本发明涉及一种微电网适应能力改善方法。特别是涉及一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法。
背景技术：
随着我国工业进程的不断推进，能源枯竭与环境污染逐渐成为遏制现代工业进步的主要因素，以光伏和风机为代表的新能源技术渐渐走进人们的视野并在我国能源结构中占据着逐渐上升的比重。分布式光伏自发自用、因地制宜等特点在我国有着飞速的发展。作为分布式光伏与交直流混合微电网的关键接口，并网逆变器的性能优劣对分布式光伏的并网性能有着决定性的影响。
为了保证分布式光伏并网系统并网电流的高品质并网，并网逆变器一般通过l型或lcl型滤波器并入交直流混合微电网中。在实现相同的滤波效果作用下，lcl型滤波器较l型滤波器可以获得更小的体积和更低的成本，因此，lcl型滤波器在并网逆变器中有着更加广泛的应用。但是，lcl型滤波器本身的三阶结构会为分布式光伏并网系统带来谐振尖峰，从而严重影响并网系统的稳定运行。因此，为了抑制lcl型滤波器的谐振尖峰同时实现对并网电流的直接精确控制，并网逆变器一般采用电容电流内环和并网电流外环双电流闭环结构。同时，为了保证并网系统具有良好的稳态和暂态性能，电流调节器参数与电容电流反馈系数都需要根据相应的稳态和暂态性能指标进行相应的整定。
随着交直流混合微电网中分布式能源的高密度接入，微电网越来越表现为弱电网的特性，电网阻抗增加，同时电网背景谐波更加的丰富。在这种情况下，原来在强电网条件下经过整定运行良好的分布式光伏并网系统并网电流的总谐波畸变率(totalharmonicdistortion，thd)与功率因数(powerfactor，pf)可能不再满足相关并网标准的要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够维持系统在强电网条件下安全稳定运行的同时增强系统对弱电网适应能力的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法。
本发明所采用的技术方案是：一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法，包括如下步骤：
1)确定强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数：pi控制器的比例调节系数、pi控制器的积分调节系数和电容电流反馈系数；
2)实现弱电网条件下基于输出阻抗的虚拟并联阻抗；
3)确定系统补偿后相位滞后环节gh(s)的参数及并联电感lp的取值范围。
步骤1)所述的强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数包括：
由pi控制器构成的并网电流控制器的传递函数gi2(s)：
gi2(s)＝kp+ki/s(1)
式中，kp为pi控制器的比例调节系数，ki为pi控制器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；
根据并网电流控制器的传递函数gi2(s)得到双闭环控制下单相并网系统未加入校正补偿装置的开环传递函数go(s)：
式中，i2(s)和
由于系统开环截止频率ωc0远高于基波频率ω0，此时将lcl波器近似为总电感为l1+l2的l型滤波器，同时将并网电流控制器看为单纯的比例环节，系统开环传递函数的幅值|go(s)|为：
根据系统在开环截止频率ωc0处开环传递函数的幅值为1，得到pi控制器的比例调节系数kp：
由系统的开环传递函数go(s)得到系统相角裕度γ0：
式中，ωr为lcl滤波器的固有谐振角频率，满足
同时得到系统增益裕度gm0：
gm0＝-20lg|go(jωr)|(6)
式中，|go(jωr)|为系统开环传递函数go(s)在lcl滤波器的固有谐振角频率ωr处的开环传递函数幅值；
同样，由系统的开环传递函数go(s)得到基波频率ω0处开环传递函数增益gω0：
式中，j为虚数单位；
当系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0确定后，便得到电容电流反馈系数hc以及pi控制器的积分调节系数ki的取值范围；首先由增益裕度gm0得到电容电流反馈系数hc的取值下限hcl：
按照所要求的系统相角裕度γ0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0得到电容电流反馈系数hc的取值上限hch：
