复合型阻抗适配器系统的控制方法与流程

本发明涉及一种电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器相结合的复合型阻抗适配器系统的控制方法。

背景技术：

近年来以光伏和风电为代表的可再生能源并网发电系统得到了快速的发展。但是多逆变器并网发电系统中变压器、长距离输电线路中不可忽略的分布参数形成的等效电网阻抗可能造成逆变器阻尼策略失效，从而激发多逆变器并网发电系统与电网之间的谐振。此外，多逆变器并网发电系统常处于弱电网环境中，电网阻抗幅值变化较大，使并网发电系统内逆变器与电网阻抗之间存在很强的耦合从而引起系统的谐振问题。多逆变器并网发电系统的谐波由于众多并联逆变器的存在而变得更加复杂，谐波特征将由过去的低频次、特定次谐波为主的特点逐渐呈现为宽频域特征，更容易激起系统中的谐波震荡，造成谐波放大，导致系统不稳定问题。因此探索用更有效的形式和方法来从全局上对多逆变器并网发电系统的谐振进行抑制。而阻抗适配器是站在系统级角度通过对系统阻抗进行重塑和适配对谐振、谐波进行抑制。

目前，已有多篇国内外学术论文进行分析并提出解决方案，例如：

文献1《lif,zhangx,zhuh,etal.harmonicreductionthroughresistiveandinductiveharmonicimpedance[c].electricalmachinesandsystems(icems),201417^thinternationalconferenceon.ieee,2014:1385-1388.》(《通过电阻和电感谐波阻抗降低谐波》——2014年ieee第17次国际会议论文集)；

文献2《hej,liyw,bosnjakd,etal.investigationandactivedampingofmultipleresonancesinaparallel-inverter-basedmicrogrid[j].powerelectronics,ieeetransactionson,2013,28(1):234-246.》(《基于并联逆变器的微电网多谐振的与主动阻尼研究》——2013年ieee电力电子期刊)；

文献3《提高lcl型并网逆变器对电网阻抗鲁棒性的阻抗调节方法》(中国电机工程学报,2015,35,179-204.)；

文献4《提高lcl型并网逆变器对弱电网适应能力的虚拟阻抗方法》(中国电机工程学报[j],2014,15(34):2327-2335)；

文献5《刘聪，戴珂，张树全等.并联型apf补偿电压源型非线性负载时谐波电流放大效应的研究[j].中国电机工程学报，2011，31(27)：21-28》；

文献6《wangx,blaabjergf,liserrem.anactivedampertosuppressmultipleresonanceswithunknownfrequencies[j].ieeepress,2014:2184-2191.》(《阻抗适配器抑制多个未知频率的的共振》——2014年ieee出版论文集)；

文献7《wangx,blaabjergf,liserrem,etal.anactivedamperforstabilizingpowerelectronics-basedacsystems[j].powerelectronics,ieeetransactionson,2014,29(7):3318-3329.》(《用于稳定交流电力系统的阻抗适配器》——2014年ieee电力电子期刊)；

文献8《wangx,pangy,lohpc,etal.aseries-lc-filteredactivedamperwithgriddisturbancerejectionforacpower-electronic-basedpowersystems[j].ieeetransactionsonpowerelectronics,2015,30(8):4037-4041.》(《基于交流电力系统具有电网抗扰性能的串联lc滤波阻抗适配器》——2014年ieee电力电子期刊)；

文献1提出了一种新的电阻和电感串联谐波阻抗，相比于电阻谐波阻抗，该方法的谐波抑制能力更强。文献2提出全局阻抗适配器的方法，即将一个电力电子变换器作用于并网发电系统的公共耦合点上，通过控制变换器虚拟出一个谐波电阻，实现对电网阻抗的重塑，增加系统的稳定性。文献3提出了一种在公共耦合点并联rc支路的电网阻抗调节方法，该方法能够确保并网逆变器适应电网阻抗宽范围变化，使调整后的电网阻抗与并网逆变器的输出阻抗始终满足基于阻抗的稳定性判据。文献4通过虚拟阻抗增加输出阻抗的校正自由度，采用虚拟的并联阻抗和串联阻抗分别对逆变器输出阻抗的模值和相位进行校正，可以同时兼顾鲁棒性和抗扰性能的要求。文献5提出的有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同幅值和频率的谐波进行快速跟踪补偿。文献6提出使用阻抗适配器来抑制多个频率未知的谐振。文献7对比分析了阻抗适配器的两种控制方案，使用直接谐振电压补偿方法简化了对谐振频率处电阻值的控制过程。文献8提出使用带有lc串联滤波器的小功率逆变器来实现阻抗适配器，增加串联滤波器的电容值有助于承受大部分系统电压，因此降低了阻抗适配器所需的直流侧电压。

