CN108039729B - 弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法。本发明针对弱电网情况下多台逆变器均运行在电流源模式下时存在的稳定性问题，提出一种基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，该方法通过电网阻抗辨识算法获得多逆变器系统中某台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗，当其数值大于设定的等效电网阻抗边界值时，将多逆变器系统内其余并网逆变器逐个切换运行到电压源模式，直到辨识得到的等效电网阻抗值小于设定的等效电网阻抗边界值，从而提高整个多逆变器系统的并网稳定性。本发明不仅实施简单，而且大幅增加了多逆变器系统在弱电网情况下的稳定裕度，提高了多逆变器系统的电网适应性。

Description

弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法

技术领域

本发明涉及多逆变器系统并网的控制方法，尤其是涉及一种弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法。

背景技术

随着分布式发电系统的迅速发展，并网逆变器得到广泛应用。由于在地处偏远的分布式发电系统中存在长距离传输线以及大量变压装置，导致电网呈现一个不可忽略的等效阻抗，从而使电网呈现弱电网特性。此时，由多台并网逆变器构成的多逆变器系统并网运行时会与电网之间会形成一个动态的互联系统，该系统在其公共耦合点(point ofcommoncoupling，PCC)存在的电网阻抗将导致多逆变器系统并网稳定性下降，引起输出并网电流出现谐振。

目前，针对弱电网情况下的单台并网逆变器稳定性控制方法，既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，例如：

1)梁建钢、金新民、吴学智和童亦斌发表于2014年4月《电网技术》第38卷第4期上的《微电网逆变器VCS模式与CCS模式的切换技术》一文。该文针对分析了逆变器在并网状态时的电流源模式和孤岛状态时的下垂控制电压源模式之间的相互切换技术，提出了不同模式之间闭环跟踪互相切换的思想。该文所述的模式切换基于的是逆变器并网和孤岛两种状态，未考虑如何在并网模式下实现电流源和电压源模式的切换，并且该文基于单台逆变器进行分析，并未考虑多台逆变器构成的多逆变器系统。

2)中国专利文献CN 105356507 B于2017年8月29日授权公告的《基于电网阻抗自适应的LC型并网逆变器双模式控制方法》，通过电网阻抗辨识，根据设置的逆变器电流源与电压源并网模式相互切换的电网阻抗边界值，在低于切换边界值时逆变器采用电流源并网模式控制方法，在高于切换边界值时逆变器采用电压源并网模式控制方法，解决了在不同电网阻抗条件下，逆变器采用单一的电流源或电压源并网模式时，逆变器只能在相对较小的电网阻抗变化范围内稳定运行的缺点。但是，该文基于的是单台逆变器进行电流源模式和电压源模式的相互切换，也并未考虑多台逆变器构成的多逆变器系统的模式自适应切换问题。

3)中国专利文献CN 103928946 B于2015年10月21日授权公告的《一种三相双模式逆变器的平滑切换控制方法》，是通过自然衰减的软启动虚拟阻抗来实现离网模式平滑切换到并网模式，并采用单环电流反馈控制快速衰减逆变器入网电流，实现并网模式向离网模式的切换，解决了并网时电流冲击大和离网时直流侧电压波动的问题。但是，该文考虑的是逆变器在并网与离网两种情况下的电流源与电压源模式相互切换的问题，并未涉及逆变器在并网情况下根据电网阻抗进行电流源与电压源模式之间相互切换的问题。而且，该文基于单台逆变器进行分析，并未考虑多台逆变器构成的多逆变器系统中的模式自适应切换问题。

4)中国专利文献CN 104485689 B于2016年8月24日授权公告的《基于自适应模式切换的下垂控制方法》，根据电网频率是否发生剧烈波动来判断微网储能逆变器的模式，当电网频率发生大幅波动时使逆变器运行在电流源模式，而频率正常时则采用基于下垂控制的电压源模式。该文根据电网频率是否剧烈波动作为电流源与电压源模式之间的切换依据，但是，并未涉及逆变器在并网情况下根据电网阻抗进行电流源与电压源并网模式之间切换的问题。同样的，该文仅考虑了单台逆变器的模式切换问题，并未设计多台逆变器构成的多逆变器系统的模式自适应切换问题。

