并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法

1.本发明涉及新能源发电及微电网技术领域，具体涉及一种并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法。


背景技术：

2.随着国家“30
·
60目标”的提出，分布式电源在电力系统中的渗透率必定持续提升，这将给我国电力系统的安全性和稳定性带来新的挑战。由于新能源分布式发电并网的日渐普及，已经无法再将电网看作是一个理想的电压源模型了，偏远地区供电所需的长距离输电线路以及变压环节增多造成变压器漏抗不可忽略，导致电网呈现出弱电网特性。在弱电网条件下，由于并联逆变器之间以及逆变器与电网之间的耦合作用，系统会产生谐振在分布式发电系统中，多个并网逆变器连接到电网的同一公共连接点时，逆变器与逆变器之间、逆变器与电网之间存在的谐波交互作用可能引发谐振，使系统出现过电压、过电流现象，威胁系统的安全稳定运行，严重时可导致系统完全失去稳定。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法，以解决弱电网条件下多逆变器并联系统谐振问题。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法，包括：
6.对并联逆变器接入电网的公共耦合点电压、进网电流分别进行采样；
7.根据上级系统给定的有功功率、无功功率指令值和公共耦合点电压，计算对应的电流指令；
8.采用高通滤波器提取进网电流的高频谐波分量作为负反馈，等效在各台逆变器侧串联虚拟阻抗；
9.将进网电流与计算出的电流指令作差，所得到的差值再与进网电流的高频谐波分量相加作为准比例谐振(qpr)控制器的输入；
10.将进网电流通过并网电流反馈环节与qpr控制器输出值作差，作为调制电压；
11.根据各台逆变器到公共耦合点的线路阻抗，自适应调整各支路串联的虚拟阻抗值，使各支路的总阻抗相等。
12.进一步地，将逆变器等效成戴维南等效电路模型，各台逆变器参数一致，则各台逆变器的电压源传递函数g(s)和输出阻抗zo(s)均相同，分别为：
[0013][0014]
[0015]
式中，l1、l2、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、并网侧电感、滤波电容，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数，gc(s)为qpr控制器，h(s)为用于抑制lcl固有谐振的电流反馈环节，s为微分算子。
[0016]
进一步地，所述根据上级系统给定的有功功率、无功功率指令值和公共耦合点电压，计算对应的电流指令，包括：
[0017]
将公共耦合点电压u
pcc
经过abc/dq变换，得到公共耦合点电压u
pcc
在dq轴上的分量ud、uq；
[0018]
根据以下公式计算电流指令：
[0019][0020]
式中，id、iq分别为电流指令在dq轴上的分量，p
ref
、q
ref
分别为给定有功功率、无功功率指令值；
[0021]
将电流指令在dq轴上的分量id、iq经过dq/аβ变换，得到电流指令值在αβ坐标系下的分量i
а
、i
β
。
[0022]
进一步地，所述虚拟阻抗的表达式为：
[0023][0024]
式中，z
vi
为第i台逆变器串联的虚拟阻抗，k
vi
为第i台逆变器的虚拟阻抗系数，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数，gh(s)为高通滤波器，gc(s)为qpr控制器，s为微分算子，l1、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、滤波电容。
[0025]
进一步地，所述并网电流反馈环节的传递函数h(s)为：
[0026]
h(s)＝k0s2+k1s+k2+k3s-1
[0027][0028]
式中，s为微分算子，l1、l2、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、并网侧电感、滤波电容，l
line
