一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法及系统与流程

本发明涉及配电网领域，具体涉及一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法及系统。

背景技术：

随着新能源技术普及，控制功率的跟踪精度、提高新能源并网友好性已经成为大家关注的问题，目前的常规做法是将新能源发电站虚拟成为一个同步发电机组(类似火电站或者水电站的形式)，进行并网控制。虚拟同步机的结构有以下几种：如图2所示，虚拟同步机系统结构由并网逆变器和lcl滤波器组成。由于图2所示的lcl滤波器网络中存在三个储能元件，其动态模型中存在一个高频谐振峰，使得系统模型难于控制，并可能导致并网电流谐振。

图3(a)所示的lcl滤波器的电路模型，是一个典型的y型电路，利用电路理论中的y-δ变换，可以得到如图3(b)所示的等效电路模型，其中r1和r2为滤波电感的电阻。

为了抑制单台lcl滤波并网逆变器的谐振，通常可以在电容支路串联有源的或者无源的阻尼电阻，虽然虚拟电阻可以避免额外的功率损耗，但若直接在这些支路引入无源电阻，会增加系统的损耗，降低系统的效率；在抑制高次谐波谐振的同时，也会引起工频基波电流分量的变化，进而影响对并网功率的跟踪精度。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明给出一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法及系统。借鉴电路中的叠加原理，可以将阻抗网络按频率加以区分，引入的虚拟电阻只需重塑网络内除工频外的其他频率分量，将虚拟同步机并网逆变器的基波阻抗和高次谐波阻抗分开考虑。对于基波频率，不引入虚拟的电阻，故不影响其并网功率跟踪。对于谐波频段，引入虚拟电阻和，并网逆变器可以对网络谐波谐振带来有效的抑制作用。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法，所述方法包括：

基于获取的虚拟同步机的输出电压信号和输出电流信号，提取除工频以外的谐波电压和谐波电流；

基于谐波频段，引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻以及电容侧的虚拟电阻，并根据所述谐波电压和谐波电流，计算电流信号和电压信号；

基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号。

优选的，所述基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号利用积分控制器进行比较获得电压调制信号，包括：

将所述电流指令信号、所述电流信号和所述输出侧电流信号进行比较，得到比例积分控制器的输入信号；

将标幺化的电压信号与所述比例积分控制器输出信号进行比较，获得电压调制信号。

优选的，所述提取除工频以外的谐波电压和电流包括：

采用二阶广义积分法，从所述输出电压信号和输出电流信号中提取除工频以外的谐波电压和电流。

优选的，所述计算电流信号和电压信号包括：

根据预先建立的等效电路模型，确定串并联谐振支路的阻抗；

叠加串并联谐振支路的阻抗，构成串联谐振回路，并根据所述串联谐振回路，计算滤波电容和逆变器侧滤波电感；

引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻r1，并在滤波电感和滤波电容支路串联或者并联相应的电阻，并将所述电阻作为电容侧虚拟电阻rpc；

基于引入的与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻和电容侧虚拟电阻，根据除工频以外的谐波电压和电流，确定电流信号和电压信号。

进一步地，所述基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号：

根据电流信号和电压信号，定义二阶广义积分传递函数；

根据所述传递函数确定比例积分控制器的等效电路；

基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号比较获得的变化量经过比例积分控制器的等效电路，获得电压调制信号。

进一步地，通过下式确定电压调制信号的二阶广义积分传递函数：

其中，k为频率系数，ω0为电网基波角频率，gf(s)为二阶广义积分传递函数，s’表示拉普拉斯变换因子。

进一步地，通过下式确定串并联谐振支路的阻抗：

zs1(s)＝sl1+r1+1/(cs1s)

zs2(s)＝sl2+r2+1/(cs2s)

zp(s)＝(l1s+r1)(l2s+r2)cs+(l1+l2)s+(r1+r2)

其中，zs1和zs2为串联谐振回路的电感，zp为等效的并联谐振回路的电感，s为串联谐振回路的电流，cs1和cs2分别为串联谐振支路的等效电容，l1和l2分别为逆变器侧滤波电感和网侧滤波电感，r1和r2均为滤波电感的电阻。