而针对弱电网情况下的多台并网逆变器构成的多逆变器系统，其稳定性控制方法同样既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，例如：

1)唐振东、杨洪耕和袁林发表于2016年11月《电网技术》第40卷第11期上的《弱电网下多逆变器并网控制通道间的交互影响分析》一文。该文针对弱电网多逆变器系统的稳定性问题，分析了随着并网逆变器台数、控制参数和电网等值阻抗改变时交互影响的变化特性。但是，该文仅仅给出了多逆变器系统在弱电网下存在的谐振等不稳定现象的发生机理，并未考虑弱电网下多逆变器系统稳定性控制策略以实现对谐振现象的抑制。而且，该文分析的多逆变器系统仅考虑了并网逆变器运行在单一电流源模式，并未考虑切换到电压源模式运行。

2)中国专利文献CN 103401242 B于2016年3月9日授权公告的《一种多逆变器系统谐振抑制装置及控制方法》，通过添加一种多逆变器系统谐振抑制装置来抑制多逆变器系统的谐振现象。但是，这篇文献考虑的是多逆变系统本身由于LCL输出滤波器导致的稳定性下降问题，并未涉及多逆变器系统在接入弱电网情况下由于电网阻抗存在引起的多逆变器系统谐振，并且由于两篇文献所提出的方案均需要额外增加谐振抑制装置，存在成本高、占用空间体积大的问题。同样的，这篇文献中所述的多逆变器系统仅考虑了系统中所有的并网逆变器均运行在单一电流源模式，也并未考虑将变为逆变器切换到电压源模式来提高系统稳定性的问题。

3)中国专利文献CN 106026194 A于2016年10月12日公开的《提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗鲁棒性的方法》，是通过基于无源网络的方法，即投切电容方法和并联电容电阻方法来提高并网逆变器对电网阻抗的鲁棒性，但是，该文所提方案需要额外增加电容和电阻等无源装置，同样存在成本高、占用空间体积大的问题，并且还引入了不必要的损耗。同样的，这篇文献中所述的多逆变器系统仅考虑了并网逆变器运行在单一电流源模式，也并未涉及通过模式自适应切换提高系统稳定性的问题。

4)中国专利文献CN 105207219 A于2015年12月30日公开的《多逆变器并联接入弱电网的多重谐振抑制方法》，是通过电容电压反馈的有源陷波器，实现多逆变器系统在弱电网下谐振峰的抑制，但是该文考虑的仅仅是单台逆变器电流控制环谐振的抑制，但并不能保证多逆变器系统的谐振得到抑制，即并未考虑所提方案能否抑制整个多逆变器系统由于弱电网引起的谐振问题；并且该文所提方案对每台逆变器均需要添加相应的控制算法，增加了多逆变器控制系统的复杂度。同样的，这篇文献中所述的多逆变器系统仅考虑了系统中所有的并网逆变器均运行在单一电流源模式，也并未考虑将变为逆变器切换到电压源模式来提高系统稳定性的问题。

综上所述，现有技术存在以下问题：

(1)现有的电流源与电压源模式之间的切换文献包括在并网与孤岛两种情况下的电流源与电压源模式之间的切换，也有根据电网频率是否剧烈波动作为电流源与电压源模式之间的切换依据，以及通过电网阻抗辨识实现逆变器电流源与电压源两种并网模式的切换，但是，上述所述的模式切换方法均基于单台并网逆变器，并未设计多台并网逆变器构成的多逆变器系统；

(2)针对弱电网情况下的多逆变器系统谐振问题，现有文献采用通过在系统中安装谐振抑制装置或者串联无源器件等方式来实现多逆变器系统谐振的抑制，增加了系统的成本和体积，并且增加了系统的损耗；

