CN107093909B - 一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，包括：S1：根据并网逆变器的d‑q导纳模型，确定逆变器与弱电网之间的交互关系，即：当弱电网阻抗不大于第一电网阻抗值Zg0时，并网系统能维持稳定；当弱电网阻抗变化为第二电网阻抗值Zg时，并网系统则走向不稳定，其中Zg＝Zg0+Z'g，Z'g为弱电网阻抗的变化值，该变化值大于0；S2：在线测量弱电网阻抗的变化值Z'g，在并网逆变器的控制环路中接入虚拟导纳Yp，虚拟导纳Yp对电网阻抗变化进行自适应调整，使得并网系统阻抗比(Zg0+Z'g)·(Yout_cl+Yp)的奈奎斯特曲线与Zg0·Yout_cl相同，Yout_cl为逆变器输出导纳，并网系统的稳定性即能得到维持，实现弱电网下并网逆变器稳定性的提高，进一步的，能降低虚拟导纳在控制环路中实现的阶数，提高了实用性。

Description

一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法
技术领域
本发明涉及电力系统中新能源并网、电力电子技术领域，具体地，涉及一种用于提高弱电网下并网逆变器稳定性的自适应虚拟d-q导纳方法。
背景技术
几乎所有的分布式电源都是通过并网逆变器实现交流配电网的接入，此时并网逆变器与配电网之间形成一个动态的互联系统，在互联系统的公共连接处可能会存在两者阻抗的交互，产生谐振问题。
目前针对分布式发电系统中电力电子装置与电网之间交互影响的研究，大多采用阻抗建模的分析方法。基于阻抗稳定性分析方法的本质是将系统分成电源和负载两个子系统，分别建立两个子系统的阻抗模型，通过子系统之间的阻抗比分析并网系统的稳定性。在直流系统中，可直接基于稳态工作点进行子系统的小信号阻抗建模与分析；而在三相对称的交流系统中，由于交流信号的时变性，系统的稳态工作点难以确定，因此需要在d-q同步旋转坐标系下确定系统的稳态工作点，建立相应的子系统d-q阻抗模型，进行d-q阻抗稳定性分析。
经检索，“Analysis of D-Q Small-Signal Impedance of Grid-TiedInverters”，IEEE Transactions on Power Electronics，第31卷，第1期，2016。提出了三相并网逆变器的d-q阻抗模型，并利用d-q阻抗比矩阵进行了并网系统的稳定性分析，但并未研究如何利用相应的d-q阻抗模型设计虚拟导纳，以改进弱电网下的系统稳定性。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，以提高逆变器在弱电网下的系统稳定性。该发明适用于新能源经逆变器接入较弱的配电网场合(如偏远地区的乡村电网等)，在弱电网阻抗出现一定范围下的波动时，维持并网系统的稳定性，提高系统的稳定裕度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，包括：
S1：根据并网逆变器的d-q导纳模型，确定逆变器与弱电网之间的交互关系，即：
当弱电网阻抗不大于第一电网阻抗值Zg0时，并网系统能维持稳定；
当弱电网阻抗变化为第二电网阻抗值Zg时，并网系统则走向不稳定，其中Zg＝Zg0+Z'g，Z'g为弱电网阻抗的变化值，该变化值大于0；
S2：在线测量弱电网阻抗的变化值Z'g，在并网逆变器的控制环路中接入虚拟导纳Yp，虚拟导纳Yp对电网阻抗变化进行自适应调整，使得并网系统阻抗比(Zg0+Z'g)·(Yout_cl+Yp)的奈奎斯特曲线与Zg0·Yout_cl相同，其中Yout_cl为逆变器输出导纳，并网系统的稳定性即能得到维持，实现弱电网下并网逆变器稳定性的提高。
优选地，S1中，利用阻抗法分析逆变器与弱电网之间的交互关系。
优选地，S2中，所述虚拟导纳Yp，具体量值由下式决定：