进一步地，通过下式确定滤波电容：

其中，k表示频率系数，k＝(l1s+r1)/(l2s+r2)≈l1/l2为逆变器侧和网侧滤波电感之比，r1和r2均为滤波电感的电阻，c为滤波电容。

进一步地，通过下式确定逆变器侧滤波电感：

其中，ωs1,2和ωp分别为串联和并联阻抗支路中，串联和并联谐振点处的谐振频率，ξs1,2和ξp分别为ωs1,2和ωp谐振回路的阻尼。

优选的，获取所述电流指令信号包括：

通过虚拟同步机有功环和无功环控制，得到指令电压信号，通过指令电压和实际电压的比较经过pi控制器，得到电流指令信号。

一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制系统，所述系统包括：

提取模块，基于获取的虚拟同步机的输出电压信号和输出电流信号，提取除工频以外的谐波电压和谐波电流；

计算模块，用于基于谐波频段，引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻以及电容侧的虚拟电阻，并根据所述谐波电压和谐波电流，计算电流信号和电压信号；

比较模块，用于基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法，首先，基于获取的虚拟同步机的输出电压信号和输出电流信号，提取除工频以外的谐波电压和谐波电流；基于谐波频段，引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻以及电容侧的虚拟电阻，并根据所述谐波电压和谐波电流，计算电流信号和电压信号。将虚拟同步机并网逆变器的基波阻抗和高次谐波阻抗分开考虑。对于基波频率，不引入虚拟的电阻，故不影响其并网功率跟踪。对于谐波频段，引入虚拟电阻，使得并网逆变器可以对网络谐波谐振带来有效的抑制作用。

其次，基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号。。在保障并网功率的跟踪精度不受影响的同时，抑制高次谐波谐振。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的方法总流程图；

图2是本发明背景技术中提供的1单台lcl虚拟同步机系统结构示意图；

图3是本发明背景技术中提供的lcl滤波器网络电路图；其中，图3(a)为lcl滤波器的y型电路模型图，图3(b)为lcl滤波器的等效电路模型图；

图4是本发明实施例中提供的虚拟同步机的阻抗重塑示意图；

图5是本发明实施例中提供的引入虚拟阻抗的电压电流控制框图；

图6是本发明实施例中提供的引入虚拟阻抗系统等效原理图；

图7是本发明实施例中提供的虚拟同步机并网阻抗重塑控制策略示意图

图8是本发明实施例中提供的基于sogi的陷波器的bode图；

图9是本发明实施例中提供的一个微电网馈线支路的接线图；

图10是本发明实施例中提供的投入阻抗重塑前后pcc处的电流波形图；其中，图10(a)为阻抗重塑控制前的pcc电压电流示意图；图10(b)为阻抗重塑控制后的pcc电压电流示意图；图10(c)为阻抗重塑前的电压电流谐波分布图；图10(d)为阻抗重塑后pcc电压电流谐波分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明提供的一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法，如图1所示，包括：

对于谐波频段，引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻以及电容侧虚拟电阻，根据预先获取的除工频以外的谐波电压和电流，计算电流信号和电压信号；

将预先获得的电流指令信号与电压信号和输出侧电流信号进行比较，得到比例积分控制器的输入信号；

将标幺化的电压信号与比例积分控制器输出信号进行比较，获得电压调制信号。

s1基于获取的虚拟同步机的输出电压信号和输出电流信号，提取除工频以外的谐波电压和谐波电流；

s2基于谐波频段，引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻以及电容侧的虚拟电阻，并根据所述谐波电压和谐波电流，计算电流信号和电压信号；

