CN106340896B - 一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法，通过建立多逆变器并网结构模型，计算输入量与输出量件的相对增益值，进而得到相对增益矩阵，再通过对相对增益值来分析不同控制通道间是否存在交互影响，并引入NI指数，来衡量交互影响程度，并根据其符号正负来判断系统的稳定性和完整性。本发明采用基于频率的相对增益矩阵RGA可定量地分析多逆变器并网时控制通道交互作用的大小，低频段交互影响会随着并网台数、控制参数和电网等值阻抗的改变呈现强烈的负交互影响，而高频段交互影响多为正交互影响，一般有助于抑制相应频次谐波，NI指数的引入可在分析交互影响的同时对并网系统的稳定性进行判断，准确性高，实用性强。

Description

一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法
技术领域
本发明涉及弱电网接入下多逆变器并网影响分析技术领域，具体为一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法。
背景技术
近年来，由于土地、光照等资源的约束，大规模的新能源站多建在我国西部偏远地区或沙漠/半沙漠地带，长距离的输电线路使得多逆变器并网时电网阻抗不可忽略。而在逆变器设计和分析时，PCC(Point of Common Coupling公共连接点)电压通常被认为是恒定的，不考虑电网阻抗的耦合作用，逆变器的运行不受其他并联逆变器输出波动的影响。实际上，弱电网接入下，由于电网等值阻抗的存在，多逆变器并网时会通过PCC点耦合从而引起逆变器控制通道间的交互作用，进而影响逆变器并网电流中各频次谐波含量，使得多逆变器实际并网运行特性并不理想。
目前，国内外对多LCL型逆变器并网交互影响的研究主要集中在:一、逆变器LCL滤波器的设计与控制；二、多逆变器并网谐波交互与建模。
相对增益矩阵(relative gain array，RGA)原理最早由Bristol在1966年提出，是一种分析多变量控制系统交互影响和耦合程度的有效方法。目前，RGA已成功应用在FACTS、HVDC等领域，通过定量的分析装置间的交互影响从而对输入、输出变量进行匹配，选择合适的控制方案。2009年，Wuhua Hu，Wenjian Cai等人提出了多输入、多输出系统基于频率的RGA的计算方法。RGA的最大优势在于计算简便，但由于RGA忽略了过程的动态信息，只能分析各变量间的静态耦合作用，不能分析控制通道交互作用的大小，以及对并网系统稳定性进行判断。
发明内容
针对上述问题本发明的目的在于提供一种可定量地分析多逆变器并网时控制通道交互作用的大小，并可对并网系统的稳定性进行判断的多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法，技术方案如下：
一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法，包括：
步骤1：建立多逆变器并网结构模型，以逆变器输出侧电压Un为输入量，逆变器并网电流ign为输出量，两者的关系矩阵可表示为：
其中，系统传递函数矩阵G(s)对角线元素Gii表示只考虑逆变器自身作用时，逆变器输出电压与并网电流之间的传递函数；非对角元素Gij(i≠j)为考虑逆变器j作用时，其输出电压与逆变器i并网电流间的耦合传递函数；
步骤2：若同批安装的多个LCL型逆变器的参数均相同，则该并网系统具有对称性，上式系统传递函数矩阵G(s)中各对角线元素相等，以G11表示；非对角线元素也全部相等，以G12表示；则弱电网下G11和G12分别为：
