一种计及短路比的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法

1.本发明涉及功率变换技术领域，尤其是一种计及短路比的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法。


背景技术：

2.可再生能源通过并网逆变器接入交流电网，并网逆变器与电网之间形成一个动态的互联系统，公共耦合点存在交互谐振。随着可再生能源装机容量越来越高，新能源装机渗透率在某些地区已经超过50％，此时输送到电网系统的电量主要由新能源发电量来提供，剩余发电量由火力发电厂来弥补。目前并网逆变器多采用lcl滤波器与电网连接，针对lcl滤波器谐振问题大致有两种解决方案：引入无源阻尼和有源阻尼控制。无源阻尼主要是在lcl上串联阻抗达到增加阻尼的效果；有源阻尼主要是在控制回路模拟阻尼达到增加阻尼的效果。
3.无源阻尼会带来额外的损耗且灵活性不足；有源阻尼实现方法灵活，但在电网阻抗变化时，不利于系统的稳定。目前，学者们提出混合阻尼的控制方法，将二者的优势互补，避免额外损耗并提高系统的稳定性。但在高渗透率的并网系统中，由于新能源发电的波动性导致电网强度宽范围变化，传统的混合阻尼控制方法将无法保持系统始终稳定。
4.为解决上述问题，需要提出一种混合阻尼自适应控制方法，保持系统始终稳定，为新型电力系统的构建提供技术支持。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种计及短路比的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法，应用在lcl型并网逆变器系统中，不仅能够适应电网强度的宽范围变化，还能够保持系统具有足够的相位裕度，提高系统的稳定性。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种计及短路比的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法，包括以下步骤：
8.s1、构建一台三相并网逆变器主电路系统；
9.s2、将逆变器并网电流与参考电流作差得到误差信号，将误差信号作为准谐振控制器的输入量；
10.s3、将电容电流经过改进的混合阻尼控制环节得到前馈信号u
hr
；
11.s4、为了保证在宽范围的电网强度下，系统仍能保持稳定，引入短路比λ、无源加权系数k1和有源加权系数k2组成的自适应控制方程，根据短路比λ的实时检测值生成最佳混合阻尼控制参数k1和k2；
12.s5、将准谐振控制器的输出信号u
pr
减去s3中得到的前馈信号u
hr
，得到调制信号；
13.s6、调制信号与载波控制信号比较，控制三相逆变器功率管的开通和关断。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：s1中，三相并网逆变器主电路结构包括六个功率开关器件、lcl滤波器和网侧电感；其中，六个功率开关器件组成三相电压型桥式逆变
结构，lcl滤波器用于滤除功率开关器件输出的高次电压谐波，网侧电感用于模拟线路阻抗；lcl滤波器电容支路串联阻尼电阻r。
15.本发明技术方案的进一步改进在于：s2中，准谐振控制器的传递函数为：
[0016][0017]
式中，k
p
为比例，kr为积分系数，ωc为通频带宽系数，ωo为基波角频率，s为拉普拉斯算子。
[0018]
本发明技术方案的进一步改进在于：s3中，所述改进的混合阻尼控制环节为：并网逆变器的控制策略中同时采用无源阻尼和有源阻尼，并加入两个控制参数分别是无源加权系数k1和有源加权系数k2；
[0019]
将无源加权系数k1加入到无源阻尼控制环节电阻r上，得到新的无源加权控制环节，其传递函数为：
[0020][0021]
将有源加权系数k2加入到有源阻尼控制环节hi上，得到新的有源加权控制环节，其传递函数为：
[0022]ghi
(s)＝k2hiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)。
[0023]
本发明技术方案的进一步改进在于：s4中，计及短路比的自适应控制方程为：
[0024][0025]
式中，ζ为最优阻尼比，pm为相角裕度。
[0026]