(3)现有文献针对多逆变器系统在弱电网下的有源阻尼抑制方法，仅仅考虑通过抑制每台并网逆变器谐振的方法来达到系统谐振抑制的目的，并不能保证多逆变器系统级层面谐振的抑制，并且对每台并网逆变器均需要添加相应的控制算法，增加了多并网逆变器控制系统的复杂度；

(4)现有文献均未涉及通过电网阻抗辨识算法获得多逆变器系统中某台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗，当其数值大于设定的等效电网阻抗边界值时，将多逆变器系统内其余并网逆变器逐个切换运行到电压源模式，直到辨识得到的等效电网阻抗值小于设定的等效电网阻抗边界值，从而提高整个多逆变器系统的并网稳定性的问题。

发明内容

为克服上述各种技术方案的局限性，本发明针对弱电网情况下多台并网逆变器均运行在电流源模式下时存在的稳定性问题，提出一种基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，该方法通过电网阻抗辨识算法获得多逆变器系统中某台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗，当其数值大于设定的等效电网阻抗边界值时，将多逆变器系统内其余并网逆变器逐个切换运行到电压源模式，直到辨识得到的等效电网阻抗值小于设定的等效电网阻抗边界值，从而提高整个多逆变器系统的并网稳定性。本发明不仅实施简单，而且大幅增加了多逆变器系统在弱电网情况下的稳定裕度，提高了多逆变器系统的电网适应性。

本发明的目的是这样实现的。本发明提出了一种弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，本控制方法所涉及的多逆变器系统包括n台并网逆变器，n为正整数，且n>1；

本控制方法的步骤如下：

步骤1，设置n台并网逆变器均运行在电流源模式；

步骤2，从n台并网逆变器中任意选择1台并网逆变器，记为并网逆变器A，通过电网阻抗辨识算法获得并网逆变器A公共耦合点的等效电网阻抗，并记为Z_{g_est}；

步骤3，设置其余n-1台并网逆变器中需要自适应切换到电压源模式的台数为k，k＝0,1,2,…,n-1，并设置其余n-1台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗边界值δ，根据步骤2得到的并网逆变器A公共耦合点的等效电网阻抗Z_{g_est}进行如下判断及操作：

当满足Z_{g_est}≤δ时，其余n-1台并网逆变器保持运行在电流源模式，并结束本控制流程；

当满足Z_{g_est}＞δ时，其余n-1台并网逆变器中自适应切换到电压源模式的台数k从0开始逐个增加，直到满足Z_{g_est}≤δ，结束本控制流程。

优选地，所述电流源模式的控制步骤如下：

步骤1.1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，采集公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中，ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；

步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤1.4，设置输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref，并根据步骤1.3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

电网电流闭环控制方程为：

其中，K_p为电网电流闭环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i为电网电流闭环控制方程中PI调节器的积分控制系数；

步骤1.5，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤1.4得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_d cosθ-u_q sinθ

步骤1.6，根据步骤1.5得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤1.1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc相加，得到三相全桥并网逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_pcca、u_b+u_pccb、u_c+u_pccc，再经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，经过驱动电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。

优选地，步骤2所述电网阻抗辨识算法步骤如下：

步骤2.1，在公共耦合点PCC处注入频率75Hz的非特征次谐波电流；

步骤2.2，采样公共耦合点PCC处的谐波响应电压u_pcch和谐波响应电流i_gh；

步骤2.3，通过快速傅里叶算法FFT分别对谐波响应电压u_pcch和谐波响应电流i_gh进行频谱分析，分别获得在75Hz频率处谐波响应电压分量的幅值|U_{pcch_75Hz}|、75Hz频率处谐波响应电压分量的相位∠U_{pcch_75Hz}、75Hz频率处的谐波响应电流分量的幅值|I_{pcch_75Hz}|、75Hz频率处的谐波响应电流分量的相位∠I_{pcch_75Hz}；根据下式得到在75Hz频率处电网阻抗的幅值|Z_g|和75Hz频率处电网阻抗的相位∠Z_g：