为逆变器到公共耦合点的线路阻抗，ξ为滤波系统谐振阻尼比，ξ0为基波谐振控制的阻尼系数，ω0为基波角频率，ω1为lcl的固有谐振角频率，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数。
[0029]
进一步地，所述根据各台逆变器到公共耦合点的线路阻抗，自适应调整虚拟阻抗值，使各支路的总阻抗相等，包括：
[0030]
当逆变器线路阻抗发生变化时，根据下式计算两逆变器支路的线路阻抗之差：
[0031]zoi
+z
vi
+sl
linei
＝z
oj
+z
vj
+sl
linej
[0032]
式中，z
oi
、z
oj
分别为第i台逆变器和第j台逆变器的输出阻抗，i≠j，且z
oi
＝z
oj
，z
vi
、z
vj
分别为第i台逆变器和第j台逆变器串联的虚拟阻抗，l
linei
、l
linej
分别为第i台逆变器
到公共耦合点的线路阻抗和第j台逆变器到公共耦合点的线路阻抗，s为微分算子；
[0033]
根据两逆变器支路的线路阻抗之差，实时修正两逆变器的虚拟阻抗系数，使两逆变器的虚拟阻抗系数之差与线路阻抗之差满足正比关系，保证各支路的总阻抗始终相等。
[0034]
进一步地，两逆变器的虚拟阻抗系数之差与线路阻抗之差的正比关系为：
[0035][0036]
式中，k
vi
、k
vj
分别为第i台逆变器和第j台逆变器的虚拟阻抗系数，l1、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、滤波电容，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数，gh(s)为高通滤波器，gc(s)为qpr控制器。
[0037]
进一步地，所述的一种并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法，还包括：根据逆变器直流母线供电模式，选择不同的投切环流抑制策略。
[0038]
进一步地，所述根据逆变器直流母线供电模式，选择不同的投切环流抑制策略，包括：
[0039]
当逆变器为独立式供电模式，逆变器间不存在零序环流，不改变svpwm调制的调制波电压；
[0040]
当逆变器为共直流母线式和含直流开关柜式，逆变器间存在零序环流，将并网三相电流相加得到零序电流值，将零序电流值通过环流控制器得到的环流分量注入svpwm调制的调制波电压。
[0041]
进一步地，所述环流控制器采用基波角频率为三倍频的pr调节器，其传递函数为：
[0042][0043]
式中，k
p
为比例系数，kr为谐振系数，ω0为基波角频率，s为微分算子。
[0044]
根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：
[0045]
1、本发明提供的方法可以有效抑制弱电网下的多逆变器并联系统的谐波谐振问题，同时可以根据线路阻抗，自适应调整虚拟阻抗值，实现各线路阻抗匹配，使系统具有更高的有功分配和无功均分的精度；
[0046]
2、本发明提供的方法进一步根据增加逆变器直流母线供电模式，选择投切环流抑制策略，解决了共直流母线式和含直流开关柜式并联结构的逆变系统的零序环流问题，拓宽了本发明的适用场景，提高了逆变器工作的可靠性和稳定性。
附图说明
[0047]
图1为本发明具体实施例中并联逆变器并网系统控制方法的系统结构框图；
[0048]
图2为本发明具体实施例中电流控制框图；
[0049]
图3为本发明具体实施例中自适应虚拟阻抗调整流程图；
[0050]
图4为本发明具体实施例中环流抑制策略框图。
具体实施方式
[0051]
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明
本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0052]
如前所述，在弱电网条件下，多个并网逆变器连接到电网的同一公共连接点时，逆变器与逆变器之间、逆变器与电网之间存在的谐波交互作用可能引发谐振，使系统出现过电压、过电流现象，威胁系统的安全稳定运行。
[0053]
为此，本发明在三相lcl型并网逆变器的基础上，提出了一种并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法。在本实施例中，以双机变联逆变器为例进行说明。
[0054]