其中，Linv、Lg和Cf分别为LCL滤波器逆变器侧电感、电网侧电感和滤波电容，n为逆变器台数；Zg为电网阻抗，s为频域表达式算子；
步骤3：多逆变器并网时的控制系统中，PI内环电流控制系统采用逆变器并网电流反馈单环控制，PWM装置采用数字控制时，需要一段时间进行A/D转换和计算，由此造成的采样时刻和占空比更新时间的延迟，用一阶惯性环节kpwm/(1+1.5sTs)表示；PI(s)为并网电流内环调节器的传递函数，采用比例积分控制，其表达式为PI(s)＝kp+ki/s；PI(s)和PWM(s)皆为对角矩阵，表示如下
其中，Ts为采样周期，kpwm为逆变器增益系数，且有kpwm＝Udc/Um，其中Um为PWM调制波峰值，kp、ki为控制参数，Udc为逆变器直流侧电压；
步骤4：弱电网接入下，设多逆变器并网时的控制系统传递函数矩阵为H(s)，有Ig(s)＝H(s)Iref(s)；令s＝jω＝j2πf，计算任意系统频率下H(s)的相对增益矩阵HRGA；H(s)和HRGA分别表示为：
步骤5，基于频率的动态相对增益矩阵：对于所确定的多输入-多输出系统，输入量uj与输出量yi间的相对增益值λij定义为
其中，分子增益表示在控制通道均开环的情况下，除uj至yi控制通道，其它控制通道全部断开时所得到的通道增益；分母增益则表示当其他输出量均不变时，uj至yi的控制通道增益；所有的相对增益值λij构成RGA矩阵，该矩阵描述了不同控制通道间的交互影响大小，计算方法如下：
步骤6：对于相对增益矩阵RGA，有则：
若λij＝0，uj将无法控制yi；若λij＝1，则uj至yi控制通道与其它控制通道的交互影响为零，即彼此间不存在耦合作用；
若λij≤0，则控制系统的不同控制通道间的交互影响很大，该系统将失去稳定；
若0.8≤λij≤1.2，则交互影响较小，且λij越接近于1，交互影响越小；
若0.3≤λij≤0.7或λij≥1.5，则表示控制系统交互影响较大，控制通道受耦合作用影响最严重。
进一步的，上述步骤之后还包括：
A)引入NI指数，NI指数可定义如下
其中，分子为G(s)的行列式，分母为G(s)主对角线上各对应元素的乘积，gii表示为矩阵G(s)的元素；
B)依据NI指数的以下特性判断并网系统稳定性：
若匹配后的RGA元素大于0，并接近于1，则系统稳定；
若NI>0，则系统稳定；
NI指数越接近于1，表示交互影响越小，且仅当NI<0时，系统不稳定
本发明的有益效果是：
1)本发明方法以弱电网接入为研究背景，采用基于频率的RGA与NI指数结合的方法分析多逆变器并网时控制通道间的交互影响，建立多逆变器并网控制系统模型并对其弱电网下运行特性给予分析，研究了并网台数、控制参数和电网等效阻抗改变时控制通道交互影响的变化规律；
2)本发明采用基于频率的相对增益矩阵RGA可定量地分析多逆变器并网时控制通道交互作用的大小，低频段交互影响会随着并网台数、控制参数和电网等值阻抗的改变呈现强烈的负交互影响，而高频段交互影响多为正交互影响，一般有助于抑制相应频次谐波，NI指数的引入可在分析交互影响的同时对并网系统的稳定性进行判断。
附图说明
图1是多逆变器并网结构图。
图2是多逆变器并网控制系统图。
图3是不同频率下的λ11值。
图4a是并联台数变化时的λ11值。
图4b是控制参数Kp改变时的λ11值。
图4c是控制参数Ki改变时的λ11值。
图4d是电网阻抗Lgrid改变时的λ11值。
图5是并网电流谐波含量变化趋势图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。本发明主要以弱电网接入为研究背景，采用基于频率的RGA矩阵与NI指数(Niederlinski-index)结合的方法分析多逆变器并网控制通道间的交互影响。建立弱电网下多逆变器并网模型并对其运行特性给予分析，基于RGA原理对多逆变器并网控制通道间的交互作用定量分析，给出并联逆变器台数、控制参数和等效电网阻抗变化时控制通道交互影响的变化规律。具体步骤如下：
