基于自抗扰虚拟同步机的准Z源逆变器并网系统及方法

基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统及方法
技术领域
1.本发明属于电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统及方法。


背景技术：

2.目前，分布式发电和微电网技术的迅速发展，使得电力系统中以电力电子变换器为接口的分布式电源的占比不断升高，极大推动了独立型微电网的实际应用。但是各种新能源发电具有较强的间歇性、随机性，其产生的电压和电网电压存在一定的差异，需要经过电力电子变换器接口对电能整理后统一分配，才能供给负载或者达到并网条件后并入大电网。逆变器作为独立微网的接口，其可靠运行至关重要。相较于传统的逆变器，准z源逆变器具有允许桥臂直通、输入电流连续和电容电压应力减小等优点。但是目前针对准z源逆变器的并网问题，还无法解决微电网波动带来的影响。
3.同时大量不提供惯性的电力电子设备接入微网后，同步发电机提供惯性的比例降低，会导致系统总惯性减小。负荷功率变化，电网频率不符标准，这将对电网的稳定运行产生不利影响。同时传统p
‑
q和v
‑
f并网控制方法为了获得电网相位需要引入锁相环，但锁相环跟踪相位的动态响应速度慢，当有多个锁相环时容易发生互锁，难以得到精确的电网相位，会影响系统的稳定性。在弱电网环境下影响更大，由于弱电网对pcc处电压和频率支撑作用比较弱，并网点电压容易发生畸变，锁相环难以得到精确的电网相位。
4.当独立微网功率变化时，传统的pid控制可以抑制变化带来的影响，但是响应速度较慢，动态扰动不能迅速衰减，控制器性能变差。虽然已经在逆变器中采用了模型预测技术，加快了动态响应速度，但电网侧发生波动时，仍然会由于电感发生饱和造成电感参数发生变化，使得控制模型参数变化，导致整个并网系统的稳定性降低。同时，当功率发生波动时会造成逆变器直流侧扰动，很容易让逆变器失去稳定性。传统模型预测并不能解决直流侧扰动带来的影响，所以需要更先进的并网方法解决以上的一些问题。


技术实现要素：

5.针对现有模型预测并网技术的不足，本发明提供了一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统及方法，改善了电网侧波动时传统锁相环精确度不高的问题和逆变器动态响应慢的问题，增强了系统抗扰能力。同时为电网引入了惯量和阻尼，使微电网总惯性增加，系统在孤岛条件下能够更加稳定。
6.本发明技术方案如下：
7.一方面，本申请提出一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统，应用于含准z源的光伏逆变器拓扑结构中，包括：采集模块、拓扑模块、判断模块、计算输出模块；
8.所述采集模块、拓扑模块、判断模块、计算输出模块依次顺序相连接；
9.所述采集模块，用于采集所述拓扑模块中各种信号，并将所述各种信号传递给所述计算模块，
10.所述拓扑模块，用于提供准z源的光伏逆变器拓扑结构；
11.所述判断模块，用于判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，并将所述电路工作状态传递给所述计算输出模块；
12.所述计算输出模块，使用所述各种信号以及电路工作状态计算建立目标函数，计算使所述目标函数最小时对应的开关状态，并为逆变桥提供驱动信号。
13.所述各种信号包括：并网功率、并网电压、并网频率、逆变器输出的三相电流、滤波后的电压信号以及直流侧电流值。
14.所述拓扑结构从输入端至输出端依次包括：光伏输入、准z源阻抗网络、三相逆变桥、滤波电路以及电网负载。
15.另一方面，本申请提出一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网方法，采用所述的基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统实现，包括如下步骤：
16.采集所述拓扑模块中各种信号，并将所述各种信号传递给所述计算模块；
17.判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，并将所述电路工作状态传递给所述计算输出模块；
18.使用所述各种信号以及工作状态计算建立目标函数，计算使所述目标函数最小时对应的开关状态，并为逆变桥提供驱动信号。
19.所述建立目标函数过程如下：