本发明技术方案的进一步改进在于：通过阻抗稳定性判据以及电网强度对并网系统稳定性影响的分析，推导公式并按照最优阻尼比ζ＝0.707和相角裕度pm＝60
°
来设计自适应方程；
[0027]
具体控制方程为：
[0028][0029]
式中，k
pwm
为逆变器的增益，与载波信号幅值有关；l1、l2和c为滤波器参数值，fc为截止频率，与逆变器输出阻抗以及电网系统的阻抗有关；ug为电网相电压的有效值，in为逆变器输出的额定相电流值，hi和r分别为初始状态下有源阻尼比例系数和无源阻尼值。
[0030]
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
[0031]
1、本发明通过设置混合阻尼，能够有效抑制lcl滤波器所带来的谐振问题，充分利用无源阻尼和有源阻尼二者的优势，增强了系统的稳定性。
[0032]
2、本发明中的计及短路比的混合阻尼控制方法不仅能在电网强度不变的强电网
系统中抑制系统并网谐振，还能够适应电网强度的宽范围变化，解决高渗透率的并网系统由于新能源发电波动性导致电网强度变化带来的不稳定问题。
[0033]
3、本发明通过自适应方程能够根据实时监测短路比的值，来调整逆变器输出阻抗，避免与电网系统产生交互谐振。
附图说明
[0034]
图1为本发明应用在高渗透率并网系统的系统拓扑图；
[0035]
图2为sogi-pll控制框图；
[0036]
图3为三相lcl并网逆变器传统混合阻尼控制策略图；
[0037]
图4为电网强度变化时逆变器系统阻抗伯德图；
[0038]
图5为计及短路比的并网逆变器混合阻尼自适应控制简化控制框图；
[0039]
图6为无源加权系数和有源加权系数变化下逆变器系统阻抗伯德图；
[0040]
图7为在电网强度变化时采用传统混合阻尼控制的逆变器并网电流仿真波形；
[0041]
图8为在电网强度变化时采用本发明控制方案的逆变器并网电流仿真波形。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
[0043]
如图1所示，本发明可应用在高渗透率的并网系统中，并网系统的稳定性受新能源发电的波动性影响大，电网强度易发生变化，系统可能由强电网转变到弱电网，也可能由弱电转变到强电网，且变化范围较大。本发明的实施不限制逆变器结构，即单相和三相均适用，具体实施方法中选取三相逆变器进行详细说明。
[0044]
一种计及短路比的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法，包括以下步骤：
[0045]
s1、构建一台三相并网逆变器主电路系统，并转化得到αβ轴坐标系下的主电路模型；
[0046]
s1.1构建三相并网逆变器主电路结构；
[0047]
如图1所示，三相并网逆变器主电路结构包括六个功率开关器件、lcl滤波器和网侧电感；其中，六个功率开关器件组成三相电压型桥式逆变结构，lcl滤波器用于滤除功率开关器件输出的高次电压谐波，网侧电感用于模拟线路阻抗；lcl滤波器电容支路串联阻尼电阻r；
[0048]
s1.2利用sogi-pll得到公共耦合点三相电压的相角，用于坐标变换以及参考电流生成；
[0049]
如图2所示，利用sogi-pll的具体结构，得到相角θ用于生成参考电流以及后续步骤的坐标变换；
[0050][0051]
式中，和分别为αβ轴的参考电流；和分别为dq轴的参考电流值；θ为锁相环生成的相角；
[0052]
s1.3将并网电流、电容电流和公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ轴坐标系
下的主电路模型；
[0053]
本发明涉及并网功率，因此abc-αβ采用等功率变换，有：
[0054][0055]
式中，i
α/g
和i
β/g
分别为输出并网电流在αβ坐标系下的分量；i
a/g
、i
b/g
和i
c/g
分别为输出并网电流在abc坐标系下的分量；
[0056][0057]
式中，i
α/c
和i
β/c
分别为电容电流在αβ坐标系下的分量；i
a/c
、i
b/c
和i
c/c
分别为电容电流在abc坐标系下的分量；
[0058][0059]
式中，u
α/pcc
和i
β/pcc
分别为公共耦合点电压在αβ坐标系下的分量；i
a/pcc
、i
b/pcc
和i
c/pcc
分别为公共耦合点电压在abc坐标系下的分量；
[0060]