Zg(Yout_cl+Yp)＝Zg0Yout_cl。
更优选地，所述虚拟导纳Yp是一个补偿矩阵，其具体量值为：
Yp＝-Yg(Zg-Zg0)Yout_cl；
由该公式可知，只要确定了稳定运行情况下的电网阻抗Zg0与实际电网阻抗即第二电网阻抗值Zg，通过该方法得到一个虚拟导纳Yp，该虚拟导纳Yp与输出导纳Yout_cl并联，将其加入到并网逆变器的控制环路中，并使逆变器在弱电网的系统中就能稳定运行。
更优选地，所述并网逆变器的控制环路中，通过采样PCC点电压，给定相关系数反馈到占空比信号中，从而达到并联虚拟阻抗的效果。
进一步的，为了实现并联虚拟导纳补偿，得到电压补偿系数矩阵为：
X＝(GdiGdel)-1[I-GdiGdel(Gdec-Gpi)]Yg(Zg-Zg0)Yout_cl(Gv PLL)-1
其中：Gdi为逆变器的d-q阻抗模型占空比与d-q电流之间的传递函数矩阵，Gdel为逆变器的d-q阻抗模型PWM信号延时矩阵，Gdec为逆变器的d-q阻抗模型d-q电流解耦矩阵，Gpi为逆变器的d-q阻抗模型电流的PI控制矩阵，I为逆变器并网侧d-q电流矩阵，
Figure BDA0001252074080000021
为逆变器并网侧PCC点电压和锁相环PLL输出之间的传递函数矩阵。
或者，为了实现并联虚拟导纳补偿，得到电压补偿系数矩阵为：
Figure BDA0001252074080000031
其中：Z′out_cl为简化后的逆变器d-q阻抗矩阵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、与现有的虚拟阻抗提高并网逆变器稳定性技术相比，本发明具有自适应弱电网阻抗变化的特性。本发明中所补偿的虚拟导纳将会根据弱电网阻抗在线测量值而定，提高了并网逆变器对弱电网阻抗变化的适应能力。
2、与现有的并网逆变器d-q阻抗建模方法相比，本发明提出了一种网逆变器d-q阻抗的简化模型，通过理论分析进行了合理假设，大大降低了并网逆变器d-q阻抗模型的阶数，提高了阻抗模型在稳定性分析与设计中的实用性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有逆变器并网系统电路示意图；
图2为现有逆变器及其控制系统数学模型框图；
图3为现有虚拟导纳补偿方法的等效电路示意图；
图4为本发明虚拟导纳补偿方法在逆变器控制中的设计方案示意图；
图5为本发明一实施例逆变器并网系统的阻抗比矩阵特征根奈奎斯特曲线图(网侧阻抗较小时)；
图6为本发明一实施例逆变器并网系统的阻抗比矩阵特征根奈奎斯特曲线图(网侧阻抗较大时)；
图7为仿真效果图，其中：(a)为本发明一实施例未加虚拟导纳补偿时逆变器并网系统在网侧阻抗较大情况下的PCC点电压电流仿真效果图；(b)为本发明一实施例加入虚拟导纳补偿时逆变器并网系统在网侧阻抗较大情况下的PCC点电压电流仿真效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明虚拟导纳方法用于提高逆变器在弱电网下的交互稳定性，其虚拟导纳的设计思路如下：根据并网逆变器的d-q导纳模型(假设为Yout_cl)，利用阻抗法分析逆变器与弱电网之间的交互关系，在某一电网阻抗Zg0下，并网系统是可以维持稳定的，从阻抗理论看，即并网系统的阻抗比Zg0·Yout_cl的奈奎斯特曲线处于稳定区域中；如果弱电网阻抗变化为Zg0+Z'g时，阻抗比(Zg0+Z'g)·Yout_cl的奈奎斯特曲线处于不稳定区域，并网系统则走向不稳定。通过在线测量弱电网阻抗的变化值，在并网逆变器的控制环路中接入虚拟导纳Yp，使得并网系统阻抗比(Zg0+Z'g)·(Yout_cl+Yp)的奈奎斯特曲线与Zg0·Yout_cl相同，并网系统的稳定性即可得到维持。同时，本发明采用了并网逆变器d-q阻抗简化模型进行虚拟导纳设计，大大降低了虚拟导纳在控制环路中实现的阶数，提高了本发明的实用性。