一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立多逆变器并网结构模型，以逆变器输出侧电压Un为输入量，逆变器并网电流ign为输出量，两者的关系矩阵可表示为：
其中，系统传递函数矩阵G(s)对角线元素Gii表示只考虑逆变器自身作用时，逆变器输出电压与并网电流之间的传递函数；非对角元素Gij(i≠j)为考虑逆变器j作用时，其输出电压与逆变器i并网电流间的耦合传递函数。
多逆变器并联接入电网运行结构如图1所示。其中，ign为逆变器并网电流，Linv、Lg和Cf分别为LCL滤波器逆变器侧电感、电网侧电感和滤波电容。
步骤2：若同批安装的多个LCL型逆变器的参数均相同，则该并网系统具有对称性，上式系统传递函数矩阵G(s)中各对角线元素相等，以G11表示；非对角线元素也全部相等，以G12表示；多个并联的LCL型逆变器将通过PCC电压耦合在一起，彼此间存在复杂的交互影响；弱电网下G11和G12分别为：
其中，Linv、Lg和Cf分别为LCL滤波器逆变器侧电感、电网侧电感和滤波电容，n为逆变器台数。为简化表示式(2)和式(3)引入GLCL、Ggrid，Zg为电网阻抗，s为频域表达式算子。
步骤3：多逆变器并网时的控制系统中，PI内环电流控制系统采用逆变器并网电流反馈单环控制，PWM装置采用数字控制时，需要一段时间进行A/D转换和计算，由此造成的采样时刻和占空比更新时间的延迟，用一阶惯性环节kpwm/(1+1.5sTs)表示；PI(s)为并网电流内环调节器的传递函数，采用比例积分控制，其表达式为PI(s)＝kp+ki/s；PI(s)和PWM(s)皆为对角矩阵，表示如下
其中，Ts为采样周期，kpwm为逆变器增益系数，且有kpwm＝Udc/Um，其中Um为PWM调制波峰值，kp、ki为控制参数，Udc为逆变器直流侧电压。
多逆变器并网控制系统如图2所示。其中，irefn为逆变器并网参考电流值，un为逆变器输出侧电压值。
步骤4：弱电网接入下，设多逆变器并网时的控制系统传递函数矩阵为H(s)，有Ig(s)＝H(s)Iref(s)；令s＝jω＝j2πf，计算任意系统频率下H(s)的相对增益矩阵HRGA；H(s)和HRGA分别表示为：
步骤5，基于频率的动态相对增益矩阵：对于所确定的多输入-多输出系统，输入量uj与输出量yi间的相对增益值λij定义为
其中，分子增益表示在控制通道均开环的情况下，除uj至yi控制通道，其它控制通道全部断开时所得到的通道增益；分母增益则表示当其他输出量均不变时，uj至yi的控制通道增益；所有的相对增益值λij构成RGA矩阵，该矩阵描述了不同控制通道间的交互影响大小，计算方法如下：
步骤6：对于相对增益矩阵RGA，有则：
若λij＝0，uj将无法控制yi；若λij＝1，则uj至yi控制通道与其它控制通道的交互影响为零，即彼此间不存在耦合作用；
若λij≤0，则控制系统的不同控制通道间的交互影响很大，该系统将失去稳定；
若0.8≤λij≤1.2，则交互影响较小，且λij越接近于1，交互影响越小；
若0.3≤λij≤0.7或λij≥1.5，则表示控制系统交互影响较大，控制通道受耦合作用影响最严重。
步骤7：NI指数的引入；对于一个n×n系统来说，若已进行了主对角线形式的配对方式，则有y1-u1，y2-u2，…，yn-un；若不是主对角线形式，则需对应调整输入输出的顺序，并使之具有上述形式；则NI指数可定义如下