由电容电流反馈系数hc的取值下限hcl和取值上限hch便取得满足要求的电容电流反馈系数hc；
然后，由系统基波频率ω0处开环传递函数增益gω0确定出pi控制器的积分调节系数ki的取值下限kil：
由系统相角裕度γ0和已经确定的pi控制器的比例调节系数kp及电容电流反馈系数hc得到pi控制器的积分调节系数ki的取值上限kih：
这样，由pi控制器的积分调节系数ki的取值下限kil和取值上限kih便取得pi控制器的积分调节系数ki。
当没有得到满足系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0要求的强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数时，则改变系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0的要求，直到获得满足并网性能的双闭环控制参数。
步骤2)包括：
由分布式光伏单相并网系统结构得到并网电流传递函数i2(s)的表达式：
式中，
系统等效输出阻抗z0(s)的表达式为：
虚拟并联阻抗zep(s)的具体表达式为
虚拟并联阻抗zep(s)并不能在分布式光伏单相并网系统结构中直接实现，需要以系统公共耦合点电压upcc前馈环节gq(s)的形式加入到系统中，由系统等效输出阻抗z0(s)和虚拟并联阻抗zep(s)得到系统公共耦合点电压upcc前馈环节gq(s)的表达式为：
式中，gd(s)为数字控制的延时环节。
步骤3)包括：
为了保持在系统开环截止频率ωc0以下频段的系统开环传递函数增益不变，将相位滞后环节gh(s)取为如下形式：
式中，τ为相位滞后环节的时间常数；p为滞后环节的极点绝对值，p＝1/τ；s为拉普拉斯算子；
滞后环节的极点绝对值p参照lcl滤波器的固有谐振角频率ωr取值为：
p＝(0.5～0.8)ωr(17)
从而，相位滞后环节的时间常数τ的取值范围为
弱电网条件下，考虑电网电感lg存在条件下系统的谐振频率ωrg为：
式中，l1、l2和c分别为lcl滤波器的逆变器侧电感、lcl滤波器的电网侧电感和lcl滤波器的滤波电容；
系统在并网逆变器输出端并联电感后的等效电网电感lgd为：
系统在并网逆变器输出端并联电感lp后的谐振频率ωrgd为
随着电网电感lg的增大，系统的谐振频率会有下降的趋势，为了保持系统在并网逆变器输出端并联电感lp后的谐振频率ωrgd不偏离lcl滤波器的固有谐振角频率ωr，将并联电感lp后的谐振频率ωrgd的取值范围为
ωrgd＝aωr(22)
式中，a＝0.9～0.95；
进而，求得并联电感lp的取值范围为
本发明的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法，首先在强电网条件下对双闭环控制下并网系统电流调节器参数与电容电流反馈系数进行整定，保证系统在强电网条件下不仅能够稳定运行，同时可以满足稳态和暂态的要求；然后建立弱电网条件下并网系统的输出阻抗模型，同时采用虚拟并联阻抗的方法对系统输出阻抗进行校正；最后，针对并联虚拟阻抗实现过程中引入微分项给系统带来的谐波振荡问题，在系统并网电流外环中加入滞后环节同时在并网逆变器输出端并联电感来改善系统对于弱电网的适应能力。即本发明方法通过强电网条件下双闭环的参数整定来保证系统强电网条件下的并网性能，同时采用虚拟并联阻抗后滞后环节补偿与并联电感的方法来改善系统对于弱电网的适应能力。
附图说明
图1是本发明一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法的整体流程图；
图2是实现本发明方法的分布式光伏单相并网系统结构图；
图3a是强电网条件下系统在双闭环参数确定后的并网电流i2波形图；
图3b是强电网条件下系统实现虚拟并联阻抗后的并网电流i2波形图；
图3c是强电网条件下系统相位滞后补偿与并联电感lp后的并网电流i2波形图；
图4a是弱电网条件下系统电网电感lg为0.6mh且实现虚拟并联阻抗后系统并网电流i2波形图；
图4b是弱电网条件下系统电网电感lg为1.3mh且实现虚拟并联阻抗后系统并网电流i2波形图；
图5a是弱电网条件下系统电网电感lg为0.6mh时系统相位滞后补偿与并联电感lp后并网电流i2波形图；