通过对以上文献的研究，我们认为现有技术还存在以下问题：

(1)上述所提出的电流型阻抗适配器，由于其自身稳定性的限制，在弱电网情况下，电流型阻抗适配器很难实现较小的虚拟谐波阻抗，而且对低频段的谐振抑制效果不好，所以其对并网系统谐振抑制能力有限。

(2)上述研究的阻抗适配器仅限于电流型模式，没有考虑其他形式的阻抗适配器对多逆变器并网发电系统的谐振和谐波抑制效果。

技术实现要素：

本发明的目的，是采用电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器相结合的复合型阻抗适配器对并网点阻抗进行重塑和适配，实现对多逆变器并网系统中的宽频域的谐振和谐波进行有效的抑制。具体的，本发明提供了一种多逆变器并网发电系统下复合型阻抗适配器的控制实现方法。即在传统的电流型阻抗适配器系统结构的基础上，同时将电压型阻抗适配器并联在公共耦合点处共同组成复合型阻抗适配器。所采用的技术方案为：电压型阻抗适配器部分采用电压源型变换器控制模式可以虚拟较小的谐波阻抗并能有效的抑制弱电网情况下并网点的中低频段的谐振；电流型阻抗适配器部分采用电流源型变换器控制模式可以为并网发电系统提供阻尼，并能有效的抑制并网点的高频段的谐振。两者共同实现对并网点阻抗的重塑和适配，使其达到期望的电网阻抗形态，来抑制多逆变器并网系统的宽频域的谐振和谐波放大。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种复合型阻抗适配器系统的控制方法，本控制方法通过电流型阻抗适配器和电压型型阻抗适配器的组合，对电流指令值和电压指令值进行无差跟踪，从而完成对并网点阻抗的重塑和适配，抑制多逆变器并网发电系统的谐振和谐波，具体步骤如下：

步骤1，实时采样电流型阻抗适配器输出电流ic和输出电压uc_c，实时采样电压型阻抗适配器输出电流iv和输出电压uc_v；

步骤2，根据步骤1采样得到的电流型阻抗适配器输出电压uc_c经滤波器得到电流型阻抗适配器谐波电压uc_ch，根据步骤1采样得到的电压型阻抗适配器输出电流iv经滤波器得到电压型阻抗适配器谐波电流ivh，根据步骤1实时采样得到的电压型阻抗适配器输出电压uc_v经滤波器得到电压型阻抗适配器输出谐波电压uc_vh；

步骤3，根据步骤2中所得到的电流型阻抗适配器输出谐波电压uc_ch和电压型阻抗适配器输出谐波电流ivh，分别计算得到电流型阻抗适配器的虚拟谐波电流指令值和电压型阻抗适配器的虚拟谐波电压指令值其计算式如下：

其中，zad_c是电流型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗，zad_v是电压型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗；

步骤4，将步骤3得到的电流型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值与步骤1采样得到的电流型阻抗适配器输出电流ic相减的结果设定为电流误差将步骤3得到的电压型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值与步骤2中所得到的电压型阻抗适配器输出谐波电压uc_vh相减的结果设定为电压误差

步骤5，将步骤4所得到的电流误差通过电流控制器输出pwm调制波实现对电流指令值的无差跟踪；将步骤4所得电压误差通过电压控制器输出pwm调制波实现对电压指令值的无差跟踪；