20.将所述准z源的光伏逆变器虚拟同步发电机化；
21.将采集的并网功率、并网电压和并网频率输入带自抗扰的vsg系统，计算并网状态下逆变器输出电压参考值；
22.使用采集的逆变器输出的三相电流和滤波后的电压信号，构建变换器的离散预测模型，预测准z源逆变器的输出电流值；
23.根据所述并网状态下逆变器输出电压参考值以及输出电流值，计算准z源逆变器输出有功功率预测值和无功功率预测值；
24.由所述输出电流值计算有功功率参考值，包含实时补偿功率和周期补偿功率两部分；
25.判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，使用采集的直流侧电流值，根据光伏输入电压计算直流侧电流参考值；
26.构建功率和电感电流的目标函数，计算使目标函数最小时对应的开关状态，并直接为逆变桥提供驱动信号。
27.所述准z源的光伏逆变器虚拟同步发电机化，包括：将光伏输入和准z源阻抗网络视为原动机，三相逆变桥和输出看作虚拟同步发电机，将滤波电路等效成定子阻抗；
28.所述准z源的光伏逆变器能够工作在非直通和直通两种开关状态。
29.所述功率和电感电流的目标函数，判断使得目标函数最小的开关状态，将直流侧电流参考值、直流侧电流预测值、输出功率的参考值与输出功率的预测值作为输入进行计算，得到功率和电感电流的目标函数，计算目标函数值，判断最优开关状态，并直接为逆变桥提供驱动信号。
30.所述输出功率的参考值包括：有功功率的参考值与无功功率的参考值；所述输出功率的预测值包括：有功功率的预测值与无功功率的预测值。
31.有益技术效果：
32.准z源逆变器由于引入了特殊的阻抗网络，使系统输入电流连续、电容电压应力减小。而且允许逆变器的同一相桥臂直通，提高了系统供电可靠性，使得逆变器具有升压功能。
33.提出自抗扰的虚拟同步机技术，能有效地衰减未知干扰，对外界干扰具有良好的适应性，从而保证系统的闭环稳定性，使得逆变器具有更好的干扰抑制能力和惯性。直接功率预测技术能够实时跟踪电网功率和频率的变化，有效抑制直流侧电压扰动，大大提升了系统响应速度和稳定性。
附图说明
34.图1为本申请实施例的一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统原理框图；
35.图2为本申请实施例的一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网方法流程图；
36.图3为本申请实施例的建立目标函数流程图；
37.图4为本申请实施例的准z源逆变器并网主电路拓扑结构图；
38.图5为本申请实施例的准z源逆变器并网控制框图；
39.图6为本申请实施例的准z源逆变器并网非直通和直通状态；
40.图7为本申请实施例的自抗扰控制器虚拟阻抗控制框图；
41.图8为本申请实施例的自抗扰控制器pi解耦控制框图；
42.图9为本申请实施例的并网方法具体流程图。
具体实施方式
43.为了清楚表达本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
44.一方面，本申请提出一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统，应用于含准z源的光伏逆变器拓扑结构中，如图1所示，包括：采集模块、拓扑模块、判断模块、计算输出模块；
45.所述采集模块、拓扑模块、判断模块、计算输出模块依次顺序相连接；
46.所述采集模块，用于采集所述拓扑模块中各种信号，并将所述各种信号传递给所述计算模块，
47.所述拓扑模块，用于提供准z源的光伏逆变器拓扑结构；
48.所述判断模块，用于判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，并将所述电路工作状态传递给所述计算输出模块；
49.所述计算输出模块，使用所述各种信号以及电路工作状态计算建立目标函数，计算使所述目标函数最小时对应的开关状态，并为逆变桥提供驱动信号。
50.所述各种信号包括：并网功率、并网电压、并网频率、逆变器输出的三相电流、滤波后的电压信号以及直流侧电流值。
51.所述拓扑结构从输入端至输出端依次包括：光伏输入、准z源阻抗网络、三相逆变桥、滤波电路以及电网负载。
52.另一方面，本申请提出一种基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网方法，采用所述的基于自抗扰虚拟同步机的准z源逆变器并网系统实现，如图2所示，包括如下步骤：