具体的，三相并网逆变器的d-q阻抗模型，d-q电流控制下的三相两电平并网逆变器系统配置如附图1所示。根据PCC点，将系统分为逆变器侧子系统与电网侧子系统，并分别进行阻抗建模。
在进行d-q阻抗建模前，需要进行如下假设：①逆变器的直流侧电容无穷大，分布式电源的功率波动可以忽略，即直流侧可以用直流电压源等效代替；②不考虑逆变器控制外环的影响，逆变器系统的阻抗主要由PLL和电流环决定，因此外环的影响可以忽略，以简化建模过程。
根据现有文献，比如“Analysis of D-Q Small-Signal Impedance of Grid-TiedInverters”，IEEE Transactions on Power Electronics，第31卷，第1期，2016，其中逆变器的d-q阻抗模型为：
Figure BDA0001252074080000041
在(1)式中，对各矩阵说明如下：
Figure BDA0001252074080000042
为不考虑控制的逆变器开环输出阻抗，Gdi为占空比与d-q电流之间的传递函数矩阵，Gdel为PWM信号延时矩阵，Gdec为d-q电流解耦矩阵，Gpi为电流的PI控制矩阵，
Figure BDA0001252074080000043
为PLL与d-q电流之间的传递函数矩阵，
Figure BDA0001252074080000044
为PLL与占空比之间的传递函数矩阵。I为逆变器并网侧d-q电流矩阵，d-q电流控制下逆变器的数学模型框图如图2所示。
而电网侧d-q阻抗模型为Zg，此时两个子系统间的阻抗比矩阵为
Figure BDA0001252074080000051
并网系统的稳定性可通过阻抗比矩阵两个特征根的奈奎斯特曲线和(-1,0)点的关系来判定。如果特征根的奈奎斯特曲线包围(-1,0)点，或者相位裕度与幅值裕度不足，则系统会出现不稳定。
弱电网下，电网侧阻抗的波动会改变阻抗比矩阵特征根的奈奎斯特曲线，降低系统的相位裕度与幅值裕度，影响并网系统的稳定性，针对该问题，本发明所述的虚拟导纳方法是一种基于d-q阻抗模型的逆变器虚拟导纳设计方法，根据并网逆变器的d-q导纳模型，确定逆变器与弱电网之间的交互关系，d-q阻抗模型与d-q导纳模型从数学上看呈逆矩阵关系。在线测量弱电网阻抗的变化值Z'g，在并网逆变器的控制环路中接入虚拟导纳Yp。具体详细过程介绍如下。
如图3所示，为虚拟导纳补偿的等效电路，逆变器用等效电流源
Figure BDA0001252074080000052
与输出导纳Yout_cl表示，Yp为所补偿的虚拟导纳。假设并网系统在某一较小电网阻抗Zg0下可以维持稳定运行，当系统阻抗较大时，逆变器可以通过在线量测电网阻抗，通过虚拟阻抗对其进行补偿，等效降低电网侧内阻抗，提高系统的稳定性。并联虚拟导纳的补偿思路如下：逆变器的控制参数首先按照理想电网的情况下进行设计，当接入实际电网后，在某一电网阻抗Zg0下，系统可以稳定运行，即系统的阻抗比矩阵Zg0Yout_cl两个根的奈奎斯特曲线处于稳定性区域当中。当电网阻抗变化为Zg时，可能会出现系统阻抗比矩阵两个特征根的奈奎斯特曲线相位裕度或幅值裕度不足的情况，此时可以通过并联虚拟导纳Yp来维持系统的稳定性，补偿导纳的具体量值由下式决定：
Zg(Yout_cl+Yp)＝Zg0Yout_cl (2)
根据(2)式可知，补偿后系统的阻抗比矩阵与电网阻抗为Zg0时的阻抗比矩阵相同，这样既保证了系统具有足够的稳定裕度，同时不会由于过补偿导致系统的动态性能降低，从而达到系统稳定性与动态性能的兼顾。通过(2)式可求得补偿矩阵的具体量值为：
Yp＝-Yg(Zg-Zg0)Yout_cl (3)
由(3)式可得，只要确定了稳定运行情况下的电网阻抗Zg0与实际电网阻抗Zg，从理论上说总可以通过该方法得到一个并联虚拟导纳，将其加入到控制逆变器环路中，并使逆变器在弱电网的系统中依旧可以稳定运行。