步骤6，返回步骤1，进入下一个循环的电流指令值和电压指令值的无差跟踪。

优选地，所述的复合型阻抗适配器系统包括电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器，所述电流型阻抗适配器是由一台电流源型变换器构成，并联在多逆变器并网发电系统的公共耦合点处，所述电压型阻抗适配器是由一台电压源型变换器构成，并联在多逆变器并网发电系统的公共耦合点处。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1)采用电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器相结合的复合型阻抗适配器，实现对并网点阻抗的进行重塑和适配，可以有效的抑制并网点的较宽频域的谐振和谐波放大；

2)在弱电网情况下，相对电流型阻抗适配器，电压型阻抗适配器的虚拟谐波阻抗功能更容易实现，可以虚拟出较小的谐波阻抗，对系统并网点的谐振抑制效果较好；

3)电压型阻抗适配器本身是由一台电压源型电力电子变换器构成，所以其自身就相当于一个很小的阻抗，对多逆变器并网系统的谐波具有很好的吸收功能；

4)复合型阻抗适配器的电压型阻抗适配器部分可以在弱电网情况下更好的抑制并网系统的中低频段的谐振，而电流型阻抗适配器部分对于并网系统的高频段的谐振效果更为显著。

附图说明

图1为本发明实施例中复合型阻抗适配器的拓扑结构图；

图2为本说明书所述复合型阻抗适配器系统的控制方法实现流程图；

图3是多逆变器并网发电系统谐振(电网阻抗zg＝0.3mh时)的相电压波形图及thd分析；

图4是电流型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制(电网阻抗zg＝0.3mh时)的相电压波形图及thd分析；

图5是复合型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制(电网阻抗zg＝0.3mh时)的相电压波形图及thd分析；

图6是多逆变器并网发电系统谐振(电网阻抗zg＝3mh时)的相电压波形图及thd分析；

图7是电流型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制(电网阻抗zg＝3mh时)的相电压波形图及thd分析；

图8是复合型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制(电网阻抗zg＝3mh时)的相电压波形图及thd分析；

具体实施方式

本实例以一个仿真软件matlab/simulink中的两台并网逆变器、电压型阻抗适配器和电流型阻抗适配器构成由多逆变器并网发电系统和复合型阻抗适配器系统相连接的谐振抑制系统为例，阐明一种多逆变器并网发电系统下复合型阻抗适配器的控制实现方法。本实施例的步骤如下。

图1是本发明实施例中的复合型阻抗适配器系统的拓扑结构图。由该图可见，本发明提出的复合型阻抗适配器系统包括电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器，所述电流型阻抗适配器是由一台电流源型变换器构成，并联在并网发电系统的公共耦合点处，所述电压型阻抗适配器是由一台电压源型变换器构成，并联在并网发电系统的公共耦合点处；所述电流型阻抗适配器包括直流侧电容c_c、三相全桥和lccc滤波电路，所述直流侧电容c_c、三相全桥和lccc滤波电路依次顺序连接；所述电压型阻抗适配器包括直流侧电容c_v、三相全桥和lvcv滤波电路，所述直流侧电容c_v、三相全桥和lvcv滤波电路依次顺序连接。

具体的，首先在仿真软件matlab/simulink中按照图1搭建本发明所提出的复合型阻抗适配器系统的拓扑结构。采用两台10kw逆变器并网系统代替图1中所述多逆变器并网发电系统，使用一台10kw电流源性变换器实现电流型阻抗适配器和使用一台10kw电压源型变换器实现电压型阻抗适配器。在构建复合型阻抗适配器系统的仿真模型时，并网逆变器开关频率fw1＝fw2＝4000hz、基波频率fo1＝fo2＝50hz，直流侧电压udc＝850v,使用lc型滤波器，其中桥臂侧电感l1＝l2＝3mh、滤波电容c1＝c2＝40uf；电流型阻抗适配器开关频率fwc＝16000hz、基波频率foc＝50hz，使用lc型滤波器，其中桥臂侧电感lc＝0.9mh、滤波电容cc＝12.3uf；电压型阻抗适配器开关频率fwv＝16000hz、基波频率fov＝50hz，使用lc型滤波器，其中桥臂侧电感lv＝0.9mh、波电容cv＝12.3uf。电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器直接接入多逆变器并网发电系统模型仿真中的公共耦合点处。其中，电流型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗zad_c＝5ω，电压型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗zad_v＝1ω。网侧线电压的有效值为ug＝380v，电网阻抗zg＝0.3mh和zg＝3mh。