s3基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号。

具体的：

步骤s1中，提取除工频以外的谐波电压和电流包括：

采用二阶广义积分法，从所述输出电压信号和输出电流信号中提取除工频以外的谐波电压和电流。

步骤s2中,获取电流指令信号包括：

通过虚拟同步机有功环和无功环控制，得到指令电压信号，通过指令电压和实际电压的比较经过pi控制器，得到电流指令信号。

计算电流信号和电压信号包括：

a,根据预先建立的等效电路模型，确定串并联谐振支路的阻抗；预先建立的等效电路模型如图3(a)和图3(b)所示。

b,叠加串并联谐振支路的阻抗，构成串联谐振回路，并根据所述串联谐振回路，计算滤波电容和逆变器侧滤波电感；

c,引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻r1，并在滤波电感和滤波电容支路串联或者并联相应的电阻，并将所述电阻作为电容侧虚拟电阻rpc；

d,基于引入的与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻和电容侧虚拟电阻，根据除工频以外的谐波电压和电流，确定电流信号和电压信号。

通过下式确定串并联谐振支路的阻抗：

zs1(s)＝sl1+r1+1/(cs1s)

zs2(s)＝sl2+r2+1/(cs2s)

zp(s)＝(l1s+r1)(l2s+r2)cs+(l1+l2)s+(r1+r2)

其中，zs1和zs2为串联谐振回路的电感，zp为等效的并联谐振回路的电感，s为串联谐振回路的电流，cs1和cs2分别为串联谐振支路的等效电容，l1和l2分别为逆变器侧滤波电感和网侧滤波电感，r1和r2均为滤波电感的电阻。

通过下式确定滤波电容：

其中，k表示频率系数，k＝(l1s+r1)/(l2s+r2)≈l1/l2为逆变器侧和网侧滤波电感之比，r1和r2均为滤波电感的电阻，c为滤波电容。

通过下式确定逆变器侧滤波电感：

其中，ωs1,2和ωp分别为串联和并联阻抗支路中，串联和并联谐振点处的谐振频率，ξs1,2和ξp分别为ωs1,2和ωp谐振回路的阻尼。一方面，在忽略阻尼因素的情况下(ξs1＝ξs2＝ξp＝0)，串并联谐振的频率相等ωs1＝ωs2＝ωp。另一方面，串联和并联谐振频率ωs1,2和ωp均和其谐振回路的阻尼ξs1,2和ξp有关。同时，阻尼决定了谐振的振幅，阻尼越大，谐振的振幅越小，对谐振的抑制能力越强。阻尼的大小直接依赖于回路的电阻，其定量关系为：

所述ωs1,2和ωp谐振回路的阻尼通过下式确定：

如图4所示，在滤波电感l1和电容c支路串联或并联相应的电阻可以有效地重塑并网逆变器的输出阻抗，从而抑制网络内可能出现的谐波谐振。但是，若直接在这些支路引入无源电阻，会增加系统的损耗，降低系统的效率。此外，在l1串联电阻或在c支路并联电阻都会改变虚拟同步机并网逆变器的基波电流跟踪性能。

引入虚拟阻抗的原理如图6所示，通过在逆变器虚拟输出电压ei与实际端口电压uoi之间引入虚拟阻抗zviri，使相对虚拟电压ei的系统等效阻抗满足逆变器容量反比的要求，即各vsg单元的虚拟阻抗zviri、馈线阻抗zfi之和的比值呈容量的反比，从而对不匹配的馈线阻抗进行修正，使得等效阻抗上产生压降相同，即δe1＝δe2，进而满足e1＝e2，实现并联虚拟同步机的无功精确分配。

采用输出电流值反馈，引入虚拟阻抗后的电压电流比例环控制框图如图5所示。

步骤s3中,基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号利用积分控制器进行比较获得电压调制信号，是将所述电流指令信号、所述电流信号和所述输出侧电流信号进行比较，得到比例积分控制器的输入信号；将标幺化的电压信号与所述比例积分控制器输出信号进行比较，获得电压调制信号。

基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号具体步骤包括：

根据电流信号和电压信号，定义二阶广义积分传递函数；

根据所述传递函数确定比例积分控制器的等效电路；

基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号比较获得的变化量经过比例积分控制器的等效电路，获得电压调制信号。