如图1所示，并联逆变器并网系统，包括双机并联逆变器、lcl滤波器、电网模块。双机并联逆变器包括逆变器1和逆变器2，每台逆变器一端连接直流输入端，另一端连接lcl滤波器；lcl滤波器通过线路阻抗l
line
连接到公共耦合点pcc；虚拟阻抗zv串联在lcl滤波器和线路阻抗之间；电网模块为弱电网，即电网阻抗lg不可忽略。
[0055]
其中，建立逆变器的戴维南等效电路模型，两台逆变器参数一致，则两台逆变器的电压源传递函数g(s)和输出阻抗zo(s)均相同，分别为：
[0056][0057][0058]
式中，l1、l2、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、并网侧电感、滤波电容，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数，gc(s)为qpr控制器，h(s)为用于抑制lcl固有谐振的电流反馈环节，s为微分算子。
[0059]
结合图1、图2所示，一种并联逆变器并网系统自适应虚拟阻抗谐振抑制的控制方法，包括：
[0060]
步骤s1，对并联逆变器接入电网的公共耦合点电压、进网电流分别进行采样；
[0061]
在每个采样周期，分别采样公共耦合点电压u
pcc
、进网电流ig。将进网电流ig经过abc/aβ变换，得到进网电流ig在aβ轴上的分量ia、i
β
。
[0062]
步骤s2，根据上级系统给定的有功功率、无功功率指令值和公共耦合点电压，计算对应的电流指令；
[0063]
将公共耦合点电压u
pcc
经过abc/dq变换，得到公共耦合点电压u
pcc
在dq轴上的分量ud、uq。
[0064]
根据以下公式计算电流指令：
[0065][0066]
式中，id、iq分别为电流指令在dq轴上的分量，p
ref
、q
ref
分别为给定有功功率、无功功率指令值。由上式可知，通过控制id实现对并网逆变器的输出有功功率控制，通过控制iq实现对并网逆变器的输出无功功率控制。
[0067]
将电流指令在dq轴上的分量id、iq经过dq/аβ变换，得到电流指令在αβ坐标系下的分量i
а
、i
β
。
[0068]
步骤s3，采用高通滤波器提取进网电流的高频谐波分量作为负反馈，等效在各台逆变器侧串联虚拟阻抗；
[0069]
采用一阶高通滤波器提取公共耦合点pcc处电流高频谐波分量i
аh
、i
βh
，且使得低频的基波分量信号受到极大衰减。将高频谐波分量i
аh
、i
βh
加到qpr电流控制器中，可以等效在各台逆变器侧串联虚拟阻抗，用于泄放高频谐波电流，改善逆变器输出阻抗。可以使得电网阻抗与逆变器等效输出阻抗满足奈奎斯特稳定判据，抑制弱电网引发的谐振。
[0070]
在本实施例中，逆变器1和逆变器2串联的虚拟阻抗表达式为：
[0071][0072]
式中，z
v1
为逆变器1串联的虚拟阻抗，z
v2
为逆变器2串联的虚拟阻抗，k
v1
为逆变器1的虚拟阻抗系数，k
v2
为逆变器2的虚拟阻抗系数，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数，gh(s)为高通滤波器，gc(s)为qpr控制器，s为微分算子，l1、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、滤波电容。
[0073]
步骤s4，将进网电流与步骤s2计算出的电流指令作差，所得到的差值再与步骤s3中提取的高频谐波分量相加作为qpr控制器的输入；
[0074]
将进网电流ig在aβ轴上的分量ia、i
β
分别与电流指令在αβ坐标系下的分量i
а
、i
β
作差，所得差值分别再与高频谐波分量i
аh
、i
βh
相加，作为qpr控制器的输入。
[0075]
步骤s5，将进网电流通过并网电流反馈环节与qpr控制器输出值作差，作为调制电压；
[0076]
采用进网电流反馈控制策略来抑制lcl滤波器的谐振尖峰。具体的，将进网电流ig在aβ轴上的分量ia、i
β
通过并网电流反馈环节与qpr控制器输出值作差，得到调制电压。
[0077]
其中，并网电流反馈环节的传递函数h(s)具体如下：
[0078]
h(s)＝k0s2+k1s+k2+k3s-1
[0079][0080]
式中，s为微分算子，l1、l2、c分别为lcl滤波器逆变侧电感、并网侧电感、滤波电容，l
line