图2是本发明提出的一种复合型阻抗适配器系统的控制方法的实现流程图，由该图可见，本控制方法通过电流型阻抗适配器和电压型阻抗适配器的组合，对电流指令值和电压指令值进行无差跟踪，从而完成对并网点阻抗的重塑和适配，来抑制多逆变器并网发电系统的谐振和谐波，具体步骤如下：

步骤1，实时采样电流型阻抗适配器输出电流ic和输出电压uc_c，实时采样电压型阻抗适配器输出电流iv和输出电压uc_v；

步骤2，根据步骤1采样得到的电流型阻抗适配器输出电压uc_c经滤波器得到电流型阻抗适配器谐波电压uc_ch，根据步骤1采样得到的电压型阻抗适配器输出电流iv经滤波器得到电压型阻抗适配器谐波电流ivh，根据步骤1实时采样得到的电压型阻抗适配器输出电压uc_v经滤波器得到电压型阻抗适配器输出谐波电压uc_vh；

步骤3，根据步骤2中所得到的电流型阻抗适配器输出谐波电压uc_ch和电压型阻抗适配器输出谐波电流ivh，分别计算得到电流型阻抗适配器的虚拟谐波电流指令值和电压型阻抗适配器的虚拟谐波电压指令值其计算式如下：

其中，zad_c是电流型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗，zad_v是电压型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗；

步骤4，将步骤3得到的电流型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值与步骤1采样得到的电流型阻抗适配器输出电流ic相减的结果设定为电流误差将步骤3得到的电压型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值与步骤2中所得到的电压型阻抗适配器输出谐波电压uc_vh相减的结果设定为电压误差

步骤5，将步骤4所得到的电流误差通过电流控制器输出pwm调制波实现对电流指令值的无差跟踪；将步骤4所得电压误差通过电压控制器输出pwm调制波实现对电压指令值的无差跟踪；

步骤6，返回步骤1，进入下一个循环的电流指令值和电压指令值的无差跟踪。

图3是电网阻抗为zg＝0.3mh时多逆变器并网发电系统谐振的相电压波形图及thd分析，其中相电压的基波幅值为231.5v，thd＝87.51％；图4是电流型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制的相电压波形图及thd分析，其中相电压的基波幅值为231.5v，thd＝2.83％；图5是复合型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制的相电压波形图及thd分析，其中相电压的基波幅值为231.5v，thd＝1.19％。图6是电网阻抗增加为zg＝3mh时多逆变器并网发电系统谐振的相电压波形图及thd分析，其中相电压的基波幅值为233.6v，thd＝39.66％；图7是电流型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制的相电压波形图及thd分析，其中相电压的基波幅值为233.6v，thd＝6.90％；图8是复合型阻抗适配器对多逆变器并网发电系统谐振抑制的相电压波形图及thd分析，其中相电压的基波幅值为233.6v，thd＝2.22％。即保持电网阻抗不变，在多逆变器并网发电系统发生的谐振的情况下、在相同的参数和仿真条件下分别投切电流型阻抗适配器和复合型阻抗适配器，观察两种方式对多逆变器并网系统谐振抑制效果的差异，可以发现复合型阻抗适配器对多逆变器并网系统谐振的抑制效果优于电流型阻抗适配器；再增加电网阻抗幅值，多逆变器并网系统工作在弱电网情况下，系统谐振频率降低，在相同的参数和仿真条件下分别投切电流型阻抗适配器和复合型阻抗适配器，可以发现复合型阻抗适配器对多逆变器并网系统谐振的抑制效果优于电流型阻抗适配器。通过上述对比分析证明了本发明所提的复合型阻抗适配器的控制方法实现的有效性。

综上所述，复合型阻抗适配器可以呈现出比电流型阻抗适配器更优越的谐振和谐波抑制能力，具有一定的可行性。