∠Z_g＝∠U_{pcch_75Hz}-∠I_{pcch_75Hz}；

步骤2.4，根据步骤2.3得到的在75Hz频率处电网阻抗的幅值|Z_g|和75Hz频率处电网阻抗的相位∠Z_g，按照下式计算得到电网阻抗辨识值Z_{g_est}：

优选地，步骤3所述电压源模式的控制步骤如下：

步骤3.1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，采集公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤3.2，根据步骤3.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，经三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程得到输出并网电流αβ轴分量i_gα、i_gβ；根据步骤3.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程得到公共耦合点电压αβ轴分量u_pccα、u_pccβ；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程为：

步骤3.3，根据步骤3.2得到的输出并网电流αβ轴分量i_gα、i_gβ，以及公共耦合点电压αβ轴分量u_pccα、u_pccβ，先经过平均有功功率计算方程得到平均有功功率

再经过平均无功功率计算方程得到平均无功功率Q；

平均有功功率计算方程为：

平均无功功率计算方程为：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤3.4，根据步骤3.3得到的平均有功功率

经有功功率-频率下垂控制方程得到并网逆变器的输出角频率ω；其中有功功率-频率下垂控制方程为：

其中，P_n为并网逆变器给定有功功率指令，ω_n为并网逆变器在给定有功功率指令P_n时所对应的额定角频率，D_p为有功下垂系数；

对并网逆变器的输出角频率ω积分得到并网逆变器输出相角θ₀，即：

步骤3.5，根据步骤3.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，以及根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；

公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3.6，根据步骤3.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3.7，根据步骤3.3得到的并网逆变器输出平均无功功率_Q，经无功功率-幅值下垂控制方程得到并网逆变器的公共耦合点电压dq分量基准值u_pccdref、u_pccqref，无功功率-幅值下垂控制方程为：

u_pccqref＝0

其中，U_n为并网逆变器在给无功功率指令，Q_n时所对应的额定输出电压，D_q为无功下垂系数；

步骤3.8，先根据步骤3.5得到的公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq，以及步骤3.7得到的公共耦合点电压dq分量基准值u_pccdref、u_pccqref，再通过电压环控制方程得到输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref；

电压环控制方程为：

其中，K_p1为电压环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i1为电压环控制方程中PI调节器的积分控制系数；

步骤3.9，先根据步骤3.8得到的输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref，并根据步骤3.6得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电流环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

电流环控制方程为：

其中，K_p2为电流环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i2为电流环控制方程中PI调节器的积分控制系数；

步骤3.10，根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，将步骤3.9得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_d cosθ₀-u_q sinθ₀

步骤3.11，根据步骤3.10得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤3.1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc相加，得到三相全桥并网逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_pcca、u_b+u_pccb、u_c+u_pccc，再经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，经过驱动电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明不仅实施简单，而且能够大幅增加了多逆变器系统在弱电网情况下的稳定裕度，提高了多逆变器系统的电网适应性；

2、本发明可以提高整个多逆变器系统并网稳定性，抑制弱电网情况下多台逆变器均运行在电流源模式下时在引起的谐振等稳定性问题；

3、本发明不需要额外在系统中安装谐振抑制装置或者串联无源器件等方式来实现多逆变器系统谐振的抑制，不会增加系统的成本、体积和系统损耗；

4、本发明仅需通过电网阻抗辨识算法获得多逆变器系统中某台逆变器公共耦合点的等效电网阻抗，当其数值大于设定的等效电网阻抗边界值时，将多逆变器系统内其余逆变器逐个切换运行到电压源模式，直到辨识得到的等效电网阻抗值小于设定的等效电网阻抗边界值，从而提高整个多逆变器系统的并网稳定性，实现方式简便有效。