其中，分子为G(s)的行列式，分母为G(s)主对角线上各对应元素的乘积，gii表示为矩阵G(s)的元素。
步骤8：依据NI指数的以下特性判断并网系统稳定性：若匹配后的RGA元素大于0，并接近于1，则系统稳定；若NI>0，则系统稳定；若无较大的RGA元素，则系统稳定。
一般来说，RGA结合NI指数的策略是控制方案匹配选择时的有效指导工具，其指导准则如下：
a.匹配后的RGA元素应大于0，并尽量地接近于1。
b.NI>0。
c.尽量避免出现较大的RGA元素。
NI指数是一种可衡量交互影响程度的全局交互测量指标，其值越接近于1，表示交互影响越小；根据其符号正负可用来判断系统的稳定性和完整性，当且仅当NI<0时，系统是不稳定的。
根据本发明的方法，基于已建立的多逆变器并网系统模型分析多逆变器并网时控制通道间的交互影响。对某一风电场并网系统进行仿真分析。逆变器并网参数如表1所示
图3为不同频率下的λ11值。由图3知，在f<250Hz频率段，相对增益矩阵元素λ11很接近于1，即此时多并网逆变器控制通道之间基本没有交互作用，随着频率的增大，λ11>1，控制通道间出现负交互影响，且交互作用逐渐增大，f＝447Hz时，相对增益值达到最大λ11＝1.304，此阶段负交互影响将会使得原有控制通道闭环增益增大，控制通道间有方向相反的控制影响，从而降低控制通道原有效果。当f>600Hz时，控制通道间出现正交互作用，原有逆变器控制通道的闭环增益减少。
图4表示分别改变并网逆变器台数n，控制参数ki和kp以及弱电网等效电抗Lgrid时，不同频率下的相对增益矩阵元素λ11值。由图4a可看出，随着并网台数的增加，逆变器控制通道间的交互影响逐渐减弱，且负交互作用最严重的系统频率也逐渐降低。图4b显示，PI控制器参数kp的增大使得曲线朝频率增大的方向移动，且峰值逐渐减小，负交互作用最严重的频率呈逐渐变大的趋势。但在高频段曲线较平稳，kp的变化所引起的影响较小。图4c显示，PI控制器参数ki的改变对并网系统控制通道间的交互影响很微弱，可忽略不计。由图4d可知，弱电网下，等效电网电抗Lgrid的增大使控制通道间的交互影响逐渐增强。基于以上分析，在满足逆变器并网性能前提下，参数kp、ki应尽可能设计的较小，以减弱控制通道间的交互影响。
仿真验证本发明方法的可行性。在MATLAB/Simulink中搭建多逆变器并入网模型。并网参数均采用表1，以仿真数据验证当逆变器台数n改变时，控制通道间交互影响分析所得结论的正确性。在逆变器a的参考电流中分别注入谐波含量为5％的150Hz、250Hz、350Hz、450Hz、550Hz和850Hz的谐波电流，当并网台数分别为1、2、3、4、5、6和10台时，逆变器a并网电流中各频次谐波含量如表2所示。
表2.并网电流谐波含量
图5为各频次电流谐波含量的变化趋势图。为判断并网台数为10台时的系统稳定性，计算各频次谐波下的NI指数，分别为NI＝0.9983、1.1172、1.2338、1.2724、1.3365和1.3981。由图5可知以下结论：
1)在150Hz和250Hz等低频段，随着逆变器并网台数n的增加，控制通道间的交互影响基本不改变逆变器a并网电流中此频段的谐波含量。
2)对于逆变器a并网电流中f＝350Hz、450Hz和550Hz等频次谐波来说，因控制通道间的负交互影响使得原有控制通道控制性能减弱，逆变器a并网电流中该频次谐波含有率增大。且负交互影响最严重的谐波频率随着并网台数的减小而增大。
3)对于850Hz以及更高频次的谐波电流来说，控制通道间的正交互作用使逆变器a并网电流中该频次谐波含有率不断减小。工程实际中，可借助于上述结论制定相应抑制谐波电流的策略。

Claims (2)