其中，通过下式确定电压调制信号的二阶广义积分传递函数：

其中，k为频率系数，ω0为电网基波角频率，gf(s)为二阶广义积分传递函数，s’表示拉普拉斯变换因子。

实施例：

步骤1：构建虚拟同步机阻抗重塑原始模型，如图4所示，首先分析在滤波电感l1和电容c支路串联或并联相应的电阻可以有效地重塑并网逆变器的输出阻抗，从而抑制网络内可能出现的谐波谐振。但是，若直接在这些支路引入无源电阻，会增加系统的损耗，降低系统的效率。此外，在l1串联电阻或在c支路并联电阻都会改变虚拟同步机并网逆变器的基波电流跟踪性能。

步骤2：针对以上问题，提出基于虚拟阻抗的电能质量分频控制方法。由叠加原理，将虚拟同步机并网逆变器的基波阻抗和高次谐波阻抗分开考虑。对于基波频率，不引入虚拟的电阻，故不影响其并网功率跟踪。对于谐波频段，引入虚拟电阻r1和rpc，并网逆变器可以对网络谐波谐振带来有效的抑制作用。

①采集虚拟同步机输出侧电压uc信号和电流信号i1，针对所得到的电压电流信号利用二阶广义积分提取除工频外的其他电压uch和电流ih；

②引入与源侧电感l1匹配的虚拟电阻r1和电容侧并联的rpc，将步骤①得到的谐波电压uch与电流ih，分别与rpc和r1计算，得到电流信号iv和电压信号u1。

③电流指令信号iref与步骤②得到的电流信号iv和输出电流信号i1比较得到比例积分控制器pr的输入信号；

④将电压信号u1标幺化与步骤③的pr输出比较的电压调制信号ur，整体控制框图如图7所示。

二阶广义积分传递函数gf(s)可以表示为

其中，k为频率系数，ω0为电网基波角频率，gf(s)的bode图如图8所示，可见：基波频率的电压(或电流)分量会得到极大的衰减，而其他频率分量几乎可以无损地通过gf(s)。

步骤3：为了验证所提策略的发明效果，给出算例分析。

在一个微电网实验室的一条馈线支路上进行了实验研究，该馈线支路的接线如图9所示。该馈线包含了两台额定功率为10kw的vsg，电网线电压有效值和额定频率分别为190v和50hz，电网电感lg＝3mh，vsg的滤波电感和电容分别为l＝0.5mh和c＝20μf，滤波电容支路的无源阻尼电阻取为rc＝4ω。

vsg1和vsg2的并网有功和无功功率的指令分别为6kw/0var、4kw/0var，本地负荷约为4kw的电阻负荷。当vsg不投入阻抗重塑控制时，pcc处的电压电流波形如10所示。当vsg投入重塑控制后，由于在网络内引入了足够的电阻性质的阻尼分量，使得谐波谐振得到了明显的抑制，其中rpc＝20ω、r1＝100ω。

分析结果表明：投入阻抗重塑控制前，由于网络谐波谐振的存在，pcc处电压和网侧电流ipcc的thd分别为3.89％和13.65％，其各次谐波分布如图10所示，其中出现了26次谐波频率附近的谐波谐振。当投入阻抗重塑控制后，pcc处电网电压和网侧电流的thd分别降低为1.86％和4.70％。虚拟的输出阻抗有效地增加谐波回路的阻尼，抑制了谐波谐振的出现。

基于同一技术构思，本发明还提供一种基于虚拟阻抗的电能质量分频控制系统，包括：

提取模块，基于获取的虚拟同步机的输出电压信号和输出电流信号，提取除工频以外的谐波电压和谐波电流；

计算模块，用于基于谐波频段，引入与逆变器侧滤波电感匹配的虚拟电阻以及电容侧的虚拟电阻，并根据所述谐波电压和谐波电流，计算电流信号和电压信号；

比较模块，用于基于电流指令信号、所述电流信号、电压信号和输出侧电流信号，利用积分控制器进行比较获得电压调制信号。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。