附图说明

图1为本发明所采用的弱电网下多逆变器并网系统拓扑结构。

图2为本发明的实施流程图。

图3为弱电网下多逆变器并网系统中单台并网逆变器运行在电流源模式时控制策略示意图。

图4为弱电网下多逆变器并网系统中单台并网逆变器运行在电压源模式时控制策略示意图。

图5为本发明基于非特征谐波注入的电网阻抗辨识算法框图。

图6为3台并网逆变器构成的多逆变器系统未采用本发明所提出控制策略的第1台逆变器输出并网电流波形。

图7为3台并网逆变器构成的多逆变器系统未采用本发明所提出控制策略的第1台逆变器输出并网电流谐波频谱图。

图8为3台并网逆变器构成的多逆变器系统采用本发明所提出控制策略的第1台逆变器输出并网电流波形。

图9为3台并网逆变器构成的多逆变器系统采用本发明所提出控制策略的第1台逆变器输出并网电流谐波频谱图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，以解决现有技术存在的弱电网情况下多台逆变器均运行在电流源模式下时存在的稳定性问题，通过电网阻抗辨识算法获得多逆变器系统中某台逆变器公共耦合点的等效电网阻抗，当其数值大于设定的等效电网阻抗边界值时，将多逆变器系统内其余逆变器逐个切换运行到电压源模式，直到辨识得到的等效电网阻抗值小于设定的等效电网阻抗边界值，从而提高整个多逆变器系统的并网稳定性。本发明不仅实施简单，而且大幅增加了多逆变器系统在弱电网情况下的稳定裕度，提高了多逆变器系统的电网适应性。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明所采用的弱电网下多逆变器系统拓扑结构如图1所示。该弱电网下多逆变器系统拓扑结构由多台相同的并网逆变器组成，多逆变器系统中并网逆变器的数量为n，n为正整数，且n>1；每台并网逆变器拓扑结构包括直流侧滤波电容C_dc、三相桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L₁、滤波电容C、阻尼电阻R_d、网侧电感L₂、LCL型滤波器通过公共耦合点PCC与带有电网阻抗Z_g的三相电网相连，r_g为电网阻抗Z_g的阻性分量，L_g为电网阻抗Z_g的感性分量，r_g和L_g构成电网阻抗Z_g，电网阻抗Z_g表达式如下：

Z_g＝r_g+s·L_g

式中的s为拉普拉斯算子。本实施例中，C_dc＝600μF，L₁＝0.9mH，C＝40μF，R_d＝0.15Ω，L₂＝0.1mH，r_g＝0，L_g＝0.5mH。

图2为本发明的实施流程图。由图2可见，本发明由以下几个步骤组成：

步骤1，设置n台并网逆变器均运行在电流源模式；

步骤2，从n台并网逆变器任意选择1台并网逆变器，并记为并网逆变器A，通过电网阻抗辨识算法获得并网逆变器A公共耦合点的等效电网阻抗，并记为Z_{g_est}；

步骤3，设置其余n-1台并网逆变器中需要自适应切换到电压源模式的台数为k，k＝0,1,2,…,n-1，并设置其余n-1台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗边界值δ，根据步骤2得到的并网逆变器A公共耦合点的等效电网阻抗Z_{g_est}进行如下判断及操作：

当满足Z_{g_est}≤δ时，其余n-1台并网逆变器保持运行在电流源模式，并结束本控制流程；

当满足Z_{g_est}＞δ时，其余n-1台并网逆变器中自适应切换到电压源模式的台数k从0开始逐个增加，直到满足Z_{g_est}≤δ，结束本控制流程。

在本发明实例中，δ＝1.2mH。

图3为弱电网下多逆变器系统中单台并网逆变器运行在电流源模式时控制策略示意图。由图3可见，运行在电流源模式的并网逆变器控制策略步骤如下：

步骤1.1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，采集公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc。

步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ。

公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。在本发明实施例中，ω₀＝314rad/s，K_{p_PLL}＝2000，K_{i_PLL}＝1。

步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq。

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤1.4，设置输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref，并根据步骤1.3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到控制信号u_d和u_q。