图5b是弱电网条件下系统电网电感lg为1.3mh时系统相位滞后补偿与并联电感lp后并网电流i2波形图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法做出详细说明。
本发明的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法，可以通过分布式光伏单相并网系统双闭环参数的整定保证系统在强电网条件下的并网电流质量，同时采用并联虚拟阻抗后滞后环节补偿与并联电感的方法来增强系统对弱电网的适应能力。
如图1所示，本发明的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法，包括如下步骤：
1)确定强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数：pi控制器的比例调节系数、pi控制器的积分调节系数和电容电流反馈系数；所述的强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数包括：
由pi控制器构成的并网电流控制器的传递函数gi2(s)：
gi2(s)＝kp+ki/s(1)
式中，kp为pi控制器的比例调节系数，ki为pi控制器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；
根据并网电流控制器的传递函数gi2(s)得到双闭环控制下单相并网系统未加入校正补偿装置的开环传递函数go(s)：
式中，i2(s)和
由于系统开环截止频率ωc0远高于基波频率ω0，此时将lcl波器近似为总电感为l1+l2的l型滤波器，同时将并网电流控制器看为单纯的比例环节，系统开环传递函数的幅值|go(s)|为：
根据系统在开环截止频率ωc0处开环传递函数的幅值为1，得到pi控制器的比例调节系数kp：
这样，由系统对于开环截止频率ωc0的要求得到pi控制器的比例调节系数kp；
由系统的开环传递函数go(s)得到系统相角裕度γ0：
式中，ωr为lcl滤波器的固有谐振角频率，满足
同时得到系统增益裕度gm0：
gm0＝-20lg|go(jωr)|(6)
式中，|go(jωr)|为系统开环传递函数go(s)在lcl滤波器的固有谐振角频率ωr处的开环传递函数幅值；
同样，由系统的开环传递函数go(s)得到基波频率ω0处开环传递函数增益gω0：
式中，j为虚数单位；
当系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0确定后，便得到电容电流反馈系数hc以及pi控制器的积分调节系数ki的取值范围；首先由增益裕度gm0得到电容电流反馈系数hc的取值下限hcl：
按照所要求的系统相角裕度γ0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0得到电容电流反馈系数hc的取值上限hch：
由电容电流反馈系数hc的取值下限hcl和取值上限hch便取得满足要求的电容电流反馈系数hc；
然后，由系统基波频率ω0处开环传递函数增益gω0确定出pi控制器的积分调节系数ki的取值下限kil：
由系统相角裕度γ0和已经确定的pi控制器的比例调节系数kp及电容电流反馈系数hc得到pi控制器的积分调节系数ki的取值上限kih：
这样，由pi控制器的积分调节系数ki的取值下限kil和取值上限kih便取得pi控制器的积分调节系数ki。
需要注意的是，当没有得到满足系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0要求的强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数时，则改变系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0的要求，直到获得满足并网性能的双闭环控制参数。也就是说，如果系统确定的相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0指标过于严格，可能会得不到满足要求的强电网条件下分布式光伏并网系统双闭环控制参数，此时，应该适当放宽系统相角裕度γ0、增益裕度gm0和基波频率ω0处开环传递函数增益gω0的要求，重新对系统双闭环控制参数进行设计直到获得满足并网性能的双闭环控制参数。