在逆变器的控制框图中，通过采样PCC点电压，给定相关系数反馈到占空比信号中，从而达到并联虚拟阻抗的效果，如图4所示。为了实现并联虚拟导纳补偿，可得图4中电压补偿系数矩阵为：
Figure BDA0001252074080000061
Figure BDA0001252074080000062
为逆变器并网侧PCC点电压和锁相环PLL输出之间的传递函数矩阵。
然而，由于矩阵乘法运算所带来的高阶问题，式(4)并不适用于实际控制器的改进，需要进行一定的简化，各矩阵的简化方法如下：
①逆变器等效电流源约等于给定参考电流
根据等效电路图3可知，并网电流由两部分组成，一部分是逆变器等效电流源，另一部分是逆变器的并联导纳分流，当逆变器接入理想电网时，网侧阻抗为0，并网电流将完全等于等效电流源的输出电流。在逆变器的电流控制器参数设计上，通过提高系统的环路增益，使得等效电流源
Figure BDA0001252074080000063
和给定的参考电流
Figure BDA0001252074080000064
(由可再生能源输出功率决定)近似，从而保证逆变器并网系统的稳态精度。即有：
Figure BDA0001252074080000065
②逆变器阻抗矩阵的简化
首先，由于逆变器采用了解耦控制，因此耦合阻抗的幅值较小，可将耦合阻抗简化为0，从而逆变器阻抗矩阵为对角阵。
其次，对于逆变器阻抗矩阵的对角元素，主要考虑各自在低频段的特性(系统并网稳定性的问题主要由低频段阻抗特性引起)，对于逆变器阻抗矩阵的q-q轴元素，其低频段阻抗特性主要由PLL控制环路决定。对于d-d轴元素，其受到PLL参数的影响较小，可忽略PLL传递函数与延时矩阵等。最终得到逆变器的简化阻抗矩阵为(6)式：
Figure BDA0001252074080000066
其中，Vdc为逆变器直流侧电压，kp和ki为电流环PI调节器参数，L为逆变器交流侧电感参数，R为逆变器交流侧电阻参数，
Figure BDA0001252074080000067
为PCC点d轴电压，
Figure BDA0001252074080000068
为逆变器交流侧d轴电流。
将简化步骤①与②代入(4)式中，可得简化后的补偿矩阵为：
Figure BDA0001252074080000071
如图1所示，为三相逆变器并网系统的配置方案，采用d-q电流解耦控制策略，直流侧设置为电压源，不考虑外环直流电压控制。在一实施例中，逆变器并网系统的具体参数如下：
电网线电压380V，直流侧电源电压800V，电网频率50Hz，逆变器滤波电感3.3mH，滤波电感漏电阻0.2Ω，网侧电感3.5mH。PLL比例控制器0.58，PLL积分控制器64.86，电流比例控制器0.0125，电流积分控制器3.14，开关频率20kHz，有功电流参考值100A，无功电流参考值0A，逆变器额定容量65kW。
随着电网侧阻抗的增大，对于并网逆变器系统而言其稳定裕度随之降低。按照奈奎斯特图的稳定性判据来看，阻抗比矩阵的奈奎斯特曲线应保证一定的相位裕度和幅值裕度，设定相位裕度>60度，幅值裕度>6dB，在以上电网参数条件下，系统阻抗比矩阵特征根的奈奎斯特曲线可满足要求，如图5所示。因此网侧电感的基准值可设定为：
Lg0＝3.5mH (8)
若弱电网阻抗出现波动，网侧电感增大为：
Lg＝7mH (9)
此时逆变器控制中若不加虚拟导纳补偿，则并网系统的阻抗比矩阵的奈奎斯特曲线图如图6所示。可见系统的相位裕度不足，逆变器并网系统出现不稳定问题，系统的PCC点电压与电流如图7中(a)所示。