电网电流闭环控制方程为：

其中，K_p为电网电流闭环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i为电网电流闭环控制方程中PI调节器的积分控制系数。在本发明实施例中，K_p＝210，K_i＝2800。

步骤1.5，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤1.4得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c。

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_d cosθ-u_q sinθ

步骤1.6，根据步骤1.5得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤1.1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc相加，得到三相全桥并网逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_pcca、u_b+u_pccb、u_c+u_pccc，再经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，经过驱动电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。

图4为弱电网下多逆变器系统中单台并网逆变器运行在电压源模式时控制策略示意图。由图4可见，本发明步骤3所述运行在电压源模式的并网逆变器控制策略步骤如下：

步骤3.1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，采集公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc。

步骤3.2，根据步骤3.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，经三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程得到输出并网电流αβ轴分量i_gα、i_gβ；根据步骤3.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程得到公共耦合点电压αβ轴分量u_pccα、u_pccβ。

输出并网电流由三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程为：

步骤3.3，根据步骤3.2得到的输出并网电流αβ轴分量i_gα、i_gβ，以及公共耦合点电压αβ轴分量u_pccα、u_pccβ，先经过平均有功功率计算方程得到平均有功功率

再经过平均无功功率计算方程得到平均无功功率

平均有功功率计算方程为：

平均无功功率计算方程为：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。在本发明实施例中，τ＝0.00667s。

步骤3.4，根据步骤3.3得到的平均有功功率

经有功功率-频率下垂控制方程得到并网逆变器的输出角频率ω；其中有功功率-频率下垂控制方程为：

其中，P_n为并网逆变器给定有功功率指令，ω_n为并网逆变器在给定有功功率指令P_n时所对应的额定角频率，D_p为有功下垂系数。在本发明实施例中，ω_n＝314rad/s，P_n＝20kW，D_p＝0.0001。

对并网逆变器的输出角频率ω积分得到并网逆变器输出相角θ₀，即：

步骤3.5，根据步骤3.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，以及根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq。

公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3.6，根据步骤3.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到输出并网电流dq分量i_gd和i_gq。

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3.7，根据步骤3.3得到的并网逆变器输出平均无功功率

经无功功率-幅值下垂控制方程得到并网逆变器的公共耦合点电压dq分量基准值u_pccdref、u_pccqref，无功功率-幅值下垂控制方程为：

u_pccqref＝0

其中，U_n为并网逆变器在给无功功率指令，Q_n时所对应的额定输出电压，D_q为无功下垂系数。在本发明实施例中，U_n＝220V，Q_n＝0，D_q＝0.0001。

步骤3.8，先根据步骤3.5得到的公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq，以及步骤3.7得到的公共耦合点电压dq分量基准值u_pccdref、u_pccqref，再通过电压环控制方程得到输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref。

电压环控制方程为：

其中，K_p1为电压环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i1为电压环控制方程中PI调节器的积分控制系数。在本发明实施例中，K_p1＝1，K_i1＝1000。

步骤3.9，先根据步骤3.8得到的输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref，并根据步骤3.6得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电流环控制方程得到控制信号u_d和u_q。

电流环控制方程为：

其中，K_p2为电流环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i2为电流环控制方程中PI调节器的积分控制系数。在本发明实施例中，K_p2＝100，K_i2＝0。

步骤3.10，根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，将步骤3.9得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c。

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_d cosθ₀-u_q sinθ₀

步骤3.11，根据步骤3.10得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤3.1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc相加，得到三相全桥并网逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_pcca、u_b+u_pccb、u_c+u_pccc，再经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，经过驱动电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。