1.一种多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立多逆变器并网结构模型，以逆变器输出侧电压Un为输入量，逆变器并网电流ign为输出量，两者的关系矩阵可表示为：
其中，系统传递函数矩阵G(s)对角线元素Gii表示只考虑逆变器自身作用时，逆变器输出电压与并网电流之间的传递函数；非对角元素Gij(i≠j)为考虑逆变器j作用时，其输出电压与逆变器i并网电流间的耦合传递函数；
步骤2：若同批安装的多个LCL型逆变器的参数均相同，则该并网系统具有对称性，上式系统传递函数矩阵G(s)中各对角线元素相等，以G11表示；非对角线元素也全部相等，以G12表示；则弱电网下G11和G12分别为：
其中，Linv、Lg和Cf分别为LCL滤波器逆变器侧电感、电网侧电感和滤波电容，n为逆变器台数；Zg为电网阻抗，s为频域表达式算子；
步骤3：多逆变器并网时的控制系统中，PI内环电流控制系统采用逆变器并网电流反馈单环控制，PWM装置采用数字控制时，需要一段时间进行A/D转换和计算，由此造成的采样时刻和占空比更新时间的延迟，用一阶惯性环节kpwm/(1+1.5sTs)表示；PI(s)为并网电流内环调节器的传递函数，采用比例积分控制，其表达式为PI(s)＝kp+ki/s；PI(s)和PWM(s)皆为对角矩阵，表示如下
其中，Ts为采样周期，kpwm为逆变器增益系数，且有kpwm＝Udc/Um，其中Um为PWM调制波峰值，kp、ki为控制参数，Udc为逆变器直流侧电压；
步骤4：弱电网接入下，设多逆变器并网时的控制系统传递函数矩阵为H(s)，有Ig(s)＝H(s)Iref(s)；令s＝jω＝j2πf，计算任意系统频率下H(s)的相对增益矩阵HRGA；H(s)和HRGA分别表示为：
步骤5，基于频率的动态相对增益矩阵：对于所确定的多输入-多输出系统，输入量uj与输出量yi间的相对增益值λij定义为
其中，分子增益表示在控制通道均开环的情况下，除uj至yi控制通道，其它控制通道全部断开时所得到的通道增益；分母增益则表示当其他输出量均不变时，uj至yi的控制通道增益；所有的相对增益值λij构成RGA矩阵，该矩阵描述了不同控制通道间的交互影响大小，计算方法如下：
步骤6：对于相对增益矩阵RGA，有则：
若λij＝0，uj将无法控制yi；若λij＝1，则uj至yi控制通道与其它控制通道的交互影响为零，即彼此间不存在耦合作用；
若λij≤0，则控制系统的不同控制通道间的交互影响很大，该系统将失去稳定；
若0.8≤λij≤1.2，则交互影响较小，且λij越接近于1，交互影响越小；
若0.3≤λij≤0.7或λij≥1.5，则表示控制系统交互影响较大，控制通道受耦合作用影响最严重。
2.根据权利要求1所述的多逆变器并网控制通道间交互影响的分析方法，其特征在于，上述步骤之后还包括：
A)引入NI指数，NI指数可定义如下
其中，分子为G(s)的行列式，分母为G(s)主对角线上各对应元素的乘积，gii表示为矩阵G(s)的元素；
B)依据NI指数的以下特性判断并网系统稳定性：
若匹配后的RGA元素大于0，并接近于1，则系统稳定；
若NI>0，则系统稳定；
NI指数越接近于1，表示交互影响越小，且仅当NI<0时，系统不稳定。
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偏远地区风电场并网系统串联谐振分析;唐振东 等;《电网技术》;20160531;第40卷(第5期);第1415-1421页
多逆变器并网系统输出阻抗建模与谐波交互;许德志 等;《电机与控制学报》;20140228;第18卷(第2期);第1-7页

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