为逆变器到公共耦合点的线路阻抗，ξ为滤波系统谐振阻尼比，ξ0为基波谐振控制的阻尼系数，ω0为基波角频率，ω1为lcl的固有谐振角频率，k
pwm
为调制波到逆变侧电压的传递函数。
[0081]
步骤s6，根据各台逆变器到公共耦合点的线路阻抗，自适应调整各支路串联的虚拟阻抗值，使各支路的总阻抗相等。
[0082]
图3为本发明具体实施例中自适应虚拟阻抗调整流程图。当逆变器线路阻抗发生变化时，通过参数辨识，计算得到线路阻抗之差，实时修正虚拟阻抗系数，使虚拟导纳系数
之差与线路阻抗之差满足正比关系，保证各支路的总阻抗始终相等，实现均流控制。
[0083]
具体的，通过系统参数辨识，计算线路阻抗值l
line1
、l
line2
，如果线路阻抗相等，则满足有功分配和无功均分的精度；如果线路阻抗不等，则不满足。其中，线路阻抗根据下式计算：
[0084][0085]
式中，uo和u
pcc
分别为逆变器的出口电压和公共耦合点pcc电压，l
line
为线路阻抗，t为时间，单位为秒。
[0086]
串联虚拟阻抗后各支路总阻抗应相等，即满足如下关系式：
[0087]zo1
+z
v1
+sl
line1
＝z
o2
+z
v2
+sl
line2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0088]
式中，z
o1
、z
o2
分别为逆变器1和逆变器2的输出阻抗，z
v1
、z
v2
分别为逆变器1和逆变器2串联的虚拟阻抗，l
line1
、l
line2
分别为逆变器1到公共耦合点pcc的线路阻抗和逆变器2到公共耦合点pcc的线路阻抗，s为微分算子。
[0089]
由于逆变器1的输出阻抗z
o1
和逆变器2的输出阻抗z
o2
相等，则式(6)转换为：
[0090]zv1
+sl
line1
＝z
v2
+sl
line2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0091]
根据式(7)，当逆变器1到公共耦合点的线路阻抗l
line1
和逆变器2到公共耦合点的线路阻抗l
line2
不同时，则需通过修正虚拟阻抗的值才能保证等式成立。将式(4)代入式(7)中，可以得到两支路虚拟阻抗系数之差的计算公式：
[0092][0093]
实时修正虚拟阻抗系数，使两逆变器的虚拟阻抗系数之差与线路阻抗之差满足正比关系，保证各支路的总阻抗始终相等。
[0094]
在进一步实施例中，直流输入端包含独立式、共直流母线式和含直流开关柜式三种供电模式。根据逆变器直流母线工作模式，可以投切环流控制策略，增加系统的适用场景。
[0095]
图4为环流抑制策略框图。三种逆变器供电模式独立式、共直流母线式和含直流开关柜式分别为mode1、mode2和mode3。
[0096]
如果mode＝1，逆变器为独立式供电模式，逆变器间不存在零序环流，则不改变spwm调制的调制波电压。
[0097]
如果mode≠1，则逆变器为共直流母线式和含直流开关柜式，逆变器间存在零序环流，将三相电流相加计算得到零序电流值，采用环流控制器，将环流分量注入spwm调制，对逆变器的占空比进行调节，进而抑制零序环流的产生。
[0098]
由于低频零序环流主要成分为3倍频分量，可以考虑采用ω0为三倍基频的pr调节器来实现零序环流的抑制，其传递函数为：
[0099][0100]
式中，式中，k
p
为比例系数，kr为谐振系数，ω0为基波角频率，s为微分算子。
[0101]
本发明根据上级系统对并网逆变器输出有功和无功功率的指令，根据功率计算和坐标变换得到对应的电流指令信号，再和等效各台逆变器侧串联虚拟阻抗的并网电流的高次谐波分量相加作为电流控制器的输入信号，以抑制逆变器输出阻抗与电网线路阻抗耦合产生的谐振。并能根据各台逆变器到公共耦合点的线路阻抗，自适应调整虚拟阻抗值，让各支路的等效总阻抗相等，从而使系统具有更高的有功分配和无功均分的精度。此外，还可以进一步根据逆变器直流母线供电模式，选择投切环流抑制策略，解决共直流母线式和含直流开关柜式并联结构的逆变系统的零序环流问题。
[0102]
因而，本发明可以有效抑制并联逆变器并网系统的谐振，提高系统的功率分配精度，拓宽了并联逆变器的适用场景，提高了并联逆变器工作的可靠性和稳定性。
[0103]
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。