图5为本发明基于非特征谐波注入的电网阻抗辨识方法框图。根据图5，本发明步骤2所述电网阻抗辨识算法的步骤如下：

步骤2.1，在公共耦合点PCC处注入频率75Hz的非特征次谐波电流。在本发明实例中，注入频率75Hz的非特征次谐波电流幅值为2A；

步骤2.2，采样公共耦合点PCC处的谐波响应电压u_pcch和谐波响应电流i_gh；

步骤2.3，通过快速傅里叶算法FFT分别对谐波响应电压u_pcch和谐波响应电流i_gh进行频谱分析，分别获得在75Hz频率处谐波响应电压分量的幅值|U_{pcch_75Hz}|、75Hz频率处谐波响应电压分量的相位∠U_{pcch_75Hz}、75Hz频率处的谐波响应电流分量的幅值|I_{pcch_75Hz}|、75Hz频率处的谐波响应电流分量的相位∠I_{pcch_75Hz}；根据下式得到在75Hz频率处电网阻抗的幅值|Z_g|和75Hz频率处电网阻抗的相位∠Z_g：

∠Z_g＝∠U_{pcch_75Hz}-∠I_{pcch_75Hz}；

步骤2.4，根据步骤2.3得到的在75Hz频率处电网阻抗的幅值|Z_g|和75Hz频率处电网阻抗的相位∠Z_g，按照下式计算得到电网阻抗辨识值Z_{g_est}：

在本发明实施例中，以n＝3时构成的多逆变器系统为例。图6和图7分别给出了3台并网逆变器构成的多逆变器系统未采用本发明所提出控制策略的第1台逆变器输出并网电流波形和谐波频谱图。此时，多逆变器系统的每台并网逆变器均运行在电流源模式。由图6可见此时第1台逆变器输出并网电流波形出现明显的谐波，并且根据图7可见此时第1台逆变器输出并网电流谐波总畸变率THD＝11.34％。图8和图9分别给出了3台并网逆变器构成的多逆变器系统采用本发明所提出控制策略的第1台逆变器输出并网电流波形和谐波频谱图。此时，通过电网阻抗辨识算法获得第1台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗Z_{g_est}>δ＝1.2mH，根据图2所示的本发明实施流程图，此时多逆变器系统的其余2台并网逆变器中的1台逆变器切换到电压源模式运行，由图8可见此时第1台逆变器输出并网电流波形质量得到改善，并且根据图9可见此时第1台逆变器输出并网电流谐波总畸变率THD＝1.71％。对比图6、图7、图8和图9可见，本发明提出的弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法可以有效改善弱电网下多逆变器系统输出并网电流质量，有效增加了多逆变器系统在弱电网情况下的稳定裕度，提高了多逆变器系统的电网适应性。

Claims (4)

1.一种弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，其特征在于，本控制方法所涉及的多逆变器系统包括n台并网逆变器，n为正整数，且n>1；

本控制方法的步骤如下：

步骤1，设置n台并网逆变器均运行在电流源模式；

步骤2，从n台并网逆变器中任意选择1台并网逆变器，记为并网逆变器A，通过电网阻抗辨识算法获得并网逆变器A公共耦合点的等效电网阻抗，并记为Z_{g_est}；

步骤3，设置其余n-1台并网逆变器中需要自适应切换到电压源模式的台数为k，k＝0,1,2,…,n-1，并设置其余n-1台并网逆变器公共耦合点的等效电网阻抗边界值δ，根据步骤2得到的并网逆变器A公共耦合点的等效电网阻抗Z_{g_est}进行如下判断及操作：

当满足Z_{g_est}≤δ时，其余n-1台并网逆变器保持运行在电流源模式，并结束本控制流程；

当满足Z_{g_est}＞δ时，其余n-1台并网逆变器中自适应切换到电压源模式的台数k从0开始逐个增加，直到满足Z_{g_est}≤δ，结束本控制流程。

2.根据权利要求1所述的弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，其特征在于，所述电流源模式的控制步骤如下：

步骤1.1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，采集公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中，ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；

步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤1.4，设置输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref，并根据步骤1.3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

电网电流闭环控制方程为：

其中，K_p为电网电流闭环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i为电网电流闭环控制方程中PI调节器的积分控制系数；

步骤1.5，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤1.4得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

步骤1.6，根据步骤1.5得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤1.1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc相加，得到三相全桥并网逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_pcca、u_b+u_pccb、u_c+u_pccc，再经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，经过驱动电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。