53.步骤1：采集所述拓扑模块中各种信号，并将所述各种信号传递给所述计算模块；
54.步骤2：判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，并将所述电路工作状态传递给所述计算输出模块；
55.步骤3：使用所述各种信号以及工作状态计算建立目标函数，计算使所述目标函数最小时对应的开关状态，并为逆变桥提供驱动信号。
56.所述建立目标函数过程如下，如图3所示：
57.步骤3.1：将所述准z源的光伏逆变器虚拟同步发电机化；
58.步骤3.2：将采集的并网功率、并网电压和并网频率输入带自抗扰的vsg系统，计算并网状态下逆变器输出电压参考值；虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)控制技术。vsg技术通过控制并网逆变器模拟传统同步发电机惯性、阻尼及下垂外特性，使其从电网侧看具有与同步发电机相同的特性，因此使得并网逆变器能够参与电网功率和频率的调节，所述带自抗扰的vsg系统如图5中虚线框的部分。指代具体实施方式中的：由转子运动方程：和同步电机电压关系：e＝e0+k
q
(q
ref
‑
q
out
)+k
u
(u
ref
‑
u
p
)。
59.步骤3.3：使用采集的逆变器输出的三相电流和滤波后的电压信号，构建变换器的离散预测模型，预测准z源逆变器的输出电流值；
60.步骤3.4：根据所述并网状态下逆变器输出电压参考值以及输出电流值，计算准z源逆变器输出有功功率预测值p(k+2)和无功功率预测值；
61.步骤3.5：由所述输出电流值计算有功功率参考值，包含实时补偿功率和周期补偿功率两部分，即所述有功功率参考值为：p
ref1
+p
ref2
；
62.步骤3.6：判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，使用采集的直流侧电流值，根据光伏输入电压计算直流侧电流参考值，即电感l1的电流参考值；
63.步骤3.7：构建功率和电感电流的目标函数，计算使目标函数最小时对应的开关状态，并直接为逆变桥提供驱动信号。
64.所述准z源的光伏逆变器虚拟同步发电机化，包括：将光伏输入和准z源阻抗网络视为原动机，三相逆变桥和输出看作虚拟同步发电机，将滤波电路等效成定子阻抗；
65.所述准z源的光伏逆变器能够工作在非直通和直通两种开关状态。
66.所述功率和电感电流的目标函数，判断使得目标函数最小的开关状态，将直流侧电流参考值i
l1ref
、直流侧电流预测值i
l1
(k+2)、输出功率的参考值p
ref1
+p
ref2
+0与输出功率的预测值p(k+2)+q(k+2)作为输入进行计算，得到功率和电感电流的目标函数h＝(p
ref1
+p
ref2
‑
p(k+2))2+q(k+2)2+λ
l
(i
l1ref
‑
i
l1
(k+2))2，计算目标函数值，判断最优开关状态，并直接为逆变桥提供驱动信号。
67.所述输出功率的参考值包括：有功功率的参考值p
ref1
+p
ref2
与无功功率的参考值0；所述输出功率的预测值包括：有功功率的预测值p(k+2)与无功功率的预测值q(k+2)。
68.具体实施方式如下：
69.如图4所示，本发明方法应用于带准z源的逆变器拓扑结构中，该拓扑变换电路从
输入端至输出端包括光伏输入、准z源阻抗网络、igbt三相逆变桥、滤波电路以及电网负载。具体包括光伏输入电压u
in
，准z源阻抗网络，三相逆变桥(s1～s6)以及lc滤波器。其中z源阻抗网络包括电感l1、l2、电容c1、c2和二极管d；lc滤波器包括逆变桥侧三相电感l
s
、三相滤波电容c；逆变桥三相输出电压为u
a
、u
b
、u
c
。
70.如图5所示，基于储能型准z源逆变器的并网控制方法的整体控制框图如图5所示，包括以下步骤，如图9所示：
71.步骤3.1和步骤3.2：将整个电力电子逆变器虚拟同步发电机化，将光伏侧和准z源视为原动机，逆变桥和输出看作虚拟同步发电机，将滤波电感和滤波电阻等效成定子阻抗。采集并网功率、并网电压和并网频率，将信号输入带自抗扰控制器的vsg系统，计算并网状态下逆变器输出电压参考值：
72.跟踪电网有功功率的变化，由转子运动方程：实时求得虚拟同步机电角速度经积分后得电角度其中p
e
是向负载提供的有功功率，ω0电网的角频率，j为同步发电机的有功惯性，d为有功阻尼；
73.跟踪电网无功功率的变化,根据同步电机电压关系式：e＝e0+k
q
(q
ref
‑
q
