉普拉斯算子，K_f为基波增益，K_r为谐波增益。

6)将步骤5)得到的电流控制器的输出信号U_ref发送给换流器，控制换流器实际输出电流i_f。

为了验证本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统的抑制方法的正确性和可行性，建立电压等级为380V(线电压)的配电网，配网中由两台逆变器组成。逆变器LCL滤波器中，L₁＝1mH，L₂＝0.1mH，C＝210uF。谐振抑制装置中。

图6至图8为加入有源阻尼器前后的入网电流示意图和THD，由图中可以看到，当未加入有源阻尼器器时，两台并联逆变器系统发生明显的谐振现象，谐振频率次的谐波被明显放大，畸变率达到了基波幅值的18％。而在加入有源阻尼器后时，并联逆变器系统的谐振现象得到明显的抑制，谐振频率次的谐波畸变率下降到基波幅值的3％。

图9，图10分别为有源阻尼器补偿的电流波形和THD，从图中可以看出，有源阻尼器输出的谐波电流频次主要为1280Hz，与系统的谐振频率相吻合，即有源阻尼器只向谐振频率次网络注入阻尼抑制系统谐振，从而验证了本文所提方法的正确性和有效性。

由仿真结果可知，应用本发明的外部集中式分布式光伏发电集群谐振抑制系统的抑制方法，在不影响系统基波电压情况下，可以有效抑制分布式光伏系统的谐振。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。