加入相对应的虚拟导纳补偿后，并网系统的阻抗比矩阵的奈奎斯特曲线图由图6转变为图5，而系统的PCC点电压与电流如图7中(b)所示。可见，通过在逆变器控制中添加可对电网阻抗变化自适应调整的补偿矩阵，可以实现逆变器的并联虚拟导纳，等效提高逆变器对弱电网的适应能力，增强配网系统的稳定性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施实例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：包括：
S1：根据并网逆变器的d-q导纳模型，确定逆变器与弱电网之间的交互关系，即：
当弱电网阻抗不大于第一电网阻抗值Zg0时，并网系统能维持稳定；
当弱电网阻抗变化为第二电网阻抗值Zg时，并网系统则走向不稳定，其中Zg＝Zg0+Z'g，Z'g为弱电网阻抗的变化值，该变化值大于0；
S2：在线测量弱电网阻抗的变化值Z'g，在并网逆变器的控制环路中接入虚拟导纳Yp，虚拟导纳Yp对电网阻抗变化进行自适应调整，使得并网系统阻抗比(Zg0+Z'g)·(Yout_cl+Yp)的奈奎斯特曲线与Zg0·Yout_cl相同，其中Yout_cl为逆变器输出导纳，并网系统的稳定性即能得到维持，实现弱电网下并网逆变器稳定性的提高。
2.根据权利要求1所述的一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：S1中，利用阻抗法分析逆变器与弱电网之间的交互关系。
3.根据权利要求1所述的一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：所述虚拟导纳Yp，具体量值由下式决定：
Zg(Yout_cl+Yp)＝Zg0Yout_cl。
4.根据权利要求3所述的一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：所述虚拟导纳Yp是一个补偿矩阵，其具体量值为：
Yp＝-Yg(Zg-Zg0)Yout_cl；
由该公式可知，Yg是第二电网阻抗值Zg的倒数，只要确定了稳定运行情况下的电网阻抗Zg0与实际电网阻抗即第二电网阻抗值Zg，通过该方法得到一个虚拟导纳Yp，该虚拟导纳Yp与输出导纳Yout_cl并联，将其加入到并网逆变器的控制环路中，并使逆变器在弱电网的系统中就能稳定运行。
5.根据权利要求4所述的一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：所述并网逆变器的控制环路中，通过采样PCC点电压，给定相关系数反馈到占空比信号中，从而达到并联虚拟阻抗的效果。
6.根据权利要求5所述的一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：为了实现并联虚拟导纳补偿，得到电压补偿系数矩阵为：
Figure FDA0002336062720000021
其中：Gdi为逆变器的d-q阻抗模型占空比与d-q电流之间的传递函数矩阵，Gdel为逆变器的d-q阻抗模型PWM信号延时矩阵，Gdec为逆变器的d-q阻抗模型d-q电流解耦矩阵，Gpi为逆变器的d-q阻抗模型电流的PI控制矩阵，I为逆变器并网侧d-q电流矩阵，
Figure FDA0002336062720000022
为逆变器并网侧PCC点电压和锁相环PLL输出之间的传递函数矩阵。
7.根据权利要求5所述的一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法，其特征在于：为了实现并联虚拟导纳补偿，得到电压补偿系数矩阵为：
Figure FDA0002336062720000023
其中：Z′out_cl为简化后的逆变器d-q阻抗模型，Gpi为逆变器的d-q阻抗模型电流的PI控制矩阵，
Figure FDA0002336062720000024
为逆变器并网侧PCC点电压和锁相环PLL输出之间的传递函数矩阵。
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