out
)+k
u
(u
ref
‑
u
p
)计算虚拟电机内电势幅值e。其中e0为vsg空载电势。q
ref
、q
out
分别是无功功率参考值和实际值；u
ref
、u
p
分别是虚拟同步机端输出电压幅值参考值与实际值；
74.由产生的电角度θ和虚拟电机内电势幅值指令e合成vsg三相内电势，根据三相电压相位差的关系可得输入系统离散模型中。
75.将vsg三相内电势e
abc
进行坐标变换，得到离散值：
[0076][0077]
经过虚拟阻抗控制器，如图7如图8所示，得到解耦后的输出指令电流经过虚拟阻抗控制器，如图7如图8所示，得到解耦后的输出指令电流为：
[0078][0079]
解耦后的输出电流输入自抗扰控制器，在线计算输出电压参考值：
[0080][0081]
其中r
s
为输出线性电阻，x为引入的虚拟电抗，u
pα
、u
pβ
为并网时的网侧电压，k
11
、k
12
、k
21
、k
22
为比例调节系数。
[0082]
步骤3.3：使用采集的逆变器输出的三相电流和滤波后的电压信号，构建变换器的离散预测模型，预测准z源逆变器的输出电流值，具体如下：
[0083]
建立变换器动态矢量方程：采用前向欧拉法近似离散化，将信号进行clark变换，得变换器输出电流预测值：
[0084][0085]
根据k时刻被控量的测量值与开关状态预测下一时刻可能的电流值。
[0086]
由于数字控制系统中存在一个周期的延时,需要对采样和计算造成的延时误差进行补偿，采用两步预测法，根据k+1时刻的值预测k+2时刻电流值i
α
(k+2)、i
β
(k+2)：
[0087][0088]
步骤3.4：根据所述并网状态下逆变器输出电压参考值以及输出电流值，计算准z源逆变器输出有功功率预测值p(k+2)和无功功率预测值，计算k+2时刻输出有功功率和无功功率预测值。具体为：
[0089]
有功功率预测值：p(k+2)＝e
αref
(k+2)i
α
(k+2)+e
βref
(k+2)i
β
(k+2)，无功功率预测值：q(k+2)＝e
βref
(k+2)i
α
(k+2)
‑
e
αref
(k+2)i
β
(k+2)。
[0090]
无功功率参考值始终为零。
[0091]
步骤3.5：由所述输出电流值计算有功功率参考值，包含实时补偿功率和周期补偿功率两部分，即所述有功功率参考值为：p
ref1
+p
ref2
；
[0092]
对传统功率预测有功参考值改进，具体为：
[0093]
使有功功率参考值跟随当前时刻电流变化，有功功率参考值定义为p
ref
＝p
ref1
+p
ref2
。包含两部分：实时补偿功率和周期补偿功率和周期补偿功率
[0094]
步骤3.6：判断准z源的光伏逆变器的电路工作状态，使用采集的直流侧电流值，根据光伏输入电压计算直流侧电流参考值，即电感l1的电流参考值；
[0095]
判断准z源电路工作状态，建立电感电流离散关系表达式。
[0096]
如图6(a)为非直通状态电路。非直通状态下，三相逆变桥和交流负载等效为一个开关和电流源与电流源并联。输入电压和电感给负载和电容供电，二极管d导通。此时输入侧电压关系为：电感电流离散关系式如下：
[0097][0098]
图6(b)为直通状态电路。直通状态下，逆变桥同一桥臂上下同时导通，二极管d承受负电压而截止，输入电压和准z源电容给电感充电，此时等效为逆变桥开关闭合。输入侧电压关系为：与非直通类似，建立电感电流离散关系式如下：
[0099][0100]
利用状态观测器判断准z源工作状态，采集阻抗网络第一个电感的电流值，利用离散模型预测下一时刻与参考值偏差最小的电流值i
l1
(k+1)。
[0101]
步骤3.7：构建功率和电感电流的目标函数，计算使目标函数最小时对应的开关状态，并直接为逆变桥提供驱动信号，具体为：
[0102]
建立目标函数，判断出使得目标函数最小的开关状态s：
[0103]
将流过电感l1的电流、输出功率的参考值和预测值输入预测器。最终得到考虑功率和电感电流的目标函数为：h＝(p
ref1
+p
ref2
‑
p(k+2))2+q(k+2)2+λ
l
(i
l1ref
‑
i
l1
(k+2))2。利用dsp在线计算h值，判断最优开关状态s，并直接为逆变桥提供产生门极驱动的控制信号。
[0104]
逆变桥开关状态共有8种组合，可表示为：其中：
[0105][0106]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请权利要求所限定的范围。