2)实现弱电网条件下基于输出阻抗的虚拟并联阻抗；包括：
由图2所示的分布式光伏单相并网系统结构得到并网电流传递函数i2(s)的表达式：
式中，
系统等效输出阻抗z0(s)的表达式为：
为了增强系统对于电网背景谐波的抑制能力以及对电网阻抗zg(s)变化的鲁棒性，需要增加系统等效输出阻抗z0(s)的幅值；理论上来讲，若在系统等效输出阻抗z0(s)两端并联一个与系统等效输出阻抗z0(s)幅值相等且相位相反的阻抗，便可以实现并联虚拟阻抗后系统等效输出阻抗幅值的无限增益，这样便可以避免与电网阻抗zg(s)的交截，提高系统的电网背景谐波抑制能力以及对电网阻抗zg(s)变化的鲁棒性；
虚拟并联阻抗zep(s)的具体表达式为
虚拟并联阻抗zep(s)并不能在分布式光伏单相并网系统结构中直接实现，需要以系统公共耦合点电压upcc前馈环节gq(s)的形式加入到系统中，由系统等效输出阻抗z0(s)和虚拟并联阻抗zep(s)得到系统公共耦合点电压upcc前馈环节gq(s)的表达式为：
式中，gd(s)为数字控制的延时环节。
3)确定系统补偿后相位滞后环节gh(s)的参数及并联电感lp的取值范围。包括：
由系统公共耦合点电压upcc前馈环节gq(s)的表达式可以看出，虽然并联虚拟阻抗可以改善系统等效输出阻抗的幅值，但是引入的微分环节会放大电网的背景谐波，在弱电网条件下，系统的并网电流波形质量会畸变的更加严重，因此，在并网电流外环为系统加入相位滞后环节gh(s)对系统进行补偿；
为了保持在系统开环截止频率ωc0以下频段的系统开环传递函数增益不变，将相位滞后环节gh(s)取为如下形式：
式中，τ为相位滞后环节的时间常数，p为滞后环节的极点绝对值，p＝1/τ；s为拉普拉斯算子；
滞后环节的极点绝对值p参照lcl滤波器的固有谐振角频率ωr取值为：
p＝(0.5～0.8)ωr(17)
从而，相位滞后环节的时间常数τ的取值范围为
根据系统并网电流的波形质量要求，就可以在相位滞后环节的时间常数τ的取值范围内取得合适的相位滞后环节的时间常数τ；
由于电网背景谐波主要分布在低频，所以，为了更好的改善系统的性能，在为系统加入相位滞后环节gh(s)的同时在并网逆变器输出端并联电感lp来使系统的谐振频率向高频移动，从而可以避免系统发生谐波振荡的几率；
弱电网条件下，考虑电网电感lg存在条件下系统的谐振频率ωrg为：
式中，l1、l2和c分别为lcl滤波器的逆变器侧电感、lcl滤波器的电网侧电感和lcl滤波器的滤波电容；
系统在并网逆变器输出端并联电感后的等效电网电感lgd为：
系统在并网逆变器输出端并联电感lp后的谐振频率ωrgd为
随着电网电感lg的增大，系统的谐振频率会有下降的趋势，为了保持系统在并网逆变器输出端并联电感lp后的谐振频率ωrgd不偏离lcl滤波器的固有谐振角频率ωr，将并联电感lp后的谐振频率ωrgd的取值范围为
ωrgd＝aωr(22)
式中，a＝0.9～0.95；
进而，求得并联电感lp的取值范围为
从并联电感lp的取值范围中根据系统的并网性能要求便可以取得合适的并联电感lp。
为了验证本发明的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法的正确性和合理性，在matlab/simulink平台搭建图2的模型对本发明的方法进行仿真验证。系统参数如表1所示。
表1系统参数
图3a、图3b和图3c分别为强电网条件下系统在双闭环参数确定后、实现虚拟并联阻抗后以及相位滞后补偿与并联电感lp后的并网电流i2波形图，从图3a中可以看出系统在双闭环参数确定后并网电流具有良好的波形质量，完全满足系统并网的要求。同时由图3b和图3c可以看出，并网系统在使用本发明方法后并不会影响系统在强电网条件下的并网性能。
图4a和图4b分别为弱电网条件下系统电网电感lg为0.6mh和1.3mh时且实现虚拟并联阻抗后系统并网电流i2波形图，从图中可以看出，弱电网条件下实现虚拟并联阻抗后由于微分环节的引入，电网背景谐波得到一定程度的放大，从而系统并网电流出现了明显的谐波振荡现象。
图5a和图5b分别为弱电网条件下系统电网电感lg为0.6mh和1.3mh时系统相位滞后补偿与并联电感lp后并网电流i2波形，从图中可以看出，系统相位滞后补偿与并联电感lp后并网电流的谐波振荡现象得到很好的抑制，并网电流的波形质量有了明显的改善。另一方面也验证了本发明的一种分布式光伏对交直流混合微电网适应能力改善方法的合理性和有效性。