3.根据权利要求1所述的弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，其特征在于，步骤2所述电网阻抗辨识算法步骤如下：

步骤2.1，在公共耦合点PCC处注入频率75Hz的非特征次谐波电流；

步骤2.2，采样公共耦合点PCC处的谐波响应电压u_pcch和谐波响应电流i_gh；

步骤2.3，通过快速傅里叶算法FFT分别对谐波响应电压u_pcch和谐波响应电流i_gh进行频谱分析，分别获得在75Hz频率处谐波响应电压分量的幅值|U_{pcch_75Hz}|、75Hz频率处谐波响应电压分量的相位∠U_{pcch_75Hz}、75Hz频率处的谐波响应电流分量的幅值|I_{pcch_75Hz}|、75Hz频率处的谐波响应电流分量的相位∠I_{pcch_75Hz}；根据下式得到在75Hz频率处电网阻抗的幅值|Z_g|和75Hz频率处电网阻抗的相位∠Z_g：

∠Z_g＝∠U_{pcch_75Hz}-∠I_{pcch_75Hz}；

步骤2.4，根据步骤2.3得到的在75Hz频率处电网阻抗的幅值|Z_g|和75Hz频率处电网阻抗的相位∠Z_g，按照下式计算得到电网阻抗辨识值Z_{g_est}：

4.根据权利要求1所述的弱电网下基于模式自适应的多逆变器系统稳定控制方法，其特征在于，步骤3所述电压源模式的控制步骤如下：

步骤3.1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，采集公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤3.2，根据步骤3.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，经三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程得到输出并网电流αβ轴分量i_gα、i_gβ；根据步骤3.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程得到公共耦合点电压αβ轴分量u_pccα、u_pccβ；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换方程为：

步骤3.3，根据步骤3.2得到的输出并网电流αβ轴分量i_gα、i_gβ，以及公共耦合点电压αβ轴分量u_pccα、u_pccβ，先经过平均有功功率计算方程得到平均有功功率

再经过平均无功功率计算方程得到平均无功功率

平均有功功率计算方程为：

平均无功功率计算方程为：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤3.4，根据步骤3.3得到的平均有功功率

经有功功率-频率下垂控制方程得到并网逆变器的输出角频率ω；其中有功功率-频率下垂控制方程为：

其中，P_n为并网逆变器给定有功功率指令，ω_n为并网逆变器在给定有功功率指令P_n时所对应的额定角频率，D_p为有功下垂系数；

对并网逆变器的输出角频率ω积分得到并网逆变器输出相角θ₀，即：

步骤3.5，根据步骤3.1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，以及根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；

公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3.6，根据步骤3.1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3.7，根据步骤3.3得到的并网逆变器输出平均无功功率

经无功功率-幅值下垂控制方程得到并网逆变器的公共耦合点电压dq分量基准值u_pccdref、u_pccqref，无功功率-幅值下垂控制方程为：

其中，U_n为并网逆变器在给无功功率指令，Q_n时所对应的额定输出电压，D_q为无功下垂系数；

步骤3.8，先根据步骤3.5得到的公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq，以及步骤3.7得到的公共耦合点电压dq分量基准值u_pccdref、u_pccqref，再通过电压环控制方程得到输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref；

电压环控制方程为：

其中，K_p1为电压环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i1为电压环控制方程中PI调节器的积分控制系数；

步骤3.9，先根据步骤3.8得到的输出并网电流指令信号i_gdref、i_gqref，并根据步骤3.6得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电流环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

电流环控制方程为：

其中，K_p2为电流环控制方程中PI调节器的比例控制系数，K_i2为电流环控制方程中PI调节器的积分控制系数；

步骤3.10，根据步骤3.4得到的并网逆变器输出相角θ₀，将步骤3.9得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

步骤3.11，根据步骤3.10得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤3.1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc相加，得到三相全桥并网逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_pcca、u_b+u_pccb、u_c+u_pccc，再经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，经过驱动电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。

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