abc-αβ轴的坐标变换不涉及变量之间的耦合，取其中一轴如α轴为例，分别选取电感电流和电容电压为状态变量可得到：
[0061][0062]
式中，所有变量均为在α轴下的分量：ud为逆变器输出电压；uc为电容电压；为逆变器侧电感电流；ig为网侧电感电流；u
pcc
为公共耦合点电压；
[0063]
根据式(5)变量之间的关系可以得到αβ轴坐标系下的主电路结构。
[0064]
s2、将αβ轴坐标系下的主电路模型中的逆变器并网电流与参考电流作差得到误差信号，将误差信号作为准谐振控制器(quasi proportional resonance,以下简称qpr)的输入量；
[0065]
选用电流控制器为qpr，其传递函数为：
[0066]
[0067]
式中，k
p
为比例，kr为积分系数，ωc为通频带宽系数，ωo为基波角频率，s为拉普拉斯算子。
[0068]
s3、将电容电流经过改进的混合阻尼控制环节得到前馈信号u
hr
；
[0069]
改进的混合阻尼控制环节为：并网逆变器的控制策略中同时采用无源阻尼和有源阻尼，并加入两个控制参数分别是无源加权系数k1和有源加权系数k2；
[0070]
将无源加权系数k1加入到无源阻尼控制环节电阻r上，得到新的无源加权控制环节，其传递函数为：
[0071][0072]
将有源加权系数k2加入到有源阻尼控制环节hi上，得到新的有源加权控制环节，其传递函数为：
[0073][0074]
图3为三相lcl并网逆变器传统混合阻尼控制策略图，传统采用混合阻尼控制的并网逆变器系统选用该控制结构，本发明将其应用在高渗透率并网系统的场景下，由此带来了电网强度变化对系统稳定性的影响；
[0075]
图4为电网强度变化时逆变器输出阻抗伯德图，在传统混合阻尼控制下，电网强度变化会导致逆变器输出阻抗变化，由阻抗稳定判据可知，在逆变器系统和电网系统互联时，任何一方阻抗发生变化，都会对互联系统的稳定性造成影响，故不得不考虑电网强度变化对系统的稳定性的影响。
[0076]
s4、为了保证在宽范围的电网强度下，系统仍能保持稳定，引入短路比λ、无源加权系数k1和有源加权系数k2组成的自适应控制方程，根据短路比λ的实时检测值生成最佳混合阻尼控制参数k1和k2；具体控制框图如图5所示；
[0077]
计及短路比的自适应控制方程为：
[0078][0079]
式中，通过阻抗稳定性判据以及电网强度对并网系统稳定性影响的分析，推导公式并按照最优阻尼比ζ＝0.707和相角裕度pm＝60
°
来设计自适应方程；
[0080]
具体控制方程为：
[0081][0082]
式中，k
pwm
为逆变器的增益，与载波信号幅值有关；l1、l2和c为滤波器参数值，fc为截止频率，与逆变器输出阻抗以及电网系统的阻抗有关；ug为电网相电压的有效值，in为逆变器输出的额定相电流值，hi和r分别为初始状态下有源阻尼比例系数和无源阻尼值；
[0083]
图6为无源加权系数和有源加权系数变化下逆变器系统阻抗伯德图，由图可知，计
及短路比的混合阻尼自适应控制可以调节逆变器输出阻抗，来维持系统的稳定性。
[0084]
s5、将qpr的输出信号u
pr
减去s3中得到的前馈信号u
hr
，得到αβ轴上的两个调制信号；
[0085]
调制信号表达式为
[0086][0087]
式中，e
α
和e
β
为αβ轴坐标系下的两个调制信号。
[0088]
s6、两个调制信号e
α
和e
β
经过坐标变换得到三相调制信号，与三相载波控制信号比较，控制三相逆变器功率管的开通和关断。
[0089]
对本发明的有效性进行验证，过程如下：
[0090]
系统参数：并网逆变器直流侧电压700v；电网相电压峰值为311v；逆变器侧电感为4mh，网侧电感为1mh，电容值为6μf，逆变器增益为700，截止频率为1500hz，单台三相逆变器的有功功率为3kw，额定无功功率为0。
[0091]
仿真结果如图7和图8所示，图7为并网运行时采用传统混合阻尼控制(即控制参数无自适应)在0.15s电网强度改变时并网电流波形，从图中可以看出电流谐波含量大。图8为相同工况变化下采用本发明的控制方案的并网电流波形，在0.15s电网强度改变时，实时自适应调整加权系数k1和k2，与图8相比降低了并网电流谐波，波形质量得到改善，谐振抑制效果显著，有利于系统稳定运行。
[0092]
综上所述，本发明应用在lcl型并网逆变器系统中，不仅能够适应电网强度的宽范围变化，还能够保持系统具有足够的相位裕度，提高系统的稳定性。